（材料加工工程专业论文）氮气保护无铅波峰焊焊点质量若干问题研究.pdf

竺尘篓三些叁篓三薹堡；! 篓堡篓兰 a b s t r a c t s u r f a c em o u n t i n gj o i n tq u a l i t yp l a y sa ni m p o n a n tr o l ei nt h eu p c o m i n gl e a d f r e ee l e c t r o n i ca s s e m b l y l e a d - 如ee e c t r o n i ca s s e m b l yh a sb e e n 锄i n “i t a b l e d e v e l o p i n gt e n d e h c y c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ls n - p bs o l d e r t h ep r e s e n tl e a d f r e es o l d e r sh a v eh i 曲e rm e l t i n gp o i n t sa n dp o o rw e t t a b i l i t y t h e r e f o r e ，t h e t r a d i t j o n a la s s e m b l yp r o c e s si nf o r t l l c o m i n gl e a d - f k es u r f a c em o u n t a s s e m b i yi s f a c i n gu ps o m ep r o b l e m sa n dc h a l l e n g e s t h e r ea r em o r ed e f e c t si nl e a d - 疳e e w a v es o l d e rp r o c e s s t od e c r e a s et h ep r o b a b 王】i t yo fd e f e c t si n l e a d f es o i d e rj o i n t ，r e s e a r c h e r s h a v er e c o m m e n d e dt h en i t r o g e np r o t e c t i o n i th a sb e e nf o u n dt h a t ，t h en i t r o g e n p r o t e c t i o ni nl e a d - f r e gw a v es o l d e r i n gc o n d i t i o nc a i li m p r o v et h ew e t t a b i i i t yo f l e a d - f r e es 0 1 d e ra n dd e c r e a s et h ep r o b a b i 王i t yo f d e f e c t si ni e a d - 仔e es o l d e r j o i n t s u c ha st h ep o o rw e t t a b i l i t y ，b r i d g i n ga n di n s u f f i c i e n tf i l l i n g f u r t h e r m o r e ，t h e w e t t i n gb a l a n c et e s th a sb e e ni n t f o d u c e di n t ot h el e a d - f k es o l d e rp a s t et o a n a l y z em e c h a n i s m so ft h ea b o v ei m p r o v e m e l l tb f o u g h ta b o u tb yn i t r 0 雌霉 x 兰玺鋈三些奎兰三兰堡圭兰堡耋耋 s u r f a c et e n s i o n ，w h i c hm a k et h es o l d e rt oc o n c e n t r a t et o g e t h e r f o rt h e i n s u f f i c i e n tf i l l i n go ft h es o l d e r ，i tw a sd u et ot h eo x i d a t i o no ft h et h r o u 曲_ h o l e p a da n dt h em 0 1 t e ns o l d e rs u r f a c e a r e rt h eo x i d a t i o n ，t h em o l t e ns o l d e r 、a s d i f f i c u l tt ow e tt h ep a d ，a n de v e nt h e r ee x i s t ss o m ew e t t i n 臣i ta l s oc o u l dn o t c l i m bt ot h eo