【文章內(nèi)容簡介】 元件，研究應(yīng)用于無鉛回流焊中的幾種典型SnAgCu系無鉛釬料在不同冷卻速率下焊接的焊點(diǎn)質(zhì)量。2)從QFP焊點(diǎn)的外觀缺陷，內(nèi)部微觀組織和QFP焊點(diǎn)力學(xué)性能（以推剪強(qiáng)度為主）等方面來考察不同冷卻速率對所選定的典型無鉛釬料焊接所得焊點(diǎn)質(zhì)量的影響。3)無鉛焊接的焊點(diǎn)質(zhì)量與用傳統(tǒng)Sn37Pb釬料焊接的焊點(diǎn)進(jìn)行對比。確定所選定的釬料焊接獲得焊點(diǎn)高可靠性的最佳冷卻速率。4)焊點(diǎn)溫度到達(dá)固相線下某一溫度后微觀組織趨于穩(wěn)定，此后冷卻速率對焊點(diǎn)影響作用不大。釬料從液態(tài)到固相線下的這一溫度存在一個冷卻效果明顯的區(qū)間。研究確定所選定釬料的冷卻區(qū)間，獲得最佳冷卻效果。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(shí)驗(yàn) 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。在無鉛制程導(dǎo)入研究中人們發(fā)現(xiàn)，無鉛焊料合金的力學(xué)和蠕變等性能受溫度影響的表現(xiàn)有別于共晶錫鉛合金，因而人們對回流焊工藝重新進(jìn)行了更為細(xì)致準(zhǔn)確的研究，而冷卻速率也越來越受關(guān)注。為了闡述冷速對無鉛焊點(diǎn)的影響，本章介紹有關(guān)的工藝實(shí)驗(yàn)。 試驗(yàn)條件 試驗(yàn)材料采用FR4單面剛性板。Tg＝140℃,焊板上有片式元件焊點(diǎn)共130個，如圖21示。電路板焊盤采用鍍錫工藝，鍍層厚度為50μm。PCB板在焊膏印刷前用酒精進(jìn)行清洗，去除表面雜質(zhì)污物。圖21 實(shí)驗(yàn)用組裝板采用三種型號片式電阻元件：R201R160R1005以及 128個引腳、 的QFP。QFP相關(guān)參數(shù)如圖22和表21。圖22 QFP封裝試件示意圖及封裝尺寸表21 QFP封裝尺寸[ , et al, Empirical Modeling of Surface Mount Solder Joint from 132 Pin Quad Flat Pack Components[J], Soldering amp。 Surface Mount Technology, 1992,10:48]封裝尺寸A1A2DEFGLbCD1E1128 QFP試驗(yàn)采用兩種無鉛焊膏，，焊膏C是錫鉛共晶Sn37Pb。主要參數(shù)如表22。表22 試驗(yàn)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。％％177。％粒度2545μm2545μm2545μm熔點(diǎn)221℃217219℃183℃ 試驗(yàn)設(shè)備絲印機(jī)以高精度的定量和定位把焊膏從模板轉(zhuǎn)移到PCB板上相應(yīng)的位置，具有高精度和高速度的特點(diǎn)，是SMT自動化生產(chǎn)的主要設(shè)備之一。本文實(shí)驗(yàn)采用日東SEM688型號絲印機(jī)，樹脂刮刀，不銹鋼模板。印刷工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表23。表23 焊膏印刷工藝參數(shù)模板厚度印刷速度刮刀角度刮刀壓力脫模速度20mm/s60176。30N1mm/s貼片機(jī)為三星CP45FV型，動臂式運(yùn)動結(jié)構(gòu)，六貼裝頭?；亓鳡t采用日東電子科技的兩款機(jī)型，分別是NT8NV2和NT8NV3。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。NT8NV2外觀如圖23(a),NT8NV3的雙模塊冷卻區(qū)如23(b)。兩款機(jī)型都基于無鉛焊接設(shè)計(jì)，有如下特點(diǎn)[ 日東產(chǎn)品說明書]：(1)加熱系統(tǒng) 加熱模塊均采用增強(qiáng)型PID控制的強(qiáng)制熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，具有優(yōu)良的均溫性和熱效率?？販鼐?77。2℃。各溫區(qū)上下加熱，獨(dú)立循環(huán)，獨(dú)立控溫。前后循環(huán)回風(fēng)設(shè)計(jì)和優(yōu)良的熱風(fēng)噴嘴對流系統(tǒng)，可有效防止溫區(qū)之間氣流影響，保證溫控精確。加熱效率高，升溫速度快。(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(shí)現(xiàn)各溫區(qū)獨(dú)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。(3)冷卻區(qū) 采用外置冷水機(jī)冷卻的高效冷水循環(huán)冷卻，可以滿足各種無鉛冷卻速率的要求。冷水區(qū)溫度可以進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，外置冷水機(jī)的冷水溫度可調(diào)節(jié)。 (a) (b)圖23（a）NT8NV2回流爐；（b）冷卻模塊溫度測試儀用于測試監(jiān)控回流爐爐溫曲線，即焊點(diǎn)溫度和加熱時間的關(guān)系曲線。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。課題中涉及的冷卻速率數(shù)據(jù)主要由該儀器測試結(jié)果所得。測試過程中以熱電偶連接溫度測試儀和待測焊點(diǎn)，熱電偶把電路板上焊點(diǎn)的溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，用相應(yīng)分析軟件分析即得溫度曲線[ 溫度曲線測試]。圖24 溫度曲線測試系統(tǒng) 溫度曲線調(diào)試衡量回流爐質(zhì)量優(yōu)劣最重要的兩個指標(biāo)是加熱精度和穩(wěn)定性。但SMT的流水線生產(chǎn)特點(diǎn)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。所以，不同的回流爐在不同的PCB組件上有不同的表現(xiàn)力。故了解一臺設(shè)備的性能再根據(jù)焊膏參考曲線和被焊組件的特點(diǎn)調(diào)試溫度曲線至關(guān)重要。如圖25為本文所用B型焊膏的參考曲線。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。之所以參考曲線并沒有給定各項(xiàng)指標(biāo)的具體值，是由于對于不同組裝板，工藝參數(shù)存在差異。以升溫速率為例，要求焊點(diǎn)從室溫到達(dá)150℃℃/S。對于復(fù)雜的大板，為了使板上的大元件和小元件溫差限制在一定范圍內(nèi)，℃/S。而小板則可以在較大的速率下加熱。表24 B型焊膏基本加熱條件加熱到150℃的升溫斜率150180℃的加熱時間180℃到峰值溫度升溫斜率220℃以上加熱時間峰值溫度≤℃/S90120S≤3℃/S2040S235245℃按照參考曲線要求大致設(shè)置各溫區(qū)參數(shù)，執(zhí)行加熱并進(jìn)行溫度測試。反復(fù)對比測試所得曲線和參考曲線的各項(xiàng)參數(shù)，直至符合要求。實(shí)際過板觀測焊接外觀質(zhì)量，最終確定各溫區(qū)溫度設(shè)置和網(wǎng)帶運(yùn)動速度。實(shí)際設(shè)定回流爐各溫區(qū)溫度見表25。其中一二溫區(qū)為升溫，電路板組件進(jìn)入回流爐從室溫開始升溫。三四五溫區(qū)為平臺區(qū)，焊膏中的溶劑等物質(zhì)揮發(fā)。六七溫區(qū)繼續(xù)升溫，多余物質(zhì)大部分揮發(fā)，活性劑開始作用，去除焊盤表面氧化膜。七八溫區(qū)為回流焊接，焊膏達(dá)到熔點(diǎn)，熔化并在焊盤表面潤濕鋪展，包圍元件焊端和引腳。最后進(jìn)入冷卻區(qū)，焊點(diǎn)固化，形成穩(wěn)定的永久性連接。表25 回流爐各溫區(qū)溫度設(shè)定焊膏一區(qū)二區(qū)三區(qū)四區(qū)五區(qū)六區(qū)七區(qū)八區(qū)A170℃180℃180℃180℃190℃210℃255℃250℃B170℃180℃180℃180℃190℃210℃255℃250℃C160℃165℃170℃170℃185℃220℃230℃180℃不同的網(wǎng)帶運(yùn)動速度決定電路板組件在回流爐中的加熱時間，網(wǎng)帶速度和溫度設(shè)置必須最佳配合才能獲得良好的焊接質(zhì)量。本文所有無鉛焊接實(shí)驗(yàn)回流爐帶速均設(shè)定為75cm/min，該速率通過回流爐體總長和焊膏最適加熱時間計(jì)算所得。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。紀(jì)錄所得曲線的各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算平均值。實(shí)驗(yàn)用不同冷速的有鉛溫度曲線見圖26。實(shí)驗(yàn)用兩款回流爐的冷卻原理是：冷卻模塊中有冷凝管和冷卻風(fēng)扇。冷凝管外接循環(huán)冷水。不同冷卻速率主要通過冷卻風(fēng)扇和冷水溫度各自的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。四種典型冷速的曲線參數(shù)如表26所示，和供應(yīng)商參考曲線基本要求相符。其中A曲線為V3機(jī)型上風(fēng)機(jī)打開，冷水溫度最低時獲得（水溫4℃）；C曲線為V3機(jī)型風(fēng)機(jī)打開，循環(huán)冷水關(guān)閉時獲得；B曲線為V2機(jī)型上風(fēng)機(jī)打開，冷水溫度最低時獲得（水溫4℃）；D曲線為V2完全爐冷時獲得。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(xiàng)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)。本文所選A型和B型焊膏熔點(diǎn)都在該溫度附近，故取220℃以上加熱時間近似作為焊膏液相線上時間TAL(Time Above Liquid )。從表26可知：冷卻速率對TAL時間存在影響。A型和B型曲線相差最少，在2S左右；。