【正文】 本，所以標(biāo)準(zhǔn)最終未能執(zhí)行。無鉛焊料的可靠性畢業(yè)論文目 錄第1章 緒論 1無鉛焊料的發(fā)展 1第2章 無鉛焊料簡介 3 3 3第3章無鉛焊料的優(yōu)缺點(diǎn)分析 5 5 5 熔點(diǎn)高 5 5 SnAgCu系 6 SnAgCu優(yōu)點(diǎn) 6 SnAgCu缺點(diǎn) 6 SnCu系 6 SnCu優(yōu)點(diǎn)： 7 7 SnZn（Bi）系 7 SnZn優(yōu)點(diǎn) 7 Sn Zn缺點(diǎn) 8 SnAgInBi系 8 SnAgInBi優(yōu)點(diǎn) 8 8第4章 無鉛焊料的開發(fā)與應(yīng)用 10 無鉛焊料的錫原料供應(yīng)量 10 焊料現(xiàn)狀與有效使用方法 10 其它研究課題 15第5章 過渡階段有鉛、無鉛混用應(yīng)注意的問題 17 關(guān)于過渡時(shí)期無鉛焊接可靠性的討論 17 錫晶須問題 18 空洞、裂紋及焊接面空洞或稱微孔 18 金屬間化合物的脆性 19 機(jī)械震動(dòng)失效 20 20 電氣可靠性 20 無鉛焊接可靠性討論小結(jié) 20 隱蔽的缺陷使無鉛產(chǎn)品的長期可靠性增加了不確定的因素 21 影響無鉛產(chǎn)品長期可靠性的因素 21第6章無鉛焊料及其可靠性的研究進(jìn)展 22 無鉛焊料及焊點(diǎn)的成分、組織與性能 22 SnAg 系合金SnAg 22 SnZn 23 SnBi 24 SnSb 系與SnIn 24 無鉛焊料的微電子應(yīng)用與可靠性問題 25 焊點(diǎn)的剪切疲勞與蠕變問題 25 電遷移（Electromigration）問題 26 無鉛焊料引入的新的可靠性問題 26第7章無鉛技術(shù)最新動(dòng)態(tài) 28 28 無鉛制造進(jìn)展迅速 28 無鉛系統(tǒng)開發(fā)任重道遠(yuǎn) 29 無鉛焊料呈現(xiàn)系列化和多樣化 29 無鉛元器件正重點(diǎn)突破 30 無鉛設(shè)備/工藝力求精益求精 30 無鉛的可靠性正廣泛試驗(yàn) 30 無鉛凸點(diǎn)制備有待推廣 30 無鉛標(biāo)準(zhǔn)尚待統(tǒng)一 31第八章 結(jié)論 32致 謝 33參考文獻(xiàn) 34III無鉛焊料的可靠性第1章 緒論無鉛焊料的發(fā)展將金屬鉛用作低溫焊料已有多年的歷史，其優(yōu)點(diǎn)在于鉛錫合金可在較低溫度下熔化，而且鉛的儲(chǔ)量豐富、價(jià)格便宜。但無鉛工藝的發(fā)展沒有停滯，制造商正在積極討論在材料、回流焊溫度、PCB、裝配過程和檢測等方面制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。鍍層質(zhì)量是指電鍍不產(chǎn)生晶須、表面光澤好、與鎳層結(jié)合牢固。 無鉛焊料的選擇 貼裝無鉛化，主要在于無鉛焊料的選擇及焊接工藝的調(diào)整，其中尤以無鉛焊料的選擇最為關(guān)鍵。245℃即具有很好的潤濕性，但在表面貼裝時(shí)，由于大元件較大的熱容量，回流焊溫度需提高到260℃。 ：熔點(diǎn)200~216℃，潤濕性最佳，表面最亮，抗熱疲勞及耐蠕變性與SnAgCu焊料相當(dāng)，強(qiáng)度優(yōu)于SnPb。SnZn的低共熔點(diǎn)199℃，接近于SnPb。要從根本上解決這一問題，必須改變PCB材料，但這絕非一朝一夕可以完成的，現(xiàn)在也并無跡象表明PCB制造商準(zhǔn)備改變其所用材料。.鉛及其化合物會(huì)給人類生活環(huán)境和安全帶來較大的危害。我國一些獨(dú)資和合資企業(yè)的出口產(chǎn)品也有了應(yīng)用。第2章 無鉛焊料簡介⑴熔點(diǎn)低，合金共晶溫度近似于Sn63/Pb37的共晶焊料相當(dāng)，具有良好的潤濕性；機(jī)械性能良好，焊點(diǎn)要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱老化性能； ⑵熱傳導(dǎo)率和導(dǎo)電率要與Sn63/Pb37的共晶焊料相當(dāng)，具有良好的潤濕性； ⑶機(jī)械性能良好，焊點(diǎn)要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱老化性能； ⑷要與現(xiàn)有的焊接設(shè)備和工藝兼容，可在不更換設(shè)備不改變現(xiàn)行工藝的條件下進(jìn)行焊 接。 