（材料加工工程专业论文）bi对低银无铅钎料sn03ag07cu接头组织和性能的影响.pdf

哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 b i 对低银无铅钎料s n 一0 3 a g 一0 7 c u 接头 组织和性能的影响 摘要 经过近十年的研究，电子产品的无铅化已经进入实施阶段。研究者们发 现：在众多的无铅钎料中，s n a g c u 三元共晶钎料的力学性能、可焊性、热 疲劳性能等综合性能最好，最有可能成为s n p b 钎料的替代品。但是目前大 多数研究的钎料均属于高银范围，出于降低现有无铅钎料的成本，提高其抗 高温时效性能的要求，低银型无铅钎料的研究具有十分重要的意义。一种低 银型无铅钎料s n 0 3 a g 0 7 c uj 下在研发中，研究结果显示，此种钎料合金 的熔点较高，润湿性较差，加入适量的b i 可以进一步降低s n a g c u 钎料的 熔点，改善其润湿性。提高其抗拉强度。随着电子产品向着高性能和微型化 方向的发展，电子器件的体积和焊点的尺寸越来越小，焊点承载负荷越来越 重，它的可靠性对电子产品的稳定性具有更重要的意义。 在s n 0 3 a g 0 7 c u 低银无铅钎料中添加不同含量的b i ( 1 4 5 w t ) ，经过 1 8 0 高温时效处理。研究了b i 对焊接接头界面金属间化合物显微形貌演 变、生长动力学和接头剪切强度的影响。同时对经过多次回流焊后s n 0 。3 a g 0 7 c u x b i c u 的焊点界面及剪切强度进行了研究。 通过对s n 0 3 a g 0 7 c u c u 焊点分析表明：s n 一0 3 a g 0 7 c u 钎料与c u 基板在界面处形成c u 6 s n 5 金属间化合物，随着时效时间的延长，界面金属 间化合物由起伏较大的、细小的锯齿状，逐渐变为平缓的大波浪状，在 c u 6 s n s c u 界面和c u 盘i 日j 形成c u 3 s n 。通过分析焊点界面化合物( i m c ) 的 生长速率得知，在1 8 0 时效后，含b i 的钎料焊点界面化合物生长速率小 于不含b i 的钎料焊点界面化合物生长速率，其数值分别为3 0 7 4 、1 7 8 7 、 9 9 3 和2 5 7 ( 单位：1 0 - 1 4 c m 2 s ) 。说明b i 能很好的抑制焊点i m c 的生长。 通过对s n 0 3 a g 0 7 c u n i 焊点分析表明：s n 0 3 a g 0 7 c u 钎料与n i 基 板在界面处形成长条形( c u 。n i i - x ) 6 s n 5 金属问化合物，随着时效时问的延长， 界面化合物的厚度也增加，和钎料与c u 基板焊后的界面化合物相比，n i 盘 很好的阻挡了n i 层下c u 的扩散，抑制了化合物的生长。时效过程中，随 着b i 含量的增加，焊点i m c 的厚度减少。 哈尔滨理t 大学t 学硕i ? 学位论文 由于b i 元素的固溶强化和弥散强化作用，以及对i m c 生长的抑制作用 使得在s n 0 3 a g 0 7 c u 钎料中，加入b i 提高钎料合金的剪切强度，而且随 着b i 含量的增加，剪切强度提高。同时焊接接头的断裂位置逐渐由钎料基 体转移到界面金属间化合物，断裂机制也由韧性断裂逐渐变为韧性和脆性的 混合断裂。 经过再流焊s n 一0 3 a g 0 7 c u c u 焊点在界面处形成的i m c 随着回流焊次 数的增加，迅速促进c u 6 s n 5 金属问化合物的生长，金属问化合物形貌逐渐 有锯齿型向扇贝型转变。回流焊次数为1 4 次时，对剪切强度的影响不大， 当回流焊次数超过五次时，剪切强度值有所下降。 关键词低银无铅钎料；i m c ；时效；剪切强度 哈尔演理t 人学t 学硕f ：学位论文 e f f e c to fb io nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i t i e so f s n 一0 3 a g 一0 7 c us o l d e r a b s t r a c t i nr e c e n td e c a d ey e a gp b f r e ee l e c t r o n i cm a n u f a c t u r eh a st u r n e di n t oa n i m p l e m e n t a r ys t a g e i th a sb e e nf o u n db yr e s e a r c h e r st h a ts n a g c ue u t e c t i ca l l o y i st h eb e s tc a n d i d a t eo fs n p bs o l d e ra m o n gt h el e a d f r e es o l d e r sf o ri t sg o o d p e r f o r m a n c e s ，s u c ha sm e c h a n i c a lp r o p e r t y , w e l d a b i l i t y , h e a tf a t i g u er e s i