無(wú)鉛電子裝配的材料及工藝考慮

無(wú)鉛電子裝配的材料及工藝考慮
發(fā)布時(shí)間：2003-8-23作者：秩名
MaterialandTechniquesforLead-FreeElectronicAssembly
J．Reachen
伴隨歐洲電子電氣設備指導法令(WEEEDirective)宣布到2006年部分含鉛電子設備的生產(chǎn)和進(jìn)口在歐盟將屬非法，以及國外同業(yè)競爭者在全球不斷推廣無(wú)鉛電子裝配，相伴而生的對各種合金混合物的完好性和可靠性等問(wèn)題的考慮越來(lái)越受到重視。簡(jiǎn)言之，到底選用哪種合金，這一問(wèn)題變得越來(lái)越緊要。本文將對Sn/Ag、Sn/Ag/Cu和Sn/Cu等三種合金做深入考察，并對其可靠性試驗結果與工藝上的考慮進(jìn)行比較。


Sn/Ag合金


Sn/Ag3.5-4.0合金在混合電路與電子組裝工業(yè)的使用時(shí)間較長(cháng)。正因如此，部分業(yè)者對使用Sn/Ag作為一種無(wú)鉛替代合金感覺(jué)得心應手。但不巧的是這種合金存在幾方面的問(wèn)題。首先這種合金的熔融溫度(221度)和峰值回流溫度(2400-260度)對于許多表面安裝部件和過(guò)程來(lái)說(shuō)顯得偏高。此外，這種合金還含有3.5-4%的銀，對某些應用構成成本制約。而最主要的問(wèn)題是這種合金會(huì )產(chǎn)生銀相變問(wèn)題從而造成可靠性試驗失效。

我們注意到，在進(jìn)行疲勞試驗(結果如表1)時(shí)，Sn96/Ag4在其中一種循環(huán)設置上產(chǎn)生了失效。對此問(wèn)題作進(jìn)一步研究得出的結論是：失效起因于相變。相變的產(chǎn)生是因合金的不同區有著(zhù)不同的冷卻速率而致。

為對此問(wèn)題進(jìn)行深入研究，用一根Sn96/Ag4焊條，從底部對其進(jìn)行回流加熱及強制冷卻，以便對其暴露在不同冷卻速率下的合金的微結構進(jìn)行觀(guān)察。Sn96/Ag4合金按冷卻速率的不同產(chǎn)生三種不同的相。由此考慮同樣的脆性結構會(huì )存在于焊接互連中，從而造成焊區失效。正是由于這種原因，大多數OEM及工業(yè)財團反對把Sn/Ag作為主流無(wú)鉛合金來(lái)用。銀相變問(wèn)題的存在也對高銀Sn/Ag/Cu合金提出了質(zhì)問(wèn)。


Sn/Ag/Cu合金


盡管涉及專(zhuān)利保護方面的問(wèn)題，世界大部分地區還是傾向選用Sn/Ag/Cu合金。但到底選擇什么樣的合金配方？本文將重點(diǎn)討論兩種Sn/Ag/Cu合金：受各種工業(yè)財團推崇的Sn/Ag/Cu0.5合金和相應的用作低銀含量合金的Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5。


兩種Sn/Ag/Cu合金的比較


在討論兩種合金體系的可靠性試驗結果之前，先憑經(jīng)驗對兩種合金作一比較是有益的。大體上看兩種合金很相似：兩者都具有極好的抗疲勞特性、良好的整體焊點(diǎn)連接強度以及充足的基礎材料供應。但兩者之間確也存在一些細微的差異值得討論。

熔點(diǎn)

兩合金的熔點(diǎn)極為相似：Sn/Ag4/Cu0.5熔點(diǎn)為218度，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5熔點(diǎn)為217度。業(yè)界對這種差異是否構成對實(shí)際應用的影響存在爭議。但如能對回流過(guò)程嚴格控制，熔點(diǎn)溫度變低會(huì )因減少元件耐受高溫的時(shí)間而帶來(lái)益處。

潤濕

兩種合金比較，自然地會(huì )對選擇高銀含量合金的做法抱有疑問(wèn)，因為銀含量變高會(huì )增加產(chǎn)品成本。有臆測認為高銀合金有助于改進(jìn)潤濕。但潤濕試驗結果顯示，低銀含量合金實(shí)際上比高銀合金潤濕更強健和更迅速。

