SMT無(wú)鉛工藝的步伐越來(lái)越近,無(wú)鉛錫膏作為無(wú)鉛工藝的重要一環(huán),它的性能表現(xiàn)也越來(lái)越多引起人們的關(guān)注。本文結(jié)合萃華電子公司的最新無(wú)鉛錫膏產(chǎn)品MulTIcore(96SC LF320 AGS88分析無(wú)鉛錫膏如何滿足無(wú)鉛工藝的幾個(gè)要求。
眾所周知鉛是有毒金屬,如不加以控制,將會(huì)對(duì)人體和周圍環(huán)境造成巨大而深遠(yuǎn)的影響。歐洲議會(huì)2003年底已經(jīng)通過(guò)立法,要求從2006年7月開(kāi)始,在歐洲銷售的電氣和電子設(shè)備不得含有鉛和其它有害物質(zhì)。中國(guó)等國(guó)家的相關(guān)法律也正在醞釀之中。由此可見(jiàn),SMT的無(wú)鉛工藝已經(jīng)成為我們必然的選擇。本文以無(wú)鉛錫膏的研發(fā)為基礎(chǔ),針對(duì)無(wú)鉛工藝帶來(lái)的幾個(gè)問(wèn)題,如合金選擇、印刷性、低溫回流、空洞水平等展開(kāi)討論,同時(shí),向大家介紹了最新一代無(wú)鉛錫膏產(chǎn)品MulTIcore(96SC LF320 AGS88相應(yīng)特性。
一、 無(wú)鉛合金的選擇
為了找到適合的無(wú)鉛合金來(lái)替代傳統(tǒng)的Sn-Pb合金,人們?cè)鲞^(guò)許多的嘗試。這是因?yàn)闊o(wú)鉛合金的選擇需要考慮的因素很多,如熔點(diǎn)、機(jī)械強(qiáng)度、保質(zhì)期、成本等。表1列舉了三種主要無(wú)鉛合金的比較結(jié)果。
合金類型 | TIn Rich | TIn Zinc (Bi) | Tin Bi |
熔點(diǎn)(℃) | 209-227 ℃ | 190℃ | 137℃ |
主要問(wèn)題 | 熔點(diǎn)稍有升高 | 容易氧化,保質(zhì)困難 | 強(qiáng)度很差 |
表1 三種無(wú)鉛合金的比較結(jié)果
人們最終把目標(biāo)鎖定在富含Tin的合金上,在富含Tin的合金中,Sn/Ag/Cu 系列又成為選擇的目標(biāo)。而Sn,Ag,Cu三種合金成份比例的確定也經(jīng)歷了一段探索的過(guò)程,這主要是考慮到焊點(diǎn)的機(jī)電性能,如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)電率等等。最終兩種具有相同熔點(diǎn)(217°C)且性能相似的合金成分:SnAg3Cu0.5(96.5%Sn,3%Ag,0.5%Cu)和SnAg3.8Cu0.7(95.5%Sn,3.8%Ag,0.7%Cu)成為無(wú)鉛合金的主要選擇。其中,SnAg3Cu0.5被日本、韓國(guó)廠商廣泛采用,歐美企業(yè)更多選擇 SnAg3.8Cu0.7合金。以上兩種合金Multicore(均可以提供,代號(hào)分別為97SC和96SC。
二、 印刷性
由于Sn/Ag/Cu合金的密度(7.5 g/mm3)比Sn-Pb合金的密度 (8.5g/mm3) 低,使用該種合金的無(wú)鉛焊錫膏的印刷性比有鉛錫膏差一些,如容易粘刮刀等。盡管如此,由于保證錫膏的良好的印刷性對(duì)于提高SMT的生產(chǎn)效率、降低成本十分重要,在合金成分相同的情況下,只有通過(guò)助焊劑成分的調(diào)整來(lái)提高錫膏的印刷性,如填充網(wǎng)孔能力、濕強(qiáng)度、抗冷/熱坍塌及潮濕環(huán)境能力等,并最終提高印刷速度、改善印刷效果。
圖1為Multicore(96SC LF320 AGS88的印刷實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖1可知該產(chǎn)品的可印刷速度范圍為25 mm/s - 175 mm/s(圖中的綠色部分表示印刷效果好)。事實(shí)證明,通過(guò)調(diào)整助焊劑成分和比例,無(wú)鉛錫膏可以具有與有鉛錫膏同樣的高速印刷操作窗口。
