电子产品中无铅锡膏的选择，无铅锡膏与产品的契合度

电子产品中无铅锡膏的选择，无铅锡膏与产品的契合度

深圳市优特尔纳米技术有限公司 

电子组装中无铅锡膏的选择

摘 要：焊膏是焊料合金粉末与助焊剂的混合物，其质量的好坏对印刷作用有极其重要的影响，特别是无铅化工工艺中。本文介绍了焊膏的组成、只需功用要求及其影响要素，我们对现在常用的焊料合金和助焊剂的功用和运用作用进行总结，并对不同工作所适用的焊膏类型进行了论说。

   焊膏是将焊料合金粉末与助焊剂混合而成的一种浆料，一般合金比重占90%左右，其余部分为助焊剂。焊膏是一个凌乱的物料系统，制造进程触及流体力学、金属训练学、有机化学和物理学等概括知识。焊膏的选择和运用至关重要，据有关数据闪现，电子产质量量缺陷有70%左右与焊膏印刷有关。无铅化后此问题更加严峻，其间由于焊膏的选择不当而导致的质量问题及可靠性问题非常明显。

1.      焊膏的组成

            焊膏是伴跟着SMT运用而发生的一种新式材料，也是表面组装出产中极为重要的辅佐材料，其质量的好坏直接联络到SMA质量的好坏，因此遭到工程师的广泛重视。表1为焊膏的底子组成，其间触变剂在有些文献中被列为独立一类。不同的规划有不同的用途和运用规划，SMT工程师在选择时有必要明晰其所用于何种产品；军品仍是民品，要求清洗仍是免清洗等。

表1焊膏的底子组成

2.焊膏的功用要求

焊膏在电子组装进程中的不同工艺阶段有不同的功用要求：运用前焊膏应具有较长的储存寿数，在必定时间内不发生化学改动，不发生焊料与助焊剂分别，不发生黏度改动，而且要求吸湿性小、低毒、无腐蚀性；印刷时应具有出色的印刷功用，包括顺利填充模板且无溢出，脱模顺利且不堵塞模板开孔或点涂管嘴；成型要好无严峻形状缺陷，放置一段时间后不发生凹陷；具有较长的作业寿数，印刷后放置于常温下可保持在必定的时间内不蜕变；回流焊接是应具有出色的湿润功用，焊料在母材上铺展出色；不发生飞溅现象，尽量减少焊接进程中发生的焊料球；焊后应具有出色的焊接强度，保证时间组装的可靠性；焊后残留物有出色的安稳性，绝缘且无腐蚀作用，且易于清洗。特别是焊接进程中所需的要求，如图1所示，焊接进程中焊膏活化温度有必要掩盖整个钎焊温度，一般从80℃初步发挥到冷却后180℃{无铅}或150℃{有铅}，整个改动进程中助焊剂焊后重量损失率可达94.48%。

图1 焊接进程中焊膏重量损失率

根据以上要求，选择焊膏时有必要从材料特性和工艺特性进行考虑，并根据检验办法进行点评。焊膏材料特性包括颗粒度、黏度、熔点及表面绝缘电阻等，工艺特性包括可印刷性、抗热塌性、湿润性、焊球可控性、可检查性{探针检验}、可靠性{绝缘电阻及电迁检验}及抗腐蚀性等{影响模板寿数及焊点质量}。从现在企业实践情况来看，大多数都不具有检测才华。因此对技术人员来说，通过日常的经历堆集，掌握焊膏的经历判别办法是可行的。（1）焊料颗粒是将合金熔化后，通过高压惰性气体喷雾或超声波雾化构成，再通过多次过筛得到一致的标准，其形状、大小及比重关于焊膏的黏度及印刷性有直接的影响。韩料颗粒形状分为无规矩和球形两种，无规矩颗粒焊膏黏度更高，由于颗粒直接由着“互锁”作用导致活动性差，而球形颗粒的延展性更高。焊料颗粒太大不易印刷，太小则会增加单位体积的焊膏表面积而易被氧化，构成空泛、焊球等缺陷。一同由于布线、阻焊膜、元件符号、加工精度及印刷机导致水平度的影响，印刷时PCB焊盘与钢网之间存在的空地很简略漏出过小的颗粒构成沾污。不同合金比重的焊膏印刷工艺窗口是不同的，比重太小会增加凹陷及针孔的出现，过高会使焊膏印刷性变差，一般模板漏印合金颗粒占焊膏总重量的88%~91%，关于点涂等打针办法，含量可低至80%~85%。验证焊膏颗粒可通过显微镜{带分析设备}对所摄像规划内的颗粒直径进行测量，参看J-STD-006来判别。

