【導(dǎo)讀】工藝相應(yīng)的解決辦法。SMT生產(chǎn)線(xiàn)、計(jì)算機(jī)、掃描儀。實(shí)用表面組裝技術(shù)，SMT相關(guān)論文等。技術(shù)的工藝流程，即其工藝的五個(gè)步驟，并寫(xiě)了在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的新的工藝與設(shè)備的應(yīng)用；元素污染等等，重點(diǎn)研究了?現(xiàn)象、表面裂紋（龜裂）、焊點(diǎn)剝離的產(chǎn)生現(xiàn)象，產(chǎn)

　　

【正文】 值溫度和液相線(xiàn)以上時(shí)間（ TAL）； （ 4）減少波峰焊工藝熱參數(shù)和停留時(shí)間； （ 5）降低鍍層表面存在的裂縫和水分； （ 6）鍍鎳后及時(shí)清洗酸性鍍液，防止長(zhǎng)時(shí)間鎳被腐蝕。 長(zhǎng)期解決措施：控制 ENIG 鍍層。 （ 1）控制 EN 層 P 含量，一般為 7～ 8wt%以實(shí)現(xiàn)良好的抗腐蝕性； （ 2）控制 EN 層厚度，一般為 5um。如果 EN 層較薄，釬料和 EN 層間的反應(yīng)導(dǎo)致Kirkendall 孔洞產(chǎn)生 ，從而使界面強(qiáng)度下降，影響焊點(diǎn)可靠性； （ 3）減小鍍槽內(nèi)金屬污染，比如 Ni 的污染需控制在 500ppm 以下； （ 4）維持供應(yīng)商提供的鍍層參數(shù)，控制鍍槽內(nèi) pH 值，化學(xué)成分及溫度， pH 值一般為 3～ 4； （ 5）沉淀 Au 層時(shí)保證鍍槽內(nèi)最小限度腐蝕性的中性金浴槽； （ 6）增加一些添加劑析出在晶粒邊界，影響晶粒度和孔隙防止過(guò)渡氧化。 表面裂紋（龜裂） 產(chǎn)生此現(xiàn)象的表現(xiàn) 由于 PCB 基板材料及 PCB 上銅箔導(dǎo)線(xiàn)、銅過(guò)孔及元件引腳之間的熱膨脹系數(shù)存在差異，焊接過(guò)程中 PCB 在 Z 軸方向出現(xiàn)的熱膨 脹遠(yuǎn)大于銅過(guò)孔臂的熱膨脹，從而引起焊點(diǎn)和焊盤(pán)變形，如圖 下圖 1 所示。即使 PCB 通過(guò)了波峰，但大量密集焊點(diǎn)固化熱量傳導(dǎo)至板材而使 PCB 繼續(xù)處于熱膨脹狀態(tài)。一旦固化熱能輻射結(jié)束，焊點(diǎn)就開(kāi)始緩慢下降至環(huán)境溫度， PCB 開(kāi)始冷卻恢復(fù)平板狀，這就在焊點(diǎn)表面產(chǎn)生很大的應(yīng)力，引起焊盤(pán)起翹或焊點(diǎn)剝離（有 Pb、 Bi 污染時(shí)）或表面裂紋，如圖 下圖 2 所示。 1北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 24 2 表面裂紋是無(wú)鉛波峰焊工藝中通孔焊點(diǎn)上出現(xiàn)的新缺陷，如下圖所示，在接觸波峰面焊點(diǎn)表面出現(xiàn)一肉眼可觀察到的裂紋。 IPC610D 指出：只要裂紋底部不深入 到焊點(diǎn)內(nèi)部影響電氣及力學(xué)性能就判定為合格，但實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免表面裂紋的產(chǎn)生。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 25 產(chǎn)生機(jī)理 PCB 離開(kāi)波峰焊點(diǎn)開(kāi)始固化期間，焊點(diǎn)開(kāi)始從 PCB 頂部至底部逐漸固化，由 下 表可以看出引腳和焊盤(pán)熱導(dǎo)率最大，近元件引腳的焊點(diǎn)頂部和焊盤(pán)邊緣也最容易冷卻先固化，其次是與低溫空氣接觸的焊點(diǎn)表面同時(shí)形成一層表皮。在后續(xù)固化過(guò)程中，由于焊點(diǎn)內(nèi)部熱量要釋放，其熱量會(huì)流向引腳，導(dǎo)致大塊釬料凝固過(guò)程期間元件引腳繼續(xù)膨脹。在這種情況下，大塊釬料冷卻體積收縮而引腳仍然相對(duì)伸長(zhǎng)，這就在已固 化表面產(chǎn)生張力和剪切力。再加上焊點(diǎn)固化后 PCB 在 Z 方向有很大的收縮，造成焊點(diǎn)存在大的應(yīng)力應(yīng)變。隨后在 PCB 開(kāi)始冷卻恢復(fù)平板狀時(shí)，如果焊盤(pán)與 PCB 基板之間粘合力足夠強(qiáng)，那么焊點(diǎn)的變形就會(huì)引起表面裂紋的產(chǎn)生。當(dāng)實(shí)際發(fā)生的應(yīng)變量超過(guò)材料本身所具有的塑性變形能力時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生開(kāi)裂，因此裂紋一般從高應(yīng)力應(yīng)變位置產(chǎn)生。 