三、 低溫回流的重要性
由于無(wú)鉛合金的熔點(diǎn)升高(Sn/Ag/Cu合金的熔點(diǎn)為217°C,Sn-Pb合金熔點(diǎn)為183°C),無(wú)鉛工藝面臨的首要問(wèn)題便是回流焊時(shí)峰值溫度的提高。在圖2中描述了無(wú)鉛錫膏回流焊接時(shí),在最壞情況假設(shè)下(線路板最復(fù)雜,系統(tǒng)誤差和測(cè)量誤差為正,以及滿足充分浸潤(rùn)的條件),線路板上最熱點(diǎn)溫度可能達(dá)到的溫度(265°C)。圖中最冷點(diǎn)235°C是為保證充分浸潤(rùn)的建議條件。
值得注意的是:一方面,若無(wú)鉛錫膏所要求的峰值溫度較高,線路板最熱點(diǎn)便容易達(dá)到265°C,而該溫度已超過(guò)了目前所有元器件的耐溫極限;另一方面,若系統(tǒng)誤差和測(cè)量誤差為負(fù),同時(shí)錫膏的最低峰值溫度較高,便會(huì)有冷焊問(wèn)題的發(fā)生。因此為了保證元器件的安全性、以及焊點(diǎn)的可靠性,無(wú)鉛錫膏的最低峰值溫度應(yīng)盡量低,即無(wú)鉛錫膏低溫回流特性在無(wú)鉛焊接工藝中十分重要。
值得一提的是,Multicore(的領(lǐng)先技術(shù)、獨(dú)特配方成功地解決了這一難題,無(wú)鉛錫膏96SC LF320 AGS88的最低回流溫度僅為229°C,這就意味著應(yīng)用該款錫膏進(jìn)行焊接時(shí),可以僅比217°C 的合金熔點(diǎn)高出3°C(保證一定的回流時(shí)間)。這樣不但可以很好地解決可靠性、冷焊等問(wèn)題,更可以減少生產(chǎn)工藝方面的調(diào)整,以節(jié)約成本。圖3為該款無(wú)鉛錫膏的回流操作窗口。由圖3可知,96SC LF320 AGS88 擁有很寬的操作窗口:從熔點(diǎn)以上時(shí)間60秒/峰值溫度229°C,到熔點(diǎn)以上時(shí)間80秒/峰值溫度245°C的范圍內(nèi)均可以獲得極佳的焊接效果,較寬的回流窗口可以更好地滿足生產(chǎn)方面的不同需求。
四、 空洞水平
空洞是回流焊接中常見(jiàn)的一種缺陷,尤其在BGA/CSP等元器件上的表現(xiàn)尤為突出。由于空洞的大小、位置、所占比例以及測(cè)量方面的差異性較大,至今對(duì)空洞水平的安全性評(píng)估仍未統(tǒng)一起來(lái)。有經(jīng)驗(yàn)的工程師習(xí)慣將空洞比例低于15%-20%,無(wú)較大空洞,且不集中于連接處的有鉛焊點(diǎn)認(rèn)為是可接受的。
在無(wú)鉛焊接中,空洞仍然是一個(gè)必需關(guān)注的問(wèn)題。這是因?yàn)樵谌廴跔顟B(tài)下,Sn/Ag/Cu合金比Sn-Pb合金的表面張力更大。如圖4所示。表面張力的增加,勢(shì)必會(huì)使氣體在冷卻階段的外溢更加困難,使得空洞比例增加。這一點(diǎn)在無(wú)鉛錫膏的研發(fā)過(guò)程中得到證實(shí),早期無(wú)鉛錫膏的主要問(wèn)題之一便是空洞較多。作為新一代的無(wú)鉛錫膏產(chǎn)品,Multicore(96SC LF320 AGS88增加了助焊劑在高溫的活性,實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的長(zhǎng)足飛躍,使得無(wú)鉛焊點(diǎn)的空洞水平可降低到7.5%。
五、 結(jié)論
1)Sn/Ag/Cu 系列合金成為無(wú)鉛錫膏合金的主要選擇;
2)助焊劑介質(zhì)的合理調(diào)整,可使無(wú)鉛錫膏的印刷性與有鉛錫膏幾乎相同;
3)無(wú)鉛錫膏的低溫回流特性對(duì)SMT無(wú)鉛工藝意義重大;
4)新一代的無(wú)鉛錫膏,使得空洞問(wèn)題得到明顯改善。