t h e rs i d eo ft h et h o u g h - h o l ei ns u c hl i m i t e dt i l n e i tw a sp r o p o s e dt h a tm et h i c k n e s so ft l l ei m ci so n eo ft h ek e yf a c t o r a f r e c t i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h es o l d e rj o i n tb a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l to ft h e f e ms i m u l a t i o no ft h e m a lc y c l i n 2o fw a v es o l d e ri o i n t a n dt h et h i c k n e s so f t h ei m cc o u l db ec o n t r o l l e db vt h ea d d i t i o no fz ne l e m e n ti n t ot h es o l d e ra n d t h ei n c r e a s eo ft h ec o o l i n gr a t ea f t e rs o l d e r i n g k e y w o r d s ：q u a l i t yo fw a v es o l d e r i n g ；n i t r o g e np r o t c c t i o n ，b r i g i n g ，i n s u f f i c i e n t f i l l i n g ，c r a c k ；z n ；c o o l i n gr a t e 1 l i i | f 尔滨t 业大学t 学硕j 学位论【= 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 有关无铅的相关立法和无铅钎搴卑应用现状 锡铅台金作为钎料钎焊金属已有几千年的历史，在近几十年，s n p b 钎 料由j 一具有适当熔点，良好的流动性，特别是对铜等多种母材鑫属具有良好 的涧泓、铺展及填缝性能，表面张力小，成本低廉等诸多优点而被广泛应用 于电子整机装联、微电子元器件的封装和印刷电路板级组装。 然而，s n p b 钎料在生产及使用过程中会给人类环境和安全带来不可忽 视的危险“，废弃的电气电子设备中的铅经一系列反应形成铅的酸性化合 物，他们从地下溶出而对大气、土壤、地下水、动植物产生污染，最终危害 人类的健康2 1 。因此，迫使人们在世界范围内禁止铅的使用或限制其使用 量。 铅污染问题r 益受到人们的重视，在电子行业，月本、美国和欧盟都巴 制定了无铅化具体时间表p l 。r 本电子工业协会于1 9 9 8 年决定，主动在电 子组装中去除铅，目标是2 0 0 2 年5 0 电子产品达到无铅，2 0 0 4 年完全无 锚。2 0 0 3 年2 月13f i ，欧盟最终公柿了报废电子电气设备指令和电 子电器设备有害物质使用限制指令，要求在2 0 0 6 年7 月1 日以后，在电予 产品生产时禁止使用铅。2 0 0 2 年1 1 月。美国国家制造科学研究中心n e m i ( n a t i o n a le l e c t r o n i c m a i l u f a c t u r i n gi n i t i a t i v e ) 、欧洲软钎焊技术组织 s o l d e r t e c 、r 本电子信息技术产业协会j e i t a ( j a 口雠e l e c t r o n i c s 吼d i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) 三方代表聚集同本东京，共同 签署了世界无铅软钎焊发展规划的框架协议。我国政府积极采取相关措施。 2 0 0 3 年3 月初国家信息产业部拟订了电子信息产品生产污染防治管理办 法规定：自2 0 0 6 年7 月1 日起投放市场的国家重点监管目录内的电子信 息产品不能含有铅、汞、镉、六价铬、聚合溴化联苯( p b b ) 或者聚合溴化联 苯乙醚( p b d e ) 等。 全世界电子工业中全面禁止使用含铅钎料已是大势所趋，并且在近两年 内必须实现电予组装的无铅化生产。另一方面，电子封装与组装技术的迅速 发展，焊点越来越小，可靠性要求却越来越高，传统的铅锡钎料在常温下就 喻匀 滨工业人学下学颂士学位论j 【= 能发生蠕变变形1 4 i ，爨静盆五霸磴鬓冀雾群鹜强肴燕蘑。夏蝥；裂泣镬吲 喘荡誊霹借灌嚯餮 戮型托妊刮囊君竿帝符； 陲幢幢擎裁氯引剿甄型誊釉彰我题诺固薹荟蕞1 赢嚣囔怎警墨多国地幔d 警! l l l i l 莹i 艮囊丽鸶霭；馥替篓啊鞋鹱雾吼尉；赢堪嚣羹弱至e 爵群 蓉怫斟剖豪擎| ；配譬逶璺箍蓄事i 鏊鼋。萋i ；蠹? 善。；i 漆强囊墓一。的 键长只有2 2 2 1a 。 