表21無鉛焊料的優(yōu)缺點(diǎn)種 類優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)SnAg具有優(yōu)良的機(jī)械性能、拉伸強(qiáng)度、蠕變特性及耐熱老化比SnPb共晶焊料稍差，但不存在延展性隨時(shí)間加長而劣化的問題。.. 元器件要求元件體耐高溫，而且無鉛化。.. 焊接設(shè)備要適應(yīng)較高的焊接溫度要求。目前，國內(nèi)關(guān)于無鉛焊料和無鉛釬料的專利共有69條，從中可以看出我國自己的專利申請速度在不斷加快。但無鉛焊料相對于SnPb焊料而言仍存在三大不可忽視的弱點(diǎn)。金屬溶解速度過快會(huì)導(dǎo)致以下幾方面的問題。這種合金具有優(yōu)良的物理性能和高溫穩(wěn)定性，因此也成為各種無鉛焊接工藝中的首選候補(bǔ)焊料。 SnAgCu優(yōu)點(diǎn)⑴由于合金中彌散分布有微細(xì)的Ag 3Sn和Cu6Sn5等金屬間化合物強(qiáng)化相，因此可實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的機(jī)械性能和高溫穩(wěn)定性；⑵溶化溫度區(qū)間（固相線和液相線的溫度差）窄；⑶SnAgCu焊料可以滿足各種形狀需要，包括焊條、焊絲、焊球等；⑷與鍍Pb元器件兼容較好，由溶Pb引起的焊點(diǎn)剝離情況比其他無鉛焊料少。有研究認(rèn)為，空洞的形成與焊料與導(dǎo)線及焊料與基板的界面狀態(tài)有關(guān)。因此，Sn Cu焊料的熱疲勞和可靠性等還有待證實(shí)。但由于存在基板的耐熱性以及與鍍Pb元器件的兼容性等問題。 SnZn（Bi）系在幾種常見的無鉛焊料中，SnZn共晶焊料的熔點(diǎn)與SnPb焊料最為接近，因此目前對于SnZn焊料的研究也較為廣泛。目前，添加3%Bi的SnZn合金已達(dá)到實(shí)用化，但二次返修時(shí)，會(huì)發(fā)生類似脫焊的現(xiàn)象。并已有實(shí)驗(yàn)證明，在乙醇松香中加入少量SnCl 2作為助焊劑可大大改善SnZn對銅的浸潤性）；⑶Cu基體接合部位抗高溫高濕強(qiáng)度較弱，原因是SnZn焊料與Cu的結(jié)合界面形成很薄的CuZn化合物層，在150℃時(shí)，界面反應(yīng)快速進(jìn)行，Cu Zn化合物層容易受到侵蝕穿孔，Sn向Cu中擴(kuò)散，在形成SnCu化合物層的同時(shí)產(chǎn)生許多空洞。但由于Bi是半金屬，又脆又硬，如果形成粗大的組織會(huì)使機(jī)械性能劣化。合金強(qiáng)度隨In添加量的增加而逐漸提高，而蠕變性則在In質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)最好，過量或不足都會(huì)使該性能下降。簡單分析無鉛焊料通孔焊環(huán)面填錫體所發(fā)生的開裂情形，其原因應(yīng)該是無鉛焊料在X，Y方向（平行板面方向）的熱膨脹系數(shù)大于基板，而基板在Z 方向（垂直板面方向）的熱膨脹系數(shù)又大于無鉛焊料，于是在冷卻收縮過程中會(huì)受到雙重剪應(yīng)力作用，而導(dǎo)致開裂現(xiàn)象的產(chǎn)生。按照通常錫在焊料中占60%計(jì)算，每年新的焊料年產(chǎn)量應(yīng)為10萬噸，剩下的13萬噸都是由殘?jiān)?jīng)再利用的焊料。而且為避免鉛的污染，在焊料替換時(shí)還要用錫來沖洗鉛污染的焊料槽，所以又要用掉大量的錫。因此，開發(fā)了以在錫中組合進(jìn)銀和鉍，鋅為主成分的合金焊料。否則，將不能保證連接處的可靠性，并引來麻煩。此外，對專利和成本的評價(jià)也不可欠缺，無論缺哪一個(gè)，都不能成為放心的永久使用的材料。