（2）焊膏是一种假塑性流体，有触变性。其粘度随时间、温度、剪切强度等要素而发生改动，与合金粉末含量。标准及焊剂黏度太大简略粘住网孔，太小无法粘住元件，一般模板漏印选用的黏度介于700~1300Pa．s之间，丝网漏印和点涂一般可低于300Pa．s。黏度试验首要检验焊膏黏度、印刷进程中黏度改动率及触变系数。黏度检验可参看IPC-TM-650或J-STD-005，触变系数一般为0.5~0.6。

（3）焊膏可印刷性是点评焊膏在印刷到线路板时的堆积高度和印刷作用。印刷高度点评时对数据进行核算方差核算，取标准差最小的，可取得一致性好的焊膏。印刷作用首要看印刷图边际是否平坦，有无拉尖、残缺、桥连现象，并记选取毕竟最佳印刷作用、值得注意的是印刷作用所用模板应具有圆形和矩形孔，矩形孔须有水平、垂直及45°三个方向。

（4）焊膏保型性是点评焊膏印刷后在必定温度及湿度条件下，由于重力及焊剂表面张力作用而导致焊膏凹陷图形迷糊，引起的焊接时引脚桥连缺陷。凹陷检验可参看IPC-TM-650。

（5）焊膏湿润性是点评焊膏在焊盘表面湿润才华和对焊盘表面氧化的处理才华，检验时可以对不同的焊盘镀层进行检验，检验办法可参看IPC-TM-650，也可选用印刷面积逐步递减/递加的方式印刷在焊盘上。

（6）焊球可控性是点评焊接进程中焊膏的溅射情况，其与焊膏中焊粉的氧化程度、搀杂的水汽及助焊剂与焊料活动协调性有很大联络。当溅射出现孤立分布的焊球后，可能构成短路而且下降焊点可靠性。检验法办法可参看IPC-TM-650。

（7）焊膏作业寿数是点评在贴片和回流焊前焊膏印刷后可以存放的时间。

3.无铅焊料合金的选择

 钎焊进程中焊料合金的行为是能否进行钎焊以及钎焊质量好坏的决定要素 。焊料合金在钎焊进程中的行为就是其工艺功用，首要包括：焊料合金的固相线及液相线、抗氧化性、湿润性和慢流性等。影响焊料工艺功用的要素包括：合金的组成、纯度的化学均匀性；液态焊料的表面张力；母材的成分、性质和表面的洁净度；钎焊温度、气氛、助焊剂的活性；液态焊料表面膜的组成、结构和功用等。

3.1 无铅焊料合金系统

  锡铅共晶合金熔点为183℃，具有出色的可焊功用、电气功用和力学功用，且具有较低本钱。铅虽不参与反应，但其具有促进湿润铺展、下降熔点、抗氧化及改善力学功用作用。

  无铅焊料是指含铅低于1000ppm{IS09453、IEC61190-1-3标准}，无铅焊料种类在JIS Z 3283标准中规矩了11种合金共21类，ISO和IEC正在评论中。无铅合金首要是在Sn证参与Ag、Cu、Bi、Zn、Ni、In、Sb、Al、Mn、Ti、Ce等元素，按不同调配和百分比组成二元、三元和四元合金，乃至五元合金，以取得出色的工艺功用和可靠性。需求指出的是，焊料合金中的某种元素逾越必定量才华被认为是该合金的组成元素，一些微量存在的元素不会被列入合金的表达式中，由于其对合金功用没有明显的影响，无铅焊料在注册专利时，一般也是只认可逾越必定含量的元素作为合金配方的一部分。图2为现在商场上不同焊接工艺中焊料合金运用情况，其间波峰焊中仍以SAC为干流，但其对锡炉易发生强的蚀孔、对产品细引流发生锈蚀、对Cu发生严峻腐蚀，还存在IMC堆积等问题；SnCu抗扰性差，当成分发生微量改动会导致熔点上升，且湿润性差，焊点可靠性较差，运用时有必要定时检查合金成分的改动，日本已初步运用SnCuNi替代。回流焊中依然以SAC 为主，其次二元合金Sn3.5Ag为日本JEITA和美国NCMS举荐。手工焊中仍以SAC为干流，其替代合金选择上欧洲用SnAg、日本用SnCu。表2为世界规划内广泛运用的无前行、焊料合金情况。

