【文章內(nèi)容簡介】 縫組織從擴(kuò)散過程分析釬縫組織（以（以 63Sn/37Pb焊料與焊料與 Cu表面焊接為例）表面焊接為例）釬縫釬縫 (結(jié)合層結(jié)合層 )結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖Pb熔融熔融 Sn/Pb焊料側(cè)焊料側(cè)Cu焊端表面CuSnCu6Sn5Cu3Sn富富 Pb層層釬縫中的反應(yīng)是非平衡的，幾種反應(yīng)常常會(huì)在釬縫中同時(shí)發(fā)生釬縫中的反應(yīng)是非平衡的，幾種反應(yīng)常常會(huì)在釬縫中同時(shí)發(fā)生釬縫主要有固溶體、共晶體和金屬間化合物的混合物組成釬縫主要有固溶體、共晶體和金屬間化合物的混合物組成焊料直接與焊料直接與 Cu生成的結(jié)合層生成的結(jié)合層紅色的箭指示的是紅色的箭指示的是 Cu3SnCu6Sn5與與 Cu3Sn兩種金屬間化合物比較兩種金屬間化合物比較名稱 分子式 形成 位置 顏色 結(jié)晶 性質(zhì)η相 Cu6Sn5 焊料潤濕到 Cu時(shí)立即生成Sn與 Cu之間的界面白色 截面 為 6邊 形 實(shí) 芯和中空管狀， 還 有一定量 5邊 形、三角形、 較細(xì) 的園形狀、在 釬料與 Cu界面 處 有扇狀、珊 貝狀良性，強(qiáng)度較高ε相 Cu3Sn 溫度高、焊接時(shí)間長引起Cu與Cu6Sn5之間灰色 骨針狀 惡性，強(qiáng)度差，脆性CuCu3SnCu6Sn5富 Pb層Sn/Pb拉伸力（千lbl/in2）*＞ 4μm時(shí)，由于金屬間合金層太厚，使連接處失去彈性，由于金屬間結(jié)合層的結(jié)構(gòu)疏松、發(fā)脆，也會(huì)使強(qiáng)度小。*厚度為 ；*~4μm時(shí)的抗拉強(qiáng)度可接受；*＜ ，由于金屬間合金層太薄，幾乎沒有強(qiáng)度；金屬間結(jié)合層厚度（ μm）金屬間結(jié)合層厚度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系（（ 2）金屬間結(jié)合層的厚度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系）金屬間結(jié)合層的厚度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系IntermetallicCompounds縮寫縮寫 IMC釬縫厚度厚度究竟為多少最佳？釬縫厚度厚度究竟為多少最佳？? 焊接后必須生成結(jié)合層，此結(jié)合層由共晶體、固溶體、焊接后必須生成結(jié)合層，此結(jié)合層由共晶體、固溶體、金屬間化合物的混合物組成。金屬間化合物的混合物組成。? 釬縫中不可能沒有金屬間化合物，但不能太厚。釬縫中不可能沒有金屬間化合物，但不能太厚。 因?yàn)榻鹨驗(yàn)榻饘匍g化合物比較脆，與基板材料、焊盤、元器件焊端之屬間化合物比較脆，與基板材料、焊盤、元器件焊端之間的熱膨脹系數(shù)差別很大，容易產(chǎn)生龜裂造成失效。間的熱膨脹系數(shù)差別很大，容易產(chǎn)生龜裂造成失效。 ? 理論界有不同的說法：理論界有不同的說法： ＜＜ 4μm ， 5μm ， 8μm ？？