（材料加工工程专业论文）氮气保护对无铅化电子组装再流焊工艺的影响.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 无铅化电子组装已成为国际电子整机业的必然趋势，无铅钎料作为有铅 钎料的替代品，其高熔点和低润湿特性不但给传统的表面组装工艺 ( s m t ) 带来很大挑战，并且导致许多缺陷的产生，如润湿不良、桥连、 锡珠和竖碑等，对再流焊焊点质量造成很大的影响，导致产品成品率降低。 为了增加润湿性，扩大工艺窗口，降低废品率，目前国内外普遍采用氮 气保护来改善无铅化组装的工艺性。本文基于实际的再流焊生产工艺，对窄 气和氮气条件下焊点质量进行分析，试验发现：氮气傈护可以改善无铅钎料 润湿性，减少润湿不良、气孔及桥连等焊后缺陷，提高产品成品率。为了深 入的研究氮气保护改善再流焊工艺的机理，本文基于润湿平衡测量法，对l ： 述条件下润湿性进行测试，试验结果显示：氮气保护可提高润湿力，减少润 湿时间，增强润湿性，从而改善工艺窗口。低温低氧含量下的润湿性与高温 空气中的润湿性相当，氮气保护可使温度降低近2 0 。 氮气保护虽然有利于无铅再流焊工艺的改善，但是会增加生产成本，因 而氧含量成为一个衡量实际氮气消耗量的重要工艺参数。本文对不同氧含量 下焊点质量进行分析，基于对焊点组织和强度两方面的研究，发现氮气保护 可以细化组织，提高拉伸强度。试验还发现焊点拉伸强度随着氧含_ 鼍的变化 有一定的规律性，其最高强度所对应的氧含量值随着不同焊材的组合而发生 变化，但基本在7 0 0 5 0 0 0 p p m 之间。 实际生产中，对于工艺参数的确定，不可能进行深入的分析和研究，本 文结合生产可行性原则，给出一种简易的试验方法来评估最佳的氧含量值。 面临电子整机业的无铅化，现有再流焊工艺生产线能否满足无铅化需 求，是否需要改造是一个存在的现实问题。本文从实际出发给出了传统生产 线改造的原则和方法。 关键词：表面组装技术；再流焊；焊点质量；氮气保护；氧含量 a b s t r a c t l e a d f l e ee l e c t r o n i ca s s e m b l yh a sb e e na ni n e v i t a b l ed e v e l o p i n gt e n d e n c y ， c o m p a r e d w 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 g h e r m 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 yt h e r e f o r e ，t h et r a d i t i o n a la s s e m b l yp r o c e s s i nf o r t h c o m i n gl e a d - f l e es u r f a c em o u n ta s s e m b l yi sf a c i n gu ps o m ep r o b l e m sa n d c h a l l e n g e s ，e g t h ei n c r e a s i n gp r o b a b i l i t y o fd e f e c t si nr e f l o w i n gs o l d e rj o i n t s u c ha sp o o rs o l d e r b i l i t y , b r i d g i n g ，s o l d e rb a l l sa n d t o m b s t o n i n g t o i m p r o v e t h ew e t t a b i l i t yo fl e a d f r e es o l d e r s ，e x p a n dt h er e f l o ws o l d e r i n g p r o c e s sw i n d o w a n dd e c r e a s et h ep r o b a b i l i t yo fd e f e c t si nl e a d f r e es o l d e rj o i n t ， r e s e a r c h e r sh 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 np r o t e c t i o ni nl e a d f r e er e f l o ws o l d e r i n gc o n d i t i o nc a ni m p r o v et h e w e t t a b i l i t yo f l e a d f r e es o l d e ra n dd e c r e a s et h ep r o b a b i l i t yo fd e f e c t si nl e a d - f l e e s o l d e r j o i n t ，s u c ha st h ev o i d ，b r i d g i n ga n ds o l d e rb a l l sf u r t h e r m o r e ，t h ew e t t i n g b a l a n c et e s th a sb e e ni n t r o d u c e di n t ot h el e a d f r e es o l d e r p a s t e t o a n a l y z e m e c h a n i s m so f t h ea b o v e i m p r o v e m e n tb r o u g h ta b o u tb yn i t r o g e np r o t e c t i o n t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h el e a d - f r e es o l d e rp a s t eh a sas h o r t e rw e t t i n gt i m ea n da h i g h e rw e t t i n gf o r c ei n t h ec o n d i t i o no fn i t r o g e np r o t e c t i o n a l s o ，t h ew e t t i n g p r o p e r t i e s o fl e a d f r e es o l d e ra tal o w e rr e f l o w s o l d e r i n gt e m p e r a t u r e i n p r o t e c t i n gn i t r o g e nw i t har e l a t i v e l yl o wc o n t e n to fo x y g e nc a nb ec o m p a r a b l e w i t ht h a ta tah i g h e rs o l d e rt e m p e r a t u r ew i t h o u tn i t r o g e np r o t e c t i o nt h i sm e a n s t h a tt h e n i t r o g e np r o t e c t i o n i nl e a d - f r e e s o l d e r i n g c a n e x p a n d t h er e f l o w s o l d e r i n gp r o c e s sw i n d o w h o w e v e r , t h en i t r o g e np r o t e c t i o n i nr e f l o w s o l d e r i n g c a ni n c r e a s et h e p r o d u c t i o nc o s t s t h e r e f o r e ，t h ec o n t e n t o fo x y g e ni nt h ep r o t e c t i n g n i t r o g e n w o u l db e v e r yi m p o r t a n t t ot h ec o n s u m p t i o no f n i t r o g e ni nt h es o l d e r i n gp r o c e s s i nt h i sw o r k ，t h eq u a l i t i e so f j o i n t ss o l d e r e di np r o t e c t i n gn i t r o g e nw i t hd i f f e r e n t c o n t e n t so fo x y g e nh a v eb e e ne v a l u a t e db ye x a m i n i n gt h em i c r o s t r u c t u r ea n d s t r e n g t h o fl e a d - f r e es o l d e rj o i n t s a l s ot h ea c c e p t a b l ec o n t e n to fo x y g e ni n p r o t e c t i n gn i t r o g e nr a n g e s f r o m 7 0 0 p p m t o 5 0 0 0 p p m e x t r a c t e df r o mt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h et e n s i l es t r e n g t ho fs o l d e rj o i n t sa n dt h ec o n t e n to f o x y g e ni nn i t r o g e n 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，i ti