1、摘要電子組裝業(yè)有鉛釬料禁用期限日益臨近。行業(yè)包括材料、設(shè)備、生產(chǎn)等各環(huán)節(jié)的廠商都在加快無鉛制程導(dǎo)入的步伐。無鉛化過程中，表面組裝的焊接工藝至為重要，而隨著熔點(diǎn)較高的新型釬料陸續(xù)應(yīng)用，焊接過程的冷卻速率也逐漸成為被關(guān)注點(diǎn)。無鉛釬料熔點(diǎn)較Sn-Pb共晶提高30-40，焊接溫度相應(yīng)提高。爐溫的提高對元件和電路板構(gòu)成挑戰(zhàn)，焊接出爐溫度也相應(yīng)提高，釬料液相線上時(shí)間相對延長。較快的冷速可以控制出爐溫度，從而一定程度的控制焊點(diǎn)部組織以及界面化合物的厚度，提高焊點(diǎn)質(zhì)量。本文基于實(shí)際的回流焊生產(chǎn)工藝，研究冷卻速率對無鉛焊點(diǎn)質(zhì)量的影響。主要研究兩種無鉛焊膏在不同冷速下焊點(diǎn)微觀組織和力學(xué)性能的變化。實(shí)測冷速在-4/

2、S -6.5/S之間時(shí)形成的無鉛焊點(diǎn)具有以下特點(diǎn)：微觀組織細(xì)化，金屬間化合物Ag3Sn和Cu6Sn5呈細(xì)顆粒狀在釬料中彌散分布，使焊點(diǎn)斷裂為韌窩斷裂模式，可以起到類似復(fù)合材料的原位增強(qiáng)作用。在釬料和Cu盤的界面，化合物厚度較小，且呈大波浪形態(tài)，容易緩解應(yīng)力集中的問題，焊點(diǎn)的力學(xué)拉脫載荷最大；當(dāng)冷速小于-1.5/S時(shí)，組織粗化。部Ag3Sn粗大而尖銳，界面的Cu6Sn5呈冰凌狀，且厚度較大。焊點(diǎn)在推剪時(shí)這成為裂紋萌生點(diǎn)，焊點(diǎn)的力學(xué)拉脫載荷最小。關(guān)鍵詞回流焊；冷卻速率；拉脫載荷；推剪；焊點(diǎn)質(zhì)量；AbstractThe legislation to ban the use of Pb-based s

3、olders will become effective im-mediately, which provide a driving force for enterprises to accelerate Pb-free process. Its found that reflow soldring plays an important role in Surface Mount-ing Technology ,moreover, cooling rate in reflow soldering profile is getting more and more attention after

4、the use of high-melting-point solders.The melting point of Pb-free solders is 3040 higher than Sn-Pb eutectic solder. The increase of temperature in reflower becomes a challenge of Print Circuit Board (PCB) and components. As a result, the Time Above Liquid (TAL) of solder joints becomes longer, the

5、refore, fast cooling in reflow soldering is used for controlling the PCBA temperature , improving the microstructure of joints and decreasing the thickness of intermetallic compound , consequently, high quality products can be obtained.How cooling rate affects the quality of soldering joints in lead

6、-free process was studied in this paper. The experiments were based on practical industrial production and it focused on the effect of cooling rate on microstructure and mechanical properties. When cooled at 46/S, the microstructure of joints were refined, the IMC of Ag3Sn and Cu6Sn5 phases disperse

7、 in eutectic network in joints which present spherical particles. The fracture of these joints after tensile failure presents dimple mode. Furthermore, the thickness of IMC was thin and it present gentle incline morphology. It KeywordsRflow Soldring;Cooling Rate;Pulll；Push;不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印目錄摘要IAbs

8、tractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2 研究現(xiàn)狀21.2.1 電子組裝工藝21.2.2 無鉛回流焊工藝31.2.3 無鉛回流焊中冷卻速率研究現(xiàn)狀51.3 本文主要研究容10第2章 不同冷速的無鉛焊接工藝實(shí)驗(yàn)112.1 引言112.2 試驗(yàn)條件112.2.1 試驗(yàn)材料112.2.2 試驗(yàn)設(shè)備132.3 溫度曲線調(diào)試142.4 焊接試驗(yàn)結(jié)果182.5 本章小結(jié)19第3章 冷速對無鉛焊點(diǎn)微觀組織的影響213.1 引言213.2 無鉛焊點(diǎn)微觀組織213.3 冷速對焊點(diǎn)部組織的影響243.4 冷速對焊點(diǎn)界面組織的影響283.5 不同冷速對時(shí)效過程界面IMC生長的影響303.6 本章小結(jié)33