   为了进一步前进功用，可对上述三种首要合金进行合金化。SnCu合金廉价，对杂质元素的敏感度较低，有着等同于传统SnPb合金的力学功用，现在广泛运用于波峰焊接中。但由于它的本钱低，在焊膏消耗较多的低本钱再流焊接中被开发运用，并常参与一些元素如Ni、P、Ge等来前进它的抗氧化特性。但是这些元素往往与焊膏表面的氧及其它的元素有副反应，易被消耗而使得含量难以操控。SnAg合金中参与质量分数为0.5-2.0%的Sb，可以进一步强化和金，然后使强度、塑性及疲乏寿数较高。但是当Sb质量分数逾越1%时，合金熔点会上升，且Sb毒性较大。SAC合金中参与0.001-0.006wt%的Al、Ni等可有用前进合金功用，增强蠕变性，下降屈服强度，改善微观组织结构，改善熔点温度，一同AlAg和AlCu化合物可有用克制棒状SnAg及块状SnCu化合物构成，使组织更倾向SnAg及SnCu两相共晶组织，且{Ni，Cu}Sn化合物有用克制铜焊盘的消耗。

  无铅焊料按熔点规划分包括高温合金{SnAu、SnSb}、中低温合金{SnZn}、中高温合金{SAC、SnAg、SnCu}及低温合金{SnIn、SnBi}，现在运用较广泛的焊料合金中首要为中温系的二元和三元合金。一般巨大合金大都出现比低元合金具有更好的概括功用，但是四元以上合金系统凝聚温度规划大，易发生裂纹，所以很少运用。焊料合金的可靠性与熔点及合金种类有关：一般来说熔点高、可焊性优的多元合金，抗蠕变性好，强度高，机械强度大。可靠性较好，可在各种恶劣的环境下作业，反之依然。值得注意的是，高温合金只需SnAu系最有可能满足功用要求，但是本钱太高。SnB9和SnIn等低温系合金化程度不髙，抗疲乏性特差，可靠性差，特别含铟焊料本钱高且供货性差，所以很少运用。中温系合金Sn9Zn湿润功用恶劣，而且极易氧化，给其储存及焊接带来很大不便当，轻则焊点发黑，重则构成黑渣。一同Zn电离趋势打，构成的焊点电化学腐蚀严峻，而且回收系统很难建立。但是，SnZn合金由于熔点靠近SnPb合金，是最具发展前景的合金。焊接时选择适用于SnZn合金的助焊剂中要参与一些人、特别物质来减缓氧化，并选用氮气保护，也可以取得很好的焊点。其他，SnZn合金对铝有很好的湿润性，选择适合助焊剂，防止过强的氧化性，可用于特别组装中。

3. 2 SAC合金系

   SAC三元合金是无铅焊接公艺中首要运用的合金，加工功用好，可便当制成焊膏及其让形状用于不同焊接办法。三种合金元素毒性很小，资源丰富，供应满足，以出产与回收，且一般不会与铅剂发生反应，能保证焊膏安稳性。工艺功用方面，很少与其他合金元素发生不良反应，具有较高的剪切、拉伸强度，高的康尔疲乏性，低的塑性和出色抗蠕变性功用，高温老化后机械功用优于SnPb合金，可以在高温、髙可靠性要求情况下运用。表3试验数据闪现SAC合金在小文度梯度和时间短逗留时间下右臂SnPb功用好的抗蠕变功用。

  一般认为Sn Ag Cu 为近共晶合金，高于此比例则为过共晶，低于此比例则为亚共晶。如图3所示，SAC305合金为近共晶，熔点温度区间窄，湿润性好，空泛率低，且表面裂纹缺陷率少；SAC305合金为亚共晶，宽而陡峭的温度熔化区间可有用下降竖碑缺陷。欧洲研究人员认为高含量的Ag可前进焊接功用和焊点质量，但许多研究者认为Ag含量逾越3.2%时会出现板状的AgSn合金粗大化，导致拉伸强度下降，疲乏寿数缩短。SAC合金不同配比对焊点微观组织和开裂机制都发生了很大的影响。试验证明，运用不同配比SAC合金与Au/Ni/Pb镀层QFP引线、Ni镀层PCB焊盘得到的强度不同，从一次再焊流、二次再焊流及热循环前后力学试验作用分析，近共晶成分的合金的概括功用最好，亚共晶成分由于接头引线与焊料合金之间的金属间化合物中Ni没有被Sn、Cu消耗或置换而含量过高导致概括功用下降。

3.3无铅焊料合金显微组织

 钎焊时焊猜中的锡与焊盘母材反应生成以Cu6Sn5为主的金属间化合物然后完结联接。焊点质量不光与界面化合物有关，而且与合金基体显微组织也有关。Sn0.7Cu合金熔点为227℃，组织相比照较安稳，在β-Sn基体上分布着Cu6Sn5，由于熔点较高很少作为焊膏运用，首要运用于波峰焊中。Sn3.5Ag合金熔点为221℃，组织相对安稳，在β-Sn基体上分布着Ag3Sn金属间化合物，起着固溶强化作用，塑性出色，但价格偏高。