s t a n c e a n ds oo n h o w e v e r ，t h ec o n t e n to fa gi nt h es n a g c us o l e rr e s e a r c h e dm o s t l y i sm u c hh i g h e r d u et or e d u c i n gt h ep r i c eo fe x i s t i n gl e a d f r e es o l d e r s ，a n d i m p r o v i n gi t sa g i n gp e r f o r m a n c eo fh i g ht e m p e r a t u r e ，t h ed e v e l o p m e n to fl o wa g l c a d f r e es o l d e r sp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ta l lo v e rt h ew o r l d as o r to f1 0 wa g l e a d f r e es o l d e rs n 0 3 a g 一0 7 c ui sd e v e l o p i n gn o w ，b u ti th a sah i g h e rm e l t i n g p o i n ta n daw o r s ew e t t a b i l i t y i th a sb e e ni n d i c a t e dt h a ta d d i t i o no fam o u n t o fb i e l e m e n ti ns n a g - c us o l d e rc a nr e d u c et h em e l t i n gp o i n ta n di n c r e a s et h e w e t t a b i l i t y i th a sb e e ni n d i c a t e dt h a ta d d i t i o no fam o u n to fb ie l e m e n ti n s n - 0 3 a g 0 7 c us o l d e rc a nr e d u c et h em e l t i n gp o i n ta n di n c r e a s et h ew e t t a b i l i t ya n d t h et e n s i l es t r e n g t h w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ci n d u s t r ye l e c t r o n i c d e v i c e sa n ds o l d e ri o i n t sb e c o m em o r ea n dm o r es m a l la n db u r e nm u c hm o r e t h a nb e f o r e a n dt h er e l i a b i l i t yo fs o l d e rj o i n t sh a sm o r ei m p o r t a n c es i g n i f i c a n c e f o rt h eu s eo fe l e c t r o n i cp r o d u c t i o n t h i sw o r kc h o o s es n 0 3 a g 0 7 c us o l d e ra se x p e r i m e n t a lm a t e r i a l ，a d d i n g d i f f e r e n ta m o u n to fb i ( 1 4 5 w t ) t h r o u g ha g i n ga t18 0 ca n dd i f f e r e n tt i m e ， i n v e s t i g a t i o ni sp e r f o r m e do nt h ee f f e c to fb io nm i c r o s t r u c t u r e se v o l u t i o na n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s i n s n ；o 3 a g 0 7 c u l e a d f r e es o l d e ra n do nt h e m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no fs n 0 3 a g 0 7 c u c us o l d e rj o i n ta n dt h eg r o w t h k i n e t i co fi n t e r f a c i a li n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s ( i m c ) i ns o l d e rj o i n t m e a n w h i l e ， t h ei m ca n dt h es