9、第4章 冷速對無鉛焊點(diǎn)力學(xué)行為的影響344.1 引言344.2 冷速對無鉛焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響344.2.1 力學(xué)測試儀器344.2.2 QFP焊點(diǎn)的力學(xué)測試354.3 冷速對無鉛焊點(diǎn)斷裂行為的影響384.3.1 QFP焊點(diǎn)拉脫斷裂模式384.3.2 QFP焊點(diǎn)的斷口特征414.3.3 片式電阻焊點(diǎn)推剪的斷口特征414.4 本章小結(jié)43第5章 無鉛回流爐的冷卻模塊445.1 引言445.2 回流爐結(jié)構(gòu)445.3 本章小節(jié)46結(jié)論47參考文獻(xiàn)48附錄49攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文50致51索引52個(gè)人簡歷53千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。

10、打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行第1章 緒論1.1 課題背景歐盟的WEEE和RoHS兩指令規(guī)定從2006年7月1日起全面實(shí)現(xiàn)無鉛化電子組裝。中國順時(shí)而動，也以此為有鉛的禁用期限 。包括法令、市場競爭和客戶要求等在的諸多因素都促使國企業(yè)必須加速導(dǎo)入適于自身產(chǎn)品的無鉛制程。應(yīng)對無鉛運(yùn)動挑戰(zhàn)對企業(yè)而言可謂逆水行舟，不進(jìn)則退。所以各企業(yè)必須從無鉛SMT的特性包括材料、工藝、設(shè)備以及DFM（Design For Manufacture）等各方面著手，制定最適合自己產(chǎn)品的無鉛制程。通過幾年來的努力,國企業(yè)對于無鉛回流焊已經(jīng)積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)。在焊膏方面，Sn-Ag和Sn-Ag-

11、Cu系合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用 錢乙余, 王鳳江等. 國內(nèi)外無鉛釬料發(fā)展綜述. 錫焊料行業(yè)廠長聯(lián)絡(luò)網(wǎng)成立十周年會議.中國海口. 2003, 4:17-30，供應(yīng)商們?nèi)栽谂ρ芯浚嘈鸥鼉?yōu)性能更低成本的助焊劑和焊膏將會陸續(xù)出現(xiàn)；在設(shè)備方面，無鉛制程中受影響最多的回流焊機(jī)通過在加熱模塊、氮?dú)獗Ｗo(hù)、助焊劑回收管理、智能控制等方面的開發(fā)逐漸適應(yīng)了無鉛 找一篇設(shè)備的；工藝方面，通過制程優(yōu)化和精確的溫度控制，缺陷已經(jīng)大為減少，成品率和焊點(diǎn)可靠性逐漸得到提高。但是，由無鉛焊膏自身特性帶來的一些新問題如豎碑、表面裂紋、錫須等等仍未能徹底解。各類缺陷問題在陸續(xù)出現(xiàn)，但客戶對產(chǎn)品的質(zhì)量要求卻不斷提高，這促使制造工藝尤其是

12、焊接工藝愈來愈受人們關(guān)注。針對高可靠性要求的通訊設(shè)備、汽車電子等產(chǎn)品，設(shè)備商、材料商和制造商通常派出技術(shù)人員共同解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的工藝缺陷。其中，在有鉛電子組裝工藝中并不受重視的冷卻速率在無鉛導(dǎo)入過程中逐漸引起人們的關(guān)注。因?yàn)?Hall, W.J. Cooling Parameters in Reflow Soldering, APEX 2000, Long Beach, CA, 2000.、 Yunus.M, Srihari.K, Shear Strength of Lead Free Solder Alloys, Technical Report, Area Array Consortium

13、, Universal Instruments Corporation, Binghamton, New York, 1999：1）鉛焊接溫度升高，PCB組裝板出爐溫度高。高溫時(shí)間過長必然造成對元件、焊盤鍍層以及PCB板等的熱沖擊。需要可靠的冷卻手段降低出爐溫度。2）焊點(diǎn)釬料液相線以上時(shí)間必須加以控制，以減少釬料和焊盤的反應(yīng)時(shí)間，防止脆性的金屬間化合物生長過厚，影響接頭強(qiáng)度。3）無鉛焊點(diǎn)表面發(fā)黑，改變冷速可以改變焊點(diǎn)光亮。然而，冷卻速率并非越快越好，過大的冷速又會導(dǎo)致應(yīng)力集中，出現(xiàn)元件破裂和PCB翹屈等缺陷。且焊點(diǎn)在釬料、PCB組件密度和尺寸、焊盤材料等諸因素不同時(shí)對冷速率要求也不盡相同。工藝