sd i f f i c u l tt o g i v e n t h e o p t i m u ms o l d e r i n g p r o c e s s i nt h i sw o r k ，ar e l a t i v e l ys i m p l em e t h o dh a sb e e np r o p o s e df o ft h e o p t i m u mc o n t e n to f o x y g e n i nn i t r o g e n i nl e a d f l e ee l e c t r o n i c m a n u f a c t u r i n g ，i t i sa p r o b l e mt h a t w h e t h e rt h e r e f l o w s o l d e r i n gp r o c e s sp r o d u c t i o nl i n em e e t sl e a d f r e e r e q u i r e m e n t s ，a n d w h e t h e rt h el i n en e e d st ob er e s t r u c t u r e d f o rt h i s ，s o m eg u i d e l i n e sa n dw a y s a b o u t r e s t r u c t u r i n gh a v e b e e np u tf o r w a r d k e y w o r d s ：s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ( s m t ) ，r e f l o ws o l d e r i n g fs o l d e r j o i n tq u a l i t y ，n k r o g e np r o t e c t i o n s o x y g e n l e v e l 1 1 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 无铅化电子组装磬然性 传统s n p b 钎料( 特别是s n 3 7 p b ) 因其低廉的成本，良好的导电性及优 异的钎焊性能和力学可靠性能，直以来广泛应用于电子整机装联、微电子 元器件封装和印刷电路板级封装、表面组装及电子元器件的钎焊工艺中。 但是铅及含铅化合物是危害人类健康和污染环境的有毒有害物质，美国环境 保护署( e p a ) 将铅列入前1 7 种严重危害人类寿命与自然环境的化学物质 之一。s 1 1 p b 钎料在生产及使用过程中会直接危害人体，它与人体血红蛋白 质强烈结合而抑制人体正常的生理功能，造成神经系统和新陈代谢紊乱，致 使神经系统和生理反应迟钝，并减少血色素即而造成贫血及高血压。此外， 电子元器件废弃物中的铅会被氧化成氧化铅，而氧化铅和盐酸及酸雨中的酸 反应形成铅的化合物，污染环境，最终危害人类健康f 2 3j 。同时，由于电子 封装与组装的迅速发展和技术的不断进步，对钎焊性能要求不断提高。随着 现代高集成度、高性能电子电路设计的发展，焊点越来越小，所需承载的力 学、电学和热学负荷越来越重，对其可靠性要求日益提高。传统s t l p b 钎料 由于抗蠕变性能差，已不能满足电子工业对其可靠性的要求1 4 1 。 铅对人类健康的危害和环境的污染，已引起广泛的关注，迫使人们在世 界范围内禁止铅的使用或限制其使用量。无铅化电子组装发展历程中，最有 影响力的即为2 0 0 3 年2 月1 3 日，欧盟官报o jl 0 3 7 正式公布：历经5 年讨 论的w e e e ( w a s t ef r o me l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce q u i p m e n t ) 和r o h s 指令 正式开始生效。其核心内容之一就是自2 0 0 6 年7 月1 日起，在欧洲市场上 销售的电力电子产品必须为无铅产品；同时各成员国必须在2 0 0 4 年8 月1 3 目之前完成相应的立法工作。这给各国进出口贸易造成了一定的技术壁垒， 我国政府积极采取相关措施，信息产业部电子信息产品生产污染防治管理 办法草案规定：电子信息产品制造者应当保证，自2 0 0 3 年7 月1 日起实 行有毒有害物质的减量化生产措施；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( e b b ) 或者聚合溴化联苯乙醚( p b d e ) 等。此外，随着社会的发展，人们对 生存环境和其可持续发展越来越重视，环保意识也逐渐增强。工业废弃品中 的铅通过渗入地下水而进入动物或人类的食物链，对人体造成很大的危害 性，这就要求限制铅的使用。环保产品越来越受到人们的欢迎，许多国际知 名公司主动生产打着绿色环保标志的无铅产品，获得巨大利润。例如世界上 第一个批量生产的无铅化电子产品一松下m dp l a y e r 推出市场后，使松下公 司在此类产品中的市场占有率从5 提高到15 。