【正文】 元件和PCB的表面涂層材料。可是對(duì)連接材料，對(duì)實(shí)際的無(wú)鉛系統(tǒng)的尋找仍然進(jìn)行中。這里，總結(jié)一下錫/鉛焊接材料的基本知識(shí)，以及焊接點(diǎn)的性能因素，隨后簡(jiǎn)要討論一下無(wú)鉛焊錫。　　焊錫通常定義為液化溫度在400176。C(750176。F)以下的可熔合金。裸片級(jí)的(特別是倒裝芯片)錫球的基本合金含有高溫、高鉛含量，比如Sn5/Pb95或Sn10/Pb90。共晶或臨共晶合金，如Sn60/Pb40，Sn62/Pb36/Ag2和Sn63/Pb37，也成功使用。例如，載體CSP/BGA板層底面的錫球可以是高溫、高鉛或共晶、臨共晶的錫/鉛或錫/鉛/銀材料。由于傳統(tǒng)板材料，如FR4，的賴溫水平，用于附著元件和IC包裝的板級(jí)焊錫局限于共晶，臨共晶的錫/鉛或錫/鉛/銀焊錫。在某些情況，使用了錫/銀共晶和含有鉍(Bi)或銦(In)的低溫焊錫成分?！　『稿a可以有各種物理形式使用，包括錫條、錫錠、錫線、錫粉、預(yù)制錠、錫球與柱、錫膏和熔化狀態(tài)。焊錫材料的固有特性可從三個(gè)方面考慮：物理、冶金和機(jī)械。物理特性對(duì)今天的包裝和裝配特別重要的有五個(gè)物理特性：1. 冶金相化溫度(Metallurgical phasetransition temperature)有實(shí)際的暗示，液相線溫度可看作相當(dāng)于熔化溫度，固相線溫度相當(dāng)于軟化溫度。對(duì)給定的化學(xué)成分，液相線與固相線之間的范圍叫做塑性或粘滯階段。選作連接材料的焊錫合金必須適應(yīng)于最惡劣條件下的最終使用溫度。因此，希望合金具有比所希望的最高使用溫度至少高兩倍的液相線。當(dāng)使用溫度接近于液相線時(shí)，焊錫通常會(huì)變得機(jī)械上與冶金上“脆弱”。 2. 焊錫連接的導(dǎo)電性(electrical conductivity)描述了它們的電氣信號(hào)的傳送性能。從定義看，導(dǎo)電性是在電場(chǎng)的作用下充電離子(電子)從一個(gè)位置向另一個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)。電子導(dǎo)電性是指金屬的，離子導(dǎo)電性是指氧化物和非金屬的。焊錫的導(dǎo)電性主要是電子流產(chǎn)生的。電阻 — 與導(dǎo)電性相反 — 隨著溫度的上升而增加。這是由于電子的移動(dòng)性減弱，它直接與溫度上升時(shí)電子運(yùn)動(dòng)的平均自由路線(meanfreepath)成比例。焊錫的電阻也可能受塑性變形的程度的影響(增加)。 3. 金屬的導(dǎo)熱性(thermal conductivity)通常與導(dǎo)電性直接相關(guān)，因?yàn)殡娮又饕菍?dǎo)電和導(dǎo)熱。(可是，對(duì)絕緣體，聲子的活動(dòng)占主要。) 焊錫的導(dǎo)熱性隨溫度的增加而減弱。 4. 自從表面貼裝技術(shù)的開(kāi)始，溫度膨脹系數(shù)(CTE, coefficient of thermal expansion)問(wèn)題是經(jīng)常討論到的，它發(fā)生在SMT連接材料特性的溫度膨脹系數(shù)(CTE)通常相差較大的時(shí)候。一個(gè)典型的裝配由FR4板、焊錫和無(wú)引腳或有引腳的元件組成。它們各自的溫度膨脹系數(shù)(CTE)為， 106/176。C(FR4)。 106/176。C(Sn63/Pb37)。 106/176。C(銅引腳)。 106/176。C(氧化鋁Al2O3無(wú)引腳元件)。在溫度的波動(dòng)和電源的開(kāi)關(guān)下，這些CTE的差別增加焊接點(diǎn)內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變，縮短使用壽命，導(dǎo)致早期失效。