值得注意的是，一般在共晶釬料中是不宜出現(xiàn)表面裂紋，而非共晶釬料中較多，原因可能是非共晶釬料存在固液共存的低塑性區(qū)，并且產(chǎn)生 60～ 80%左右的枝狀晶，此時(shí)在不大的應(yīng)力作用下就可被拉開(kāi)； PCB 下表面焊點(diǎn)更易出現(xiàn)表面裂紋，原因可能是釬料波向上的沖擊和回落使 PCB 上下焊點(diǎn)的熱分布不同，導(dǎo)致 PCB 下方焊點(diǎn)凝固延遲時(shí)間更長(zhǎng)，即處于固液共存溫度區(qū)間時(shí)間更長(zhǎng)。 快速冷卻使凝固等溫線(xiàn)移動(dòng)速度快，沒(méi)有足夠的時(shí)間產(chǎn)生應(yīng)變，如果產(chǎn)生的有效應(yīng)力低于金屬自身強(qiáng)度，焊點(diǎn)雖然沒(méi)有發(fā)生應(yīng)變，但殘余應(yīng)力會(huì)保留在其內(nèi)部。若冷卻速率太快則會(huì)產(chǎn)生更大的應(yīng)力 ，又由于 焊點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布極不均勻，應(yīng)變量較空冷焊點(diǎn)有所增加，更容易產(chǎn)生開(kāi)裂。慢速冷卻使凝固等溫線(xiàn)移動(dòng)速度慢，有效應(yīng)力通過(guò)兩相區(qū)收縮變形得以釋放，形成的通道空間被液態(tài)釬料 填充，如果通道空間靠近表面，凝固后就以表面裂紋的形式保存下來(lái)。所以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡可能采用快速冷卻，但不能太快，一般要求控制在 10℃ /s 左右。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 26 解決措施 （ 1）控制合適的釬焊溫度和浸錫時(shí)間，減少變形量，比如提高預(yù)熱溫度，降低焊接溫度； （ 2）控制適當(dāng)?shù)睦鋮s速度。冷卻速度對(duì)晶粒的形態(tài)和大小影響很大，要避免形成過(guò)大的方向性明顯的枝晶，影響釬料基體應(yīng)變量和焊點(diǎn)可靠性。 （ 3）控制材料工藝性。保持印刷電路板清潔，防止元器件引線(xiàn)氧化，設(shè)計(jì) PCB 兩面焊盤(pán)對(duì)稱(chēng)，評(píng)估板面和元件鍍層的影響（推薦 IAg/IAu），評(píng)估焊劑化學(xué)物質(zhì)對(duì)裂紋是否有作用，選用 Z 方向膨脹系數(shù)小的基板材料，選用含對(duì)無(wú)鉛合金裂紋收縮的形成有顯著影響的元素（添加 Ni），選用共晶釬料，防止 Pb、 Bi 的污染等。 剝離 產(chǎn)生此現(xiàn)象的表現(xiàn) 剝離起源于接近焊盤(pán)拐角附近的環(huán)形區(qū)域。焊后冷卻過(guò)程中拐角區(qū)由于應(yīng)力集中較大首先開(kāi)裂，如應(yīng)力未完全釋放，將導(dǎo)致焊盤(pán)外緣界面上應(yīng)力增加，當(dāng)應(yīng)變累積并超過(guò)材料塑性變形能力后，開(kāi)裂會(huì)沿釬料 /焊盤(pán)界面擴(kuò)展直至完全剝離，如下圖所示。剝離一般發(fā)生在結(jié)晶后期，在釬料偏析產(chǎn)生的低熔相液相線(xiàn)以上稍高溫度期間， 屬于熱裂紋之列，發(fā)生機(jī)制同結(jié)晶裂紋發(fā)生機(jī)制相似。偏析使得凝固延遲的焊盤(pán)拐角區(qū)釬料液相線(xiàn)顯著降低，使低塑性的固 液態(tài)區(qū)間增大，局部液相存在時(shí)間更長(zhǎng)。此外，如果釬料中含 Bi 或 P b 污染時(shí)剝離的概率更大，因?yàn)榇藭r(shí)低熔相熔點(diǎn)很低。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 27 產(chǎn)生機(jī)理 導(dǎo)致焊點(diǎn)剝離的主要原因有三方面：微觀成分偏析、非同步凝固和冷卻收縮過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力。釬料中 Bi 的存在是形成焊點(diǎn)剝離現(xiàn)象的主要原因， SnBi 二元合金中存在一熔點(diǎn)只有 138℃的共晶相，如果無(wú)鉛釬料中含 有 Bi 元素，在焊點(diǎn)凝固過(guò)程中，釬料主體在 220℃左右的溫度區(qū)間內(nèi)已凝固，但凝固過(guò)程中偏析出來(lái)的 SnBi 共晶卻要等到 138℃左右才開(kāi)始凝固，由此造成了釬料的非同步凝固現(xiàn)象。