无铅化电子组装已经是国 际信息产业工业发展的必然趋势p “。 1 1 2 无铅化电子组装工艺特点 为了找到一种s n p b 钎料的替代产品，9 0 年代起无铅钎料的研发已成为 世界的关注热点，国际上相继组织了多次大型研发活动。国外对无铅钎料的 研究大多数集中在其熔点与常用s n p b 共晶钎料相近的含锡二元、三元以至 多元合金上，他们多是以含锡二元共晶为基础，添加适量的其他元素a g 、 z n 、c u 、s b 、b i 、i n 来达到细化焊点组织、调节钎料温度区间、改善可焊 性、提高焊点质量的目的 1 0 - 1 1 l 。经过大量研究，最终得到的无铅钎料主要 集中在s n a g 、s n c u 、s n l n 、s n s b 、s n b i 和s n z n 等几大体系上。从可焊 性、抗氧化性、成本、毒性、废弃物回收及资源供应方面考虑，这几种无铅 钎料中最适合作为s n p b 钎料替代产品的为s n a g 、s n c u 、s n a g c u 三大合 金系列，其中波峰焊中应用最广为s n c u 、s n a g c u 两大系列，再流焊中应 用最广为s n a g 、s n a g c u 两大系列 1 2 - 1 5 l 。 无铅化电子组装给传统组装工艺带来了很大挑战。首先，目前广泛应用 的几种无铅钎料熔点比传统s n p b 钎料熔点高出3 0 4 0 左右，为保证钎料 熔化后良好的润湿性，一般要求钎焊峰值温度高出钎料熔点2 0 4 0 ，这 就导致无铅化后钎焊峰值温度高达2 5 0 左右( 表l 1 ) 。再流焊工艺温度曲 线随之发生变化，预热温度和再流峰值温度相应升高( 图1 1 ) 。 表1 - 1s n p b 钎料与无铅钎料工艺特点1 1 焊膏熔点钎焊峰值温度范围 s n 3 7 p b1 8 3 2 0 8 2 3 5 s n - 3 s a g 2 2 l 2 4 2 2 6 2 s n - 3o a g - 05 c u2 1 7 2 1 9 2 4 2 2 6 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ： 蔷 a e i - -坛卅。过 - r i m e 图1 1s n p b 钎料与无铅钎料典型再流焊温度曲线1 8 其次，无铅钎料的润湿性要弱于传统的s n p b 钎料( 图1 2 ) ，加之高温 对焊盘和高含锡量无铅钎料的氧化作用，很容易导致焊点润湿不良，产生许 多焊后缺陷，影响焊点质量和可靠性。 图1 - 2s n p b 钎料与无铅钎料润湿角评定f ” 传统s n p b 钎料温度工艺窗口一般为2 1 0 2 3 0 ，而s n c u 、s n a g 、 s n a g c u 无铅钎料温度工艺窗口一般为2 4 0 2 6 0 ，无铅化后所需高温可通 过提高波峰焊或再流焊设备的加热温度很容易得到解决。无铅钎料的润湿性 差，易氧化问题，国内外研究学者正努力通过改变助焊剂的化学性能来进以 改善。根据氧化膜学说，无铅钎料的主要合金元素能够形成比p b 的氧化物 更加稳定的氧化物【l6 】( 见表l 一2 ) ，因此通过助焊剂去除焊材表面的氧化膜 比较困难。目前国内外电子整机业都倾向于采用在氮气气氛中钎焊来防止氧 化，改善液态合金的表面张力，提高钎料的润湿性，优化生产工艺。另一方 矗罩口， 画由于电子工业中用于树脂类软助焊剂清洗的清洗剂通常为c f c l l 3 ( 三氟 三氯乙烷) ，这种清洗剂对大气臭氧层有破坏作用，因而在1 9 8 7 年包括美国 和欧共体成员国在内的2 4 个国家，签署了控制使用c f c 化合物的蒙特利尔 协议来限制c f c 类物质使用，进而使得免清洗助焊剂逐渐成为主流。免清 洗助焊剂大约含2 1 28 的固体含量，活性比较低，组装工艺中通过惰性 化来配合完成，常采用氮气保护。 表1 - 2 钎料氧化物的标准自由能”1 化合物 嘭，( k j g a t o r n o ) 2 9 8 k4 0 0 k5 0 0 k6 0 0 k b i 2 0 3 1 6 5 71 5 651 4 7 71 3 8 _ 3 s n 0 2 2 6 0 2- 2 4 9 7- 2 3 9 72 2 88 p b o1 8 881 7 8 ，81 6 8 71 5 95 z n o 3 1 8 63 1 2 8 2 9 8 ，5 2 8 8 9 a 9 2 0 1 0 53 8 2588 c u o1 2 9 41 1 9 7一l l l 、01 0 1 7 1 2 氮气保护再流焊工艺研究现状 无铅再流焊工艺中钎焊温度升高，但采用的元器件和p c b 板并没有随 着无铅化而发生改变，热敏元器件的热承载能力一般为2 3 5 2 4 0 ，所以 其再流焊可承受温度最大不能超过2 4 0 ，否则就进入危险区，很大可能导 致元器件的损坏f 2 0 1 。即使元器件能承受2 6 0 高温，在生产中也不能允许这 么高的钎焊温度，这是因为高温容易造成通孔再流焊通孔铜箔的断裂，而且 容易导致双面组装板第二面上的焊盘氧化，造成可焊性下降。