專(zhuān)利態(tài)勢

工業(yè)界渴望找到一種廣泛可獲的合金。因此，專(zhuān)利合金是不大受歡迎的。盡管Sn/Ag4/Cu0.5合金沒(méi)有申請專(zhuān)利，而Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5已申請了專(zhuān)利，但選擇時(shí)需要全面了解兩種合金的專(zhuān)利約束作用和實(shí)際供應源情況才好確定。

上面已談到，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金已獲專(zhuān)利。但它已授權給焊料制造商使用，對授權使用者無(wú)數量限制和無(wú)轉讓費用。目前，這一合金可通過(guò)北美、日本和歐洲的數家焊料廠(chǎng)商在全球范圍內獲取。盡管Sn/Ag4/Cu0.5合金沒(méi)有申請專(zhuān)利，但用這種合金制成的焊點(diǎn)連接是有專(zhuān)利的，而在美國具有這種產(chǎn)品銷(xiāo)售授權的電子級焊料廠(chǎng)商的數量極為有限。

盡管用Sn/Ag4/Cu0.5制作的焊點(diǎn)有可能侵犯現有的專(zhuān)利權，但業(yè)界還是建議使用這種合金。人們曾假想地認為，通過(guò)給這種系統施加預先工藝可以避開(kāi)專(zhuān)利糾紛。但這種想法是錯誤的，因為大多數的專(zhuān)利說(shuō)明都會(huì )涉及合金成份和應用范圍(焊點(diǎn))兩部分內容。換句話(huà)說(shuō)，如果預先工藝能夠得到證實(shí)，突破專(zhuān)利的合金成份限制是可能的。但如果專(zhuān)利說(shuō)明做得很完善，那么還需向聲明了電子裝配焊接特定用法的應用部分進(jìn)行挑戰�？偟膩�(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)即使制造商正在使用一種專(zhuān)利規定范圍(如Sn/Ag4/Cu0.5)以外的合金，但如果在制造過(guò)程中，此合金"偶獲"基礎金屬成分(一般為銅)并因而形成一種含有專(zhuān)利規定范圍內的成份構成的金屬間化合物的話(huà)，那么該制造商就會(huì )因侵犯了專(zhuān)利權而受到法律的裁決。


金屬成本


專(zhuān)利載明的銀含量范圍為3.5%-7.7%。如此高的銀含量使得焊料的大量使用變得成本高昂；裝填波峰焊鍋時(shí)，每1%的銀大約使成本增加0.66美元/磅(見(jiàn)表2)。為控制成本，有人建議在波峰焊應用中使用不含銀的無(wú)鉛合金，在表面安裝應用中使用含銀合金。但正如下面所要討論的，使用這種方法會(huì )因Sn/Cu和雙合金工藝存在不足而造成失效。


Sn/Cu的工藝缺陷


遏制成本的想法雖說(shuō)合情合理，但引用Sn/Cu需要考慮幾方面的因素。第一，此合金的熔融溫度為227度，使其在許多溫度敏感應用上受限。此外，它比其它無(wú)鉛焊料的濕潤性差，在許多應用中需引入氮和強活性助焊劑并可造成與潤濕相關(guān)的缺陷，這點(diǎn)已得到廣泛證明。還有，一般來(lái)講Sn/Cu表面張力作用較低，在實(shí)施PTH技術(shù)時(shí)容易進(jìn)入套孔(barrel)中，且缺乏表面安裝裝配過(guò)程所要求的耐疲勞強度。最后一點(diǎn)，該合金的耐疲勞特性差，可導致焊區失效，從而抵銷(xiāo)了節省成本的初衷。


雙合金裝配


還應注意的是，除Sn/Cu引起相關(guān)問(wèn)題外，使用雙焊料合金(SMT過(guò)程使用Sn/Ag/Cu，波峰焊使用Sn/Cu)也存在問(wèn)題。Sn/Ag/Cu、Sn/Cu混用不宜提倡，因為這會(huì )造成合金焊點(diǎn)連接的不均勻性。如果這一情形出現，那么制成的焊點(diǎn)會(huì )因不能消除應力和應變而易產(chǎn)生疲勞失效。由于存在這些潛在的混用問(wèn)題，因此在進(jìn)行修復或修補時(shí)就需要開(kāi)列兩種合金的存貨清單，并給出具體的指令進(jìn)行監控，以使兩合金不發(fā)生混用。然而，經(jīng)驗顯示，不論對這種情形監控得多好，操作員都會(huì )趨向使用易用性最好也即流動(dòng)性最好且熔融溫度較低的焊料。因此，盡管焊點(diǎn)最初由Sn/Cu來(lái)裝配，但大量修補工作可能會(huì )用Sn/Ag/Cu合金來(lái)完成。如果兩種產(chǎn)品都在生產(chǎn)現場(chǎng)使用，那么RA會(huì )常用到，不只是好用的問(wèn)題。雙合金裝配工藝的要害問(wèn)題是會(huì )導致潛在的可靠性失效且很難對此進(jìn)行有效地監控。


