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1、无铅焊的发展概述论文题目：无铅焊的发展概述课程：电子组装基础指导老师：作者：学号：0900150226无铅焊的发展概述摘要：在电子电器产品的无铅化进程中，由于封装材料与封装工艺的改变，焊点的可靠性已成为日益突出的问题。着重从无铅焊点可靠性的影响因素、典型的可靠性问题及无铅焊点可靠性的评价3个方面阐述了近年来该领域的研究状况，进而指出无铅化与可靠性研究需注意的问题和方向。关键词：电子封装；无铅；焊点可靠性The development of lead-free soldering overview.Pang Tiansheng(09class, Mechanical and electrical

2、 engineering college,GuiLin university OF electronic technology)Abstract:In the electronic products in the process of environmental consideration, because the packaging materials and packaging process of change, solder joint reliability already.Become a growing problem. Emphatically from the lead-fr

3、ee solder joints reliability of the influence factors, the reliability of the typical problems and lead-free solder joint reliability.Evaluation of the three aspects of this paper introduced the recent situation of the research in this area, and points out that the reliability and gets for attention

4、 to problems and direction. Key words: Electronic packaging; Non-Pb; Solder Joint Reliability(SJR)1.电子行业的无铅焊料现状简介 无铅焊接的全面导入需要解决很多问题，特别是无铅焊料的产业化。一些主要的电子产品生产国家，在无铅焊接的研究中有积极地行动。日本的无铅化焊接进程最快，美国也在加速无铅化焊接技术的开发与应用。 已经实用化的无铅焊料大体上分为3大类别，即高温的Sn-Cu系，中温的Sn-Zn系，以及低温的Sn-Bi系等。国际锡研究协会（ITRI）的焊接技术研究部门对已开发的主要无铅焊料进行了综合

5、性能试验比较。其比较结果为Sn-Ag-Cu最好，而且是目前使用最多的主流无铅焊料合金。回流焊焊膏主要采用SnAgCu合金，而波峰焊采用较多的还是SnCu合金。在焊膏中主要采用96.5Sn-3.5Ag和95.5Sn-4.0Ag-0.5Cu共晶和近共晶合金系：波峰焊采用99.3Sn-0.7Cu共晶合金系；手工焊接采用99.3Sn-0.7Cu合金系【1】。 除无铅焊料合金外，无铅助焊剂也是一个非常重要的行业。目前国内助焊剂行业虽有大小公司不少于几百家，主要供应松香基、免清洗等各种助焊剂，满足药芯丝、焊膏、波峰焊、手工焊等各种工艺的要求，但是国内公司的主要产品还是为含铅材料配合，同时陆续推出无铅焊料用

6、助焊剂。无铅助焊剂要求耐高温，同时活化点要提高，以配合无铅焊料的高熔点，因而在配方和成本方面还存在很多问题没有解决。当然，由于助焊剂的原材料价格远低于合金本身，因此其价格变化还不是很敏感。2.无铅焊工艺2.1.回流焊Sn-Pb共晶焊锡的熔点为183左右，其典型的回流焊工艺隧道炉温度曲线图如图1所示。首先在预热区中加热到150左右，以提高焊药活性，使基板加热均匀。然后进入钎焊区，一般温度设定在200以上，保持时间30 s以内。25020014/s/t 150140160 max14/s100图 1 Sn-Pb 焊料典型热熔焊温度流程图对于 Sn-Ag-Cu 焊料（熔点为 217219），其熔点比

7、 Sn-Pb 焊料高出 30，因此其工艺窗口相应变窄, 必然增大对各种电子零件和基板的热冲击。经过试验验证，如果提高预热温度，延长预热时间，可以减小基板上的温度分布差别。所以，无需大幅提高钎焊温度，在240左右进行热熔焊已经成为可能，其热熔焊温度流程图如图 2 所示。 图 2 Sn-Ag-Cu 焊料热熔焊温度流程图2.2.波峰焊采用无铅焊料进行波峰焊并不用大幅提高钎焊温度。例如，原本 Sn-Pb 焊锡槽温度在250左右，则在此温度左右也可以进行Sn-Ag-Cu或Sn-Cu的波峰焊，只是对于Sn-Ag-Cu无铅焊料而言，焊接瞬间的波峰温度高达280以上（36 s），且为了减少高温冲击，预热时间也

