【正文】 寬松一些。如果冷速過快，將會造成對元件的沖擊，造成應(yīng)力集中，使產(chǎn)品的焊點在使用過程中過早失效。雙模塊冷卻由于各模塊獨立控制，可以實現(xiàn)設(shè)置第一個模塊和第二模塊不同溫度，這樣既可以較好的控制焊點高溫時間，又能夠適當(dāng)減小快冷造成的應(yīng)力集中。冷卻手段多為循環(huán)水冷+風(fēng)冷，如圖52冷卻模塊示意圖。國產(chǎn)回流爐如日東等冷速也在該范圍內(nèi)。則PCB組件進(jìn)入冷卻區(qū)后冷速對焊點組織的影響必然較小，進(jìn)而不會對力學(xué)性能產(chǎn)生太大的影響。所以設(shè)備工程師以增加兩模塊之間的距離來降低竄溫的風(fēng)險。 回流爐結(jié)構(gòu)表面組裝技術(shù)本身的特點決定了回流爐的隧道式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使各個相鄰模塊之間極容易竄溫。斷裂路徑在釬料內(nèi)部的幾率較高；而慢冷時斷裂沿界面IMC發(fā)生的幾率更高。對于有鉛焊點，裂紋擴(kuò)展路徑在釬料內(nèi)部較多。部分粗大尖銳的Cu6Sn5相在推剪過程中折斷，進(jìn)一步證明慢冷焊點界面粗大的IMC易于應(yīng)力集中，在推剪過程中成為斷裂通道。在圖49（a）中觀察到清晰的斷裂分界線，該分界線是由于爬升到元件焊端側(cè)面的釬料在推剪過程中未受影響而形成。由于共晶網(wǎng)絡(luò)中的Ag3Sn相在A曲線下呈小球狀，均勻的分布在Sn基體中，所以拉脫斷面有明顯的韌窩（圖47）。 QFP焊點的斷口特征斷裂機(jī)制是從微觀角度揭示斷裂過程的物理本質(zhì)，這對于認(rèn)識和控制斷裂過程的各種因素，從而尋求提高斷裂抗力的途徑是十分重要的。更多的情況是發(fā)生混合斷裂，裂紋走向單純的沿界面化合物的情況發(fā)生的很少。由圖44(a)和圖45(a)，焊點從起裂到完全斷裂，裂紋擴(kuò)展都沒有經(jīng)過引線和焊盤兩側(cè)的界面化合物層。對于SnPb焊點，在冷速較快時在釬料內(nèi)部斷裂較多，此時界面化合物厚度適中，形貌平緩。在拉脫實驗和推剪實驗中，產(chǎn)生的應(yīng)變量超過材料本身塑性變形能力時，焊點就發(fā)生開裂。以焊膏A為例，最大最小冷速焊點推剪值之間的差值達(dá)到1232gf，這對于具有接觸面積遠(yuǎn)大于QFP焊點的片式電阻而言，是較為正常的。這也是冷速在無鉛導(dǎo)入后更受關(guān)注的原因之一。，在較小冷速下SnPb系合金的焊點微觀為薄片狀共晶體。相應(yīng)的關(guān)系曲線見圖42。 表42 相同條件下QFP焊點的拉脫載荷值分布情況試樣載荷值范圍()載荷值分布率＜700700—950950－1100＞1100Sn37Pb5609505%90%5%—520109213%64%23%—7631119—36%58%6%綜上，無鉛焊點的拉脫載荷值相當(dāng)于或稍高于Sn37Pb焊點的拉脫載荷值。結(jié)合前文不同冷速下焊點微觀組織的變化，可以看出快冷提高焊點強(qiáng)度的原因可能有：一是內(nèi)部組織細(xì)化，快冷形成彌散分布的顆粒狀I(lǐng)MC起到一定的原位增強(qiáng)作用；二是快冷時界面IMC的厚度小，形貌平緩，慢冷的IMC則厚度大，形貌尖銳，在拉脫過程中易于應(yīng)力集中，成為裂紋的萌生點。A曲線和B曲線焊點強(qiáng)度較為接近，強(qiáng)度值相對較大，C曲線和D曲線焊點強(qiáng)度則較低。％；～。QFP引腳拉脫在RHESCA的PTR1000接合強(qiáng)度檢驗機(jī)進(jìn)行；電阻推剪在PTR1100機(jī)型上測試。第4章 冷速對無鉛焊點力學(xué)行為的影響 引言不同冷卻條件下形成焊點在微觀組織上的差異必然也導(dǎo)致力學(xué)性能的差異。