剩f 的配位点被一个水分子的氧占据，其键长为2 2 7 9a ，也比c d ( 1 ) 0的平均键 长略短。另外，苯基丙二酸舶苯环与邻菲罗啉的芳环的平均距离4 1 0 3 a ，说明存 在着较弱的分子内芳环堆积。在分子中有两个投有配位的硝酸根维系电荷平衡， 没有配位的水分子和硝酸根的氧和羧基氧构成了大量的氢键，其堆积结构见图5 - 2 。 5 3 。 图5 2 配台物5 a 的二维堆积图 f i g 5 2s t a c h n go f c o m p l e x e sm o l e c l l l eo f 5 a 配合物5 a 的晶体学数据见表5 1 ，非氢原子坐标和各向异性热参数见表5 2 和 ， x 喻尔滨t 业人学t 学坝i ：学位论文 表i 3 氧化渣成本计算 s n 0 7 c s n 2 a 9 0 8 c u s n 3 5 a s n 2 0 l n 台金成分s n 4 0 p b - 0 5 s b g- 2 8 a g 台金价格 4 1 4 06 2 7 48 7 3 01 0 6 3 09 8 5 0 4 空气$ ，h r 3 3 15 6 95 4 77 ，6 67 8 8 0 氮气( 5 0 p p m ) $ h r 0 1 70 2 80 2 70 3 83 9 4 成本 $ ，h r3 1 45 1 l5 2 07 2 87 4 8 6 1 7 约 l + i 。s n p b 价格百分 6 36 61 3 2 比 1 3 无铝波峰焊接质量研究现状 在传统有铅焊接过程中，焊接缺陷一直是人们很关心的问题，通过广大 上程帅的统计工作，人们把波峰焊缺陷分为2 3 大类，6 0 余种。随着世界范 围的禁铅立法的相继出台，无铅钎料代替有铅钎料已是不可逆转的趋势，同 传统的s n p b 钎料相比，目前可用的无铅钎料具有两大特点： 第一，熔点高， s n a g 系、s n c u 系和s n a g c u 系的熔点较s n - p b 共 晶钎料熔点高3 0 5 0 。波峰焊和再流焊温度至少要达到2 5 0 - 2 6 0 l i ”。那 么在应用中就必须要考虑到现有的印刷电路扳材料和元器件对高温的承受能 力，希望浸锡时间尽量短些。 第二，润湿性差，铜表面s n p b 共晶钎料具有很小的润湿角，约n4。 而s n 一3 5 a g 的润湿角3 3 。【3 j ，s n - 3 8 a g 0 7 c u o 5 s b 润滠角为4 4 。1 1 7 i ； 无铅钎料的最大润湿力都明显低于s n p b 共晶钎科，表1 4 是共晶钎料的最 大润湿力和润湿时间。润湿性差会导致各种缺陷发生引起焊点可靠性方面 的问题。 粥外，涧湿性差导致润湿时间更长，如图1 3 所示，常用钎料的润湿时 间，s n 3 ，5 a g 0 7 5 c u 的润湿时间是s n - p b 共晶的4 倍，s n - o 7 5 c u 更长 ”8 | 。为保证良好的润湿铺展，要求必须有足够的漫锡时间，与防止元器件 热劣化和基板变形要求浸锡时间尽量短相矛盾， 除材料成分影响润湿性外，在波峰焊中，与钎料接触处的钢箔和引脚等 不断浸入钎料中，使钎料的成分发生了变化。一般无铅钎料的固液共存区间 都较大，随处理的焊点数量增加，钎料中铜浓度不断增大，微小的成分变化 能够导致钎料熔点迅速升高，钎料流动性变差，也容易产生桥连、虚焊和焊 不卜【“】，对形成可靠焊点不利，这一方面目前采用调整钎焊底料和添加料 堕尘：圣三些尘耋三耋堡圭兰丝鎏兰 成分的措施收到定效果。 表卜42 4 0 时伢料的最人润坦力及润湿时间( 铜板) 1 1 9 】 钎料熔点( ) f 。( m n )t 0 ( s )助焊剂 5 0 2 5o 4 5 7k e s t e r 群1 9 7 s n 3 7 p b18 3 4 3 9 61 1 0 0k e s t e r 捍2 1 3 4 。8 1 61 5 5 7k e s t e r # 1 9 7 s n 一3 5 a g 2 2 1 2 5 9 43 0 5 7k e s t e r 群2 1 3 4 6 2 71 6 7 lk e s t e r 撑1 9 7 s n o 7 c u2 2 7 2 3 6 83 2 4 2k e s t e r 撑2 1 3 3 8 1 40 4 8 6 k e s t e r 撑1 9 7 s n 5 8 8 i1 3 9 2 5 7 0 1 7 1 4k e s t e r 抖2 1 3 i 9 3 i1 0 2 9 k e s t e r 群1 9 7 s n 9 z n1 9 9 5 7 9 0 k e s t e r 靠2 1 3 t e m d e r a t u f e 幽1 3 常h 无铅钎料的润漫时间1 2 0 1 焊接温度提高可使润湿性提高，但高温会使钎料氧化加剧、p c b 板变 形翘起、焊点裂纹及元器件热劣化发生。实际上，导致无铅钎料的润湿性 筹的一个重要原因是s n 、b i 、z n 等能够形成比氧化铅更加稳定的氧化 物，这些氧化物熔点很高，在钎焊温度下呈固态，表面张力值很低，将导 4 2 o 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 8 3 3 3 2 2 2 2 2 t 1 1，1 o (s一皿呈_口曼#m重 哈尔滨工业人学工学硬士学位论文 致o 、。 