兩個(gè)主要的材料特性決定CTE的大小，晶體結(jié)構(gòu)和熔點(diǎn)。當(dāng)材料具有類似的晶格結(jié)構(gòu)，它們的CTE與熔點(diǎn)是相反的聯(lián)系。 5. 熔化的焊錫的表面張力(surface tension)是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，與可熔濕性和其后的可焊接性相關(guān)。由于在表面的斷裂的結(jié)合，作用在表面分子之間的吸引力相對(duì)強(qiáng)度比焊錫內(nèi)部的分子力要弱。因此材料的自由表面比其內(nèi)部具有更高的能量。對(duì)熔濕焊盤的已熔化的焊錫來(lái)說(shuō)，焊盤的表面必須具有比熔化的焊錫表面更高的能量。換句話說(shuō)，已熔化金屬的表面能量越低(或金屬焊盤的表面能量越高)，熔濕就更容易。 冶金特性在焊錫連接使用期間暴露的環(huán)境條件下，通常發(fā)生的冶金現(xiàn)象包括七個(gè)不同的改變。 1. 塑性變形(plastic deformation)。當(dāng)焊錫受到外力，如機(jī)械或溫度應(yīng)力時(shí)，它會(huì)發(fā)生不可逆變的塑性變形。通常是從焊錫晶體結(jié)合的一些平行平面開(kāi)始，它可能在全部或局部(焊錫點(diǎn)內(nèi))進(jìn)行，看應(yīng)力水平、應(yīng)變率、溫度和材料特性而定。連續(xù)的或周期性的塑性變形最終導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂。 2. 應(yīng)變硬化(strainhardening)，是塑性變形的結(jié)果，通常在應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系中觀察得到。 3. 回復(fù)過(guò)程(recovery process)是應(yīng)變硬化的相反的現(xiàn)象，是軟化的現(xiàn)象，即，焊錫傾向于釋放儲(chǔ)存的應(yīng)變能量。該過(guò)程是熱動(dòng)力學(xué)過(guò)程，能量釋放過(guò)程開(kāi)始時(shí)快速，其后過(guò)程則較慢。對(duì)焊接點(diǎn)失效敏感的物理特性傾向于恢復(fù)到其初始的值。僅管如此，這不會(huì)影響微結(jié)構(gòu)內(nèi)的可見(jiàn)的變化。 4. 再結(jié)晶(recrystallization)是經(jīng)常在使用期間觀察到的焊接點(diǎn)內(nèi)的另一個(gè)現(xiàn)象。它通常發(fā)生在相當(dāng)較高的溫度下，涉及比回復(fù)過(guò)程更大的從應(yīng)變材料內(nèi)釋放的能量。在再結(jié)晶期間，也形成一套新的基本無(wú)應(yīng)變的晶體結(jié)構(gòu)，明顯包括晶核形成和生長(zhǎng)過(guò)程。再結(jié)晶所要求的溫度通常在材料絕對(duì)熔點(diǎn)的三分之一到二分之一。 5. 溶液硬化(solutionhardening)，或固體溶液合金化過(guò)程，造成應(yīng)力增加。一個(gè)例子就是當(dāng)通過(guò)添加銻(Sb)來(lái)強(qiáng)化Sn/Pb成分。如圖一所示。 6. 沉淀硬化(precipitaionhardening)包括來(lái)自有充分?jǐn)嚢璧奈⒊恋斫Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)化效果。 7. 焊錫的超塑性(superplasticity)出現(xiàn)在低應(yīng)力、高溫和低應(yīng)變率相結(jié)合的條件下。 　　機(jī)械特性　　焊錫的三個(gè)基本的機(jī)械特性包括應(yīng)力對(duì)應(yīng)力特性、懦變阻抗和疲勞阻抗?！　