4. 不同冷速下形成的焊點在時效過程中表現(xiàn)出不一樣的IMC長大行為。2. 在冷速小于2℃/S時，微觀逐漸粗化。 圖315 焊膏B焊點在不同冷速下的IMC生長曲線 本章小結(jié)1. 。第一階段IMC異常的薄，基板上Cu元素向釬料擴(kuò)散快，η相生長速率大。相鄰的凸出的η相之間的界面處存在自然的“小溝”，焊盤上的Cu可以從這些“小溝”向釬料中擴(kuò)散，擴(kuò)散路徑相對較短。隨著時效過程的繼續(xù)，Cu3Sn在界面IMC中的比例增加，在時效20天后，達(dá)到20％左右。所以，不同冷速形成的焊點會影響時效過程中界面IMC的生長，從而影響焊點質(zhì)量。由IMC的生長經(jīng)驗公式（33）、（34） (33) (34) 式中 —IMC初始厚度；—常數(shù)；—時效時間；—激活能；—氣體常數(shù)；—時間指數(shù)；這里是某時刻IMC厚度，是時間t（s）的函數(shù)。這是由于焊膏A中本身不含Cu元素，在反應(yīng)過程中，基板的Cu向釬料中擴(kuò)散速率更快，擴(kuò)散量較多，因而在界面的厚度稍大。部分ηCu6Sn5異常長大，使得IMC的厚度只能取平均值計算。由于回流焊工藝加熱參數(shù)一定，不同冷速以改變焊接時間、IMC的形核率以及IMC的長大時間來影響界面IMC的形貌和厚度。在C曲線下呈鋸齒狀，而隨著冷速進(jìn)一步降低，鋸齒狀更為突出。 冷速對焊點界面組織的影響釬料與Cu盤界面處的IMC的厚度和形貌隨著焊接溫度和焊接時間的變化而變化，當(dāng)焊接溫度升高和焊接時間增長時，界面處的IMC厚度增加。其中，在材料中通過化學(xué)反應(yīng)生成新的中間相并使材料性能顯著提高的方法叫原位增強(qiáng)法[ Jeff Sigelko,et al. Effect of Cooling Rate on Microstructure and Mechanical Properties of Eutectic SnAg Solder Joints with and without Intentionally Incorporated Cu6Sn5 Reinforcements[J]. Journal of Electronic Materials, Nov 1999,28,11841188]。這和復(fù)合材料頗為相似。 (a)A型曲線1000 （b）D型曲線1000圖310 焊膏B不同冷速下焊點的金相照片對比在同等條件下形成焊點的焊膏A和焊膏B，粗大的長條狀A(yù)g3Sn相在含銀量高的焊膏A中出現(xiàn)的幾率更高。和焊膏A相似，焊膏B在快冷曲線下獲得的微觀組織中，釬料內(nèi)部共晶網(wǎng)絡(luò)中的主要金屬間化合物Ag3Sn也呈圓形顆粒狀。βSn晶粒生長雖然也有一定的方向性，但是不連續(xù)，晶粒尺寸較A曲線下的均勻。對于共晶網(wǎng)絡(luò)中的金屬間化合物Ag3Sn，在A曲線時，快冷提供了更多的形核，并且抑制了Ag3Sn的長大，故形成的組織為球形的Ag3Sn顆粒，彌散分布在共晶網(wǎng)絡(luò)中的Sn基體上，尺寸較?。浑S著冷速降低，Ag3Sn的微觀形貌從球形向長條狀轉(zhuǎn)變。 (a)A曲線焊點 1000 （b）D曲線焊點 1000圖37 焊膏A不同冷速下焊點的金相照片由公式（31）[ . Osorio, A. Garcia, Material Science. engineering. A 325 (2002), pp103]，增加冷卻速率，相當(dāng)于減少了凝固時間，從而減小了枝晶的間距。根據(jù)金屬的非均勻形核理論，液態(tài)釬料由于在A曲線下能獲得較大過冷度而形核均勻細(xì)化。由此可見，兩種無鉛釬料的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)都由β–Sn和分布于其間的共晶網(wǎng)絡(luò)組成。