h e a rs t r e n g t ho fs n 0 3 a g 0 7 c u c ua f t e rm u l t i r e f l o wa r e r e s e a r c h e d i tw a ss h o w e db ya n a l y z i n gs n 一0 3 a g - 0 7 c u c us o l d e rj o i n t st h a tc u 6 s n 5 哈尔滨理丁人学t 学硕i j 学位论义 i n f o r m e da ti n t e r f a c eo fs o l d e ra n dc us u b s t r a t ea f t e rs o l d e r i n g t h em o r p h o l o g y o fi m cc h a n g e df r o mn e e d l e l i k et op l a n a rd u r i n ga g i n g ，a n dt h ec u 3 s np h a s e w a si n f o r m e db e t w e e nt h ei n t e r f a c eo fc u 6 s n s c ua n dc us u b s t r a t e i tw a s s h o w e db yc a l c u l a t i n go fi m cg r o w t hs p e e dt h a tt h eg r o w t hr a t eo fi m ci n s n a g c u b i c us o l d e rj o i n t sw a sl o w e rt h a ns n a g c u c us o l d e rj o i n t s ，w h i c h n u m e r i cw e r e3 0 7 4 ，17 8 7 ，9 9 3a n d2 5 7 ( u n i t s ：10 q 4 c m 2 s ) i tw a ss h o w e db ya n a l y z i n gs n 一0 3 a g 0 7 c u n is o l d e rj o i n t st h a t ( c u x n il - x ) 6 s n 5i n f o r m e da ti n t e r f a c eb e t w e e nb u l ks o l d e ra n dn is u b s t r a t ea f t e r s o l d e r i n g t h et h i c k n e s so fi m cw a si n c r e a s e d a st h ea g i n gt i m ep r o l o n g e d c o m p a r e dw i t ht h ei m ci n f o r m e db e t w e e nb u l ks o l d e ra n dc us u b s t r a t e ，t h e t h i c k n e s so fi m cw a st h i n n e rd u et ot h en is u b s t r a t es t o p p i n gd i f f u s i n go fc u a n dd e c r e a s e da st h ea m o u n to f b ii n c r e a s e d d u et ot h ee f f e c to fs o l i d s o l u t i o ns t r e n g t h e n i n ga n dd i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n gw h i c hi sr e l a t e dt ob i a n db ic a nc o n t r o li m cg r o w t h t h es h e a rs t r e n g t ho f s n 0 3 a g 0 7 c u x b is o l d e ri o i n t sa r ei m p r o v e da n di n c r e a s e da st h ea m o u n to f b ii n c r e a s e d h o w e v e r , i tw a sa l s oc o n t r o l l e db yi m ct h i c k n e s s ，f r a c t u r e p o s i t i o n so fs o l d e rj o i n t so c c u r r e df r o mb u l ks o l d e rt oi m cp a r t l y , a n df r a c t u r e t y p e sc h a n g e df r o md u c t i l ef r a c t u r et ot o u g h b r i t t l ef r a c t u r e a f t e rr e f l o w i n g t h et h i c k n e s so