‰m然應(yīng)力可通過(guò)張力、壓力或剪切力產(chǎn)生，大多數(shù)合金的剪切力比張力或壓力要弱。剪切強(qiáng)度是很重要的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)焊接點(diǎn)在使用中經(jīng)受剪切應(yīng)力?！　∨匙兪钱?dāng)溫度和應(yīng)力(負(fù)荷)都保持常數(shù)時(shí)的一種全面塑性變形。這個(gè)依靠時(shí)間的變形可能在絕對(duì)零度以上的任何溫度下發(fā)生?？墒?，懦變只是在“活躍”溫度才變得重要。　　疲勞是在交變應(yīng)力下的合金失效。在循環(huán)負(fù)荷下合金所能忍受的應(yīng)力比靜態(tài)負(fù)荷下小得多。因此，屈服強(qiáng)度，焊錫阻抗永久變形的靜態(tài)應(yīng)力，經(jīng)常與疲勞強(qiáng)度無(wú)關(guān)。通常疲勞斷裂開(kāi)始于幾個(gè)微小的裂紋，在重復(fù)應(yīng)力作用下增長(zhǎng)，造成焊接點(diǎn)截面的承載能力下降。　　電子包裝與裝配應(yīng)用中等焊錫一般經(jīng)受低頻疲勞(疲勞壽命小于10,000周期)和高應(yīng)力。溫度機(jī)械疲勞是用來(lái)介定焊錫特性的另一個(gè)測(cè)試模式。材料受制于循環(huán)的溫度極限，即溫度疲勞測(cè)試模式。每個(gè)方法都有其獨(dú)特的特性和優(yōu)點(diǎn)，兩者都影響焊錫上的應(yīng)變循環(huán)。　　性能與外部設(shè)計(jì)　　人們都認(rèn)識(shí)到焊錫點(diǎn)的可靠性不僅依靠?jī)?nèi)在的特性，而且依靠設(shè)計(jì)、要裝配的元件與板、用以形成焊接點(diǎn)的過(guò)程和長(zhǎng)期使用的環(huán)境。還有，焊接點(diǎn)表現(xiàn)的特性是有別于散裝的焊錫材料。因此，一些已建立的散裝焊錫與焊接點(diǎn)之間的機(jī)械及溫度特性可能不完全相同。主要地，這是由于電路板層表面對(duì)焊錫量的高比率，在固化期間造成大量異相晶核座，以及當(dāng)焊錫點(diǎn)形成時(shí)元素或冶金成分的濃度變化。任何一種情況都可能導(dǎo)致反應(yīng)缺乏均勻性的結(jié)構(gòu)。隨著焊錫點(diǎn)厚度的減少，這種界面衰歇將更明顯。因此，焊接點(diǎn)的特性可能改變，失效機(jī)制可能與從散裝的焊錫得出的不一樣。　　元件與板的設(shè)計(jì)也會(huì)對(duì)焊錫點(diǎn)特性有重要影響。例如，和焊盤有聯(lián)系的阻焊的設(shè)計(jì)(如限定的或非限定的阻焊)，將影響焊錫點(diǎn)的性能以及失效機(jī)制?！　?duì)每一種元件包裝類型，觀察和介定各自的焊接點(diǎn)失效模式。例如，翅形QFP的焊接點(diǎn)裂紋經(jīng)常從焊點(diǎn)圓角的腳跟部開(kāi)始，第二條裂紋在腳趾區(qū)域；BGA的焊點(diǎn)失效通常在焊錫球與包裝的界面或焊錫球與板的界面發(fā)現(xiàn)。　　另一個(gè)重要因素是系統(tǒng)溫度管理。IC芯片的散熱要求在不斷增加。運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱量必須有效地從芯片帶出到包裝表面，然后到室溫。在出現(xiàn)由于過(guò)熱而引起的系統(tǒng)失效之前，IC的性能可能變得不穩(wěn)定，和前面所說(shuō)的溫度與導(dǎo)電性之間的關(guān)系一樣。元件的包裝與電路板的設(shè)計(jì)都會(huì)影響到散熱過(guò)程的效率?！　『稿a節(jié)點(diǎn)比其替代品聚合膠的傳導(dǎo)熱量要有效得多?！　‘?dāng)焊錫點(diǎn)通過(guò)一個(gè)品質(zhì)過(guò)程適當(dāng)?shù)匦纬珊螅c其使用壽命相聯(lián)系的是懦變/疲勞的交互作用、金屬化合的發(fā)展和微結(jié)構(gòu)的進(jìn)化。