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無鉛電子裝配的材料及工藝考慮
Material and Techniques for Lead-Free Electronic Assembly
J．Reachen
伴隨歐洲電子電氣設(shè)備指導(dǎo)法令(WEEE Directive)宣布到2006年部分含鉛電子設(shè)備的生產(chǎn)和進(jìn)口在歐盟將屬非法，以及國外同業(yè)競爭者在全球不斷推廣無鉛電子裝配，相伴而生的對各種合金混合物的完好性和可靠性等問題的考慮越來越受到重視。簡言之，到底選用哪種合金，這一問題變得越來越緊要。本文將對Sn/Ag、Sn/Ag/Cu和Sn/Cu等三種合金做深入考察，并對其可靠性試驗(yàn)結(jié)果與工藝上的考慮進(jìn)行比較。
Sn/Ag合金
Sn/Ag3.5-4.0合金在混合電路與電子組裝工業(yè)的使用時(shí)間較長。正因如此，部分業(yè)者對使用Sn/Ag作為一種無鉛替代合金感覺得心應(yīng)手。但不巧的是這種合金存在幾方面的問題。首先這種合金的熔融溫度(221度)和峰值回流溫度(2400-260度)對于許多表面安裝部件和過程來說顯得偏高。此外，這種合金還含有3.5-4%的銀，對某些應(yīng)用構(gòu)成成本制約。而最主要的問題是這種合金會產(chǎn)生銀相變問題從而造成可靠性試驗(yàn)失效。
我們注意到，在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)(結(jié)果如表1)時(shí)，Sn96/Ag4在其中一種循環(huán)設(shè)置上產(chǎn)生了失效。對此問題作進(jìn)一步研究得出的結(jié)論是：失效起因于相變。相變的產(chǎn)生是因合金的不同區(qū)有著不同的冷卻速率而致。
為對此問題進(jìn)行深入研究，用一根Sn96/Ag4焊條，從底部對其進(jìn)行回流加熱及強(qiáng)制冷卻，以便對其暴露在不同冷卻速率下的合金的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。Sn96/Ag4合金按冷卻速率的不同產(chǎn)生三種不同的相。由此考慮同樣的脆性結(jié)構(gòu)會存在于焊接互連中，從而造成焊區(qū)失效。正是由于這種原因，大多數(shù)OEM及工業(yè)財(cái)團(tuán)反對把Sn/Ag作為主流無鉛合金來用。銀相變問題的存在也對高銀Sn/Ag/Cu合金提出了質(zhì)問。
Sn/Ag/Cu合金
盡管涉及專利保護(hù)方面的問題，世界大部分地區(qū)還是傾向選用Sn/Ag/Cu合金。但到底選擇什么樣的合金配方？本文將重點(diǎn)討論兩種Sn/Ag/Cu合金：受各種工業(yè)財(cái)團(tuán)推崇的Sn/Ag/Cu0.5合金和相應(yīng)的用作低銀含量合金的Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5。
兩種Sn/Ag/Cu合金的比較
在討論兩種合金體系的可靠性試驗(yàn)結(jié)果之前，先憑經(jīng)驗(yàn)對兩種合金作一比較是有益的。大體上看兩種合金很相似：兩者都具有極好的抗疲勞特性、良好的整體焊點(diǎn)連接強(qiáng)度以及充足的基礎(chǔ)材料供應(yīng)。但兩者之間確也存在一些細(xì)微的差異值得討論。
熔點(diǎn)
兩合金的熔點(diǎn)極為相似：Sn/Ag4/Cu0.5熔點(diǎn)為218度，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5熔點(diǎn)為217度。業(yè)界對這種差異是否構(gòu)成對實(shí)際應(yīng)用的影響存在爭議。但如能對回流過程嚴(yán)格控制，熔點(diǎn)溫度變低會因減少元件耐受高溫的時(shí)間而帶來益處。
潤濕
兩種合金比較，自然地會對選擇高銀含量合金的做法抱有疑問，因?yàn)殂y含量變高會增加產(chǎn)品成本。有臆測認(rèn)為高銀合金有助于改進(jìn)潤濕。但潤濕試驗(yàn)結(jié)果顯示，低銀含量合金實(shí)際上比高銀合金潤濕更強(qiáng)健和更迅速。
專利態(tài)勢
工業(yè)界渴望找到一種廣泛可獲的合金。因此，專利合金是不大受歡迎的。盡管Sn/Ag4/Cu0.5合金沒有申請專利，而Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5已申請了專利，但選擇時(shí)需要全面了解兩種合金的專利約束作用和實(shí)際供應(yīng)源情況才好確定。