8、需加长，由此而带来的负面效果也很多。例如，板材的tg要求至少在170以上，助焊剂容易裂解，锡池本身的浮渣增多等。无铅焊料的浸润性一般来说比Sn-Pb差，在双面基板封装等场合，需要设法保证通孔内的浸润度。如图 3 所示的温度曲线给出了一些改良措施。首先，提高了预热温度以促进在峰值温度时的润湿。但提高 预热温度同样会加快氧化速度，应同时采用改良焊剂和控制气氛等措施。其次，提高了焊锡波的向上推力。采用此方法时应注意防止出现搭桥等缺陷。另外，如果在第一波峰和第二波峰之间基板温度下降至焊锡的熔化温度以下时，焊锡就会凝固。因此要缩短两个波峰之间的间距，或者插入加热元件以防止温度降低【2】。3.无铅焊接工艺

9、的缺陷铅是种非常适合焊接工艺的材料。当我们将它除去后，到当前还无法找到一种能够完全取代它的金属或者合金。当我们在质量、工艺、资源和成本等方面找到比较满意的代用品时，我们在工艺和成本上都不得不做出让步。而在工艺上较不理想的情况有以下几个方面:3.1.无铅焊接的不足3.1.1较高的焊接温度大多数的无铅焊料合金的熔点都较传统锡铅焊料合金高。业界有少部份溶点低的合金，但是因为其中采用如铟之类的昂贵金属而成本高。熔点高自然需要更高的温度来处理，这就需要较高的焊接温度。3.1.2.较差的润湿性无铅合金也被发现具有较不良的润湿性能。这不利于焊点的形成，并对锡膏印刷工艺有较高的要求。因为润湿效果能通过较高的温

10、度来提高，这又加强了无铅对较高温度的需求。熔化的金属，一般在其熔点温度上的润湿性是很差的，所以实际焊接中我们都需要在熔点温度上加上20度或者以上的温度以确保能有湿。3.1.3.较长的焊接时间因为温度提高了，为了避免器件或者材料经受热冲击和确保足够的恒温和预热，焊接的时间一般也需要增长。以上这些不理想的地方带给用户什么呢?总的来说就是器件或者材料的热损坏、焊点的外形和形成不良和因氧化造成的可焊性问题等工艺故障。这些问题在锡铅技术中都属于相对较好处理的。所以到了无铅技术时，我们面对的焊接技术挑战更大。3.2.工艺窗口无铅的工艺挑战或者工艺难处在于其工艺窗口相对锡铅技术来说是缩了。例如器件的耐热性，

11、在锡铅技术中一般为240，到了无铅技术，IPC和JEDEC标准中建议必须能够承受260(2的峰值温度。这提高只是2O。但是在合金熔点上，从锡铅(Sn37Pb)的183 到SAC305的217C却是提高了34!这就使工艺窗口显缩小，使工艺的设置、调整和控制都更加困难。若不采用较高成本的低温铅合金，你的最低温度(约235)，几乎已是锡铅技术中的最高焊接温度了。而若你采用美国NEMI的建议，也就是使用SAC305和焊接温度在245到255时，你的热一冷点温度窗口只有lO，而在锡铅技术中这温度窗口有30之多。无铅器件的耐热标准，当前多认同确保在260C最高温度上，这距离推荐的SAC305合金的最高焊接

12、温度只有5cc。若我们考虑测量设置的系统误差的需要保留6，和业界许多回流的波动性时，我们根本无法使用高达255的温度【3】。3.3.工艺设置回流焊接的工艺设置就是通过炉子的各温区温度和传送链速度的设置来取得最适当的“回流温度曲线”的工作。最适当的意思，表示没有单一的曲线是能供所有用户使用的，而必须配合用户的材料选择、板的设计、锡膏的选择来决定。不论是锡铅技术还是无铅技术，其实工艺设置的方法都是一样的。所不同的是其最终的参数值。基本上，无铅因为前面提到的工艺窗口缩小的问题，使得工艺设置的工作难度较高。这需要更高的工艺能力，对技术的了解和掌握上做得更细化更完整。工艺设置的首要条件是用户必须知道所要