失效模式隨系統(tǒng)的構(gòu)成而變化，比如包裝類型(PBGA、CSP、QFP 電容，等)、溫度和應(yīng)變水平、使用的材料、圓角體積焊錫點(diǎn)幾何形狀以及其它設(shè)計(jì)因素。更高功率的芯片和現(xiàn)在設(shè)計(jì)不斷增加密度的電路更加要求焊點(diǎn)的更好的溫度疲勞強(qiáng)度?！　o(wú)鉛焊錫　　對(duì)無(wú)鉛焊錫的興趣隨著時(shí)間發(fā)生變化，有激動(dòng)也有冷漠。雖然還沒(méi)有立法的影響，開(kāi)發(fā)無(wú)鉛焊錫的另一個(gè)、可能更重要的目標(biāo)是把焊錫提高到一個(gè)新的性能水平?！　〉湫偷腜CB裝配共晶錫/鉛(Sn63/Pb37)焊錫點(diǎn)通常遇到累積的退化，造成溫度疲勞。這個(gè)退化經(jīng)常與焊點(diǎn)界面的金相粗糙有關(guān)，如圖二所示，而它又與鉛(Pb)或富鉛(Pbrich)金相更密切?！　∪绻∠U，那無(wú)鉛焊錫經(jīng)受溫度循環(huán)的損害機(jī)制會(huì)改變嗎？在沒(méi)有其它主要失效(金屬間化合、粘合差、過(guò)多空洞，等)的條件下，溫度疲勞環(huán)境中無(wú)鉛焊錫點(diǎn)的失效機(jī)制很可能不會(huì)涉及與錫/鉛相同程度的金相粗糙。實(shí)際上應(yīng)該設(shè)計(jì)無(wú)鉛合金以防止金相粗糙，因而提供更高的疲勞阻抗，因?yàn)橛羞m當(dāng)?shù)奈⒔Y(jié)構(gòu)進(jìn)化。圖三比較受溫度疲勞的無(wú)錫焊錫點(diǎn)的強(qiáng)度，顯示兩種無(wú)鉛合金沒(méi)有金相粗糙?！　∫呀榻B各種無(wú)鉛成分。多數(shù)似乎至少在一個(gè)區(qū)域失效：例如，可能缺少本身的性能來(lái)顯示焊接期間即時(shí)流動(dòng)和良好的熔濕性能；熔化溫度可能太高，超出同用PCB的溫度忍耐水平；或者可能展示機(jī)械性能不足。只有那些結(jié)合所希望的物理和機(jī)械特性與滿足制造要求的能力的無(wú)鉛焊錫才被認(rèn)做可利用的材料。第三節(jié) 錫膏印刷 By Ray P. Prasad　　本文介紹：“即使是最好的錫膏、設(shè)備和應(yīng)用方法，也不一定充分保證得到可接受的結(jié)果。使用者必須控制工藝過(guò)程和設(shè)備變量，以達(dá)到良好的印刷品質(zhì)?！薄　≡诒砻尜N裝裝配的回流焊接中，錫膏用于表面貼裝元件的引腳或端子與焊盤之間的連接。有許多變量，如錫膏、絲印機(jī)、錫膏應(yīng)用方法和印刷工藝過(guò)程。在印刷錫膏的過(guò)程中，基板放在工作臺(tái)上，機(jī)械地或真空夾緊定位，用定位銷或視覺(jué)來(lái)對(duì)準(zhǔn)?；蛘呓z網(wǎng)(screen)或者模板(stencil)用于錫膏印刷。本文將著重討論幾個(gè)關(guān)鍵的錫膏印刷問(wèn)題，如模板設(shè)計(jì)和印刷工藝過(guò)程?！　∮∷⒐に囘^(guò)程與設(shè)備　　在錫膏印刷過(guò)程中，印刷機(jī)是達(dá)到所希望的印刷品質(zhì)的關(guān)鍵。今天可購(gòu)買到的絲印機(jī)分為兩種主要類型：實(shí)驗(yàn)室與生產(chǎn)。每個(gè)類型有進(jìn)一步的分類，因?yàn)槊總€(gè)公司希望從實(shí)驗(yàn)室與生產(chǎn)類型的印刷機(jī)得到不同的性能水平。例如，一個(gè)公司的研究與開(kāi)發(fā)部門(Ramp。D)使用實(shí)驗(yàn)室類型制作產(chǎn)品原型，而生產(chǎn)則會(huì)用另一種類型。還有，生產(chǎn)要求可能變化很大，取決于產(chǎn)量。因?yàn)榧す馇懈钤O(shè)備是不可能分類的，最好是選擇與所希望的應(yīng)用相適應(yīng)的絲印機(jī)?！　