fi m co fs n 0 3 a g 一0 7 c u c us o l d e rj o i n t s i n c r e a s e da st h en u m b e ro ft i m e so fm u l t i r e f l o wi n c r e a s e s t h em u l t i - r e f l o w p r o m o t e dt h eg r o w t ho fc u 6 s n 5i n s h o r tt i m e ，a n dt h em o r p h o l o g yo fi m c c h a n g e df r o mn e e d l e l i k et os h e l ld u r i n ga g i n g h o w e v e r , t h es h e a rs t r e n g t ho f s n - 0 3 a g 一0 7 c u - x b i c uj o i n t sd e c r e a s e ds l i g h t l ya f t e r1 - 4t i m e sr e f l o w i n g a n d a f t e r5t i m e sr e f l o w i n g ，t h es h e a rs t r e n g t hd e c r e a s e d k e y w o r d sl o w a gl e a d f r e es o l d e r , i m c ，a g i n g ，s h e a rs t r e n g t h ，i v 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文b i 对低银无铅钎料 s n 0 3 a g 0 7 g u 接头组织和性能的影响，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期l 、h j 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除 已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签名：樾 同期： w 年 细萝 同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 b i 对低银无铅钎料s n 0 3 a g - 0 7 g u 接头组织和性能的影响系本人在哈 尔滨理工大学攻读硕士学位期i 、日j 在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研 究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分 内容。 本学位论文属于 保密n ，在年解密后适用授权书。 不保密订 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 泵蝌 同期：山口7 年细矿日 同期：加7 年够月9 同 呛尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 近年来，信息化已成为当今世界经济和社会发展的大趋势，相应地电子工 业已经成为国家科学技术、先进制造业以及整个经济发展的基础。随着电子封 装技术与组装材料的进一步发展，人们在追求产品的高效性能的同时，更加注 重了它的无毒、绿色和坏保等特点。在环保、法律、技术、市场等多种因素的 约束和推动下，国内外的各种组织、科研机构和公司对电子封装绿色材料的研 发与开发日益活跃起来。近十年来，依据无铅钎料研发的技术要求主要采用以 s n 为基体通过合金化的方法制得新型钎焊材料，国内外已经研究开发出了多 种无铅钎料合金，专利涉及上百种。但是与使用了几十年的s n p b 钎料相比， 在成本及与现有成熟工艺相匹配等方面仍然存在一些问题： ( 1 ) 替代金属价格偏高为了替代传统s n p b 钎料中的有害元素p b ，目前 研究过多种替代元素，如z n 、s b 、c u 、s n 、b i 、i n 和a g 等。但是，从表1 1 所示的无钎铅料中替代合金元素的相对价格可以看出：与p b 元素相比，替代 金属的价格都要贵得多【l 一1 。因此从经济方面考虑，钎料无铅化会相应的带来成 本的升高，这成为钎料无铅化进程中的一个主要阻力。 表1 1 无钎铅料中替代合金元素的相对价格 t a b l el it h er e l a t i v ep r i c eo fs u b s t i t u t i v em e t a lu s e di nl e a d - f r e es o l d e r s ( 2 ) 熔点偏差大目前研究的无钎铅料成分很多，但是熔点与传统的s n p b 共晶合会的熔点1 8 3 相接近的很少。这给以无铅钎料取代传统s n p b 钎料， 使用现有的设备并按照成熟的钎焊工艺进行生产带来了很多麻烦。 ( 3 ) 润湿性差钎料的润湿性是评价钎料可焊性的重要指标它是钎料合金与 被焊材料之间相互作用的结果，更确切的说是熔融钎料与被焊材料表面相互作 用的结果 3 1 。