14、人員制定溫度曲線時(shí)多憑經(jīng)驗(yàn)，沒有較為深刻的認(rèn)識。本文基于實(shí)際SMT生產(chǎn)研究冷卻速率對無鉛回流焊焊點(diǎn)質(zhì)量的影響。主要研究冷速對微觀組織和焊點(diǎn)的力學(xué)性能的影響，著重于研究工藝、焊點(diǎn)組織和焊點(diǎn)力學(xué)性能之間的關(guān)系。得出生產(chǎn)中冷卻速率的確定方法，為SMT生產(chǎn)組裝焊接工藝提供數(shù)據(jù)參考，并作為設(shè)備開發(fā)的基本工藝依據(jù)。1.2 研究現(xiàn)狀1.2.1 電子組裝工藝一款電子產(chǎn)品從構(gòu)想到應(yīng)用所經(jīng)過的主要環(huán)節(jié)包括：電路設(shè)計(jì)（集成電路設(shè)計(jì)和PCB電路設(shè)計(jì)等）、元器件制造（半導(dǎo)體封裝與測試）、PCB電路板制造、電子組裝和產(chǎn)品的測試應(yīng)用。其中電子組裝是屬于板級組裝，即完成各類元件和電路板的互聯(lián)。使各型元件在電路板上協(xié)同工作，實(shí)

15、現(xiàn)整機(jī)功能。電子組裝使元件和電路板完成兩種意義上的連接：一、機(jī)械連接，即達(dá)到一定要求的機(jī)械強(qiáng)度和使用可靠性；二、電氣連接，即元件之間信號傳輸暢通無阻并且噪音小，抗干擾能力強(qiáng)。焊接是目前電子制造業(yè)中實(shí)現(xiàn)這兩種連接應(yīng)用最有效最廣泛的連接方法。電子產(chǎn)品的焊接方法應(yīng)用最為廣泛的有兩類，其一為通孔焊接(Through Hole Technology)。通孔焊接即元件引腳和電路板上確定位置的通孔相配合引腳插入通孔在以釬焊完成連接。為了實(shí)現(xiàn)群焊，發(fā)展起來波峰焊完成通孔焊。通孔焊接的優(yōu)點(diǎn)在于連接強(qiáng)度高，易于實(shí)現(xiàn)，成本較低。但是隨著電子產(chǎn)品的高密度化和小型化，通孔焊要進(jìn)一步提高組裝密度減小體積變得較為困難。相對

16、于通孔焊接發(fā)展起來表面組裝(Surface Mounting Technology)即直接把元件的焊端或引腳貼裝在PCB表面的焊盤上，以回流焊完成電氣和機(jī)械連接。表面組裝是組裝工藝中的具有革命性意義的進(jìn)步。由于相應(yīng)的發(fā)展起來各種封裝形式的貼裝元件，該技術(shù)使得組裝密度大為減少，結(jié)構(gòu)更為緊湊。同時(shí)電信號的傳輸距離縮小，抗干擾能力增強(qiáng)，電氣性能也大大提高 張文典，實(shí)用。表面電子組裝工藝主要環(huán)節(jié)包括：焊膏印刷、元件貼裝和回流焊。焊膏印刷工藝主要由印刷機(jī)實(shí)現(xiàn)。印刷機(jī)上刮刀從具有一定厚度的模板上刮過，由于模板上有和PCB焊盤一一對應(yīng)的漏孔，靠刮刀擠壓把膏狀焊料轉(zhuǎn)移到焊盤上。機(jī)器印刷屬于群操作工藝，即所有點(diǎn)

17、一次完成印刷。靠模板基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精確定位，并通過控制模板厚度來實(shí)現(xiàn)焊盤上所需焊膏精確定量；元件貼裝由貼片機(jī)完成，把SMD（表面貼裝元件）精確的貼裝到已經(jīng)印有焊膏的位置。由于焊膏本身具有一定程度的粘性，所以元件在焊盤上可以暫時(shí)固定。最后是回流焊工藝，即把貼裝完畢的PCB組件通過回流爐加熱，使焊點(diǎn)熔化，完成焊接。回流焊工藝參數(shù)的決定和焊膏性能相關(guān)。焊膏由合金粉末和助焊劑組成。助焊劑本身包括有機(jī)溶劑、活性劑等物質(zhì)，在加熱過程中逐漸揮發(fā)，去除焊盤和元件引腳的氧化物質(zhì)，幫助釬料潤濕鋪展。因?yàn)橹竸┑膿]發(fā)和其中活性劑的激活都受溫度影響，故回流焊工藝加熱溫度和時(shí)間成為重要參數(shù)。回流焊工藝通常分為升溫、預(yù)熱、回