值得注意的是，焊膏B所形成焊點內(nèi)部組織中的IMC除Ag3Sn外，也有發(fā)現(xiàn)Cu6Sn5相，而焊膏A中較少。有鉛和無鉛焊膏在和Cu焊盤的反應(yīng)中生成的化合物都是ηCu6Sn5。證明設(shè)置參數(shù)較符合焊膏的加熱要求。由圖31為R2012和QFP的焊點截面。第3章 冷速對無鉛焊點微觀組織的影響 引言根據(jù)結(jié)晶學(xué)的經(jīng)典理論，冷速影響液態(tài)釬料凝固時內(nèi)部微觀組織的形成。4. 各冷速下的焊點都沒有發(fā)現(xiàn)外觀缺陷。通過測溫儀所得數(shù)據(jù)。表27 無鉛不同冷速下焊接元件數(shù)目元件類型A型曲線B型曲線C型曲線D型曲線PCB板數(shù)目8888單板元件數(shù)目R201240404040R160840404040R100550505050QFP1111 焊接試驗結(jié)果 圖28 焊膏A的片式電阻焊點 （a）焊膏A （b）焊膏A圖29 焊膏B的QFP焊點 本章小結(jié)1. 完成回流爐溫度曲線調(diào)試。℃/S≈ TAL=+=C型 25℃247。第八溫區(qū)為焊接峰值區(qū)，PCB組件從該區(qū)出來進(jìn)入冷卻區(qū)。由于在TAL范圍內(nèi)，擴(kuò)散和反應(yīng)進(jìn)行相當(dāng)劇烈，故從理論而言，控制冷卻速率可以一定程度的控制反應(yīng)進(jìn)行程度。圖26 不同卻速的典型有鉛溫度曲線圖27 不同卻速的典型無鉛溫度曲線表26 不同冷卻速率無鉛曲線的各項參數(shù)無鉛曲線參數(shù)＞180℃平均時間平均峰值溫度平均冷卻斜率＞220℃平均時間A型℃℃/SB型℃℃/SC型℃℃/SD型℃℃/S對于無鉛焊膏，220℃以上加熱時間是十分重要的參數(shù)。冷凝管外接循環(huán)冷水。確定各溫區(qū)溫度設(shè)置后，用溫度測試儀器對各型號曲線測試5次。七八溫區(qū)為回流焊接，焊膏達(dá)到熔點，熔化并在焊盤表面潤濕鋪展，包圍元件焊端和引腳。實際設(shè)定回流爐各溫區(qū)溫度見表25。而小板則可以在較大的速率下加熱。圖25 Alpha 由參考曲線可知，B型焊膏對回流焊加熱基本要求如表24。但SMT的流水線生產(chǎn)特點決定了回流爐為隧道式多模塊加熱結(jié)構(gòu)，而各個相鄰加熱模塊之間極容易竄溫，影響加熱精度和熱穩(wěn)定性。通過測試，考察設(shè)定溫度是否符合焊接要求，達(dá)到參數(shù)最佳設(shè)定的目的。(2)控制系統(tǒng) 模塊化智能控制軟件，電腦全自動控制各溫區(qū)的上下加熱模塊溫度，網(wǎng)帶進(jìn)板速度；可以實現(xiàn)各溫區(qū)獨立溫控及監(jiān)視和在線溫度曲線(Profile)測試分析功能，SmartPara虛擬仿真功能，節(jié)省參數(shù)的調(diào)整時間。2℃。兩機(jī)型同為8溫區(qū)加熱，不同處在于后者在冷卻區(qū)具備兩個冷卻模塊，可以在焊接時獲得更大的冷卻速率。印刷工藝實驗參數(shù)見表23。表22 試驗用焊膏性能參數(shù)焊膏類型A型B型C型成分Sn37Pb密度助焊劑量177。QFP相關(guān)參數(shù)如圖22和表21。Tg＝140℃,焊板上有片式元件焊點共130個，如圖21示。雙擊上一行的“1”“2”試試，J(本行不會被打印，請自行刪除)第2章 不同冷速的無鉛焊接工藝實驗 引言無鉛工藝更難于控制，要求更嚴(yán)格，不良工藝極容易導(dǎo)致產(chǎn)品失效或者降低可靠性。確定所選定的釬料焊接獲得焊點高可靠性的最佳冷卻速率。