另外高温可以 促使金属间化合物的过快生长，降低焊点可靠性，尤其是第一面已形成焊 点，并且高温提高了塑性封装元件的潮湿敏感度。高温可以增强钎料的润湿 性，低温容易造成钎料润湿性下降，而采用氮气保护，可以提高低温下无铅 钎料润湿性，从而达到改善工艺的目的 2 m2 1 。 无铅再流焊工艺中采用氮气保护，应该根据具体的情况来定。如果是一 些特殊无铅钎料，熔点较低或与有铅合金相当，且耐氧化性也与有铅合金相 当，则可以不采用氮气保护。 以下条件一般推荐采用氮气保护 2 3 , 2 4 1 ： 1 ) 钎焊比较昂贵的集成电路元器件( 如b g a 、c s p 及c o b 等) 时； 2 ) 钎焊小体积元器件、细间距元器件( 00 2 ”) 和倒装芯片时； 3 ) 钎焊不可以返修元器件时； 4 ) 多次过板组装工艺或钎焊带有o p s 镀层的p c b 多次再流时( 通常 为两次) 。钎焊高温容易使基板焊盘上o p s 镀层蒸发并分解，失去保护效 果，因此对双面装配，要求使用氮气来维持第二面的可焊性； 5 ) 钎焊无保护膜铜焊盘的p c b 板时； 6 ) 钎焊储存时间较长的电路板时； 7 ) 需要降低自动测试工艺失败率时； 8 ) 使用高温焊膏或低固体、低活性( 免清洗、低残留) 焊膏时； 9 ) 可靠性首要的情况下需要采用氮气。元器件不断集成化，尺寸不断 缩小，促进高密度组装板的发展。为了保证高密度组装板高质量和高可靠性 要求，也要求采用氮气。 国内外研究结果显示，氮气保护对再流焊工艺的影响主要有以下几点： 1 ) 再流焊工艺需要干燥的s m d ，氮气气氛下能保证s m d 干燥，减少 s m d 烘干工序，简化工艺流程而节省成本； 2 ) 氮气气氛中润湿角减小，润湿力增加，圆角过渡更圆滑，而且还减 少空洞的出现( 图1 3 ) ： 氮气中空气中 图1 - 3 空气和氮气条件下q f p 引脚外观形态和金相观察( a i rl i g u i d e ) 3 ) 氮气气氛中润湿性得到改善，可焊性提高( 图1 - 4 ) ；且焊点光亮无 污点，助焊剂残留污染程度小( 图1 5 ) ，更适合免清洗工艺。相关研究表 明，氮气的使用可以减少助焊剂残余达6 6 ，也是再流焊工艺中为什么采 用氮气保护的原因之一。较少的助焊剂残留便于清洗，可以减少针测试的失 效率，因为针测试决定于沉积残余量和松香厚度2 ”。 a 峨 t i 谢眺黼硎l 岫删抽2 湍枷v e r u y 。 图1 - 4 不同活性助焊剂在空气和氯气条件下的润湿性( a i rl i g u i d e ) 图l - 5 不同活性助焊剂在空气和氮气条件下的助焊剂残留( a i rl i g u i d e ) 4 ) 氮气保护下产品首次通过率提高5 7 ，转化成缺陷率就为5 0 6 0 i ”j 。有关文献表明，氮气保护可提高细间距产品成品率，减少b g a 小 球中空洞等缺陷的出现，低氧含量下减少可达6 0 左右( 图1 6 ) 。 5 ) 考虑氮气保护再流焊工艺的最重要因素是注重于产品的缺陷率下降 和焊点可靠性。研究表明使用氮气保护缺陷率从8 2 降到3 7 p p m 。氮气保护 能降低锡球、开路与桥连等缺陷，提高焊点可靠性，减少修补时间以及人工 费用，提高产品服役期。有关试验证明，氮气气氛中焊点有细小的结晶组 织，桥连和疏松焊点等缺陷减小，可靠性增加【2 6 j 。图1 7 为空气和氮气气氛 中不同缺陷的出现率。 n 2 钎料台金：s n a g 峰值温度：2 4 0 ( 2 圈l - 6 空气和氮气条件下的b g a 小球内部气孔对比( a i rl i g u i d o ) 图1 7 空气和氮气条件下再流焊缺陷出现率对比 6 ) 无铅钎料的表面张力大，表面能的升高增加了桥连和竖碑等缺陷的 产生，另外低的润湿力导致元器件自校正能力差，可焊性不好的元器件容易 产生偏移现象。氮气气氛中液态钎料润湿力增大，减少了桥连和竖碑等缺陷 发生，而且高的润湿力增强了对未贴正元器件的矫正力，从而减少由于贴片 不准而带来的缺陷。 7 ) 氮气保护防止焊材表面再氧化物的生成，致使钎料与焊盘及元器件 引脚之问在很短的时间内发生润湿，从而消除一些工艺参数带来的负面影 响，降低了缺陷率。 8 ) 2 5 0 时，氮气的热容为1 0 3 9 ，而空气的为1 0 0 3 ，热传导率几乎 相等，这对再流焊温度曲线和发热设备功耗几乎没有什么影响。 实际生产中，氮气保护也存在一些不足。氮气保护会增加生产成本，表 1 3 为世界范围内氮气价格与消耗量情况，表1 - 4 为实际生产中每小时消耗 氮气成本估算。因此在使用氮气的前提条件下，氧含量是个非常重要的工艺 参数，但是氧含量参数没有个确定的标准。一些研究者测试显示，再流焊 炉内氧含量从1 5 1 0 0 p p m 范围内，润湿角和焊点强度没有什么明显的区 删。目前存在的几种氧含量值有l o o p p m 、3 0 0 p p m 、5 0 0 p p m 、1 0 0 0 p p m 、 5 0 0 0 p p m 、1 0 0 0 0 p p m l l “，其之所以没有一个标准，主要原因包括钎料种 类，基板表面材质可焊性以及焊角间距，元器件类型等。