焊點(diǎn)連接的可靠性試驗


為分析Sn/Ag/Cu和Sn/Cu的可靠性，對它們進(jìn)行各種熱和機械疲勞試驗。試驗描述和試驗結果如下：

熱循環(huán)試驗結果

測試板用Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5，以及1206薄膜電阻器制作。之后在-40度到125度的溫度范圍內，以300、400、500次的15分循環(huán)量對該板施以熱沖擊。然后將焊點(diǎn)分切，檢查是否存在裂痕。

試驗后檢查的結果顯示，Sn/Cu合金由于濕潤性不好導致某些斷裂焊點(diǎn)的產(chǎn)生。此外，成形很好的Sn/Cu焊點(diǎn)在施以第三種500次重復循環(huán)設置的試驗時(shí)，也顯示有斷裂。

有意思的是Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金在經(jīng)歷高達500次重復的試驗后沒(méi)有任何斷裂跡象。這顯示出Sn/Ag/Cu合金具有Sn/Cu無(wú)法比擬的極為優(yōu)異的耐熱疲勞性。但需要注意的是，Sn/Ag4/Cu0.5合金在經(jīng)過(guò)熱循環(huán)處理后焊點(diǎn)的晶粒(grain)結構的確產(chǎn)生了一些變化。


機械強度-撓性測試


測試板用Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5，以及1206薄膜電阻器制作，對它進(jìn)行撓性測試。用Sn/Cu0.7制作的焊點(diǎn)在撓性測試中產(chǎn)生斷裂，這顯示焊點(diǎn)不能承受大范圍的機械應力處理。相反由Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5制作的焊點(diǎn)卻滿(mǎn)足所有的撓性測試要求。


混合解決方案？


為消除電子行業(yè)存在的隱患，已開(kāi)發(fā)出了一種完全無(wú)鉛裝配的混合解決方案。她用粗糙的錫鉛成品(QFP208IC)、有機表面保護劑PWB和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金焊膏構成系統，以復雜性或成本都不太高的方式達到了完全無(wú)鉛裝配的目的。取得成功的關(guān)鍵是這種裝配方法能夠承受峰值溫度為234度的回流加熱。需要注意的是，這種裝配方法要經(jīng)過(guò)惰性環(huán)境的處理。當然，限于元件的效用性問(wèn)題，以及由元件熱容、夾具固定等原因引起?%=T變化而造成事實(shí)上不是所有的裝配過(guò)程都能達到234度的峰值板溫度，因此不是所有裝配都能夠進(jìn)行上述處理。但它給我們的重要提示是，在某些情形下，通過(guò)引入某些材料，實(shí)現無(wú)鉛焊接可以變得輕而易舉。


結論


無(wú)鉛焊接問(wèn)題已受到廣泛關(guān)注。其中有許多是源自對法規環(huán)境的擔憂(yōu)和市場(chǎng)行為的推進(jìn)。由此大大刺激了活動(dòng)的開(kāi)展，其中一些工作對行業(yè)的發(fā)展是有益的。加工和可靠性方面存在的幾個(gè)問(wèn)題與Sn/Cu合金的使用有關(guān)。此外，裝配一種電路板使用兩種合金也存在問(wèn)題。如前所述，銀是Sn/Ag/Cu合金的高成本組份。由于同低銀合金比較，高銀合金在加工、可靠性或效用性方面沒(méi)有特別優(yōu)勢，因此在所有焊接應用中使用不太昂貴的合金才是合情合理的。事實(shí)上，低銀合金不存在高銀合金潛在的銀相變問(wèn)題，且能改進(jìn)潤濕以及熔融溫度也稍低。這種合金可從全球數家制造商處購得。最重要的是，體現著(zhù)Sn/Ag/Cu合金系多種優(yōu)點(diǎn)的低銀Sn/Ag/Cu合金不存在成本局限性問(wèn)題，因而可在所有的焊料操作中使用。這樣便消除了因采用Sn/Cu合金和雙合金工藝而引發(fā)的相關(guān)問(wèn)題。

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