18、流和冷卻四個(gè)階段，最主要是要做到在合金熔化前助焊劑既能完全揮發(fā)掉，又能徹底的去除氧化物并且對液態(tài)焊點(diǎn)表面進(jìn)行保護(hù) K.H.Prakash , T.Sritharan. Interface Reaction between Copper and Molten Tin-Lead SoldersJ . Acta Mater. 49(2001), pp2481-2489、 D.Santos, S.Saiyed, F.Andros. Effect of Reflow Profile on Shear Strength of Sn-4.0 Ag-0.5Cu Solder Joint. Forthcomin

19、g: Proceedings of the NSF Grantees Conference,Dallas,TX,2004。比如升溫速率太快則助焊劑揮發(fā)劇烈，導(dǎo)致釬料飛濺，冷卻后形成錫球。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(shí)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 Iver.E. Anderson, et al. Development of Eutectic and Near-Eutectic Tin-Silver-Copper Solder All

20、oys for Lead-Free Electronic Assemblies. IPCWorks 99: An International Summit on Lead-Free Electronics Assemblies, Minneapolis, MN。1.2.2 無鉛回流焊工藝無鉛帶來機(jī)遇和市場，同時(shí)也帶來問題和挑戰(zhàn)。目前應(yīng)用廣泛的幾種無鉛釬料熔點(diǎn)比傳統(tǒng)Sn-Pb共晶釬料熔點(diǎn)高出3040左右。而釬焊峰值溫度須高出熔點(diǎn)2040才能保證釬料的良好潤濕，這使得無鉛化后釬焊峰值溫度達(dá)到250左右（表1-1）。表1-1 Sn-Pb釬料與無鉛釬料熔點(diǎn)及釬焊峰值溫度比較 Claude Carsac

21、, Jason Uner and Martin Theriault. Inert Soldering with Lead-free Alloys: review and evaluationR. IPC SMEMA Council, 2001焊膏熔點(diǎn)釬焊峰值溫度圍Sn-37Pb183208235Sn-3.5Ag221242262Sn-3.0Ag-0.5Cu217219242262除了溫度升高，無鉛釬料的潤濕性弱于傳統(tǒng)的Sn-Pb共晶釬料。潤濕角大，潤濕力減小，圓角過渡不圓滑，空洞出現(xiàn)的幾率增加；焊接溫度提高使釬料和焊盤氧化更嚴(yán)重，也是導(dǎo)致潤濕不良的原因之一，產(chǎn)生許多焊后缺陷。這些問題的出現(xiàn)對回

22、流焊設(shè)備和工藝都提出新要求。在回流焊工藝方面，最主要的變化體現(xiàn)在預(yù)熱和回流峰值溫度相應(yīng)升高，加熱時(shí)間更長（圖1-1）。圖1-1 有鉛與無鉛典型回流焊溫度曲線比較 史建衛(wèi), 氮?dú)獗Ｗo(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1-2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1-2 幾種品牌釬料的推薦工藝參數(shù) E.P.Wood, K.L.Niimmo, In Search of New Lead-Free Electronic SoldersJ.Journal of Electronc Materials. 23(1994),pp709-714品牌S

23、ENJUGENMAINDIUMALPHLA成分SAC305SAC305SAC305SAC305預(yù)熱升溫1-3/S1-4/S2-4/S1-3/S預(yù)熱溫度120-170150-180150-200150-170預(yù)熱時(shí)間100-120S60-90S60-120S60-90S回流升溫1-3/S1-3/S220上時(shí)間30S30S20-40S峰值溫度230230-250230-240240由于無鉛釬料和Sn-Pb共晶釬料的特性差異，無鉛回流焊工藝和傳統(tǒng)有鉛回流焊工藝相比，有以下不同 Yunus.M, Srihari.K, Reflow Profile Development for Lead Free S

24、olders, Technical Report, Area Array Consortium, Universal Instruments Corporation, Binghamton, New York, 1999、 N.C.Lee, Reflow Soldering Processes and Troublesbooting SMT, BGA, CSP, and FlipChip Technologies, Newnes,2002、 ：1）預(yù)熱區(qū)時(shí)間加長，預(yù)熱溫度升高，使助焊劑在回流區(qū)以前充分揮發(fā)，增強(qiáng)熔融釬料的潤濕性。2）焊料熔點(diǎn)高回流溫度升高,工藝窗口（回流上下限溫度差）變窄，只有

25、810。溫控精度要求高,工藝余量少。3）由于焊膏潤濕性變差，所以助焊劑要求更高。但出于減少腐蝕和污染的考慮，助焊劑活性的不宜太強(qiáng)，只能增大用量。對于高可靠性要求產(chǎn)品實(shí)施氮?dú)獗Ｗo(hù)下的焊接。4）由于焊接區(qū)溫度升高，出爐溫度隨之升高，要控制釬料在液相線以上的時(shí)間，對冷卻速率提出了新要求。1.2.3 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。如圖1-2（a）, F.Ochoa等人研究了Sn-Ag系在各種冷卻條件下的微觀組織 F.Ochoa,J.J.Williams,N.Chawla. Effect of