若焊盘可焊性差， 助焊剂性能不良，元器件焊脚可焊性不好，氧含量一般要求在1 0 0 1 0 0 0 p p m 之间。 表1 - 3 世界范围内氮气价格与消耗量情况【删 r l d , i d ec o s to fn i t r o g e ni nr e f l o wv s c o n s u m p t i o n c 棚e 哪船蚺c e 啦i f pp 心c z , 0 0 0s c 特ra o c 国es d h + u n i i e d e j$ o0 c , 3 j $ 3 4 ，蛳 “0 c c m t l n e n t z f 勘u 辨00 0 7 0凹 1 2 0z 2 u n 删k n 曜b m 0 + i k ) ? 0 2 9 , 1 2 07 2 8 0 s 曲n d h a v b00 0 18 7 8 01 8 2 0 m e x i 0 0 0 7 0 趱1 2 0 7 。2 8 0 n l a l l a n d0 ，0 1 4 ；柏o1 日9 2 0 b m d0 0 17 5 7 2 ，8 1 托2 0 , 0 1 1 n o a p o 障 0o j 5 0 1 4 56 i 矗4 0 0 表1 4 生产成本预算0 0 】 最小成本 最大成本 氨气价格每立方米0 0 8 欧元 每立方米0 2 4 欧元 使用量：每小时1 5 立方米每小时l ，2 0 欧元每小时36 0 欧元 使用量：每小时2 5 立方米 每小时2 0 0 欧元 每小时60 0 欧元 结果每小时1 2 0 欧元每小时6 0 0 欧元 rk l e i nw a s s i n k 等人认为：对于再流焊工艺，氧含量为1 0 0 0 p p m 就足 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 够了f 2 ”，但是也有人认为氨气保护再流焊炉内氧含量一般为5 0 0 p p m 。一些 电子漫备制造商推荐再流焊炉各温区氧含量一般为：预热区为5 0 0 p p m ，活 化区为1 5 0 p p m ，再流焊区为1 0 0 p p m 。这对氮气源纯度和再流焊设备提出 很高的要求。对于合理的氧含量，电子产品生产商常根据不同的工艺要求来 选择适当的氧含量值，见表1 5 。 表1 - 5 不同工艺要求所需氧含量 2 6 j 氧含量( p p m ) 工艺要求 1 0 0 0 0 减少基板污染，外观漂亮 5 0 0 提高助焊剂残余清除程度 2 0 0 减少焊球形成 。) 为扩大单位面积系统所吸收的热量值。所以筹 ) ，：，所以氧化物越 多，焊盘与液态钎料之间的界面张力就越大，即y 。越大。同理r ： y ： 17 ，。1 l ，由式2 - 1 3 推理可知，氧化物越多，。和越小，r 而i z ly 。变小 的幅度更大。无铅再流焊中峰值温度升高，焊材表面氧化严重，导致c o s o 变小，润湿性变差。 氮气保护下( 相同的助焊剂) ，随着氧含量的增加，气氛中氧分压降 低，接近临界氧分压，氧化作用减小，从而使，“减小，k 和，k 增加，即 ，。( 2 ) y d ( a i r ) - ( ：) ，l 。j ，) ，但，镕( 2 ) ，镕( 一j ，) ，由杨氏方程可 知，c o s o 值增大，润湿性变好。 2 2 5 2 氦气保护对焊材氧化还原反应的影响 金属与氧之间存在着可逆反应： ? r i m e + 昙d 2 + _ 亘星斗胁。0 。 ( 2 1 4 ) 其平衡常数： k p ：土告 ( 2 1 5 ) p 急眠j 其中、p d 2 、p m e o 为系统中金属，氧气和氧化物的分压。 当反应温度不变时，p “。和p o ：均为常数值，因此该平衡常数可表 述为： 印= 丢 ( 2 1 6 ) p 。：i 堕查鎏三些查兰三兰堡圭兰堡篁塞 其中a 为常数，又因为g ? = 一r t l o g k ，得到临界氧分压： = 吲昙筹) ( 2 1 7 ) 由此可见，当温度一定时，金属与其氧化物之间的平衡条件决定于系统 中的氧分压，因此必然相应地存在某一分压值，使系统中金属氧化物的分解 处于平衡，此压称为该氧化物的分解压。 氧化物的分解压与温度呈下列关系： 1 9 如，l o l k p a 一旒。+ 1 7 5 l g n 2 8 ( 2 - 1 8 ) 式中：函为常温时析出1 t o o l 氧的氧化物分解热，j m o l ； ，为温度，k 。 分解压越高，该氧化物越易分解。只有氧分压低于临界氧分压时，金属 才不会产生氧化，但无铅钎料常见金属氧化物的标准吉布斯自由能差g ： 很小，如s n o 为2 5 7 k j t o o l ，而p b 0 2 为2 1 8 k j m o l ，这使得临界氧分压很 低，因此目前无铅钎焊中的氧化行为是不可避免的i ”1 。表2 1 3 为几种常见 氧化物的标准吉布斯自由能差及不同温度下的氧分压。 