接触角越小表明钎料与基板的润湿性越好。目前关于无铅钎料对 基板的润湿能力己有一些文献报道，研究结果表明 4 1 ：s n 9 6 5 a 9 3 5 、s n 9 5 s b 5 、s n 9 7 一c u 3 、s n 4 2 b i 5 8 无钎铅料与c u 基板的接触角都大于s n 6 3 一c u 3 7 的 哈尔滨婵t 人学丁学硕i ：学化论文 接触角。另有文献报道s n 9 5 5 a 9 3 8 c u 0 7 在c u 上的润湿能力要高于s n a g 和s n c u 合金与s n 6 0 p b 4 0 相割5 1 。此外由于现在研制的无铅钎料在熔点、润 湿性方面与传统钎料的差距，对电子元件、p c b 板的基板材料的耐高温性能提 出了新的要求，研发新的氧化还原能力更强和润湿性能更好的助焊剂也成为需 要解决的问题。同时为了适应新的焊接温度的要求，波峰焊焊槽，机械结构和 传动装置都需要做出相应的改进以适应焊接温度的提高。所以钎料无铅化的发 展是否顺利，与焊接设备制造、钎料制造、助焊剂制造和电子元器件制造四环 节间的合理协调有很大的关系，其中任何一个环节出现滞后，都会阻碍无铅钎 料的推广使用。 综上，为了改善抗冲击性能，降低无铅钎料的成本，低银型无铅钎料的开 发成为当前国内外的研究热点。一种成本相对较低的低银型无铅钎料s n - 0 3 a g 一0 7 c u f 在研究之中，并且已经应用在部分电子组装和封装企业。但是 由于此种钎料合金降低了a g 元素的含量，使得其熔点稍高，润湿性稍差。为 此，研究了一种新的无铅钎料s n 一0 3 a g 0 7 c u x b i ，通过自i 期实验，我们也证 实了，b i 元素的加入确实降低钎料的熔点，而且改善钎料的润湿性，具有较高 的拉伸性能。因此，本论文进一步研究b i 对低银型无铅钎料s n 0 3 a g 一0 7 c u 的显微组织和焊接接头界面以及剪切强度的影响。从而满足电子行业飞速发展 的需求。 1 2 微电子封装的发展 1 2 1 微电子封装发展的历程 电子封装技术的发展是伴随着器件的发展而发展起来的，一代器件需要一 代封装，它的发展史应当是器件性能不断提高、系统不断小型化的历史，以集 成电路所需的微电子封装为例，其大致可分为以下几个发展阶段： 第一个阶段为8 0 年代之前的通孔安装( t h d ) 时代，通孔安装时代以t o 型 封装和双列直插封装为代表，i c 的功能数不高，引脚数较小( 小于6 4 ) ，板的装 配密度的增加并不重要，封装可由工人用手插入p c b 板的通孔中，引线节距 固定，引线数的增加将意味着封装尺寸的增大，封装的最大安装密度是1 0 脚 c m z ，随着新的封装形式的不断涌现，这类封装将加速萎缩，预计其市场份额 将从2 0 0 0 年的1 5 降到2 0 0 5 年的7 。 第二阶段是8 0 年代的表面安装器件时代，表面安装器件时代的代表是小 2 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论义 外形封装( s o p ) 和扁平封装( q f p ) ，他们大大提高了管脚数和组装密度，是封装 技术的一次革命，正是这类封装技术支撑着同本半导体工业的繁荣，当时的封 装技术也由同本主宰，因此周边引线的节距为公制( 1 0 、0 8 、0 6 5 、0 5 、 0 4 m m ) ，并且确定了8 0 的收缩原则，这些封装的设计概念与d i p 不同，其 封装体的尺寸固定而周边的引线节距根据需要而变化，这样也提高了生产率， 最大引线数达到3 0 0 ，安装密度达到1 0 5 0 脚c m 2 ，此时也是金属引线塑料封 装的黄会时代。 第三个阶段是9 0 年代的焊球阵列封装( b g a ) 芯片尺寸封装( c s p ) 时代，同 本的半导体工业在8 0 年代一直领先于美国，而9 0 年代美国超过了同本，占据 了封装技术的主导地位，他们加宽了引线节距并采用了底部安装引线的b g a 封装，b g a 的引线节距主要有1 5 m m 和1 2 7 m m 两种，引线节距的扩大极大 地促进了安装技术的进步和生产效率的提高，b g a 封装的安装密度大约是4 0 一 6 0 脚e m 2 ，随后日本将b g a 的概念用于c s p ，开发了引线节距更小的c s p 封 装，其引线节距可d , n1 0 m m 以下，c s p 封装进一步减少了产品的尺寸和重 量，提高了产品的竞争力，随着c s p 在日本的大批量生产，b g a 时代也就慢 慢地过渡到了b g a c s p 时代。 封装业界普遍预测2 1 世纪的头十年将迎来微电子封装技术的第四个发展 阶段3 d 叠层封装时代，其代表性的产品【6 】： ( 1 ) 圆片级封装( w l p ) 技术圆片级封装和圆片级芯片尺寸封装( w l c s p ) 是 同一概念，它是芯片尺寸封装的一个突破性进展，表示的是一类电路封装完成 后仍以圆片形式存在的封装，其流行的主要原因是它可将封装尺寸减至和i c 芯片一样大小以及其加工的低成本，圆片级封装目前正以惊人的速度增长，拉 动这种增长的器件主要是集成电路、无源元件、高性能存储器和较少引脚数的 器件。 ( 2 ) 系统级封装( s i p ) 技术系统级封装技术是在系统级：苍= 片( s o c ) 的基础上 发展起来的一种新技术，系统级芯片是指将系统功能进行单片集成的电路芯 片，该芯片加以封装就形式一个系统基的器件。它在封装观念上发生了革命性 的变化，从原来的封装元件概念演变成封装系统，s i p 实际上就是一系统基的 多芯片封装( s y s t e mm c p ) ，它是将多个芯片和可能的无源元件集成在同一封装 内，形成具有系统功能的模块，因而可以实现较高的性能密度、更高的集成 度、更小的成本和更大的灵活性，与第一代封装相比，封装效率提高6 0 8 0 ，使电子设备减小1 0 0 0 倍，性能提高l o 倍，成本降低9 0 ，可靠性增加 1 01 窨。 3 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 s o c 对人们来说既是一种追求也是一种挑战，许多时候人们预期的电路密 度和尺寸目标用s o c 很难实现或代价太大，因此人们想到了系统集成的另一 种选择，系统级封装( s i p ，s y s t e m i n a p a c k a g e ) ，系统级封装是指将多个半导体 裸芯片和可能的无源元件构成的高性能系统集成于一个封装内，形成一个功能 性器件，因此可以实现较高的性能密度、集成较大的无源元件，最有效的使用 芯片组合，缩短交货周期，s i p 封装还可大大减少开发时间和节约成本，具有 明显的灵活性和适应性。 基于系统级设计的s i p 符合了未来的发展方向，具有广阔的应用前景，因 此人们对其寄予厚望，并将其视为下一代封装的代表性产品，目前s i p 的市场 增长很快( 尽管其市场占有率还很小) ，预计到2 0 0 7 年全世界s i p 的收入将达到 7 4 8 亿美元。 1 2 2 电子封装技术发展的新领域 1 2 2 1m e m s ( 微电子机械系统) 封装最近二十年，m e m s 加工技术在速度和 多领域、多用途方面确实令人叹服，广义上讲，一个微型系统包括微电子机械 系统、信号转换和处理单元以及电气机械封装等，过去几年，m e m s 技术的迅 速发展使其在汽车、医疗、通信、及其他消费类电子中获得了广泛的应用，据 预计，将来的m e m s 市场的增长将更快，但是m e m s 产品继续发展的瓶颈主 要是其封装技术，如同其他半导体器件一样，m e m s 器件也需要专用的封装束 提供环境保护、电信号连接、机械支撑和散热。 另外，m e m s 封装还要让精细的芯片或执行元件与工作媒体直接接触，而 这些媒体对芯片材料常常是非常有害的，还有许多m e m s 的使用要求封装内 是惰性或真空气氛。m e m s 封装之所以复杂的另一个原因是几乎所有的微系统 封装都包含了复杂而微小的三维结构，目前许多单芯片陶瓷、模塑、芯片尺 寸、晶圆级封装都已成功用于m e m s ，而m e m s 多芯片封装和三维封装技术 都在开发之中。 1 2 2 2 光电子( o e ) 封装当电子工业的许多方面开始出现下滑的时候一个新的 领域一光电子产业已显露出新的亮点，光学通讯市场的增长对e m s ( 电子加工 系统) 供应商提供了新的机遇和挑战。光电子器件是光学元件和电子电路相结 合的一类器件，它包括有源元件、无源元件以及构成光通路的互连，光电子封 装就是将这些光电元件与原来的电子封装集成起来，形成一个新的模块，这个 模块可以看成是一个特殊的多芯片模块，其i o 数很低、芯片尺寸很小。 4 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 光电子封装的一个主要问题是高的数字速度和低的光信号转化率，另一个 主要问题是光功能件的集成。对于光电封装来讲，对材料性能的理解非常必 要，光电封装可能在封装中包含复杂基板，另外光电封装还需要复杂的设计系 统，它必须包含系统所需的光、电、热、机的设计能力，尤其是热设计。这是 由于光电器件可能对工作参数敏感，如波长，实际上为了使光元件能工作在一 特定的波长下常对其进行温度调节，这就需要在封装内有一致冷器，并具有适 当的散热功能，将来的光电器件封装密度更高，工作速度更快，这更加重了光 电封装的热问题，因此光电子封装在光电子工业中相当的重要。 1 2 3 电子封装中的再流焊技术 随着表面贴装技术的发展，再流焊越来越受到人们的重视。再流焊接是表 面贴装技术( s m t ) 特有的重要工艺，焊接工艺质量的优劣不仅影响正常生产， 也影响最终产品的质量和可靠性。 1 2 3 1 再流焊设备的发展所谓的再流焊( r e f l o ws o l d e r i n g ) 就是通过加热使预置 的钎料膏或钎料凸点重新熔化即再次流动，润湿金属焊盘表面形成牢固连接的过 程【7 l 。在电子行业中，大量的表面组装组件( s m a ) 通过再流焊机进行焊接，目 前再流焊的热传递方式经历了远红外线全热风红j , b i 热风三个阶段。其工艺 流程包括如图1 1 ：( 1 ) 预热段、该区域的目的是把室温的p c b 尽快加热，以 达到第二个特定目标，但升温速率要控制在适当范围以内，如果过快，会产生 热冲击，电路板和元件都可能受损；过慢，则溶剂挥发不充分，影响焊接质 量。由于加热速度较快，在温区的后段s m a 内的温差较大。