无铅焊接的实际应用事例.docx

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无铅焊接的实际应用事例

Documentnumber：

PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998

无铅焊接的实际应用事例

无铅焊接的实际应用事例

Sn-Ag系（高温型）--------------------NEC的应用事例

7.1.1在回流焊接中的应用

目前已经开始应用的无铅焊料，对回流焊／波峰焊／手工焊都适用，回流焊专用的常选择。

由于目前电子元件的电极还未全部都做到无铅化，本节讨论、评价的主题还是以现行使用的电镀Sn-Pb电子元件作为讨论对象。

（l）无铅焊膏基础评价

回流焊接使用的无铅焊膏，除了必须适应应用中的印刷／元件贴装／回流焊等工艺外，与原来焊膏相同，还需要进行润湿性、焊料球、印刷性、印刷塌边、加热塌边、触变性、焊剂可靠性等方面的评价。

表是有关无铅焊料扩展性、焊料球的测定比较（图）。

采用无铅焊料的液相线（216-220℃）加上50℃的270℃进行测试，（焊接A，在回流温度240℃时也进行了测定），与Sn-37Pb的焊料相比，焊料A/B在润湿扩展性上有明显的跌落，其中添加3%Bi的焊料B，比焊料A的扩展性要好。

焊料球试验：

24小时内的凝聚度在2以内，焊料粒子的氧化比较少，状态良好。

铜板腐蚀试验，铜镜腐蚀试验、迁移试验、焊剂可靠性等全部通过，操作工艺评价例印刷性、塌边性、触变性等，无铅焊料A、B与Sn-37Pb的性质基本相同，不存在使用上的问题。

作为无铅焊料润湿性低的理由，与Pb比较主要是金属氧化物生成的自由能较稳定，是由金属性质所产生的现象。

在认识其润湿性质后，可经焊剂的改进和在NZ气体中进行焊接等方式，来增加无铅焊料的润

（2）接合部评价

对0.5mm间距的QFP执行抗拉强度与剪切强度的测定。

条件：

两面回流焊接，一次预热（烘烤），焊接温度240℃（峰值）升温曲线，在所定的温度循环试验实施后，观察强度性质和断面组织。

强度方法见图，元器件测定结果汇总在表，强度变化见图经试验，QFP的抗拉强度在不加入Bi，焊料A（）破坏大体在焊区部剥离，依存于焊区强度；加入3%Bi的焊料B（Sn-2Ag-3Bi-0。

7Cu）到300次循环，在焊料接合界面的破坏比较多，其强度比Sn-37Pb低。

超过500循环从焊区上脱离，与其他焊料无明显差别。

片式元件的剪切强度对钽电容来说有明显差异。

从图中，焊料与原来的Sn-37Pb相同热循环后强度不降低，在500循环后元件电极的剥离发生在焊料接合界面以外的地方焊料的剪切强度最大会减少约30％，将在焊料接合界面产生破坏，从初始断面比较，形成的弯月面大，故接合面积比Sn-3.5A要宽。

含有Bi的焊料，断裂界面发生在接合界面处，与接合面积、应力、应变无关，主要是焊料中的Bi增加了其抗拉强度，作为整个接合体来看待的场合，说明焊料延伸性的重要，不可按照原来的应力/应变产生的接合界面破坏这样的思路来进行推测。

上述成分的焊料Bi的添加量未超过3%，这样焊料强度不受损伤，在润湿性得到改善的同时，其液相线只是稍微有些降低，但是对接合可靠性来说，显示的作用是重要的。

（3）在便携式信息产品Mopailegea，上的应用

用焊料应用于微型信息产品上的试分析Mopailegea，该产品基板装有1.27mm间距的BGA、0.5mm间距的QFP,间距的连接器，×0.5mm的片式元件，回流焊的峰值温度采用液相线巧50℃到270℃，由于事先考虑到部分塑封元件的受热变形，连接器等元件在焊接后再进行组装，焊膏的印刷，元件装载没有出现不良，也没发生因基板变形产生的IC损伤，在经过样件运作试验后，进入批量化生产。