值得注意的是并不是含 Bi 元素就一定會(huì)偏析，一般含量控制在 1wt%以下，最大不超過(guò) 3wt%，否則會(huì)出現(xiàn)偏析現(xiàn)象。此外，電子組裝件在焊接過(guò)程中要吸收熱量，冷卻過(guò)程中印刷電路板上的熱量會(huì)通過(guò)鍍層向熱導(dǎo)率非常好的 Cu 焊盤(pán)傳遞，從而造成了與焊盤(pán)接觸部分的釬料不能與其他部分釬料同步凝固，這是由局部溫度不平衡造成的非同步凝固。當(dāng)焊盤(pán)界面處殘存滯后 凝固的液相時(shí)，材料的熱脹冷縮就會(huì)導(dǎo)致了焊點(diǎn)剝離的產(chǎn)生。首先，已冷卻釬料的凝固收縮會(huì)對(duì)焊盤(pán)界面處殘存液相產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力的約束；其次， PCB 板 Z 方向熱脹冷縮系數(shù)一般很大，冷卻過(guò)程中的收縮將促使焊盤(pán)與焊點(diǎn)脫離，研究發(fā)現(xiàn) SAC305 和 焊點(diǎn)都有剝離現(xiàn)象發(fā)生，前者發(fā)生率極少，而后者發(fā)生概率極高并存在規(guī)律性； 和 釬料焊點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)剝離現(xiàn)象。下表為發(fā)生剝離焊點(diǎn)的界面形貌特征。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 28 需要指出的是，如果無(wú)鉛釬料中含有 In，同樣會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)剝 離現(xiàn)象的發(fā)生，原因與含 Bi 釬料合金的情況一致， SnIn 之間可以形成熔點(diǎn)只有 120℃的共晶相。如果波峰焊或是回流焊工藝中使用不含 Bi 的無(wú)鉛釬料，但是相關(guān)的元件外線(xiàn)表面鍍層及印刷電路板表面保護(hù)層使用 SnPb 釬料，這種情況下焊點(diǎn)剝離現(xiàn)象仍有可能發(fā)生，其基本原理與上述一致， SnPb 之間能夠形成熔點(diǎn)為 183℃的共晶相，同樣會(huì)產(chǎn)生非同步凝固現(xiàn)象。如果此時(shí)釬料中含有 Bi，情況會(huì)變得更為嚴(yán)重，因?yàn)?SnPbBi 之間可以形成一熔點(diǎn)只有 96℃的共晶相。 解決措施 （ 1）控制釬料中的 Bi 含量至 1％以下； （ 2）無(wú)鉛工藝中做到完全無(wú)鉛化，即元件外線(xiàn)表面鍍層及 PCB 表面保護(hù)層均做到無(wú)鉛化，盡量不使用含 Bi 或 In 的釬料，并防止 Pb 污染； （ 3）控制合適的釬焊溫度和浸錫時(shí)間。釬焊溫度過(guò)低、浸錫時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)濕不良，釬焊溫度過(guò)高、浸錫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使熱應(yīng)變?cè)龃螅偈箘冸x發(fā)生； （ 4）保持 PCB 焊盤(pán)和元件引線(xiàn)清潔，增加焊劑活性，防止焊點(diǎn)潤(rùn)濕不良； （ 5）開(kāi)發(fā) PCB 材料與制作工藝，減少 Z 方向的熱膨脹系數(shù)； （ 6）考慮 PCB 熱設(shè)計(jì)，使基板內(nèi)部熱量盡量釋放； （ 7）在回流＋波峰復(fù)合工藝中，盡量采用 SMD 焊盤(pán)結(jié)構(gòu)； （ 8）控制適當(dāng)冷卻速度。冷卻速度影響晶粒的形態(tài)和大小，快速冷卻可避免形成過(guò)大的方向性明顯的枝晶，減小焊點(diǎn)剝離趨勢(shì)，但程度不是很明顯，只有在冷卻速度大于20℃ /s 時(shí)，對(duì)剝離現(xiàn)象的抑制作用才較明顯。但過(guò)大的冷卻速率隨能夠抑制偏析，卻不能完全抑制剝離，而且還會(huì)導(dǎo)致表面裂紋增加（當(dāng)冷卻速率達(dá)到 10℃ /s 以上時(shí)）。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 29 第 6 章 結(jié)論 鉛污染問(wèn)題的治理 ， 導(dǎo)致了對(duì)無(wú)鉛焊料的研究 ， 這既是一種挑戰(zhàn) ， 又是一個(gè)契機(jī)。而無(wú)鉛焊料替代鉛錫焊料將是必然的趨勢(shì)。 同時(shí)無(wú)鉛焊料的使用導(dǎo)致了新的焊接工藝流程，新的設(shè)備的出現(xiàn) 和應(yīng)用 。 