o ) 为扩大单位面积系统所吸收的热量值。所以鲁 。，称比表面系数，同等= 6 o ，则： y = d + 6 r( 2 - 3 ) 约佛斯特对式4 5 进行推导得： ，嘭3 = t ( 瓦，一7 1 ) ( 2 - 4 ) 其中：r 。为液体摩尔体积，k = 2 2 1 0 7 j k 2 r 为临界温度( ，哼o 时) 。 对式2 4 进行修正，得到： ，4 名3 = 女( 疋一丁一r ) ( 2 5 ) 其。扎r = 60 ( 7 1 斗r 时) ，温度系数： 7 1 为钎焊温度； k 为比例常数。 幽式2 5 可知，当温度升高对，液态钎料表面张力呈线形下降，即导 致气液相界面张力，。减小。由杨氏方程可知8 减小，钎料的润湿性得到改 善。从润湿力和表面张力的关系可知，表面张力下降，润瀑性增强，从而使 润湿力得到提高，这与试验结果完全吻台。图2 - 4 为s n 3 o a 9 0 5 c u 钎料润 湿力随温度变化的关系，可以看出无论在空气还氮气气氛中，润湿力随温度 的升高近似呈线形变化。 哈尔滨j ：业大学t 学硕士学位论文 化物的标准吉布斯自由能差及不同温度下的氧分压， 表2 5 儿种金属氧化物的标准吉布斯自由能差及临界氧分压1 4 5 化合 g ：( k j m 0 1 ) 黾( a t m ) 物 2 9 8 k4 0 0 k5 0 0 k6 0 0 k s n 0 2 5 1 86 8 x 1 0 9 2 6 4 9 x l o 一8 8 7 x l o 一 1 s 3 x l o 柚 6 9 6 x 1 0 2 1 7 x 1 0 5 8 5 x l o 1 7 5 x 1 0 2 8p b o1 8 0 4 7 1 x l o 5 5 6 x 1 06 7 9 x 1 0 一 1 9 8 x 1 0 1 。c u o1 2 7 d 6 据式2 1 6 可以看出，在一定的氧分压条件下，加热至某温度后氧化物 即可发生分解。然而大多数金属氧化物在空气中完全分解的温度高于其金属 的熔点甚至沸点，因此钎焊时不能依靠加热来去氧化物。钎焊时如在提高温 度的同时，采用纯度很高的中性气体降低氧分压就可以增大氧化物分解趋 势。但这对于大多数金属氧化物，仍然不能满足其自行分解所要求的低氧分 膻条件。 提高分衅压虽然不能实现去膜，但是会使母材表面氧化膜处于不稳定状 态，或发生不完全分解，有利于其它去膜过程的进行。氧化物在不稳定的状 态下，因受液态钎料的吸附作用而本身强度降低。再加上金属与氧化物界面 l 热应力作用而破碎。伴随着母材或其组元向液态钎料中的溶解最终从母 材表面脱落而被去除。 2 3 氮气对焊接质量的影响及最佳氮气消耗量确定方法 2 3 1 不同浓度氮气焊接试验 2 3 1 1 试验器材及参数 1 ，试验器材 波峰焊机：r 东公司c n 3 0 0 氮气无铅波峰焊机； 试验板：采用f | 东公司试验用板( 长2 4 s m m 宽2 7 0 m m ) ，每块援插装 9 1 个两脚的电阻元件，一共有1 8 2 个焊点； 助焊剂：助焊剂采用i a m u r a 公司的e c 1 9 s 8 松香基免洗助焊剂， 该助焊剂固含量为1 5 ，铺展率为9 2 3 ； 钎料：采用s n 一3 o a g o 5 c u 和s n 。o 7 c u ； 哈尔滨1 二业大学工学硕士学位论文 检测仪器：o 】y m p u ss z x l 2 体视显微镜和0 l y m p u sg x 5 l 会相显微镜 氮气供应：瓶装氮气，纯度为9 9 9 9 9 。 2 试验工艺参数 表2 6 波峰焊。l ：艺参数 i 艺项目s n 一3 o a g 一0 5 c u s n 一0 7 c u t a m u r a e c 1 9 s 8 1 a m u r a e c - 1 9 s 培 助焊剂 松香基免洗助焊剂松香基免洗劫焊剂 传送带迷度( m m i n ) l11 3 预热温度( ) 1 0 0 1 2 0l l o 一1 2 0 焊接温度( ) 2 5 0 2 5 5 冷却速度 强制自然风强制冷风 2 3 1 2 试验过程及结果 ( 1 ) 以s n 一3 o a g o ，5 c u 为钎料，把波峰焊机的工艺参数调整至上述规 定的参数值，等待参数稳定后打开氮气开关阀； ( 2 ) 分另0 以隼e 争量5 0 0 p p m 、7 0 0 p p m 、l 0 0 0 p p m 、5 0 0 0 p p m 、1 0 0 0 0 p p m 、 2 1 0 0 0 0 p p m 的保护气氛中进行焊接，每种参数焊接两块p c b 板； ( 3 ) 以s n o 7 c u 为钎料，重复上述试验； ( 4 ) 统计出在不同氮气浓度下焊接出现的桥连与填充不足的数量。 