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焊接材料
(Solder Materials)


2003年,全球SMT领域的主要项目之一便是无铅加工工艺的应用。STEP3主要着眼于其技术和生产制造过程。

  任何用以替代锡/铅合金的具有实际应用价值的共晶及近共晶成分无铅焊料,都不可避免地采用锡基系统(即锡的最小重量比为60%)。这一结论是综合了基础材料科学理论和实际应用经验而得出的。基础材料科学理论涉及到材料相对于通用底板的焊接冶金性能,实际再流焊条件下材料的动态润湿特性以及金属元素之间的冶金反应及合金现象。而实际应用经验则主要包括自然资源的可获取性、可制造性、毒性以及成本等因素。在选择合金元素及其各自剂量时,该元素与锡之间的合金性能以及其在与锡元素合金化的过程中的熔点降低特性等,是设计无铅焊料时必须考虑的两项关键的材料性能。

  通过润湿平衡测试方法得到的几种无铅焊料的相对润湿特性。三种特定成分的合金具有明显优于其他近共晶合金的润湿特性。

  对于采用锡为母体的合金,能够用于制造具有实际应用价值的合金的元素数量非常少,在实际应用中,主要限制在银、铋、铜、铟、锑、镓等元素范围内。在开发新型无铅焊料的过程中,元素间的冶金反应、温度升高情况下微观组织转变是至关重要的科学基础。二元合金相图给出了冶金反应的条件和范围的一般信息,而超过二元的系统的完整相图相当稀少,不过,二元相图还是能够提供一个有价值的出发点。

  经过12年持续的研究,人们发现,对所设计的多元素合金组分的实际测试结果,与预期的候选元素与锡母体之间的性能和特性非常接近。1,2,3 比如:

   * 硒和碲很容易导致锡基合金脆化。
   * 若元素锑的成分选择不当,则会迅速损害合金的润湿性能。
   * 铟原子在锡晶格中的分布显著地影响合金的疲劳特性。
   * 对于含铋合金,第二相铋的沉积程度与合金的机械性能密切相关。
   * 锡与铜、银、锑元素之间形成的金属化合物和中间相显著地影响合金的强度和疲劳寿命。

  如上所述,合金的一般性能是可以预测的,因此,要获得高性能的合金组分,就必须保证合金元素成分间极其精确的平衡。对于任何一种同组分合金系统来说,具有实用价值的合金产品一般具有某种特定的组分配比,或者局限在某种小范围最佳组分配比内。1,4,5,6 新型焊料必须与实际生产过程和最终应用环境相兼容。因此,必须对合金材料的一些基本材料特性,如液相线/固相线温度、电/热导率、材料对于常用界面的固有润湿性能、材料的机械性能、环境稳定性等进行测量。在现阶段工艺框架下,电导率和稳定性等参数并不像固有润湿性能、机械性能参数和相变温度那样对合金的某种特定组分那么敏感。


SMT焊接合金的选择

  通过研究,有一些具有实际应用价值的无铅焊料合金,一方面具有优异的机械性能,另一方面又具有一系列均衡的材料特性。

  某种合金组分要想具有实际应用前景,必须符合以下3项标准:首先,合金材料的机械性能必须优于或者等于参考合金(63锡/37铅);其次,它的物理性能必须与参考合金相当;第三,合金材料的应用性能参数必须与实际的SMT制造基础设施相兼容。在选择合金时,基于以上三方面的考虑,根据生产要求的不同,可以有几种选择方案。表1按照熔点温度的高低对几种合金进行了排序。


表面贴装制造

  对于实际的制造过程,这些可供选择的合金主要在两种物理性能方面存在着差异。

  1. 熔点。如表1所示,应该注意到,在某种合金系统中,只有某种特定组分才能获得所需性能。这种情况和锡/铅系统没有什么分别,正如后者只有63锡/37铅这一特定组分才是最佳的。

  2. 固有润湿性能。焊料合金的润湿特性是指,在一定条件下,合金在融化状态下对基板界面(如:铜或镍)的润湿亲和力和润湿效率。这一性能参数非常重要,它直接影响着焊接互连的完整性,同时,对于 波峰焊接和SMT再流焊等动态焊接过程来说,合金的润湿性能直接关系着产品成品率控制和生产能力等。普遍认为,印制电路板(PCB)和电子元件基板可焊性以及焊料的熔化效率是焊点质量的决定因素。

  在过去的二十年中,焊料合金的固有润湿性能并没有成为研究和讨论的对象,这主要是因为,锡/铅共晶合金(63锡/37铅)没有给人们留下什么选择余地,其润湿性能已经被作为一种既成事实而加以接受。不知是设计的缘故还是巧合,63锡/37铅具有非常优异的润湿性能,并且它的熔点恰好能够满足大部分电子产品的最终应用环境以及波峰和再流焊接组装过程的要求。