回流焊接使用270℃的高温，对耐热性差的元件是比较担心的。

后一种试验，采用的焊接峰值温度设定在220℃，温度保持时间在25秒左右（见图），试验中连接器没有发生变形，焊料的熔融性良好，说明这种焊接方式是可行的。

为使元件遭受的热应力低一些，焊接温度的均匀化是重要的。

（4）剩余课题

利用Sn-Ag系高温焊料进行回流焊的最大课题是电子元件焊接时的损伤，因目前大多数电子元件是针对Sh-37Pb焊料而设计的，其中比较典型的簿型的LSI封装和塑封件连接器等，存在的问题大。

组装中对热容大的大型QFP、BGA有必要对其端子部加热，如果同时存在热容小的元件一起加热，很可能就会产生对元件的过热，即超过了元件承受的耐热温度。

针对Sn-Ag系焊料的应用发展，在减少对多引线LSI和小型元件使用限止的同时，设法增加元件的耐热性，适当降低回流焊的最高温度，提高回流炉的均匀加热能力，提高焊接预热温度，改变元件电极的设计等都是急需要着手进行的课题。

7.1.2在波峰焊接中的应用

使用焊料槽的波峰焊接，最好希望所用的焊料为单纯组织，以得到变化少，稳定性好的焊接，现选择作为波峰焊接用无铅焊料。

（l）波峰焊工艺

与原Sn-37Pb相比，无铅焊料的熔点比原来的要高出60℃（240℃-250℃）。

波峰焊接过程是基板焊接部分加热，元器件的本体一般不与焊料接触或接触时间很短，对元器件来说耐热性基本没有问题，无铅焊料的波峰焊试验，其焊接温度设定在250℃，工艺上存在的问题是：

a.润湿性恶化

b.容易发生焊料浮渣

为改善焊料的润湿性，考虑的方式是增加助焊剂的活性，从环境保护角度出发，最好选用活性度弱的免清洗焊剂。

用2500（2进行的波峰焊接，其焊接质量接近于Sn-37Pb，没有出现焊料向未插入元件的通孔扩展的现象（见图），焊料的扩展现象不仅针对于高温系无铅焊料，是整个无铅焊料范围的共题。

防止焊料生存浮渣的对策是防氧化剂、还原剂，从焊接设备一侧考虑可选择NZ波峰焊和合适的焊料喷口，另外，无铅焊料的价格比Sn-37Ph高，可控制焊料投入量的无铅焊炉设备已进人市场，也可使用带焊料槽再循环使用部件的设备。

（2）弯月面提升的课题

在使用Sn-Bi系焊料进行波峰焊接时会产生弯月面提升（Fillet-Lifting）不良情况，由图展示。

对焊料元素分布状态分析的话，可看到在焊料和Cu焊区界面生存的偏析，这是在导热系数大的引线附近焊料开始凝固的原因，而造成弯月面的提升。

在图上可看到，随着固化现象的组织变化，由Bi的偏析使焊区周边形成Bi-rich状低溶点部分，再由引线和焊料热收缩产生对低熔点部焊料的拉伸，从而造成了焊区部的上浮现象。

不仅焊料使用中会发生低温相，作为焊料和电镀使用的S-Ag-Pb和Sn-Pb（指贴装元件电极）其熔点比Sn-Ag系焊料低，应用中也同样会发生低温相，说明了焊料与电镀关系的重要性，焊料弯月面提升的发生机理有以下三点。

①由焊料本身产生的低温相。

②由焊料与电镀关系产生的低温相。

③在固液共存领域大的场合所使用的焊料。

在末插入元件的通孔部和由于焊料的热收缩及凝固收缩现象均会产生焊料的弯月面提升，作为对策，要注意到焊料本身的低温共晶和基板的表面处理，并对电镀选用的元素与形成低温相的关系也必须注意。

无铅焊料的应用不仅仅是焊料的替换，所对应的基板表面处理、元件电极电镀、焊接工艺设定等均是重要的因素。