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。下面進(jìn)行理論估算TAL值。實(shí)驗(yàn)用兩款型號的回流爐加熱模塊的長度和數(shù)目都一致，每個模塊長度為360mm。又帶速是74cm/min＝,所以在PCB組件在每個模塊中的加熱時間是360/≈。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)。焊點(diǎn)溫度從245℃降到220℃，溫度減少25℃。則這一范圍內(nèi)不同冷速下焊點(diǎn)的加熱時間為：A型 25℃247?！?S≈ TAL=+=B型 25℃247?！?S≈ TAL=+=C型 25℃247。℃/S≈ TAL=+=D型 25℃247?！?S≈ TAL=+=理論計(jì)算值和測試儀所得數(shù)據(jù)差值在2S之內(nèi)，數(shù)據(jù)相似程度在回流焊工藝可以接受。各典型曲線下焊接元件數(shù)目如表27。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(yàn)結(jié)果 圖28 焊膏A的片式電阻焊點(diǎn) （a）焊膏A （b）焊膏A圖29 焊膏B的QFP焊點(diǎn) 本章小結(jié)1. 完成回流爐溫度曲線調(diào)試。根據(jù)各型焊膏參考工藝曲線，設(shè)置八個加熱區(qū)溫度以及最佳網(wǎng)帶運(yùn)動速度。通過爐溫測試數(shù)據(jù)表明：各個溫區(qū)的溫度設(shè)置較好的控制了加熱峰值溫度、220℃以上加熱時間等重要參數(shù)。2. 在兩型具有不同冷卻模塊的回流爐上獲得了不同冷卻速率，℃/℃/S。通過測溫儀所得數(shù)據(jù)。3. 焊接完成三種焊膏（兩種無鉛和一種錫鉛共晶）、四種典型冷速下共40塊PCB板。其中無鉛焊膏每種冷速下焊接4快板，錫鉛每種冷速焊2快板。每塊板包括片式元件130片，128引腳QFP一塊。4. 各冷速下的焊點(diǎn)都沒有發(fā)現(xiàn)外觀缺陷。沒有片式元件最容易出現(xiàn)的豎碑、元件偏移等缺陷。無鉛焊膏的助焊劑殘留較多，覆蓋于焊點(diǎn)表面，呈淡黃色。無鉛焊點(diǎn)也沒有錫鉛共晶焊點(diǎn)光亮。第3章 冷速對無鉛焊點(diǎn)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。且由于相應(yīng)的不同液相線時間差異而致使反應(yīng)程度不同，使得釬料和焊盤界面形成化合物形態(tài)尺寸也有差異。本章研究冷速對釬料微觀組織的影響。 無鉛焊點(diǎn)微觀組織本文所選取元件主要是片式電阻和QFP。由圖31為R2012和QFP的焊點(diǎn)截面。各型焊膏在設(shè)定回流曲線下都獲得了潤濕良好的焊點(diǎn)。釬料在Cu焊盤上充分鋪展，爬升高度足夠，完全包覆電阻元件的焊端，如圖31（b）。在焊點(diǎn)內(nèi)部沒有氣孔、裂紋等微觀缺陷。證明設(shè)置參數(shù)較符合焊膏的加熱要求。 （a）50 R2012 （b）200 R2012表31 片式電阻R1608焊點(diǎn)截面金相照片加入文字 （c）50 QFP （d）200 QFP 圖32 主要焊接元件截面金相照片由圖33無鉛釬料典型微觀照片可知,在Cu盤和釬料的界面明顯有一層化合物；釬料內(nèi)部由白色枝狀晶以及分布于白色枝狀晶之間的網(wǎng)絡(luò)狀晶體組成。為了確定釬料內(nèi)部的相組成，對焊點(diǎn)進(jìn)行EDX分析。 (a) 金相1000 （b）掃描 圖33 SnAgCu系無鉛釬料的典型微觀組織圖33（b）中的a點(diǎn)對應(yīng)的EDX曲線如圖34。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。沒有發(fā)現(xiàn)εCu3Sn金屬間化合物，根據(jù)Alex等人的研究[ Alex C. K. So, Yan C. Chan. Aging studies of Cu–Sn intermetallic pounds in annealed surface mount solder joints[J]. IEEE Transacion on Components,Packging,and Manufacturing Technology—Part B, VOL. 20, , MAY 1997,161]，εCu3Sn通常會在時效過程中由η相和Cu盤的進(jìn)一步反應(yīng)生成。在通用的回流焊工藝中，由于回流時間較短，不會生成ε相。圖34 界面IMC的EDX分析無鉛焊膏不論A型還是B型焊膏的網(wǎng)絡(luò)狀晶體中都生成金屬間化合物Ag3Sn（圖35）。值得注意的是，焊膏B所形成焊點(diǎn)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。％的Cu元素。共晶網(wǎng)絡(luò)中的Cu6Sn5有別于界面的η相，它在釬料內(nèi)部呈顆粒狀分布，尺寸較Ag3Sn小1～2個數(shù)量級。圖35 焊點(diǎn)內(nèi)部IMC的EDX分析釬料內(nèi)部的白色枝狀晶主要是富錫相β–Sn，含有少量的Ag和Cu元素（圖36）。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