  在选择合适的无铅焊接材料时,了解各种无铅合金的润湿动力学是做出合理选择的关键,从而保证焊点质量和PCB成品率。通过对上图进行系统的分析可以看出,在235°C至245°C的温度范围内,有三种组分系统,即锡/银/铜/铟、锡/银/铋/铟以及锡/银/铜/铋,若进行良好的组分配比,较之锡/银/铜近共晶成分,其润湿性能可以显著提高。7 这些组合配比包括:91.4锡/4.1银/0.5铜/4.0铟; 91.5锡/3.5银/ 1.0铋/4.0铟;93.0锡/3.1银/3.1铋/0.5铜。这些优异性能在角焊形成和外部型貌方面表现更为突出,它们将决定制造成品率,特别是在通孔焊点加工过程。在实际的生产过程中,其成败与所测量的焊料的润湿性能息息相关。

焊接温度。与焊料的润湿性能联系最为紧密的是焊料的实际操作温度,即焊接温度,而焊接温度本身又受到合金熔点的限制。一般来说,焊料的润湿时间随着温度的升高而缩短,并逐渐进入到相对稳定的状态。

  焊料的熔点与其焊接温度到底存在着怎样的联系呢?焊料的熔点越高,其所需要的焊接温度就越高。适宜的焊接温度是保证组装过程中成品率和焊点完整性等各个方面质量性能所必须的。必须强调一点,由于制造设置的任何部分的“边缘选择”导致的不适宜,在实际的日常生产中都可能被放大,因此,材料和工艺参数必须在适当的性能范围内。

  在现有设施的条件下,实际的生产过程应该在以下温度框架内进行:波峰焊接温度应该控制在245°C以内,再流焊间峰温度在240°C以内(235°C则更佳)。这就要求在实际选择合金时,其熔点必须在215°C以下。当以上任一参数未获满足,都可能使得生产过程产生缺陷。


抗疲劳无铅材料

  已经证实,焊接互连部分的普通热疲劳失效与富铅相有关,这是由于富铅相有限的溶解能力和锡的沉积作用使之没有得到溶剂锡原子的有效强化而造成的。在温度循环条件(即热机械疲劳条件)下,富铅相会变粗并最终导致焊点破裂。因此,通过合理化设计的无铅锡基焊料由于消除了富铅相的影响,提高了焊料的机械性能,从而强化了焊点。

强化方法

  由于焊点经常暴露在高温条件下(即在室温以上),此时,原子的位移和位错相应升高,其他诸如原子间隙等晶格缺陷也随之增加。于是在晶体中引入了附加的滑移系,这使得焊料的冶金稳定性能受到了不良影响,同时焊料也更容易受到诸如氧化、腐蚀等环境因素的影响。

  为提高焊料性能,可以采取一系列方法以消除上述材料现象,这些方法将能满足新型和未来应用中的性能指标要求。如:

   * 微观非合金搀杂物混合
   * 微结构强化
   * 合金强化
   * 宏观选择性填充物搀杂

  这些强化方法包含了工艺和材料因素。例如固溶法 ,溶质原子可以显著地降低叠差能并有效地控制扩散过程,是一种广泛采用的强化方法。在用于芯片与基板间互连时,优质的焊膏材料能够很好地适应可能出现的苛刻的外部条件,并具有良好的固有散热性能。表2按耐疲劳性能递减的顺序列出了几种合金组分,在所有熔点在215°C以内的具有实际应用价值的合金组分中,以88.5锡/3.0银/0.5铜/8.0铟, 91.5锡/3.5铟/ 1.0铋/4.0铟和92.8锡/ 0.7铜/0.5镓/6.0铟三种合金组分的抗疲劳性能为最佳。


建议与结论

  无铅工艺还是一种新型的材料加工工艺,但在过去二十年中,含铅焊料的研究成果和基础理论依然适用于无铅焊料应用中。要想获得最优化的合金成分,必须根据特定应用条件下的性能指标和所需工艺条件的要求进行合理的选择。对于表面贴装PCB工艺,低于215°C的熔点和优异固有润湿性能是焊料合金所必须的性能指标。总之,部分无铅焊料的抗蠕变和抗疲劳的强化技术方面有了一定的进展,这些技术可以应用到抗疲劳实践中去。

电子组装业的技术发展、设备特性、生产率和材料性能在质量和可靠性方面都达到了高水平。目前,由于电子组装业将重点转移到了工艺功能上,制造厂家开发和控制各组装工艺的能力,使得其以最低成本达到所要求的质量方面呈现出明显的差别。实时工艺数据能够即时反馈工艺的"健康"状况,采用这种方法可以实现零缺陷制造,可使操作人员在发现不符合技术规范的情况之前着手处理存在的问题。


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