業(yè)界有一點(diǎn)認(rèn)識(shí)非常統(tǒng)一：業(yè)界有一點(diǎn)認(rèn)識(shí)非常統(tǒng)一：金屬間結(jié)合層的質(zhì)量與厚度與以下因素有關(guān)：金屬間結(jié)合層的質(zhì)量與厚度與以下因素有關(guān)：(a)焊料的合金成份和氧化程度（要求焊膏的合金組分盡量達(dá)到共晶或近共晶；含氧量應(yīng)小于 % ，最好控制在 80ppm以下）(b)助焊劑質(zhì)量（凈化表面，提高浸潤性）(c)被焊接金屬表面的氧化程度（只有在凈化表面，才能發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)）(d)焊接溫度和焊接時(shí)間? 焊點(diǎn)和元件受熱的熱量隨溫度和時(shí)間的增加而增加。? 金屬間結(jié)合層的厚度與焊接溫度和時(shí)間成正比。? 例如 183℃ 以上，但沒有達(dá)到 210~230℃ 時(shí)在 Cu和 Sn之間的擴(kuò)散、溶解，不能生成足夠的金屬間結(jié)合層。只有在 220℃ 維持 2秒鐘左右的條件下才能生成良性的結(jié)合層。但焊接溫度更高時(shí)，擴(kuò)散反應(yīng)率就加速，就會(huì)生成過多的惡性金屬間結(jié)合層。焊點(diǎn)變得脆性而多孔。焊接熱量是溫度和時(shí)間的函數(shù)焊接熱量是溫度和時(shí)間的函數(shù)運(yùn)用焊接理論正確設(shè)置溫度曲線運(yùn)用焊接理論正確設(shè)置溫度曲線才能獲得最好焊點(diǎn)質(zhì)量。才能獲得最好焊點(diǎn)質(zhì)量。SnPb系焊料金相圖? ① ABC線 —— 液相線? ② AD、 CE線 —— 固相線? ③ DF、 EG線 —— 溶解度曲線? ④ DBE線 —— 共晶點(diǎn)? ⑤ L區(qū) —— 液體狀態(tài)? ⑥ L+?、 L+?區(qū) —— 二相混合狀態(tài)? ⑦ ?+?區(qū) —— 凝固狀態(tài)（（ 3）焊接材料的質(zhì)量）焊接材料的質(zhì)量有鉛、無鉛都應(yīng)選擇共晶或近共晶焊料合金有鉛、無鉛都應(yīng)選擇共晶或近共晶焊料合金最佳焊接溫度線液態(tài)固態(tài)（ 4）與焊料量有關(guān)（（ 5）） PCB設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)(四四 ) 關(guān)于無鉛焊接機(jī)理關(guān)于無鉛焊接機(jī)理（（ 1）目前應(yīng)用最多的無鉛焊料合金）目前應(yīng)用最多的無鉛焊料合金（（ 2）關(guān)于）關(guān)于 SnAgCu系焊料的最佳成分系焊料的最佳成分（（ 3）） IPC推薦的無鉛焊料推薦的無鉛焊料（（ 4）） PCB焊盤表面材料焊盤表面材料（（ 5）元器件焊端表面鍍層材料）元器件焊端表面鍍層材料（（ 6）無鉛焊接機(jī)理）無鉛焊接機(jī)理（（ 1）目前應(yīng)用最多的無鉛焊料合金）目前應(yīng)用最多的無鉛焊料合金? 目前應(yīng)用最多的用于再流焊的無鉛焊料是三元共晶或近共目前應(yīng)用最多的用于再流焊的無鉛焊料是三元共晶或近共晶形式的晶形式的 SnAgCu焊料。焊料。 Sn(3~4)wt%Ag(~)wt%Cu是可接受的范圍，其熔點(diǎn)為是可接受的范圍，其熔點(diǎn)為 217℃℃ 左右。左右。? 美國美國 采用采用 %%Cu 無鉛合金無鉛合金? 歐洲歐洲 采采 用用 %%Cu 無鉛合金無鉛合金? 日本日本 采用采用 Sn3.0Agwt%%Cu 無鉛合金無鉛合金? 。焊料合金用于波峰焊。 其熔點(diǎn)為其熔點(diǎn)為 227℃ 。? 手工電烙鐵焊大多采用手工電烙鐵焊大多采用 SnCu、 SnAg或或 SnAgCu焊料。焊料。