3.4无铅焊料合金与镀层兼容性

  无铅化电子组装中，元器件和PCB表面镀层有多种镀层材料，无铅合金选择时应该考虑与无铅镀层材料的兼容性。比如PCB镀层基友ENIG、HASL、I-Ag、I-Sn及OSP五中图层材料，从湿润性、力学功用及无铅焊料兼容性方面考虑，无铅焊料的最佳选配PCB表面材料首要为ENIG、T-Ag、和OSP三种。从湿润性方面考虑，关于ENIG镀层，无铅焊料表现了出色的铺展率，其间SnCu焊料有着最大的铺展率，SnAg和SAC次之；关于I-Ag镀层，锡铅焊料没有表现出比无铅焊料特别优异的铺展率，这与其他PCB表面保护层的喜欢是很不相同的。

选择焊料兼容的焊盘镀层首要取决于界面反应及化合物的构成。焊料可以完结与木材的出色联接在于Sn可以与Cu、Ni等母材金属或镀层之间构成金属间化合物，然后促进焊料在金属表面的湿润铺展及原子间键合，进而构成可靠地联接。不同的焊料合金与界面材料构成的可焊性。           3.5无铅焊料合金超电势

 无铅焊料与传统焊料比较，其电化学功用有明显差异，首要表现在Bi、Ag和Cu等元素的标准电极电位方面，如表4所示，比较较Pb元素均与Sn之间有较大电位差，因此在无铅焊料合金的选择方面，应当考虑超电势的改动和影响。当然，合金中参与微量的轻稀土元素和少数的Zn可进一步改善焊料的超电势，也可进一步下降无铅焊铝合金电极的临界电流。

3.6无铅焊料合金功用评

  现在无铅焊料的配方许多，应该根据实践情况选择最适合的无铅焊料合金。图10为影响焊接可靠性的首要要素，无铅焊料合金在下降对铜溶解率、前进焊点亮光度以及低的热膨胀系数、均匀的金属间化合物、优异的力学功用、抗锡温功用、抗氧化和腐蚀功用、康店偏移功用、抗蠕变功用及抗热和机械疲乏功用方面都有新的要求。表5给出NCMS提出的一般功用点评标准。

表5  NCMS提出的无铅焊料合金功用点评标准

  除了考虑合金自身功用外，实践出产中还应考虑其公艺性，如波峰焊中SAC和SnCuNi合金的选择，如表6所示。SnCuNi合金基地比较柔软，强度要比SAC合金低吗，而SAC系列底子相似。4点弯曲试验和下跌试验中，SnCuNi功用较SAC合金好，而低声含量的SAC比高银含量的SAC合金要好。

表6  波峰焊接中SAC及SnCuNi合金工艺功用比照

4无铅焊膏用助焊剂的选择

 焊膏用助焊剂首要组分包括触变剂、活性剂、溶剂和各种增加剂，其他还要参与微量的增加剂，如缓蚀剂、成膜剂、抗氧化剂、调度剂等。无铅焊料合金成分和温度都发生很大改动，由于焊剂与合金表面之间有化学作用，因此不同合金成分要选择不同助焊剂；其次无铅合金熔点高，需前进助焊剂的活化温度；终究无铅焊膏要求焊后残留少，且无腐蚀性，满足ICT探针才华，防止电搬家影响电气可靠性。

表7  松香助焊剂特征及运用

无铅焊膏用助焊剂选择时首要考虑活性及清洁度。一般根据PCB和元件的存放时间、引脚材料或表面镀层的氧化程度选择焊膏活性；根据探针检验、表面清洁度和产品要求选择不同清洗工序焊膏。

不同活性焊膏按清洗办法，首要包括溶剂清洗，水清洗和免清洗，广泛运用于军工、航空航天、医疗、通讯、轿车电子、核算机及周边产品、家电、消费类电子、元件加工及工业产品领域等。一般选择助焊剂残留物比较松软的，不粘针头助焊剂种类，防止运用残留物很硬、黏度很高的助焊剂。现在免洗助焊剂引起业界广泛关注，其固体含量极小，厚道残留少且呈中性，可以不用清洗，既免去了清洗设备和材料本钱，又减少了对环境的损害。BGA和CSP等一般都选用高质量免清洗焊膏。表7为松香型助焊剂的首要特征及运用情况，表8为不同活性助焊剂的特征及运用情况。