26、 Cooling Rate on The Microstructrue and Mechanical Behavior of Sn-3.5Ag solderJ. Electron Mater,2003。快速冷卻導(dǎo)致液態(tài)釬料非平衡相固化，生長出較細(xì)的富錫枝狀晶，周圍是共晶帶。共晶帶由富錫基體和球狀顆粒Ag3Sn組成。圖1-2（b）為-0.5/S的慢速冷卻，也會導(dǎo)致非平衡固化。但微觀結(jié)構(gòu)為較粗大的富錫枝狀晶，共晶富錫基體中的Ag3Sn顆粒也相對較大。富錫相和共晶帶的顆粒尺寸都隨冷速增加而減小。慢冷件微觀可以較為清晰的看到Ag3Sn沉積物呈片狀，Ag3Sn在冷卻過程中率先形核，是初始相。大塊片狀初始

27、相Ag3Sn沉淀物應(yīng)該被避免，因?yàn)樗^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(shí)導(dǎo)致缺陷。 （a）水冷：-24/S （b）空冷：-0.5/S圖1-2 Sn-3.5Ag掃描照片K.S.Kim等人研究表明,對于Sn-Ag-Cu系鑄造態(tài)合金，冷卻速率的影響與Sn-Ag系類似 K.S.Kim,S.H.Huh,K.Suganuma. Effects of Cooling Speed on Microstructure and Tensile Properties of Sn-Ag-Cu alloys J. Materials Science and Engineering.A333 (2002) 1

28、06-114。主要是快冷時(shí)枝狀晶間距減小，晶粒尺寸減小。而慢冷由于反應(yīng)時(shí)間的增加使共晶網(wǎng)絡(luò)的寬度增加（如圖1-3）。 （a）水冷：-8.3/S （b）空冷：-0.43/S圖 1-3 無鉛釬料Sn-3.0Ag-0.5Cu掃描照片金屬間化合物IMC（主要是-Cu6Sn5）的初始形態(tài)也和冷速大有關(guān)系。圖1-4顯示水冷和空冷的IMC相對爐冷件要薄，而且生長面較平坦。爐冷件相較厚，呈扇貝狀。X.DENG等人認(rèn)為：IMC厚度之所以受冷速變化的影響，是因?yàn)槔渌贉p小時(shí)釬料液態(tài)滯留時(shí)間增加，相當(dāng)于再流時(shí)間延長，反應(yīng)和擴(kuò)散也增強(qiáng)，所以冷速降低出現(xiàn)IMC厚度增加 X.Deng, G.Piotrowski, J.J.

29、Williams, and N.Chawla. Influence of Initial Morphology and Thickness of Cu6Sn5 and Cu3Sn Intermetallics on Grows and Evolution during Thermal Aging of Sn-Ag solder/Cu joints J.Journal of Electronic Materials, Dec 2003。同時(shí)冷速越小IMC形狀起伏越大。這樣的形狀也會對SMT焊點(diǎn)有劣化作用。 (a) -106/S (b) - 5.4/S (c) -0.1/S圖1-4 不同冷速下 S

30、n-3.5Ag/Cu界面的IMC形貌 對于拉伸和屈服強(qiáng)度，如表1-3,J.Madeni研究了冷卻速率對幾種無鉛釬料的影響 J.Madeni, S.Liu, and T.Siewert, Casting of Lead-free Solder Specimens with Various Solidification Rates, ASM-International Conference, Indianapolis 2001。可見，水冷同時(shí)提高了釬料的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，而且屈服強(qiáng)度提高尤其明顯。Yang W.Yang, L.E.Felton and R.W.MesslerJr, Journal

31、 of Electronic Materials, 2410,1465 (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。Kim等人的實(shí)驗(yàn)也表明Sn-Ag-Cu系釬料合金冷速增加時(shí)拉伸強(qiáng)度增加12。表1-3 兩種冷卻方式引起的強(qiáng)度變化對比14SampleProcessYS(MPa)UTS(MPa)Sn-3.5Ag Water Quench2428Air Cooling1928Sn-3.2Ag-0.8CuWater Quench2832Air Cooling2030Sn-3.0Ag-0.5CuWater Quench3033Air Cooling2527強(qiáng)度隨冷速的增加而增加可