（（ 2）關(guān)于）關(guān)于 SnAgCu系焊料的最佳成分系焊料的最佳成分? SnAgCu系焊料的最佳成分，日、美、歐之間存在一系焊料的最佳成分，日、美、歐之間存在一些微小的差別，日本的無鉛實(shí)施在世界上處于領(lǐng)先地位些微小的差別，日本的無鉛實(shí)施在世界上處于領(lǐng)先地位，對(duì)無鉛焊料有很深入的研究，他們的研究表明，對(duì)無鉛焊料有很深入的研究，他們的研究表明 SnAgCu焊料中焊料中 Ag與與 Sn在在 221℃℃ 形成共晶板狀的形成共晶板狀的 Ag3Sn合金，合金，當(dāng)當(dāng) Ag含量超過含量超過 % 以后（出現(xiàn)過共晶成分）板狀的以后（出現(xiàn)過共晶成分）板狀的Ag3Sn合金會(huì)粗大化，粗大的板狀合金會(huì)粗大化，粗大的板狀 Ag3Sn較硬，拉伸強(qiáng)較硬，拉伸強(qiáng)度降低，容易造成疲勞壽命降低，他們的結(jié)論是：度降低，容易造成疲勞壽命降低，他們的結(jié)論是： “在在共晶點(diǎn)附近，成分不能向金屬間化合物方向偏移共晶點(diǎn)附近，成分不能向金屬間化合物方向偏移 ”，因，因此選擇使用低此選擇使用低 Ag的的 SnAgCu無鉛焊料中無鉛焊料中 Ag與與 Sn在在 221℃ 形成形成共晶共晶 板狀的板狀的 Ag3Sn合金合金板狀的板狀的 Ag3Sn較硬，當(dāng)較硬，當(dāng) Ag含量超過含量超過 3.2wt% 以后以后 （出現(xiàn)（出現(xiàn)過共晶成分）過共晶成分） 拉伸強(qiáng)度降低，容易造成疲勞壽命降低拉伸強(qiáng)度降低，容易造成疲勞壽命降低，因此，因此 推薦使用低推薦使用低 Ag的的 結(jié)論：結(jié)論： “在共晶點(diǎn)附近，成分不能向金屬間化合物方向偏移在共晶點(diǎn)附近，成分不能向金屬間化合物方向偏移 ”（（ 3）） IPC推薦的無鉛焊料：推薦的無鉛焊料：Ag含量為含量為 % 的的 SnAgCu焊料焊料? 由于由于 \\利權(quán)；另外由于利權(quán)；另外由于 Ag含量為含量為 % 的焊料沒有專利的焊料沒有專利權(quán)；價(jià)格相對(duì)較便宜；焊點(diǎn)質(zhì)量較好。因此權(quán)；價(jià)格相對(duì)較便宜；焊點(diǎn)質(zhì)量較好。因此 IPC推推薦采用薦采用 Ag含量為含量為 % （重量百分比）的（重量百分比）的 SnAgCu焊料。焊料。合金成分 熔點(diǎn)（ ℃ ）Sn37Pb（傳統(tǒng)）（傳統(tǒng)） 183Sn58Bi 138 179189Sn10Bi5Zn 168190 205210 213218\\ 217218 218\\ 216220 221Sn2Ag 221226(用于波峰焊用于波峰焊 ) 227Sn5Sb 232240無鉛焊料合金的熔點(diǎn)（舉例）無鉛焊料合金的熔點(diǎn)（舉例）Sn63\Pb37與與 Sn\\合金成分密度g/mm2熔點(diǎn)℃膨脹系數(shù)106熱傳導(dǎo)率Wm 1K1電導(dǎo)率%IACS電阻系數(shù)MΩcm表面張力260℃ mNm1Sn63\Pb37 183 50 15 481Sn\\ 217 11 548繼續(xù)攻克研究更理想的無鉛焊料繼續(xù)攻克研究更理想的無鉛焊料 雖然雖然 Sn基基 無鉛無鉛 合金已經(jīng)被較廣泛的應(yīng)用，但與合金已經(jīng)被較廣泛的應(yīng)用，但與Sn63\Pb37共晶共晶 焊料相比較仍然有以下問題：焊料相比較仍然有以下問題：? 熔點(diǎn)高熔點(diǎn)高 34℃℃? 表面張力大、潤濕性差表面張力大、潤濕性差? 價(jià)格高價(jià)格高但但 IPC認(rèn)為：無鉛焊料的種類不能很多，要單一標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為：無鉛焊料的種類不能很多，要單一標(biāo)準(zhǔn)化，否則對(duì)元件、對(duì)可靠性會(huì)有很大影響?