表2 7 桥连与填充不足缺陷统计表 氧含封( p p m ) s n 一3 o a g o 5 c “ s n 0 7 c u 桥连填充不足桥连填充不是 5 0 061 3 1 11 6 7 0 061 51 21 5 1 0 0 01 01 81 41 7 5 0 0 0 2 5 3 03 23 7 1 0 0 0 02 73 4 3 0 3 8 2 1 0 0 0 02 93 83 34 5 如表2 7 ，通过对焊后各种缺陷统计分析。结果显示氮气保护对焊点质 量有一定的影响。氮气保护降低了桥连和填充不足的发生率，氮气保护中 氧含封( p p m ) s n 一3 o a g o 5 c “s n 0 7 c u 哈尔滨丁业大学t 学顾十学位论文 2 3 2 氧化渣测置试验 2 3 2 1 试验设备及过程 1 试验设备 波峰焊机：c n 3 5 0 型氮气保护无铅波峰焊机，锡炉为双波峰电磁锡 炉： 锡渣分离器：s u n e a s t 锡渣分离器； 钎料：千助s n 3 o a g o 5 c u ，亿铖达s n o 7 c u ； 称量器具：樱花c n h 3 0 0 0 型电子天平，精确度为0 o l 克； 氮气供应：瓶装氮气，纯度为9 9 9 9 9 。 2 试验过程 ( 1 ) 打开机器波峰锡炉，以及氮气供应阀； ( 2 ) 调节氮气浓度，使氧气含量达到5 0 0 p p m ： ( 3 ) 等机器运行稳定后，开始测量，每隔一小时，四小时、八小时分 别测出氧化渣的重量； ( 4 ) 调节氮气阀，使氧含量分别为7 0 0 p p m 、1 0 0 0 p p m 、5 0 0 0 p p m 、 1o 0 0 0 p p m 、2 l o o o o p p m ( 空气) ，重复上述试验。 2 3 2 2 试验结果 表2 8 不同氮气浓度的锡渣量比较 氧含量( p p m ) 钎料 2 1 0 0 0 01 0 0 0 0 5 0 0 0 1 0 0 0 7 0 0 s o o 锡 进 s n 一3 o a g - o 5 c u 1 4 0 31 2 4 4b 7 55 4 74 6 33 8 2 茸 s n - o 7 c u1 6 7 31 3 8 91 0 4 55 2 35 8 44 6 7 g h r 从表2 8 中可以看出，随着氮气浓度的不断增加( 氧含量的减少) ，锡渣 量不断的减少，在5 0 0 1 0 0 0p p m 时，锡渣量大概是空气中的3 0 一4 5 。 对于波峰焊来说，无铅化之后钎料含锡量增加，钎料槽中钎料氧化是个 很严重的问题，采用氮气保护可以大大减少钎料台金的氧化渣，节省成本。 般对于静态钎料槽来说，其氧化量有以下公式： 所= 一k ? ( 2 2 0 ) 其中一增加的氧化物重量( k g ) ； 爿一与氧接触表面积( m 2 ) 丁氧化时间( s e c l k 氧化层增长系数，足= 岛唧卜彤刁 竺兰篓三些查耋三耋筌：竺鎏兰 r 氧化温度f k ) k r 一常数，对于s n 6 0 p b 4 0 钎料来说，翰= 1 6 1 0 五k g m 2 ； b 一常数，对于s n 6 0 ，p b 4 0 钎料来说，b = 4 9 0 0 。 在2 4 0 下，k “1 0 一。而对于纯锡来说，其k 值大约是s n 6 0 ，p b 4 0 钎 料的两倍，所以无铅钎料的氧化程度几乎是共晶钎料的两倍，采用氮气保 护，可以有效的防止钎料槽中钎料的氧化。 2 4 本章小结 l 润混平衡测量法可以用来测试钎料润湿性。试验结果显示，氮气气氛 巾，涧湿力增大，润湿时间变短，涧湿性得到改善，而且随着温度的升高， 影响趋势增大。 2 氮气保护改善钎料润瀑性，主要原因是由于改善了液态钎料表面张 力而导致，而且随着温度的升高，这种作用呈增强趋势。 3 氮气保护虽然并不能完全阻止钎料氧化，但是能使表面氧化膜处于 不稳定状态，或发生不完全分解，有利于其它去膜过程的进行。 4 通过不同浓度缺陷率测试，桥连与填充不足随着氮气浓度的降低不 断减少，但是在5 0 0 1 0 0 0 p p m 之间变化并不是太大考虑到生产成本因 素，推荐用氧含量1 0 0 0 p p m 的氮气保护。 5 氮气保护对锡渣量的影响是报明显的，在5 0 0 1 0 0 0 p p m 时，锡渣 量是空气中的3 0 4 5 。 篁尘鎏三兰盎耋王茎堡：兰堡鎏老 第3 章波峰焊工艺对焊点质量影响试验 3 ，1 引言 对于波峰焊接工艺，从有铅转变到无铅将影响大多数机器参数。其原因 是相对于s n p b 合会，无铅焊料熔点的升高将会导致焊接温度的升高；无铅 焊料较差的润湿性和易氧化性将会影响到整个波峰焊接系统工艺参数的设 定；另外基f 环保因素的考虑，无v o c 的水基助焊剂和免清洗助焊剂的使 用，将会导致助焊剂涂覆系统和预热系统的改变。为了确定无铅焊接所需的 工艺参数，检测无铅波峰焊设备能否满足无铅焊接的要求，必须设计一个适 、! j 的实验柬进行验证。d o e ( d e s i g no fe x p e r i m e n t ) 提供一个确定无铅波峰焊 接工艺参数的有效方法，通过学习和使用该技术。可以大大减少试验研究所 需的时间，降低成本。 目前，无铅波峰焊点的桥连与填充不足是一个普遍的问题，无论对焊点 的电学可靠性还是机械可靠性都有很大的影响，桥连与填充不足的发生并非 偶然，有其深层的力学原因，本章从力学角度阐述焊点桥连和填充不足的形 成机制。