表2 1 3 几种金属氧化物的标准吉布斯自由能差及j 临界氧分压 吃( a r m ) 化合物g ? ( k j t 0 0 1 ) 2 9 8 k4 0 0 k5 0 0 k6 0 0 k s n 0 2 5 1 86g x l 0 ”64 9 x 1 0 一“g8 7 x 1 0 5 11 5 3 x 1 0 一“ p b o 1 8 06 9 6 x 1 0 6 7 2 1 7 x 1 0 一”58 5 x 1 0 3 617 5 x 1 0 2 8 c u o1 2 747 1 x 1 0 - 4 655 6 x 1 0 一3 2 67 9 x 1 0 一“19 8 x 1 0 1 8 据式2 1 8 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( 表2 1 4 ) ，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，就可阻增大氧 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 求的低氧分压条件。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表2 1 4 空气中部分氧化物的分解温度 氧化物分解温度 a “2 0 2 5 0 a 9 2 0 3 0 0 c u 2 0 1 8 3 5 n i o2 7 5 1 p b o2 3 4 8 提高分解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 上热应力作用而破碎，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 助焊剂对钎料润温性的影响 从2 2 4 试验结果可以看出，不同助焊剂性能，对焊膏的性能影响比较 大，氮气作用于不同助焊剂所起到的作用也不同。通过润湿平衡测量法对不 同助焊剂润湿性进行测试。 2 3 1 试验设备及材料 试验设备同试验2 1 5 ； 测试铜片：日本r h e s c a 公司随机供应标准测试紫铜片，尺寸为3 0 r a m x5 m m 03 n m a ： 氮气供应：瓶装氮气，纯度为9 9 9 9 9 ； 合金选择：s n 3 o a g o 5 c u ； 助焊剂选择：p l 、p 2 、p 3 和p 4 ，活性依次减弱，其活性通过向原始助 焊剂p l 中添加有机酸，盐酸盐和表面活性剂来调节，加入量均按重量百分 比05 加入。 2 3 2 试验结果及分析 表2 - 1 5 为相同钎料合金使用不同助焊剂时的润湿性测量数据，图2 1 7 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 为润湿性测试曲线。可咀看出，零交时间和润湿时间均随着活性的增强和温 度的升高而降低，润湿力随着活性的增强和温度的升高而增大，并且活性的 影响趋势随着温度的升高而在很大的程度上降低。 对比试验2 1 和2 3 结果，可得：氮气对钎料的润湿性有一定的改善，随 着温度的升高，程度越明显，2 3 0 时润湿力增加了0 1 1 m n ，而2 5 0 时增 加了01 7 r a n ；助焊剂活性对钎料润湿性有很大的影响，随着温度升高，程 度较快减弱，2 3 0 时润湿力变化为0 6 8 m n ，而2 4 0 时变化为017 r a n 。 表2 1 5 润湿性测试数据 温度助焊剂零交时间t o ( s )润湿时间t 1 ( s ) 最大润湿力f r 。( r a n ) p ll4 2ll o2 6 5 p 21 6 613 425 0 2 3 0 p 321 2l6 922 5 p 42 7 829 51 9 7 p lo 9 5o 5 l2 9 8 p 21 1 809 l29 5 2 4 0 p 3l4 9 l1 6 29 9 p 41 7 61 5 82 8 1 澜湿时间( s ) 一备一ci=琶l嚓 澜湿时间( s ) 图2 1 7 不同助焊剂下相同钎料的润湿曲线 氮气和助焊剂活性对钎料润湿性的影响见图2 1 8 所示。在较低再流温 度时，助焊剂的活性对焊膏润湿性其主要作用，而在较高再流焊温度时，性 能较差的助焊剂活性对润湿性的影响大大减弱，氮气对润湿性的影响就显得 非常重要。另外，不管助焊剂性能如何，都有一个溶化温度，一般为2 3 0 2 6 0 ，然而实际再流焊热气流温度一般都在2 6 0 。c 以上，助焊剂有很大的 灼烧作用，导致助焊剂性能下降，甚至发黄变黑。 2 4 焊膏铺展性 再流焊时焊膏预先印刷在焊盘上，理想情况下，焊膏熔化后助焊剂形成 一层保护膜覆盖液态合金，氮气保护对于液态合金没有起到作用，但是实际 生产中，助焊剂并不能形成致密的保护膜来阻碍外界气氛的影响。 2 4 1 试验设备、材料及曲线参数 再流焊炉：s u n e a s tn t 8 n v 2 ； 称量天平：精度为o 0 0 1 9 ： 漏印模板孔径规格：直径中= 6 m m ，厚度t = 0 5 m m ； 焊膏承载铜板：紫铜，规格为3 0 m m 3 0 m m o 5 m m ，表面粗糙度 一，莒一只蹬一 堕堡堡三些盔兰三兰堡圭兰堡鎏兰 32 ，测试前进行油污清洗； 选用焊膏：c ( s n 30 a 9 0 5 c u ) ； 参考标准：q q s - 5 7 1 e 的4 , 772 2 ，j i sz3 2 8 4 ； 温度曲线：采用生产商推荐的温度曲线( 图2 - 1 9 ) 。 