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第十六章 无铅焊接的难点

1、表面处理的难点:SnPb表面处理已经成为一种常规工艺,而主要重点在于保持控制方面,然而对无铅表面处理就不能这么说,由于在无铅处理中所用特殊化学成分和这些处理所用时间较短,实际上每一种无铅表面处理都存在一些问题:
a.黑焊盘:Biunno研究了黑焊盘的种类和形成机理,他将黑焊盘现象分成8类,按其综合程度升序为:最小浸金IG毛刺、深IG毛刺、浅扩展IG毛刺、深扩展IG毛刺、无电解镍节浅IG分离、小段黑带、拐角段黑带、大段黑带;
b.外部裂化/漏掉电镀:对于ENIG系统,将要电镀额表面的重要性质包括掺杂、有机物、粗糙度、残留铜、残留焊料掩膜、氧化和残留锡。如果对这些参数不进行控制,将导致外部裂化或者漏掉电镀;
c.锡须:锡须是基于锡的金属表面上和基于锡的表面处理上,锡晶体突出的生长,须的形状也许像光纤,也有的高度无规则:
■锡须不仅可能发生在纯锡表面,在一些锡合金上也可能发生;
■压应力促进锡须的生长,而张应力则对其生长起限制作用;
■除了铜扩散,碳含量的增加也会导致锡须生长;
■锡须的生长也受锡晶粒尺寸的影响,而老化条件对锡须生长率的影响是有争议的;
d.表面处理清洁阻抗;

2、焊接的难点:回流和波峰焊都遇到过很多问题,包括金属间化合物(金属熔化时浮升至表面的)、渣滓、波峰焊料组分、铅掺杂、填料上浮、吸湿性能差、空洞和粗糙连接形貌等,以下分别讨论之:
a.金属互化物:所有共同的基本材料形成了锡金属互化物,在一个界面或在焊料连接内部金属互化物的数量强烈依赖于基本金属;
b.金属渣滓:对于SnAg、SnCu、SnAgCu系统,金属渣滓不是主要问题,而包含Bi、Sb、Zn和In的合金对应的高金属渣滓形成率可以通过惰化波峰区域来补偿,从而减少使用这些合金的成本;
c.波峰焊接组分:回流焊接中焊料黏胶的合金成分保持不变,与此不同的是,在波峰焊的过滤过程中焊料成分时不断改变的,在焊料波峰上面对应着PCB板的金属化成分熔解在融化的焊料中;
d.铅掺杂:铅掺杂非常容易在无铅焊接转变的早期出现,Pb可能作为杂质存在于焊料中,存在于元件或PCB板的表面终端中,或作为焊料沉淀;
e.填料上浮:国家制造科学中心(NCMS)报道了一个与无铅焊料连接有关的现象称为填料上浮,在波峰焊红,填料上浮包括从PCB板的铜盘上将焊料填充物移走,这种分离多数情况下发生在焊料到金属互化物之间,裂缝停止在衬底层的转弯处。填料上浮现象发生的直接原因是在焊料和PCB板间热膨胀系数的不匹配。通过以下措施可以使填料上浮现象最小化:
■避免Pb掺杂;
■快速冷却以限制树枝状结晶的生长;
■在顶部和底部均匀冷却;
■焊料黏胶范围最小化;
f.吸湿性能差:吸湿性能差是工业界使用无铅焊料时发现的第一个缺点吸湿性差可能是由元件终端、焊盘表面处理或焊料本身导致的;
g.空洞:空洞是企业在使用无铅焊料时遇到的又一个问题,空洞是一个与焊料连接经常相联系的现象,一般地,空洞是回流时,在三明治型焊料夹着的焊剂的除气造成的,这在SMT应用中回流一个焊料黏胶时出现的,空洞数量随着焊接能力的降低而增加;
h.粗糙连接形貌:在无铅过程中进行焊料连接会典型地呈现粗糙、多晶粒的形貌;

3、可靠性的难点:虽然通过焊料合金的选择可以逐渐解决一些问题,但对可靠性方面的挑战始终是一个问题,对于应用比较成功的无铅合金也存在这样的问题,就下面几个方面进行一下相关分析:
a.锡制的有害物:在锡表面上存在着类似有害物的生长,它是有β-Sn向α-Sn的转变而产生的;
b.金属互化物小盘:Ag3Sn在Cu6Sn5层上成核,长成小盘状,在无铅焊料连接处也呈现Ag3Sn小盘的大部分;
c.硬节点:这主要是由于几种无铅焊料都呈现出较高的硬度,虽然痕迹断裂问题可以通过焊料掩膜定义的焊盘设计或在与焊盘结点处痕迹加宽等方法处理,但不使用常规尺寸,将限制其在高密度内连接中的应用;
d.热损伤:无铅合金的熔点一般高于共熔SnPb的熔点,这将导致焊接温度升高,从而不可避免地导致对元件或电路板的热损伤;
e.焊剂残留物的清洗:清洁无铅焊料黏胶焊剂残留物要比清洗SnPb系统中困难得多,这是由于回路温度更高、更高的焊剂容量从而导致更高的焊剂诱发的副反应、形成了更多的锡盐。另一个关于无铅焊料黏胶残留物清除方面的研究是使用表面绝缘电阻SIR和离子沾污作为清洁能力的标准,在这些实验中,可得出如下结论:
■水溶的黏胶清洁效率最高,无清洁、无卤素、超低残余物黏胶的清洁效率最低,含有卤素、全残余物、无清洁黏胶的清洁效率略高于低残余物黏胶;
■回流温度对无铅焊料中焊剂残留物的清除没有显著的影响;
■清洁化学成分对离子沾污没有影响,对于SIR特性,蒸汽除油清洁化学试剂的性能最差;
■物理方法包括清洁时间和超声搅拌,对清洁效率的影响可忽略不计,而化学方法的影响则非常明显;
■离子沾污的清洁效率与基于SIR的清洁效率无关;
f.导电阳极电阻丝:导电阳极电阻丝CAF的形成对于印刷线路板是一种失效模式,在这里,从阳极到阴极,沿着外延-玻璃界面形成了导电电阻丝;

4、没能解决的难点:目前依然存在一些没有答案的问题,例如对于含铅量非常高的焊料,如97Sb3Sn或90Pb10Sn,与它们相对应的无铅焊料依旧没有找到,使用无铅焊料导致成本增加时另外一个问题,降低成本包含焊料的选择、元件和电路板的重新设计、设备的升级等,另外没有回答的问题是毒性和回收问题,无铅焊料对环境的影响,Ag的毒性和Bi的回收是仍然没有解决的两个例子,总之虽然在无铅焊料研究方面获得了很大的进展,但仍然有许多问题,无铅化战争远远没有结束。

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