为防止热冲击对 元件的损伤，一般规定最大速度为4 s 。然而，通常上升速率设定为1 3 s 。典型的升温速率为2 。c s 。( 2 ) 保温段、保温段是指温度从1 2 0 一1 5 0 升至焊膏熔点的区域。其主要目的是使s m a 内各元件的温度趋于稳定，尽量 减少温差。在这个区域罩给予足够的时间使较大元件的温度赶上较小元件，并 保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发。到保温段结束，焊盘、焊料球及元件引脚 上的氧化物被除去，整个电路板的温度达到平衡。应注意的是s m a 上所有元 件在这一段结束时应具有相同的温度，否则进入到回流段将会因为各部分温度 不均产生各种不良焊接现象。( 3 ) 回流段、在这一区域罩加热器的温度设置得 最高，使组件的温度快速上升至峰值温度。在回流段其焊接峰值温度视所用焊 膏的不同而不同，一般推荐为焊膏的溶点温度加2 0 4 0 。对于熔点为1 8 3 的6 3 s n 3 7 p b 焊膏和熔点为1 7 9 的s n 6 2 p b 3 6 a 9 2 焊膏，峰值温度一般为 5 略尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 2 1 0 2 3 0 ，再流时间不要过长，以防对s m a 造成不良影响。理想的温度曲线 是超过焊锡熔点的“尖端区”覆盖的面积最小。( 4 ) 冷却段、这段中焊膏内的铅 锡粉术已经熔化并充分润湿被连接表面，应该用尽可能快的速度来进行冷却， 这样将有助于得到明亮的焊点并有好的外形和低的接触角度。缓慢冷却会导致 电路板的更多分解而进入锡中，从而产生灰暗毛糙的焊点。在极端的情形下， 它能引起沾锡不良和减弱焊点结合力。冷却段降温速率一般为3 1 0 s ，冷却 至7 5 即可。 p 刨 赠 升温区；保温区j 爿僧鼍1 1 1 1 。 - - 1r ”；接i 时间s 图1 1 典型的回流焊温度曲线 f i g 1 lt y p i c a lt e m p e r a t u r ep r o f i l eo f r e f l o ws o l d e r i n g 1 2 3 2 再流焊相关焊接缺陷再流焊焊接过程中主要存在的缺陷： 1 桥联焊接加热过程中也会产生焊料塌边，这个情况出现在预热和主加 热两种场合，当预热温度在几十至一百度范围内，作为焊料中成分之一的溶剂 即会降低粘度而流出，如果其流出的趋势是十分强烈的，会同时将焊料颗粒挤 出焊区外的含金颗粒，在熔融时如不能返回到焊区内，也会形成滞留的焊料 球。除上面的因素外，s m d 元件端电极是否平整良好，电路线路板布线设计 与焊区间距是否规范，阻焊剂涂敷方法的选择和其涂敷精度等都会是造成桥联 的原因。 2 立碑( 曼哈顿现象) 片式元件在遭受急速加热情况下发生的翘立，这是 因为急热使元件两端存在温差，电极端一边的焊料完全熔融后获得良好的湿 润，而另一边的焊料未完全熔融而引起湿润不良，这样促进了元件的翘立。因 6 哈尔演理t 人学丁学硕i j 学位论文 此，加热时要从时间要素的角度考虑，使水平方向的加热形成均衡的温度分 布，避免急热的产生。防止元件翘立的主要因素有以下几点：( 1 ) 选择粘接力 强的焊料，焊料的印刷精度和元件的贴装精度也需提高；( 2 ) 元件的外部电极 需要有良好的湿润性和湿润稳定性。推荐：温度4 0 ( 2 以下，湿度7 0 r h 以 下，进厂元件的使用期不可超过6 个月；( 3 ) 采用小的焊区宽度尺寸，以减少 焊料熔融时对元件端部产生的表面张力。另外可适当减小焊料的印刷厚度，如 选用1 0 0 p m ：( 4 ) 焊接温度管理条件设定也是元件翘立的一个因素。通常的目 标是加热要均匀，特别在元件两连接端的焊接圆角形成之前，均衡加热不可出 现波动。 3 润湿不良润湿不良是指焊接过程中焊料和电路基板的焊区( 铜箔) 或 s m d 的外部电极，经浸润后不生成相互间的反应层，而造成漏焊或少焊故 障。其中原因大多是焊区表面受到污染或沾上阻焊剂，或是被接合物表面生成 金属化合物层而引起的。譬如银的表面有硫化物、锡的表面有氧化物都会产生 润湿不良。另外焊料中残留的铝、锌、镉等超过0 0 0 5 以上时，由于焊剂的 吸湿作用使活化程度降低，也可发生润湿不良。因此在焊接基板表面和元件表 面要做好防污措施。选择合适的焊料，并设定合理的焊接温度曲线。 1 3 无铅钎料的研究现状 无铅钎料并不是意味着钎料罩面1 0 0 的不含铅。虽然无铅钎料的基体元 素当中不含有铅，但是作为一种杂质元素，铅的存在是不可避免的。世界上不 存在纯度为1 0 0 的金属，任何一种会属都或多或少的含有些杂质，因此无铅 钎料的定义问题就变成无铅钎料中含铅量的上限值问题。针对这一上限值，目 前还缺乏一个国际标准。就目前的电子组装行业来说，一般公认钎料中的含铅 量只要小于0 1 w t ( 1 0 0 0 p p m ) 良p 被称作无铅钎料f 8 - l l 】。 1 3 1 无铅钎料的基本要求 目前国际上公认的无铅钎料定义是以s n 为基体，添加了a g 、c u 、s b 、 i n 、b i 、z n 等其它合会元素。