表41典型的無鉛焊料的特征合金系名稱主成分熔　點(diǎn)(℃) 抗拉強(qiáng)度100mm/min擴(kuò)展率(%)潤濕性(大氣中)錫銀系Sn96Sn/Ag約22133良好錫銀銅系Sn96ClSn/Ag/Cu約21727良好錫銀系Sn100CSn/Cu/Ni約22748良好錫鉍系Bi57Sn/Bi約13933良好錫鉍銻系LFB2Sn/Bi/Sb等約1442004良好錫銀鉍銅系LF－C2Sn/Ag/Bi/Cu約20821325良好錫鋅系LFASn/Zn約199gi vb 錫銻系95ASn/Sb23624338良好1)錫銀銅系(Sn96C)及錫銀鉍銅系(LFC2)是通過美國某研究所檢驗(yàn)的產(chǎn)品；2)錫銀系(Sn100C)在國內(nèi)外32個(gè)國家申請專利；3)潤濕性試驗(yàn)使用RMA免清洗助焊劑。圖42 SC96C1無鉛再流焊曲線 (推薦)通常在再流焊的連接斷面，不知是因?yàn)楹噶先廴跁r(shí)的粘性大，還是因?yàn)閮?nèi)部產(chǎn)生的氣體多，總之在焊角處和連接界面發(fā)現(xiàn)許多的氣泡（空洞）。由于哪個(gè)權(quán)力均有效，所以若使用雙方專利權(quán)均容許的焊料，則用戶才會(huì)放心，并有可能向任一國家出售。正如圖43那樣，在細(xì)間距QFP的IC流動(dòng)焊中無橋接現(xiàn)象，也沒有無鉛焊料專有的針狀晶體和氣孔，得到了有光澤的焊角。熱循環(huán)次數(shù)（次）圖45混入鉛對熱循環(huán)的影響圖46 NSe無鉛焊接循環(huán)圖還有，對焊劑的改善工作也在進(jìn)行，以便在大氣中與在氮?dú)鈿獾型瑯涌梢酝瓿稍诙鄬踊螂p面基板上的通孔攀升和在器件兩側(cè)的焊盤上的擴(kuò)展。這就為無鉛焊料替換時(shí)期設(shè)想回收途徑減少了煩惱。SnAgBi(Cu)系焊料隨著鉍含量的增加而融點(diǎn)變低，焊料的延展性也得到改善。最近的研究證實(shí)，鉍含量在3%以下為宜。此外還必須注意由鋅的性質(zhì)帶來的連接界面的舉動(dòng)，再作深入研究。 此外在流動(dòng)焊中，與焊料接觸處的銅箔和引角等一根接一根的溶入焊料中，使焊料的成分發(fā)生了變化。對此，分別使用SN1000C和SN1000Ce焊料，通過抑制銅的濃度上升來使焊料成分穩(wěn)定化。混入微量的鋅時(shí)，由焊料表面所形成的氧化膜產(chǎn)生大量的殘?jiān)?，使焊接無論如何也不能正常進(jìn)行。還有焊劑的含量比原來的3%稍微多一點(diǎn)則容易手工操作。 今后的一個(gè)大的課題就是隨著焊料替代而增多的含鉛焊料的廢棄處理和由無鉛焊料產(chǎn)出的渣滓的再利用。今后為了保護(hù)資源，在焊料的處理上應(yīng)有大規(guī)模的再利用基礎(chǔ)。從形成焊點(diǎn)的3個(gè)要素（焊料、元器件焊端、PCB表面鍍層）來看，在傳統(tǒng)的SnSb 焊接時(shí)，焊料是SnSb ，元器件焊端、PCB表面鍍層大多也是SnSb鍍層，因此，焊接時(shí)焊料合金與被焊接的金屬之間的相容性非常好。雖然無鉛接過程、焊接機(jī)理與Sn37Pb基本相同。Sn須在窄間距的QFP等元件處容易造成短路，會(huì)影響長期可靠性；另外， SnAgCn焊料與Cn 焊接時(shí)，遇到微量Pb會(huì)發(fā)生偏析現(xiàn)象，容易引起焊縫浮起（FilletLifting），也會(huì)影響長期可靠性。這些問題都會(huì)影響無鉛產(chǎn)品的長期可靠性。因?yàn)殂U是比較軟的，容易變形，因此無鉛焊點(diǎn)的硬度比Sn/Pb高，無鉛焊點(diǎn)的強(qiáng)度也比Sn/Pb高，無鉛焊點(diǎn)的變形比Sn/Pb焊點(diǎn)小，但是這些并不等于無鉛的可靠性好。據(jù)美國偉創(chuàng)立、Agilent等公司的可靠性試驗(yàn)，例如推力試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)，經(jīng)過潮熱、高低溫度循環(huán)等可靠性試驗(yàn)結(jié)果，大體上都有一個(gè)比較相近的結(jié)論：大多數(shù)消費(fèi)類產(chǎn)品，例如民用、通信等領(lǐng)域，由于使用環(huán)境沒有太大的應(yīng)力，無鉛焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度甚至比有鉛的還要高；但在使用應(yīng)力高的地方，例如軍事、高低溫、低氣壓、震動(dòng)等惡劣環(huán)境下，由于無鉛蠕變大，因此無鉛比有鉛的連接可靠性差很多。