≡谑止せ虬胱詣?dòng)印刷機(jī)中，錫膏是手工地放在模板/絲網(wǎng)上，這時(shí)印刷刮板(squeegee)處于模板的另一端。在自動(dòng)印刷機(jī)中，錫膏是自動(dòng)分配的。在印刷過(guò)程中，印刷刮板向下壓在模板上，使模板底面接觸到電路板頂面。當(dāng)刮板走過(guò)所腐蝕的整個(gè)圖形區(qū)域長(zhǎng)度時(shí)，錫膏通過(guò)模板/絲網(wǎng)上的開(kāi)孔印刷到焊盤上?！　≡阱a膏已經(jīng)沉積之后，絲網(wǎng)在刮板之后馬上脫開(kāi)(snap off)，回到原地。這個(gè)間隔或脫開(kāi)距離是設(shè)備設(shè)計(jì)所定的，~。脫開(kāi)距離與刮板壓力是兩個(gè)達(dá)到良好印刷品質(zhì)的與設(shè)備有關(guān)的重要變量。　　如果沒(méi)有脫開(kāi)，這個(gè)過(guò)程叫接觸(oncontact)印刷。當(dāng)使用全金屬模板和刮刀時(shí)，使用接觸印刷。非接觸(offcontact)印刷用于柔性的金屬絲網(wǎng)?！　」伟?squeegee)類型　　刮板的磨損、壓力和硬度決定印刷質(zhì)量，應(yīng)該仔細(xì)監(jiān)測(cè)。對(duì)可接受的印刷品質(zhì)，刮板邊緣應(yīng)該鋒利和直線。刮板壓力低造成遺漏和粗糙的邊緣，而刮板壓力高或很軟的刮板將引起斑點(diǎn)狀的(smeared)印刷，甚至可能損壞刮板和模板或絲網(wǎng)。過(guò)高的壓力也傾向于從寬的開(kāi)孔中挖出錫膏，引起焊錫圓角不夠。常見(jiàn)有兩種刮板類型：橡膠或聚氨酯(polyurethane)刮板和金屬刮板。當(dāng)使用橡膠刮板時(shí)，使用7090橡膠硬度計(jì)(durometer)硬度的刮板。當(dāng)使用過(guò)高的壓力時(shí)，滲入到模板底部的錫膏可能造成錫橋，要求頻繁的底部抹擦。為了防止底部滲透，焊盤開(kāi)口在印刷時(shí)必須提供密封(gasketing)作用。這取決于模板開(kāi)孔壁的粗糙度?！　〗饘俟蔚兑彩浅Ｓ玫?。隨著更密間距元件的使用，金屬刮刀的用量在增加。它們由不銹鋼或黃銅制成，具有平的刀片形狀，使用的印刷角度為30~45176。一些刮刀涂有潤(rùn)滑材料。因?yàn)槭褂幂^低的壓力，它們不會(huì)從開(kāi)孔中挖出錫膏，還因?yàn)槭墙饘俚模鼈儾幌笙鹉z刮板那樣容易磨損，因此不需要鋒利。它們比橡膠刮板成本貴得多，并可能引起模板磨損?！　∈褂貌煌墓伟孱愋驮谑褂脴?biāo)準(zhǔn)元件和密腳元件的印刷電路裝配(PCA)中是有區(qū)分的。錫膏量的要求對(duì)每一種元件有很大的不同。密間距元件要求比標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝元件少得多的焊錫量。焊盤面積和厚度控制錫膏量。　　一些工程師使用雙厚度的模板來(lái)對(duì)密腳元件和標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝焊盤施用適當(dāng)?shù)腻a膏數(shù)量。其它工程師采用一種不同的方法 他們使用不需要經(jīng)常鋒利的更經(jīng)濟(jì)的金屬刮刀。用金屬刮刀更容易防止錫膏沉積量的變化，但這種方法要求改良的模板開(kāi)孔設(shè)計(jì)來(lái)防止在密間距焊盤上過(guò)多的錫膏沉積。這個(gè)方法在工業(yè)上變得更受歡迎，但是，使用雙厚度印刷的橡膠刮板也還沒(méi)有消失?！　∧０?stencil)類型　　重要的印刷品質(zhì)變量包括模板孔壁的精度和光潔度。保存模板寬度與厚度的適當(dāng)?shù)目v橫比(aspect ratio)是重要的。這對(duì)防止模板阻塞是重要。一般，錫膏會(huì)保留在開(kāi)孔內(nèi)。除了縱橫比之外，如