并找到解决的最佳方法一氦气保护。 3 2 桥连与填充不足试验 3 2 1 试验设备及方法 本试验设备采用r 东公司c n 一3 0 0 氮气无铅波峰焊机。无铅钎料熔点 高、润湿性差的特点决定了无铅波峰焊的工艺参数不同于传统的锡锻波峰 焊，推荐的无铅波峰焊性能参数和过程温度曲线分别见表2 1 ，c n 3 0 0 氮 气无铅波峰焊机是基于无铅波蜂特点开发的新型设备，主要特点如下： ( 1 ) 预热区采用多温区的p i d 控制，保证预热控制灵活：封闭结构保证 温度均匀，保证p c b 焊前温度与钎料波峰温度差值不超过1 5 0 f 1 6 1 。 ( 2 ) 保证足够的锡炉加热能力；调整锡炉高度、波峰高度和传送速度可 获得合适的压锡深度和浸锡时间；采用小的双波峰间距，两波峰间的最低温 度在2 0 0 以上，保证两波峰间掉温在5 0 以内。 堕尘堡三些当耋王耋竺土兰兰鎏耋 表2 1 波峰焊性能参数比较4 4 f 艺项目s n 一3 、0 a g o 5 c us n o 7 c u 强活性，高围成分强活性，高固成分 助焊剂 崮含量l o 一1 6 固含量1 0 1 6 传送带述度( m m i n ) 1 0 一1 21 1 一1 4 预热温度( )1 0 0 一1 2 01 0 0 一1 3 0 焊接温度( ) 2 5 52 5 5 冷却速度快快 ( 3 1 冷却区采用冷水机或冷风机，减小元器件与p c b 扳的高温冲击， 避免形成粗大的枝晶组织，影响焊点可靠性。 本试验中焊点的实际温度曲线采用日本m a l c o m 公司的r c 5 0f l o w p r o n l e r 波峰焊专用测试仪记录。该测试仪的隔热箱能够在3 0 0 高温下连 续_ r 作8 5 分钟，能够在无铅波峰焊的高的钎焊温度下安全工作；先进的数 掘采集系统，可同时连接6 个测试探头，采样间隔只有s 0 毫秒；配有温度 曲线分析软件，便于对波峰焊的预热温度、焊接温度、浸锡时阔、冷却速度 等关键工艺参数的管理；测温精度在2 以内。 3 2 2 试验材料与测试仪器 本试验基板采用双面f r ，4 树脂基板，其厚度为1 6 m m ；镀镍铜焊盘直 径1 5 7 m m ，通孔直径0 8 1 2 m m ；元器件引脚镀锡，直径有0 6 m m 和0 4 m m 两种。 助焊剂采用t a m u r a 公司的e c 1 9 s - 8 松香基免洗助焊剂，该助焊荆 固含量为1 5 ，铺展率为9 2 3 。 钎焊温度、浸锡时怕j 及焊点实际冷却速度是关键工艺参数，试验过程中 将热电偶测试点分别插在p c b 测试扳的表面不同位置，在焊接设备各工艺 参数调整好后，将p c b 测试板及连接的数掘记录嚣从波峰焊机通过，以得 到焊点的精确的过程温度曲线。 3 2 3 缺陷的检验方法 榆测仪器为o l y m p u ss z x l 2 体视显微镜和o l y m p u sg x 5 1 余相显微 镜。采用体视显微镜能够精确观察焊点桥连和填充不足缺陷的发生情况，对 产牛的填充不足采用切割机器把其从p c b 焊板上切割下来进行盒相试样的 镶嵌、研磨、抛光工作，采用余相显微生填充不足豹 喻；滨丁业入学t 学顾卜学位论文 情况并记录，因此本论文中缺陷发生率为完全统计结果。 3 2 ，4 试验参数工艺过程 表2 2 为试验选用影响波峰焊接质量的因素和每个因素对应级剐数据。 表2 2j i 因素3 水平列表 陶紊编号冈素水平1水平2水平3 a 焊料 s n o7 c u s n 3 o a g o 5 c u b 氮气 ( 0 2 8 0 0 p p m ) 天 c 助焊剂流量 2 0 3 05 0 ( m f n i n ) d 预热温度( ) 9 01 1 01 3 0 e 锡炉温度( ) 2 4 02 s 02 6 5 g 传输速度( m m n ) o 91 21 6 工艺过程 选择1 4 4 块双面试验电路板( 长2 4 5 m m 宽2 7 0 m m ) ，每块板插装9 1 个 哺脚的电阻元件，一共有1 8 2 个焊点。 表2 1 中的工艺参数进行排列组合，选择了7 2 组有代表性的工艺参数 的试验。 每组工艺参数焊接两块电路板，也就是3 6 4 个焊点，并对这3 6 4 个焊点 进行观察统计出桥连和填充不足出现的个数。 7 2 组工艺参数下焊点的桥连与填充不足等缺陷进行列表，找出其中的 规律。 3 2 5 试验结果 桥连现象是波峰焊接中最常见的多发性焊接缺陷，产生原因是多方面 的。随着无铅化电子组装的应用，桥连等焊接缺陷产生的几率增大。其表观 现象为焊料将p c b 相邻的焊点之间连接在一起，如图3 1 所示。 圈3 1 耩连现象 喻；滨丁业入学t 学顾卜学位论文 情况并记录，因此本论文中缺陷发生率为完全统计结果。 3 2 ，4 试验参数工艺过程 表2 2 为试验选用影响波峰焊接质量的因素和每个因素对应级剐数据。 