32、以由微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)化來解釋，由尺寸和強(qiáng)度關(guān)系函數(shù)Hall-Petch公式可知，冷速細(xì)化微觀組織，從而提高強(qiáng)度。而且枝狀晶尺寸減小則界面面積增加也使抗斷裂能力增加，起到強(qiáng)化作用。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。在水冷時(shí)接頭工作淬硬速率最大是由于細(xì)化和彌散分布的Ag3Sn硬度高于錫基體。（錫基體使斷裂性能提高）。冷速減小微觀尺寸增加，因此爐冷條件下獲得的較粗的微觀結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致斷裂性能變差。快冷改變微觀組織結(jié)構(gòu)，從而也對無鉛釬料的蠕變行為產(chǎn)生重要影響。F.Ochoa等人的研究表明冷速的增加使試件抗蠕變性能增加 F.Ochoa, X.Deng, and N.Chawla. Effe

33、cts of Cooling Rate on Creep Behavior of Sn-3.5Ag alloyJ. Journal of Electronic Materials,Vol.33, No.12, 2004。這是快冷形成的細(xì)小富錫枝狀晶和錫基體中細(xì)小彌散的Ag3Sn顆粒使接頭抗斷裂性能提高從而提高蠕變性能。相反，慢冷時(shí)粗大的晶體容易導(dǎo)致裂紋并擴(kuò)展。Sn-Ag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。而通過研究微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力值變化，結(jié)果表明變形過程的主導(dǎo)機(jī)制并非晶界滑移。對比Sn-37Pb釬料，冷卻速率對其拉伸和蠕變性能的影響都和Sn-Ag-Cu系合金相反。錫鉛釬料快冷時(shí)共晶

34、體中Pb成球狀，雖然同樣是快冷使相細(xì)化，但差別在于Pb硬度比富錫基體弱而且其含量遠(yuǎn)大于Ag在Sn-Ag和Sn-Ag-Cu合金中的含量。所以快冷導(dǎo)致的Sn-Pb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。故拉伸和抗蠕變性能相對較低 找一篇SnPb的。可以說Pb和Ag3Sn本身的性質(zhì)決定了合金的主導(dǎo)變形機(jī)制，使冷卻速率有不同的表現(xiàn)。這也是冷卻速率在無鉛焊接中較受關(guān)注的一個(gè)原因。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。圖6是AIM公司對不同焊膏加熱熔化后采用不同冷速冷卻獲得的外觀圖片，快速冷卻的外觀明顯比慢冷的亮，所以快冷可以解決實(shí)際生產(chǎn)中焊點(diǎn)金屬光澤差的問題

35、 J.Hwang, Environmentally-Friendly Electronics: Lead Free Technology, Electrochemical Publications,2001。 Sn-37Pb Sn-0.7Cu Sn-3.8Ag-0.1Cu Sn-3.0Ag-0.5Cu圖1-5 幾種釬料在不同冷速下的外觀除了對基于鑄造態(tài)釬料進(jìn)行的冷卻速率方面的研究，行業(yè)的一些企業(yè)和組織開始以實(shí)際組裝板為對象研究冷速的影響。人們開始關(guān)注快冷導(dǎo)致的應(yīng)力問題，慢冷出現(xiàn)的缺陷問題以及產(chǎn)品的長期可靠性等等。試圖確定各型產(chǎn)品的最佳冷卻速率。美國的Amkor公司對Sn-Ag-Cu系列的釬料B

36、GA焊點(diǎn)進(jìn)行了全面的可靠性研究 。在快速冷卻的情況下，Sn-Cu、Sn-3.4Ag-0.7Cu及Sn-4.0Ag-0.5Cu焊點(diǎn)可靠性提高了超過20%。日立公司在其某型便攜式信息產(chǎn)品上的應(yīng)用Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料，冷速為-4/S。該產(chǎn)品基板裝有1.27mm間距的BGA、0.5mm間距的QFP，0.5間距的連接器，1.0×0.5mm的片式元件。焊后焊點(diǎn)外觀漂亮，很少外觀缺陷，可靠性測試結(jié)果業(yè)十分好，產(chǎn)品進(jìn)入批量化生產(chǎn) 。IBM公司的技術(shù)人員采用兩種冷速對SAC釬料的BGA焊點(diǎn)冷卻固化：(a)在一種油介質(zhì)中快冷(接近100°C/s)，(b)在爐中慢冷(0.02

37、76;C/s)。如圖1-6（a）所示,形成很細(xì)的Sn枝狀晶并在其間形成較細(xì)的共晶帶。快冷形成較大的溫度梯度，使枝狀晶生長尺寸細(xì)化，且形成彌散強(qiáng)化的Ag3Sn或Cu6Sn5，使接頭的拉伸強(qiáng)度和抗蠕變性能都大為提高。如圖1-6（b），慢冷形成的微觀組織粗大，又因?yàn)锳g3Sn 或Cu6Sn5 呈先共晶相出現(xiàn)，生長形態(tài)不規(guī)則且尺寸偏大，失去了彌散強(qiáng)化效果，這大大降低了接頭的質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中，采用1.5/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。 （a）快冷 (b)慢冷圖1-6 兩種冷速下獲得的組織對比 S.K.Kang, et al.