另外， 無(wú)鉛焊 接工藝技術(shù)的應(yīng)用致使組裝材料、設(shè)備和工藝等發(fā)生了許多變化，相應(yīng)的也出現(xiàn)了許多新的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。只要通過(guò)科學(xué)合理的方法去解決，充分認(rèn)識(shí)無(wú)鉛釬料特性，更新專(zhuān)業(yè)加工概念，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，認(rèn)識(shí)問(wèn)題，進(jìn)行探究與分析，找出解決之道，防止問(wèn)題與未然，實(shí)現(xiàn)高成品率，減少和消除各種焊接缺陷問(wèn)題，才是降低成本的最大根基。北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 30 致 謝 本文是在我的指導(dǎo)老師梁萬(wàn)雷的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的，從開(kāi)題伊始到論文結(jié)束，老師給予我很大的指導(dǎo)和幫助 在今后的學(xué)習(xí)工作中，我將銘記恩師對(duì)我的教誨和鼓勵(lì)，盡自己最大的努力取得更好的成績(jī)。 這三年里電子 工藝與管理 教研室的每位老師對(duì)我的學(xué)習(xí)、生活和工作都給予了熱情的關(guān)心和幫助，使我的水平得到了很大的提高，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。 同時(shí)思想，覺(jué)悟，人生觀，世界觀有了很大的變化，更能適應(yīng)未來(lái)全球化的挑戰(zhàn)，并且理解了終生學(xué)習(xí)的重要性。 在此，向所有關(guān)心和幫助過(guò)我的老師、同學(xué)和朋友表示由衷的謝意！ 也要 衷心感謝在百忙之中評(píng)閱論文和參加答辯的 老師。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 31 參考文獻(xiàn) [1] （日）營(yíng)沼克昭 ． 無(wú)鉛焊接技術(shù) ， 2020， 38． [2] 陳國(guó)海，耿志挺，馬莒生．新型無(wú)鉛焊料合金 SnAgCuInBi 的研究 .電 子元件與材料， 2020， 2(4):36. [3] 張曙光，何禮君，張少明 .綠色無(wú)鉛電子焊料的研究與應(yīng)用進(jìn)展 .材料導(dǎo)報(bào)， 2020，18(6):72. [4] 楊劍，吳志兵，黃艷 . 無(wú)鉛焊膏研究進(jìn)展 .化學(xué)研究與應(yīng)用， 2020， 18（ 5）： 472478. [5] 蔡積慶 .SnAGCu 系無(wú)鉛焊料及其接合可靠性評(píng)價(jià) .表面貼裝技 2020， 3： 5965. [6] 樊融融， 現(xiàn)代電子裝聯(lián)無(wú)鉛焊接 技術(shù) ， 2020， 6（ 10） 14. [7] 肖盈盈，周健，薛烽 .SnZn 系無(wú)鉛焊料研究和亟待解決的問(wèn)題 .電子與封裝 ， 2020，6（ 4）： 1015. [8] 宣大榮，無(wú)鉛焊接微焊接技術(shù)分析與工藝設(shè)計(jì) ， 2020， 7： 2931． [9] Ronald A. Bulwith, Michael Trosky, Louis M. Picchione and Darlene Hug. The ‘ Black Pad’ Failure Mechanism – From Beginning to End. Global SMT amp。 Packaging Journal. 9/2020. [10] Schouten. Explication of a circular crack in a top side solder fillet using a model soldering. Vitronics Soltec Report, 2020,11.北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 32 附 錄 附錄 1 指 導(dǎo) 教 師 情 況 姓 名 技術(shù)職稱(chēng) 工作單位 指 導(dǎo) 教 師 評(píng) 語(yǔ) 指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字 ： 年 月 日 答 辯 委 員 會(huì) 評(píng) 語(yǔ) 最終評(píng)定成績(jī)： 答辯委員會(huì)主任簽字： 單位（公章） 年 月 日 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 1