表2 2j i 因素3 水平列表 陶紊编号冈素水平1水平2水平3 a 焊料 s n o7 c u s n 3 o a g o 5 c u b 氮气 ( 0 2 8 0 0 p p m ) 天 c 助焊剂流量 2 0 3 05 0 ( m f n i n ) d 预热温度( ) 9 01 1 01 3 0 e 锡炉温度( ) 2 4 02 s 02 6 5 g 传输速度( m m n ) o 91 21 6 工艺过程 选择1 4 4 块双面试验电路板( 长2 4 5 m m 宽2 7 0 m m ) ，每块板插装9 1 个 哺脚的电阻元件，一共有1 8 2 个焊点。 表2 1 中的工艺参数进行排列组合，选择了7 2 组有代表性的工艺参数 的试验。 每组工艺参数焊接两块电路板，也就是3 6 4 个焊点，并对这3 6 4 个焊点 进行观察统计出桥连和填充不足出现的个数。 7 2 组工艺参数下焊点的桥连与填充不足等缺陷进行列表，找出其中的 规律。 3 2 5 试验结果 桥连现象是波峰焊接中最常见的多发性焊接缺陷，产生原因是多方面 的。随着无铅化电子组装的应用，桥连等焊接缺陷产生的几率增大。其表观 现象为焊料将p c b 相邻的焊点之间连接在一起，如图3 1 所示。 圈3 1 耩连现象 时，熔融钎料氧化加剧，液态钎料表面为一层氧化膜所包裹，增加了钎料的 表面张力，在波6 唪焊接过程中同样容易造成桥连。对于s n 3 o a 2 0 5 c u 无 铅钎料，钎科槽温度一般控制在2 5 0 一2 6 0 ，对于s n o 7 c u 无铅钎料，钎料 槽温度一般控制在2 5 5 2 7 0 。 预热温度对产生桥连等焊接缺陷起着重要的影响，当预热温度过低时， 没有达到助焊剂的活性温度，使得助焊剂除去焊盘或元器件表面氧化物的能 力降低从而导致可焊性降低，易出现桥连等焊接缺陷；当预热温度过高 时，使得助焊剂的活性成分过早的挥发，导致焊盘或元器件引脚金属表面再 次氧化，在焊接过程中同样亦造成可焊性变差，引起桥连等焊接缺陷，预热 温度应根据不同的助焊剂要求而定，一般控制在1 1 0 - 1 5 0 之间。 浸锡时1 1 日j ( 传输速度) 对产生桥连也有一定的影响，浸锡时间过长，在高 温下助焊剂f j 勺活性成分完全挥发，导致p c b 焊点离丌波峰的瞬间由于表面 张力的增大易产生拉尖或桥连等焊接缺陷：p c b 在波峰位鼍焊接时需要吸 收液态钎料的热量，达到焊接效果，浸锡时间过短，当p c b 吸收的热量仅 提供了焊接所需要的热量或者不能满足焊接所需的热量，使得液态钎料的温 度下降，增加其表面张力，从而在p c b 离开波峰时易产生桥连或拉尖。 从表3 3 中可知，桥连现象基本上都发生在空气环境下，而在氮气保护 环境下很少发现桥连这种焊接缺陷，此种现象说明氮气保护可以增加无铅钎 料的涧湿性，减小液态钎料的表面张力和黏度，降低缺陷率，同时氮气保护 可以降低无铅钎料的氧化，这是无铅焊接采用氮气保护的重要原因。 从表中分析可知，在没有氮气的情况下，即使改变各种工艺参数，但是 桥连发生的儿率仍然很高，但是，随着氮气的通入，桥连明显减少 填充不足的缺陷如图3 2 所示，具体实验数据如表3 4 。 x 翟尘鎏! ：些当耋! ：茎筌 ：兰堡鎏兰 是需要一定的时间的。当p c b 与波峰的接触时间较短时，使得液态钎料还 没有润湿整个通孔时就已经离开波峰，导致填充不足：增加浸锡时间可以提 i 苛通孔的填充性。 从表中可知，相同条件下s n a g c u 无铅焊料的通孔填充性要优于s n o 7 c u 无铅焊料，其原因是s n a g c u 无铅焊料的润湿性比s n o 7 c u 好，液 态时的流动性亦强。 影响直插件通孔填充性的因素还有波峰高度，这是一个重要的影响因 素，当波峰高度不够时，其它工艺因素再怎么优化，都不可能得到很好的填 充性。一般单层板的波峰高度为板厚的1 2 2 ，3 为宜，对于多层板波峰高度 般在2 3 3 4 为宜。另外轨道倾角同样对通孔填充性产生较强的影响，当 轨道倾角较小时有利于通孔的填充性。 氮气保护可以明显减少填充不足发生的几率，据文献1 4 可知，氮气 保护町以提高无铅焊料的润湿性，减少钎料的润湿时间、增加通孔的填充 性、提高焊点的可靠性。 3 3 焊点桥连与填充不足的力学行为分析 3 3 1 焊点桥连的力学行为分析 幽3 3p c b 通过波峰对，从波峰上拖出的钎料薄层的过程1 4 b 】 在上图中，我们可以看到p c bj 下通过双向波峰的情况，在p c b 与钎 堕尘鋈三些全：三兰罂：兰竺篓塞 圈3 5p c b 板刚刚出波峥时钎料的状态 图3 - 6 形成桥适时引脚间的钎料状态 桥连发生过程如上面示意图，从图3 5 可以看出，在形成桥连的过程 中，钎料与引脚的曲率半径由r 1 变为r 2 ，越来越小，通过式3 - l 可知，附 加内压将会逐渐增大，两个引线间的钎料更加不易分开，形成桥连的机会加 大。同时，焊接过程是在3 秒左右就完成的，这就需要钎料有良好的润湿性 能，尤其是很大的润湿力和很短的润湿时间。 另外，如果从能量的角度来解释桥涟的形成过程，从能量的最小原理可 知，如果某一状态要达到平衡，它的能囊就要达到最小。