由于法律要求和環(huán)境保護(hù)要求，無(wú)鉛錫膏替代有鉛錫膏勢(shì)在必行。但是這過(guò)程不是一蹴而就的，畢竟不同技術(shù)發(fā)展不是完全同步的。因此在目前一些焊接中可能需要同時(shí)用到有鉛和無(wú)鉛焊接兩種工藝。鉛的存在會(huì)對(duì)焊點(diǎn)可靠性有負(fù)面作用。本文主要介紹鉛污染對(duì)焊接效果的影響。

混合使用有鉛和無(wú)鉛焊料對(duì)焊點(diǎn)可靠性有著潛在影響。舉個(gè)例子，當(dāng)無(wú)鉛錫膏和有鉛錫膏搭配使用時(shí)會(huì)發(fā)生向后兼容性。Sn63Pb37錫膏熔點(diǎn)要低于SAC合金，因此焊盤(pán)上的Sn63Pb37會(huì)先熔化，而SAC焊球仍未熔化。熔化后的Pb會(huì)擴(kuò)散到SAC焊球晶粒邊界，從而產(chǎn)生的焊點(diǎn)性質(zhì)不穩(wěn)定且容易失效。所以需要對(duì)回流曲線(xiàn)進(jìn)行調(diào)整并匹配錫膏熔點(diǎn)，回流時(shí)間，冷卻時(shí)間等。

圖1: 混合焊料使用案例

鉛污染影響
Seelig和Suraski (2001) 往Sn95.5Ag4Cu0.5焊料中加入Pb進(jìn)行焊接并測(cè)試抗疲勞屬性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)Pb含量增加會(huì)降低焊點(diǎn)抗疲勞能力，意味著焊點(diǎn)更快失效 (圖2)。Key Chung et al. 也對(duì)鉛污染的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，故意將Pb加入無(wú)鉛焊料Sn95Ag4.5Cu0.5中，形成97wt%SnAgCu和3wt%Pb金屬比例。DSC結(jié)果發(fā)現(xiàn)Pb在179℃時(shí)會(huì)與Sn/Ag發(fā)生界面反應(yīng)生成Sn62Pb36Ag2三元結(jié)構(gòu)并出現(xiàn)柯肯達(dá)爾空洞。Sn62Pb36Ag2生長(zhǎng)主要發(fā)生在冷卻階段，且與冷卻速率呈反比關(guān)系。

圖2: 焊點(diǎn)抗疲勞測(cè)試結(jié)果。

對(duì)于向后兼容性。當(dāng)峰值回流溫度低于SAC合金熔點(diǎn)時(shí)，Pb會(huì)沿著SAC晶界擴(kuò)散。這會(huì)導(dǎo)致無(wú)鉛焊料球晶粒粗化 (如圖3所示)。此外，由于回流溫度低于焊料球熔點(diǎn)，焊料球未能有效溶解，從而形成了異常的形狀 (Key Chung et al., 2002)。由此生成的焊點(diǎn)可靠性低，在熱循環(huán)中容易疲勞并失效。

圖3: 回流溫度比無(wú)鉛焊球熔點(diǎn)低時(shí)，Pb沿著晶界擴(kuò)散。黑色/灰色-富鉛區(qū)域，棒狀-Ag3Sn, 灰色顆粒-Cu6Sn5


圖4: 冷卻過(guò)程焊料球未能完全坍塌，導(dǎo)致焊點(diǎn)形狀異常。

對(duì)于使用完全無(wú)鉛焊料的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，晶粒粗化程度較小并減少了再結(jié)晶。因此焊點(diǎn)的可靠性會(huì)比鉛污染的焊接系統(tǒng)高。

深圳市福英達(dá)對(duì)高可靠性無(wú)鉛錫膏生產(chǎn)有著相當(dāng)成熟的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。福英達(dá)無(wú)鉛錫膏囊括低溫系列和中高溫系列。SnBiAg系列無(wú)鉛錫膏能用于低溫焊接環(huán)境，減少熱應(yīng)力帶來(lái)的焊盤(pán)翹曲等問(wèn)題。SnAg3Cu0.5系列中溫錫膏熔點(diǎn)217℃左右，焊點(diǎn)推拉力和導(dǎo)電性?xún)?yōu)秀。對(duì)于高溫環(huán)境如功率器件等設(shè)備封裝，福英達(dá)金錫錫膏能發(fā)揮出其高熔點(diǎn)(280℃)的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)
Key Chung,C., Aspandiar,R.,Foo Leong,L., &Siew Tay,C. (2002), “The Interactions of Lead (Pb) in Lead Free Solder (Sn/Ag/Cu) System”, 52ndElectronic Components and Technology Conference.

Seelig, K., & Suraski, D. (2001),“Lead-Contamination in Lead-Free Electronics Assembly”.

審核編輯 黃宇