38、Microstructure and Mechanical Properties of Lead-free Solders and Solder Joints Used in Microelectronic Applications. Technical Report. IBM Corporation，Binghamton, New York, 1999 Vitronics Soltec公司的Ursula Marquez認(rèn)為：良好可控的再流工藝曲線影響回流焊接的質(zhì)量，而冷卻速率是工藝曲線中的重要組成部分，影響焊料在液態(tài)的滯留時(shí)間從而影響焊接質(zhì)量和成品率。如表1-4，快速冷卻實(shí)現(xiàn)了對釬料液相線以

39、上時(shí)間（TAL）的控制,從而獲得良好的焊點(diǎn)質(zhì)量 Ursula Marquez, Denis.Barbini, The Importance of Cooling Rate in the Developing the Totally Controlled Reflow Process for Lead Free and Eutectic Tin Lead Processing, IPC SMEMA Council 2003, p.S11-3-13。表1-4 冷卻速率對回流工藝參數(shù)的影響速率圍TAL 圍T快冷2.9°C/S60 Sec7.23.9°C/S43 Sec慢冷1.2&

40、#176;C/S68 Sec6.71.9°C/S55 SecUrsula Marquez實(shí)驗(yàn)采用的最大冷速-2.5/S，最慢-0.5/S焊接BGA器件。典型的SAC系合金在-0.5/S慢冷條件下的BGA焊點(diǎn)枝狀晶異常粗大，IMC尺寸也較大。由于無鉛本身工藝窗口窄，認(rèn)為-2.5/S已經(jīng)屬于快冷之列。如圖1-7（b）所示，快冷時(shí)化合物厚度明顯減小，且沒有如圖1-7（a）中Ag3Sn和Cu6Sn5像冰凌一樣的形狀。Y.QI等人研究了冷速對無鉛的Sn-3.8Ag-0.7Cu釬料焊接無引腳片式電阻的影響。用三種冷速進(jìn)行冷卻：-1.6/S,-3.8/S和-6.8/S，并進(jìn)行了加速熱循環(huán)試驗(yàn)，測試

41、結(jié)果也表明：快速冷卻的Sn-Ag-Cu釬料焊點(diǎn)的力學(xué)性能尤其是抗蠕變失效性能較慢冷的焊點(diǎn)好 Y.Qi，A.R.Zbrzez，M.Aglar.Lam. Accelerated thermal fatigue of lead-freesolder joints as a function of reflow cooling rate.J Journal of 。 （a）冷速-0.5/S （b）冷速-2.5/S圖1-7 滲錫板上Sn-Ag-Cu/Cu界面微觀 1.3 本文主要研究容1）以片式電容電阻為主要焊接元件，研究應(yīng)用于無鉛回流焊中的幾種典型Sn-Ag-Cu系無鉛釬料在不同冷卻速率下焊接的焊點(diǎn)質(zhì)

42、量。2)從QFP焊點(diǎn)的外觀缺陷，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)Sn-37Pb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(gè)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)2.1 引言無鉛工藝更難于控制，要求更嚴(yán)格，

43、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)。2.2 試驗(yàn)條件2.2.1 試驗(yàn)材料1.電路板采用FR-4單面剛性板。Tg140,焊板上有片式元件焊點(diǎn)共130個(gè)，如圖2-1示。電路板焊盤采用鍍錫工藝，鍍層厚度為50m。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2-1 實(shí)驗(yàn)用組裝板2.表面貼裝元件采用三種型號片式電阻元件：R2012、R1608、R1005以及 12

44、8個(gè)引腳、引腳間距0.4mm 的QFP。QFP相關(guān)參數(shù)如圖2-2和表2-1。圖2-2 QFP封裝試件示意圖及封裝尺寸表2-1 QFP封裝尺寸 N.Brady, et al, Empirical Modeling of Surface Mount Solder Joint from 132 Pin Quad Flat Pack ComponentsJ, Soldering & Surface Mount Technology, 1992,10:4-8封裝尺寸A1A2DEFGLbCD1E1128 QFP14.0014.000.101.0016.0016.008.858.850.600.18