因此，本文用总能 鼠的力法为桥连做了个简单的物理数学模型，为了方便叙述，我们做了以 l j 的假设： ( 1 ) 钎焊过程中，熔融钎料表面张力恒定，且各处相同； ( 2 ) 钎焊过程中，熔融钎料在引线及焊盘表面的润湿角恒定； ( 3 ) 忽略钎料冷却过程中的收缩效应： ( 4 ) 焊点致密，忽略气孔等焊接缺陷。 。= l n i n 【肌缈+ 芝j 。，r 。枷+ f j j 户吕列矿+ 芝f ， j ) ( 3 _ 2 ) 竺尘蒌三些尘耋三兰堡! ；兰堡篓兰 7 1 ：熔融钎料的表面张力f n m 】： l ：钎料与不同固体的界面张力n m 1 ； 。4 口4 ，：分别为钎料与空气和钎料与固体界面的面积f m 2 】： 矿：钎料的体积【m 3 】； p ：液态钎料密度 k m 3 1 ： g ：重力加速度 m s 2 】； ：钎料的高度f m l ； f ：钎料所受的外力i n 】； ，：受外力作用的距离 m 1 ： 从式3 、2 中可以看出，当钎料浸润铺展达到平衡时，由焊盘、熔融钎料及 引线组成的焊点系统处于能量最小的稳定状态。也就是说，系统的总能量f 出表面能和重力势能组成。焊点在形成过程中，般来说，重力势能基本是 不变的，变化的是表面能，为了减小表面能，钎料总是趋向面积最小，即把 两个引脚问的钎料拉回焊盘，但是却受到熔融钎料表面张力的限制。如果是 辉想的液态钎料，则表面张力根本不足以限制表面能的降低趋势。但是由于 高锡无铅钎料的应用，其更容易被氧化，在钎料外层形成氧化膜，使钎料的 表面张力有很大的增加，最终导致桥连产生的几率也大幅度升高。 3 3 2 焊点填充不足的力学行为分析 圄3 7 填充不足 图3 7 是典型的填充不足的情况，主要与钎料润湿有关。熔融钎料与通 孔之间的润湿存在两种情况，如下图3 8 所示， 哈尔滨丁业大学1 = ：学颂 ：学位论文 y l 圈 】。匿飘 幽3 9 液体提升示意圈p w 通孔钎料的爬升高度和爬升速度 爬升高度 p = 倒一2 口c o s 占口( 3 3 ) 当劫= o 时，有最大爬升高度即 y = 磊= 警f 3 - 4 )o罔留口 i j j 爬升速度( 泊肃叶定律) v = 叫衍= 为( 倒一半) = 警一普。弓) v ：液面的爬升速度 c m s 】； 印：液面的附加内压差f p a 】； p ：液态钎料密度 g c m 3 】；g ：重力加速度【c m ，s 2 】； 口：熔融钎料的界面张力 e r g ，c m 2 】： ：液面的高度【c m 】； 少：液面爬升的最大高度【c m 】：口：波面的接触角f 。】； 口：熔融钎料的粘度 日：通孔的直径 c m 】 如图3 9 简图，通过计算可知，在理想的条件下( 焊盘与钎料表面均无 氰化膜) ，钎料的最大爬升高度是5 2 m m ，而且焊接时波峰的高度一般都要 达到通孔高度2 m m 左右，已经远远能够爬升到通孔顶端。通过泊肃叶定律 可知，在其它因素不变的情况下，爬升速度与熔融钎料的润湿角有关，润湿 角过大，将使爬升速度明显降低。 在实际生产过程中，填充不足的缺陷出现频率还是比较高，其根本原因 一是焊盘的氧化膜没有去除干净或者焊盘在焊接过程中二次氧化，二是钎料 在焊接过程中存在氧化膜，使润湿性能大大降低。 羹一 哈尔滨工业人学工学硕j 学位论文 3 4 抑制桥连与填充不足的主要措施 在实际生产中，如果要减少桥连与填充不足，除了规范焊接工艺参数和 对p c b 板合理的设计外，从根本上是要增加润渝力和减少表面张力和润湿 时问，个很重要的解决措施就是氮气保护i l o l 。因此，上一章内容本文已 经从氮气保护的工艺与原理方面解决钎料润湿性能差的问题。 3 5 本章小结 1 实际波峰焊过程中，助焊剂的涂敷量和氮气保护对桥连与填充不足 影响最大，但是，助焊剂的涂敷量是一个很难确定的工艺参数，与助焊剂的 种类、喷嘴的设计、p c b 的储存时间、喷雾颗粒的大小等很多因素有关。 2 钎料、助焊剂和焊机的类型确定后，焊接工艺参数在焊接时都是有 一个相对的稳定值，并且缺陷率也相对稳定，但是，一旦焊接过程中加入氮 气保护后，缺陷率明显下降。 1 桥连产生的原因很多，但是最根本的原因是润湿力不足、表面张力 过火和澜湿时问过短。 2 填充不足产生的根本原因是通孔焊盘表面和熔融钎料在接触过程中 于氧化膜的重新形成很难润渝，即使能达到润湿，但由于润湿时i i j 有限， 钎料难以爬升到通孔的另一面。 3 通过第二章试验结果，同时有资料表明，在波峰焊过程中加入氮气 保护后能使钎料的润湿力增大，表面张力和润湿时间降低。 惜力 滨丁业人学t 学颂卜学位论文 第4 章波峰焊点的热循环裂纹及解决措施 4 ，1 引言 焊点在服役过程中的可靠性是电子组装中人们比较关心的问题。但是， 如果按照焊点的服役温度进行试验，试验周期将会很长，为了节省时间，人 们把焊点进行热循环加速试验。同时，电子组装焊点很小，直接观察和分析 受力有一定的困难，因此，现阶段各个研究机构倾向于用模拟的方法对焊点 进行力学分析。 4 2 波峰焊点的热循环试验 4 2 1 试验设备和材料 本试验的焊接设备采用日东公司c n 3 5 0 氮气无铅波峰焊机，钎料采用 干住公司的s n 一3 o a g o 5 c u 无铅钎料，助焊剂采用t a m u r a 公司的e c 1