无铅钎料合金应该满足以下要求【1 2 ，1 3 1 ： ( 1 ) 熔点尽量接近锡铅钎料，熔化温度间隔也愈小愈好这是因为这类钎料 在长期使用过程中已形成了一套完整的生产工艺，钎焊设备也已定型，如汽相 焊和再流焊的钎焊温度为2 2 0 2 3 0 。c ；波峰焊的钎焊温度为2 5 0 。如果使用 新的无铅钎料时钎焊工艺能保持不变，则钎焊设备不必更新，这样有利于缩短 7 哈尔滨理t 人学丁学硕j ：学位论义 工艺试验时间和节省设备投资费用，也不必担心因钎焊温度的提高而影响电子 元件的性能。 ( 2 ) 价格适中某些元素，如铟和铋，储量较小，而银价格昂贵，因此只能 作为无铅钎料中的微量添加成分。 ( 3 ) 良好的润湿性因为在电子零件上往往有成百上千个钎焊接点，如果某 一个接点因润湿性差而发生虚焊，整个零件将变成废品。为了保证钎焊件的低 缺陷率，好的润湿性是极重要的。 ( 4 ) 优良的力学和物理性能剪切强度、韧性、蠕变抗力、等温疲劳抗力、 热疲劳抗力、金相组织的稳定性应不低于锡铅钎料。钎料物理性能特别是电导 率、热导率、热膨胀系数等也应该同锡铅钎料相对应。 ( 5 ) 易被加工成需要的所有形式包括用于手工焊和修补的焊丝、用于钎料 膏的焊料粉、用于波峰焊的焊料棒等。 1 3 2 无铅钎料的发展 1 3 2 1 国外无铅钎料的发展国外对无铅钎料合会的研制和开发开始于2 0 世纪 9 0 年代初，目前已经有上百个品种。其主要的合金系统集中在二元合金s n a g 、s n z n 、s n b i 、s n s b 和s n - n i 系，及其在二元合金的基础上添加一种或 多种合金元素构成三元或多元合金系。 s n a g 系钎料合金是目前最有可能替代s n p b 钎料的合金。s n a g 合金在 成分为s n 3 5 a g 时形成共晶，共晶温度为2 2 1o c 【1 4 】。该钎料具有良好的抗拉强 度、剪切强度和抗蠕变性，钎焊接头比较可靠f 1 那，但是其在c u 基体的润湿性 比较差【1 6 】。向s n 3 s a g 合金当中添加c u 时，共晶点改变，当a g 的质量分数 约为4 7 ，c u 约1 7 时生成共晶【l7 1 。日本的松下电器产业公司和千住金属工 业公司联合开发了一种无铅钎料，成分为3 5 的a g ，0 5 一3 的c u ，其余 的为s n 。该钎料由于少量c u 的加入使其具有良好的延展性和润湿性，能够形 成高强度、高质量的钎焊接头【1 8 - 2 0 】。但是该钎料的熔点较高( 2 1 7 - 2 2 7 。c ) ，增加 了钎焊的难度。向s n 3 5 a g 共晶当中加入z n 可以使a g a s n 相更加细小且弥散 分布提高其抗拉强度【2 1 1 ，z n 还能抑制s n 枝晶的形成，但会使共晶领域尺寸增 大【2 2 1 。在s n - 3 5 a g 共晶中加入质量分数为3 一5 b i 元素，可以产生固溶强化 或者细小b i 颗粒的弥散强化，使抗拉强度显著提高，钎焊工艺性变好【2 3 1 。但 是随着b i 的增加合金固相线和液相线之间的距离变大，使得合金的脆性增 加。lw a n g 等人f 2 4 l 的研究表明在s n a g 系钎料中加入质量分数为0 2 5 0 5 8 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 的混和( l a ，c e ) 稀土，可以改善该系列钎料的润湿性。除了对s n a g 系列钎料 进行合金化来改善它的性能外，国外还针对钎料的一些行为机理进行了研究。 jz h a o 等人【2 5 1 系统的研究了s n a g 合金的疲劳断裂生长的特征和机理，发现该 系列钎料合金的疲劳断裂行为与载荷频率和大小密切相关。低频高载时蠕变作 用增加，断裂方式由穿晶断裂转变为沿晶断裂。j v i l l a i n 等人【2 6 1 研究了s n 3 5 a g 钎料蠕变性与焊点尺寸大小的关系，表明焊点越小其应变和应变速度就 越大。h g s o n g 等人【2 7 1 以及w i e s e 等人【2 8 l 的研究证明了s n a g c u 钎料的蠕变 行为与应力密切相关。目前s n a g - c u 三元合金钎料已经应用于m o t o r o l a 、 n o k i a 、h i t a e h i 、s o n y e r i e s s o n 以及n e c 等公司的通讯设备当中【2 9 3 0 】。 s n z n 系列钎料也是一种很有发展潜力的钎料。s n z n 合金的共晶成分为 s n 8 9 z n ，熔点为1 9 8 c 。z n 可以起到降低s n z n 合金熔点的作用，但当z n 的质量分数高于9 时熔点重新升耐 】。该钎料的优点是与传统s n p b 钎料熔 点很接近，力学性能很好，材料容易得到且价格比较低。缺点就是在c u 基体 上的润湿性差，加工性能差：由于z n 易被氧化，造成了钎料在钎焊时容易被氧 化，使接头的耐腐蚀性变差。人们为了解决这些问题进行了大量的研究。 s v a n y m a n l 3 1 】等火提出通过研究新型的钎剂来改善s n z n 共晶钎料的润湿性，表 明含s n 金属有机物的分解在c u 表面上能形成s n 的镀层，从而提高钎料在c u 基上的润湿性。v i n a o c 和r e j n e s t l 3 2