用三種冷速進(jìn)行冷卻：℃/S,℃/℃/S，并進(jìn)行了加速熱循環(huán)試驗，測試結(jié)果也表明：快速冷卻的SnAgCu釬料焊點的力學(xué)性能尤其是抗蠕變失效性能較慢冷的焊點好[ ，. Accelerated thermal fatigue of leadfreesolder joints as a function of reflow cooling rate.[J] Journal of ]?！?S慢冷條件下的BGA焊點枝狀晶異常粗大，IMC尺寸也較大。C/S60 Sec℃176。在實際生產(chǎn)中，℃/S或稍大的冷速對接頭冷卻可以有效抑制大片狀A(yù)g3Sn或Cu6Sn5, 起到彌散強(qiáng)化作用，提高釬料接頭質(zhì)量。C/s)。、。試圖確定各型產(chǎn)品的最佳冷卻速率。除了以上冷卻速率的一些影響以外，快速冷卻還可以獲得比慢冷更為光亮的外觀。所以快冷導(dǎo)致的SnPb釬料微觀細(xì)化，反而使其在變形過程中更有利于晶界滑移。SnAg系的蠕變性能提高主要是彌散分布顆粒起到了增強(qiáng)作用?？炖涓淖兾⒂^組織結(jié)構(gòu)，從而也對無鉛釬料的蠕變行為產(chǎn)生重要影響。Yang等人認(rèn)為彌散分布顆粒越細(xì)釬料接頭的強(qiáng)度越高[15]。Yang[ , and , Journal of Electronic Materials, 24[10],1465 (1995).]等人的研究結(jié)果也表明冷速的增加提高屈服強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度。同時冷速越小IMC形狀起伏越大。 （a）水冷：℃/S （b）空冷：℃/S圖 13 金屬間化合物IMC（主要是ηCu6Sn5）的初始形態(tài)也和冷速大有關(guān)系。大塊片狀初始相Ag3Sn沉淀物應(yīng)該被避免，因為它較脆，當(dāng)釬料接頭在低應(yīng)力或者循環(huán)應(yīng)力條件下工作時導(dǎo)致缺陷。圖12（b）℃/S的慢速冷卻，也會導(dǎo)致非平衡固化。 無鉛回流焊中冷卻速率研究現(xiàn)狀目前對冷卻速率影響的研究主要是以鑄造態(tài)合金為研究對象，通常以三種冷速進(jìn)行冷卻：水冷、空冷和爐冷，冷卻速率由大到小。3）由于焊膏潤濕性變差，所以助焊劑要求更高。圖11 有鉛與無鉛典型回流焊溫度曲線比較[ 史建衛(wèi), 氮氣保護(hù)對無鉛化電子組裝再流焊工藝的影響[D].工學(xué)碩士論文，2004年4月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)]從表12的幾種無鉛釬料推薦工藝參數(shù)也可以看出工藝的變化。表11 SnPb釬料與無鉛釬料熔點及釬焊峰值溫度比較[ Claude Carsac, Jason Uner and Martin Theriault. Inert Soldering with Leadfree Alloys: review and evaluation[R]. IPC SMEMA Council, 2001]焊膏熔點釬焊峰值溫度范圍Sn37Pb183℃208～235℃221℃242～262℃217～219℃242～262℃除了溫度升高，無鉛釬料的潤濕性弱于傳統(tǒng)的SnPb共晶釬料。如果錫球出現(xiàn)在細(xì)間距元件兩引腳之間，則可能形成短路；若加熱時間不夠，助焊劑在合金中有殘留而不能完全以氣體逸出則產(chǎn)生氣孔；若助焊劑過早揮發(fā)掉，則可能出現(xiàn)潤濕不良，釬料在焊盤表面不鋪展等等，這些都是可能造成整塊電路板失效的因素[ . Anderson, et al. Development of Eutectic and NearEutectic TinSilverCopper Solder Alloys for LeadFree Electronic Assemblies