上面已談到，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金已獲專利。但它已授權(quán)給焊料制造商使用，對授權(quán)使用者無數(shù)量限制和無轉(zhuǎn)讓費(fèi)用。目前，這一合金可通過北美、日本和歐洲的數(shù)家焊料廠商在全球范圍內(nèi)獲取。盡管Sn/Ag4/Cu0.5合金沒有申請專利，但用這種合金制成的焊點(diǎn)連接是有專利的，而在美國具有這種產(chǎn)品銷售授權(quán)的電子級焊料廠商的數(shù)量極為有限。
盡管用Sn/Ag4/Cu0.5制作的焊點(diǎn)有可能侵犯現(xiàn)有的專利權(quán)，但業(yè)界還是建議使用這種合金。人們曾假想地認(rèn)為，通過給這種系統(tǒng)施加預(yù)先工藝可以避開專利糾紛。但這種想法是錯(cuò)誤的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的專利說明都會涉及合金成份和應(yīng)用范圍(焊點(diǎn))兩部分內(nèi)容。換句話說，如果預(yù)先工藝能夠得到證實(shí)，突破專利的合金成份限制是可能的。但如果專利說明做得很完善，那么還需向聲明了電子裝配焊接特定用法的應(yīng)用部分進(jìn)行挑戰(zhàn)。總的來說，這意味著即使制造商正在使用一種專利規(guī)定范圍(如Sn/Ag4/Cu0.5)以外的合金，但如果在制造過程中，此合金"偶獲"基礎(chǔ)金屬成分(一般為銅)并因而形成一種含有專利規(guī)定范圍內(nèi)的成份構(gòu)成的金屬間化合物的話，那么該制造商就會因侵犯了專利權(quán)而受到法律的裁決。
金屬成本
專利載明的銀含量范圍為3.5%-7.7%。如此高的銀含量使得焊料的大量使用變得成本高昂；裝填波峰焊鍋時(shí)，每1%的銀大約使成本增加0.66美元/磅(見表2)。為控制成本，有人建議在波峰焊應(yīng)用中使用不含銀的無鉛合金，在表面安裝應(yīng)用中使用含銀合金。但正如下面所要討論的，使用這種方法會因Sn/Cu和雙合金工藝存在不足而造成失效。
Sn/Cu的工藝缺陷
遏制成本的想法雖說合情合理，但引用Sn/Cu需要考慮幾方面的因素。第一，此合金的熔融溫度為227度，使其在許多溫度敏感應(yīng)用上受限。此外，它比其它無鉛焊料的濕潤性差，在許多應(yīng)用中需引入氮和強(qiáng)活性助焊劑并可造成與潤濕相關(guān)的缺陷，這點(diǎn)已得到廣泛證明。還有，一般來講Sn/Cu表面張力作用較低，在實(shí)施PTH技術(shù)時(shí)容易進(jìn)入套孔(barrel)中，且缺乏表面安裝裝配過程所要求的耐疲勞強(qiáng)度。最后一點(diǎn)，該合金的耐疲勞特性差，可導(dǎo)致焊區(qū)失效，從而抵銷了節(jié)省成本的初衷。
雙合金裝配
還應(yīng)注意的是，除Sn/Cu引起相關(guān)問題外，使用雙焊料合金(SMT過程使用Sn/Ag/Cu，波峰焊使用Sn/Cu)也存在問題。Sn/Ag/Cu、Sn/Cu混用不宜提倡，因?yàn)檫@會造成合金焊點(diǎn)連接的不均勻性。如果這一情形出現(xiàn)，那么制成的焊點(diǎn)會因不能消除應(yīng)力和應(yīng)變而易產(chǎn)生疲勞失效。由于存在這些潛在的混用問題，因此在進(jìn)行修復(fù)或修補(bǔ)時(shí)就需要開列兩種合金的存貨清單，并給出具體的指令進(jìn)行監(jiān)控，以使兩合金不發(fā)生混用。然而，經(jīng)驗(yàn)顯示，不論對這種情形監(jiān)控得多好，操作員都會趨向使用易用性最好也即流動(dòng)性最好且熔融溫度較低的焊
料。因此，盡管焊點(diǎn)最初由Sn/Cu來裝配，但大量修補(bǔ)工作可能會用Sn/Ag/Cu合金來完成。如果兩種產(chǎn)品都在生產(chǎn)現(xiàn)場使用，那么RA會常用到，不只是好用的問題。雙合金裝配工藝的要害問題是會導(dǎo)致潛在的可靠性失效且很難對此進(jìn)行有效地監(jiān)控。
焊點(diǎn)連接的可靠性試驗(yàn)
為分析Sn/Ag/Cu和Sn/Cu的可靠性，對它們進(jìn)行各種熱和機(jī)械疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)描述和試驗(yàn)結(jié)果如下：
熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果
測試板用Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5和 Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5，以及1206薄膜電阻器制作。之后在-40度到125度的溫度范圍內(nèi)，以300、400、500次的15分循環(huán)量對該板施以熱沖擊。然后將焊點(diǎn)分切，檢查是否存在裂痕。
試驗(yàn)后檢查的結(jié)果顯示，Sn/Cu合金由于濕潤性不好導(dǎo)致某些斷裂焊點(diǎn)的產(chǎn)生。此外，成形很好的Sn/Cu焊點(diǎn)在施以第三種500次重復(fù)循環(huán)設(shè)置的試驗(yàn)時(shí)，也顯示有斷裂。
有意思的是Sn/Ag4/Cu0.5和 Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金在經(jīng)歷高達(dá)500次重復(fù)的試驗(yàn)后沒有任何斷裂跡象。這顯示出Sn/Ag/Cu合金具有Sn/Cu無法比擬的極為優(yōu)異的耐熱疲勞性。但需要注意的是，Sn/Ag4/Cu0.5合金在經(jīng)過熱循環(huán)處理后焊點(diǎn)的晶粒(grain)結(jié)構(gòu)的確產(chǎn)生了一些變化。
機(jī)械強(qiáng)度-撓性測試
測試板用Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5和 Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5，以及1206薄膜電阻器制作，對它進(jìn)行撓性測試。用Sn/Cu0.7制作的焊點(diǎn)在撓性測試中產(chǎn)生斷裂，這顯示焊點(diǎn)不能承受大范圍的機(jī)械應(yīng)力處理。相反由Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5制作的焊點(diǎn)卻滿足所有的撓性測試要求。
混合解決方案？
為消除電子行業(yè)存在的隱患，已開發(fā)出了一種完全無鉛裝配的混合解決方案。她用粗糙的錫鉛成品(QFP 208 IC)、有機(jī)表面保護(hù)劑PWB和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金焊膏構(gòu)成系統(tǒng)，以復(fù)雜性或成本都不太高的方式達(dá)到了完全無鉛裝配的目的。取得成功的關(guān)鍵是這種裝配方法能夠承受峰值溫度為234度的回流加熱。需要注意的是，這種裝配方法要經(jīng)過惰性環(huán)境的處理。當(dāng)然，限于元件的效用性問題，以及由元件熱容、夾具固定等原因引起?%=T變化而造成事實(shí)上不是所有的裝配過程都能達(dá)到234度的峰值板溫度，因此不是所有裝配都能夠進(jìn)行上述處理。但它給我們的重要提示是，在某些情形下，通過引入某些材料，實(shí)現(xiàn)無鉛焊接可以變得輕而易舉。
結(jié)論
無鉛焊接問題已受到廣泛關(guān)注。其中有許多是源自對法規(guī)環(huán)境的擔(dān)憂和市場行為的推進(jìn)。由此大大刺激了活動(dòng)的開展，其中一些工作對行業(yè)的發(fā)展是有益的。 加工和可靠性方面存在的幾個(gè)問題與Sn/Cu合金的使用有關(guān)。此外，裝配一種電路板使用兩種合金也存在問題。如前所述，銀是Sn/Ag/Cu合金的高成本組份。由于同低銀合金比較，高銀合金在加工、可靠性或效用性方面沒有特別優(yōu)勢，因此在所有焊接應(yīng)用中使用不太昂貴的合金才是合情合理的。事實(shí)上，低銀合金不存在高銀合金潛在的銀相變問題，且能改進(jìn)潤濕以及熔融溫度也稍低。這種合金可從全球數(shù)家制造商處購得。最重要的是，體現(xiàn)著Sn/Ag/Cu合金系多種優(yōu)點(diǎn)的低銀Sn/Ag/Cu合金不存在成本局限性問題，因而可在所有的焊料操作中使用。這樣便消除了因采用Sn/Cu合金和雙合金工藝而引發(fā)的相關(guān)問題。
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