45、0.153.焊膏試驗(yàn)采用兩種無鉛焊膏，焊膏A是億鋮達(dá)Sn-3.5Ag，焊膏B是Sn-3.0Ag-0.5Cu，焊膏C是錫鉛共晶Sn-37Pb。主要參數(shù)如表2-2。表2-2 試驗(yàn)用焊膏性能參數(shù)焊膏類型A型B型C型成分Sn-3.5AgSn-3.0Ag-0.5CuSn-37Pb密度7.57.48.4助焊劑量10.0±0.511.510.0±0.5粒度25-45m25-45m25-45m熔點(diǎn)221217-2191832.2.2 試驗(yàn)設(shè)備1.焊膏印刷設(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)

46、采用日東SEM-688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2-3。表2-3 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0.12mm20mm/s60°30N1mm/s2.元件貼裝設(shè)備貼片機(jī)為三星CP45FV型，動臂式運(yùn)動結(jié)構(gòu)，六貼裝頭。貼裝精度0.08mm。3.回流焊設(shè)備回流爐采用日東電子科技的兩款機(jī)型，分別是NT-8N-V2和NT-8N-V3。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(gè)冷卻模塊，可以在焊接時(shí)獲得更大的冷卻速率。NT-8N-V2外觀如圖2-3(a),NT-8N-V3的雙模塊冷卻區(qū)如2-3(b)。兩款機(jī)型都基于無鉛焊接設(shè)計(jì)，有如下

47、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。控溫精度±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(shí)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

48、實(shí)時(shí)監(jiān)控，外置冷水機(jī)的冷水溫度可調(diào)節(jié)。 (a) (b)圖2-3（a）NT-8N-V2回流爐；（b）冷卻模塊4.溫度測試儀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(shí)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2-4 溫度曲線測試系統(tǒng)2.3 溫度曲線調(diào)試衡量回流爐質(zhì)量優(yōu)劣最重要的兩個(gè)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

49、各個(gè)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2-5為本文所用B型焊膏的參考曲線。圖2-5 Alpha Sn-3.0Ag-0.5Cu參考溫度曲線由參考曲線可知，B型焊膏對回流焊加熱基本要求如表2-4。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的速率不超過1.5/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圍，通常會在較小的升溫速率下加熱比如0.5/S。而小板

50、則可以在較大的速率下加熱。表2-4 B型焊膏基本加熱條件加熱到150的升溫斜率150-180的加熱時(shí)間180到峰值溫度升溫斜率220以上加熱時(shí)間峰值溫度1.5/S90-120S3/S20-40S235-245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2-5。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

51、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2-5 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)A170180180180190210255250B170180180180190210255250C160165170170185220230180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(shí)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(shí)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

52、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2-6。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2-6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(shí)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(shí)獲得；B曲線為V2機(jī)型上風(fēng)機(jī)打開，冷水溫度最低時(shí)獲得（水溫4）；D曲線為V2完全爐冷時(shí)獲得。圖2-6 不同卻速的典型有鉛溫度曲線圖2-7 不同卻速的典型無鉛溫度曲線表2-6 不同冷卻速率無鉛曲線的各項(xiàng)參數(shù)

53、無鉛曲線參數(shù)180平均時(shí)間平均峰值溫度平均冷卻斜率220平均時(shí)間A型124.5S243.5-6.50/S34.12SB型125.0S244.0-4.15/S35.95SC型125.6S244.1-2.10/S42.20SD型126.2S245.2-1.15/S51.74S對于無鉛焊膏，220以上加熱時(shí)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(shí)間近似作為焊膏液相線上時(shí)間TAL(Time Above Liquid )。從表2-6可知：冷卻速率對TAL時(shí)間存在影響。A型和B型曲線相差最少，在2S左右；而A型和D型相差最大達(dá)到17.6S。由于在TAL圍，擴(kuò)散和反

54、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(gè)模塊長度為360mm。又帶速是74cm/min12.33mm/s,所以在PCB組件在每個(gè)模塊中的加熱時(shí)間是360/12.3329.20S。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。則這一圍不同冷速下焊點(diǎn)的加熱時(shí)間為：A型 25÷6.50/S3.85S TAL=29.20S+3.85S=33.05SB型 25÷4.15/S6.05S TAL=29.20S+6.05S=35

55、.25SC型 25÷2.10/S11.90S TAL=29.20S+11.90S=41.10SD型 25÷1.15/S21.75S TAL=29.20S+21.75S=50.95S理論計(jì)算值和測試儀所得數(shù)據(jù)差值在2S之，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2-7。表2-7 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R201240404040R160840404040R100550505050QFP11112.4 焊接試驗(yàn)結(jié)果 圖2-8 焊膏A的片式電阻焊點(diǎn) （a）焊膏A （b）焊膏A圖2-9 焊膏B的QFP焊點(diǎn)2.5 本章小結(jié)1. 完成回流爐溫度曲線調(diào)試。根