在高溫和潮濕的環(huán)境里，在有應(yīng)力的條件下，錫須的生長速度會(huì)加快，過長的晶須將可能導(dǎo)致短路，引發(fā)電子產(chǎn)品可靠性問題。針對錫晶須問題，業(yè)界做了許多研究，目前已經(jīng)有了一些有效抑制Sn晶須生長的措施，例如：鍍暗Sn、熱處理、中間鍍Ni阻擋層、鍍層合金化、增加鍍Sn層厚度等。表面張力的增加勢必會(huì)使氣體在冷卻階段的外逸更困難，氣體不容易排出來，使空洞的比例增加。另一類處于焊接界面的空洞（或稱微孔），這類空洞非常小，甚至只有通過掃描電子顯微鏡（S E M ）才能發(fā)現(xiàn)。由于無鉛焊料的熔點(diǎn)高，而且又是高Sn焊料，Cu在無鉛焊接時(shí)的溶解速度比SnPb焊接時(shí)高許多。金屬間化合物與母材以及釬料的結(jié)晶體、固溶體相比較，強(qiáng)度是最弱的。有研究表明，無鉛釬料與Sn37Pb釬料最大的不同是：在再流焊和隨后的熱處理及熱時(shí)效（老化）過程中金屬間化合物會(huì)進(jìn)一步長大，從而影響長期可靠性。度持續(xù)時(shí)間，同時(shí)還要縮短液相時(shí)間。也就是說，如果SnPb焊點(diǎn)震動(dòng)失效的最大加速度為20g，頻率為30Hz次數(shù)，而SnAgCu焊點(diǎn)震動(dòng)失效的最大加速度不到10g，頻率不到15Hz次數(shù)； ，而S n A g C u 。 電子產(chǎn)品在加電使用過程中會(huì)發(fā)熱，特別是功率元件的工作溫度比較高；另外，一年四季隨著春夏秋冬的溫度變化，焊點(diǎn)會(huì)隨時(shí)遭遇到不同的循環(huán)熱應(yīng)力的影響，在有空洞及裂紋等電氣連接比較薄弱的部位會(huì)使熱阻增大，造成失效；另外，由于與焊點(diǎn)相關(guān)的材料：例如焊點(diǎn)上的焊料合金、金屬間化合物、各種元件的焊端合金（Cu、i等）、PCB焊盤（Cu）、陶瓷體元件、環(huán)氧樹脂、玻璃纖維布等材料，以及PCB的X 、Y方向與Z方向的熱膨脹系數(shù)的差異是很大的，在溫度變化時(shí)會(huì)遭受到不同程度的應(yīng)力、應(yīng)變，使焊點(diǎn)產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展最終造成焊點(diǎn)開裂失效。如果有電遷移和枝狀結(jié)晶生長的出現(xiàn)，將發(fā)生導(dǎo)線間的短路，造成電遷移俗稱“漏電”）的風(fēng)險(xiǎn)。都需要經(jīng)過一系列試驗(yàn)，例如溫度循環(huán)、振動(dòng)試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)、高溫貯存試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、電遷移（E C M ）試驗(yàn)、高加速壽命試驗(yàn)和高加速應(yīng)力篩選，然后再進(jìn)行電性能、機(jī)械性能（例如焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度）測試。這些隱蔽的缺陷增加了無鉛產(chǎn)品長期可靠性的不確定性，因此，目前高可靠產(chǎn)品獲得了豁免。研究表明，Pb 能夠在SnPb 焊料中發(fā)揮如下作用：（1）減少表面張力有利于潤濕；（2）能阻止錫瘟發(fā)生，所謂錫瘟是指在13℃以下發(fā)生由白錫（b Sn）到灰（a Sn）的相變，該相變將導(dǎo)致26%的體積膨脹；（3）促進(jìn)焊料與被焊件之間快速形成鍵合。現(xiàn)代微電子工業(yè)正向高性能和微型化方向發(fā)展，電子器件的體積和焊點(diǎn)的尺寸越來越小，而所需承載的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)負(fù)荷卻越來越重，對其可靠性的要求日益提高。從制造工藝和可靠性兩方面考慮。J Zhao 等系統(tǒng)研究了SnAg 合金的疲勞斷裂生長的特征和機(jī)制， 合金的疲勞斷裂行為與載荷頻率和大小密切相關(guān)。試驗(yàn)表明：