；?，否則對(duì)元件、對(duì)可靠性會(huì)有很大影響。IPCA610D就是以就是以 SnAg–Cu焊焊 料做的料做的 標(biāo)標(biāo) 準(zhǔn)。準(zhǔn)。用低用低 Ag的的 SnAgCu替代目前廣泛應(yīng)用于替代目前廣泛應(yīng)用于波峰焊的波峰焊的 ? 深圳億鋮達(dá)公司推出的深圳億鋮達(dá)公司推出的 M0507()? 成本約占成本約占 65~75%? 熔化溫度為熔化溫度為 217~227℃℃ ，性能與，性能與 SAC305和和 合金相差不大。合金相差不大。? M0507的潤濕性、缺陷率均明顯優(yōu)于的潤濕性、缺陷率均明顯優(yōu)于 SnCuNi，略低于，略低于 。? 通孔元件焊點(diǎn)拉脫強(qiáng)度約為通孔元件焊點(diǎn)拉脫強(qiáng)度約為 70牛頓，介于牛頓，介于 Sn63Pb37之間；之間；? 片式電阻焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度及片式電阻焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度及 QFP封裝外引線焊點(diǎn)拉脫封裝外引線焊點(diǎn)拉脫強(qiáng)度數(shù)據(jù)優(yōu)于強(qiáng)度數(shù)據(jù)優(yōu)于 SnCuNi。 ? 另一家焊料供應(yīng)商另一家焊料供應(yīng)商 Indium公司最近新開發(fā)出一種改良公司最近新開發(fā)出一種改良的的 SnAgCu合金，在合金，在 其它元素，該摻雜物能夠有效增加合金的展延性和柔其它元素，該摻雜物能夠有效增加合金的展延性和柔軟性。軟性。 ? 據(jù)悉，一直推廣使用據(jù)悉，一直推廣使用 日本日本廠家也已經(jīng)開始意識(shí)到：廠家也已經(jīng)開始意識(shí)到： 在錫條、錫線領(lǐng)域中采用高在錫條、錫線領(lǐng)域中采用高銀的做法是嚴(yán)重的浪費(fèi)。銀的做法是嚴(yán)重的浪費(fèi)。 日本方面為此成立了一個(gè)專日本方面為此成立了一個(gè)專門委員會(huì)進(jìn)行探討，其目標(biāo)就是研制低門委員會(huì)進(jìn)行探討，其目標(biāo)就是研制低 Ag含量的含量的 SnAgCu合金。合金。（（ 4）） PCB焊盤表面材料焊盤表面材料有有 鉛鉛 無無 鉛鉛Sn/Pb熱風(fēng)熱風(fēng) 整平（整平（ HASL）） 無無 鉛鉛 HASLNi/Au（化學(xué)（化學(xué) 鍍鍍 Ni和浸和浸 鍍鍍 金金 ENIG ， 俗稱水金板）俗稱水金板）Ni/AuCu表面涂覆表面涂覆 OSP Cu表面涂覆表面涂覆 OSP浸浸 銀銀 （（ I－－ Ag）） 浸浸 銀銀 （（ I－－ Ag））浸浸 錫錫 （（ I－－ Sn））（（ 5）元器件焊端表面鍍層材料）元器件焊端表面鍍層材料有引 線元件引 線材料有引 線 元器件 焊 端表面 鍍層 材料無引 線 元器件 焊 端表面 鍍層 材料有 鉛 無 鉛 有 鉛 無 鉛Cu Sn/Pb Sn Sn/Pb SnNi Ni/Au Ni42號(hào)合金 鋼Ni/Pd/Au Ni/Pd/AuSn/Ag Sn/AgSn/Ag/Cu Sn/Ag/CuSn/Ag/Bi Sn/Ag/Bi（（ 6）無鉛焊接機(jī)理）無鉛焊接機(jī)理? 無鉛焊接過程、原理與無鉛焊接過程、原理與 63Sn37Pb基本基本 是一樣的。是一樣的。? 主要區(qū)別主要區(qū)別 是由于是由于 合金成分合金成分 和和 助焊劑成分助焊劑成分 改變了