图2 1 8 氮气与助焊剂对s a c 合会润湿力的影响 时间( s ) 图2 1 9 试验用再流焊工艺温度曲线 一3 l - 一p 一心孵 2 4 2 试验结果 称取o 5 9 焊膏，通过模板漏印在铜板上，将印刷焊膏的铜板通过温度 曲线如图2 1 9 的再流焊炉，图2 2 0 为焊后焊膏铺展试样。由图可以看出， 实际再流焊过程中，由于助焊剂的扩展率较大，再加上其挥发和氧化变质， 并不能形成致密的保护膜来覆盖液态合金。 热风强制再流焊中，焊膏溶化润湿焊盘和元件引脚时，助焊剂除了发挥 去氧化作用外，失去了保护熔融合金受到外界环境气氛的影响作用。氮气直 接与熔融金属接触，起到改善钎料表面张力的作用。图2 2 l 为文献中焊膏 热盘测试结果。可以看出，助焊剂围绕合金形成一道环形，没有起到良好的 保护效果，试验2 2 焊膏润湿平衡测量法并不能反映实际焊接过程中的情 况，合金与外界气氛直接接触，符合j i s z 31 9 8 标准的试验条件。 图2 2 0 焊膏铺展试样 p a s t e ：q u a l i t e k ；v e n d o r ：o l t a h t , ：4 k ；a | | o v ：s a c 图2 2 l 再流焊后焊膏在热盘上的铺展m 2 5 本章小结 1 润湿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 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 氛中，润湿力增大，润湿时间变短，润湿性得到改善，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湿性，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 润湿平衡测量法可以用来测试焊膏润湿性，进行不同焊膏的性能比 较，但是不能反映再流焊中焊膏真实的润湿情况。 4 实际再流焊过程中，氮气保护改善焊膏润湿性，主要是防止焊材再 氧化，而这种作用在润湿平衡测量法中得不到明显体现。另外，氮气保护降 低氧分压，虽不能去除氧化膜，但有利于助焊剂去除氧化膜。 5 温度较低时，助焊剂活性对焊膏润湿性有很大的改善作用，但随着 温度升高，改善作用较快减弱；温度较低时，氮气保护对焊膏润湿性的改善 较弱，但随着温度的升高，这种作用呈上升趋势。实际再流焊过程中，由于 实际热风温度高达2 6 0 以上，助焊剂容易被分解、氧化，性能大大降低， 氮气保护就显得更加重要。 6 热风强制再流焊中，由于助焊剂扩展率大于钎料合金扩展率，再加 上预热与浸润阶段的大量挥发、再流区的氧化以及热风的吹压下，不能形成 致密的膜起到保护熔融合金的作用。氮气气氛直接与液态合金表面接触，改 善焊膏的润湿性。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第3 章氮气保护对无铅再流焊焊点质量的影响 一i ：业生产中保护气体可为中性气体，如氩气、氮气，也可为活性气体， 如氢气和一氧化碳。从安全性和经济性上考虑，目前工业生产中常使用氮 气。氮气产生可以通过压缩空气分离。也可以通过化学方法，比如分解氨气 来获取氮气。液态氮气的沸点为一3 2 04 f ( 1 9 5 8 ) ，被释放的时候温度很 低。冰冷的氮气直接进入再流焊炉，会对温度曲线造成影响，氮气应该通过 至少5 0 米的管子来预热( 1 “。冰冷的n 2 比空气重，因此会聚集在容器底 部，当n 2 被使用时才有机会流出。对亍二不同氮气产生方法，可以提供的纯 度为9 5 至1 j9 9 9 9 9 ，一般液态氮气罐使用氮气纯度为9 99 9 9 。 3 1 氮气保护无铅再流焊工艺 s m t 组装工艺主要包括焊膏印刷、元器件贴装和再流焊三个重要环 节，每个环节都需严格控制工艺参数，确保产品质量，把废品率降到最低。 为使试验结果对实际生产起到指导性作用，本章从组装材料选取到工艺参数 设定均以实际无铅再流焊生产工艺为参考，制定几种常用无铅钎料的再流焊 工艺试验。 3 1 1 试验材料 基板：f r 一4 单面刚性板( t g = 1 4 0 。c ) ，每块组装板上有8 6 8 个焊点， 如图3 1 所示。 表面贴装元件；电阻( 1 0 0 5 ，1 6 0 8 2 0 1 2 ) ，p b g a ( 12 7 p i c t h2 5 6 p i n2 0 x 2 0 ) ，q f p ( 0 4 p i t c h1 2 8 p 1 n ) ，s o p ( 1 6 p i n ) 。 焊膏：试验选用三种无铅焊膏a ( s n 3 s a g ) 、b c ( s n 3 0 a 9 05 c u ) 和 一种有铅焊膏d ( s n 3 7 p b ) ，b c 为不同助焊剂配方，