13、焊接产品的温度时间要求。对于大多数用户来说，这就是回流曲线规范。为了方便技术管理，一般只制定了一个规范，规范中清楚地指出了各参数的调整极限。在锡铅技术中，绝大多数用户的这个规范曲线都来自锡膏供应商的推荐。在工艺窗口较大的锡铅技术中，人们遇到的问题似乎不大(但是并非没有问题)。但是进入无铅后，这种方法未必可靠。原因是锡膏并非决定焊接温度曲线的唯一因素，和供应商提供的曲线并不精确。在掌握工艺技术较好的企业中，选择锡膏前都必须对锡膏等进行测试评估。器件焊端镀层是另外一项没被仔细了解和控制的材料参数。镀层的材料(例如NiPd或者sn等等)、镀层的工艺(例如无极电镀，浸镀等等)和镀层的厚度，将决定用户的

14、库存能力，可焊性和质量问题或者故障模式。而这些也会因为无铅技术到来而有所变化。以往不太需要注意的，现在也许会成为不得不给予关注的。PCB焊盘的镀层也一样，材料、工艺和厚度都必须了解和给予适当的控制。总之，要有良好的工艺设置，用户必须首先知道自己的材料和设计需求。从需求上制定应当有的温度曲线标准。3.4.工艺管制和监控以上所谈的内容，若掌握得好，就能协助用户设置出一个较好的回流焊接工艺。而在整个产品产业化过程中，以上的内容要点能协助用户进行试制和试生产的工艺阶段。当以上工作处理好后，接下来的就是面对批量生产了。批量生产的重点，在于推动快速生产的同时，确保每一个产品都是完好地被制造出来。所以我们就

15、有所谓的质量管理工作和责任部门。当前，大多数工厂的质量管理，还是较依赖传统的一些检验和返修的做法。例如采用MVI(目检)、AOI(自动检验)等手段，配合以一些量化统计做法如SPC等。但是在今天的先进生产技术中，这些都属于较落后的手段方法。以下指出几个常遇到的缺点:(1)对故障的改正成本高。(2)属于事后更正，无法取得零缺陷成绩。(3)当前的检查技术无法检出所有问题(一些故障的可检性还不好)。(4)当前检查技术在速度和精度上都还跟不上组装技术。(5)太多和滥用检查技术，反会对它形成不良的依赖性，而忽略了从工艺着手。(6)SPC不适合于小批量和高质量的生产模式。这种情况下其能力非常低。较好的做法是

16、检查设备和工艺能力，控制过程，而不是检查加工的结果(也就是产出品的检查)。厂内的所有炉子的性能必须给予测量和量化。在保养管理中确保Cm和Cmk的受控。这是良好质量的前提条件之一。这方面的讨论不在本文的范围之内。而工艺能力和加工过程的控制，在生产现场又怎样进行呢?不可能对每个产品都焊上热耦。有一种技术能做到，就是非接触式测量的红外测温技术。曾有炉子供应商在炉子内部设计这样的温度监控，但是因为技术不成熟，效果不理想而最终没有大量推广。过后就没有见到有开发这类技术的。这类系统通过以下的途径提供给用户很好的质量控制方法：(1)100不间断的检查；(2)实时测量和监督；(3)提供预警；(4)完整的纪录方

17、便质量跟踪；(5)完整的报告能提高客户的信心。除了以上功能之外，这类系统还能协助监控炉子的表现，提高炉子的维护保养管理和将来的采购工作，是先进数据管理系统中重要的一个工具。当我们进入无铅技术后，缩小的工艺质量窗口对于参数等的偏移敏感得多，也推动了我们对这类质量监控工具的需求【4】。4.无铅焊接可靠性的具体分析4.1.无铅焊接的可靠性问题无铅焊接可靠性问题是制造商和用户都十分关心的问题。尤其是当前正处在从有铅向无铅焊接过渡的特殊阶段，无铅材料、印刷板、元器件等方面都没有标准，甚至在可靠性的测试方法也没有标准的情况下，可靠性是非常令人担忧的。现阶段的无铅工艺，特别是在国内还处于比较混乱的阶段。由于

18、有铅和无铅混用时，特别是当无铅焊端的元器件采用有铅焊料和有铅工艺时，会发生严重的可靠性问题。无铅工艺对元器件的挑战首先是耐高温。要考虑高温对元器件封装的影响。由于传统表面贴装元器件的封装材料只要能够耐240C高温就能满足有铅焊料的焊接温度了，而无铅焊接时，对于复杂的产品焊接温度高达260C，因此元器件封装能否耐高温是必须考虑的问题。另外还要考虑高温对器件内部连接的影响。1C的内部连接方法有金丝球焊、超声压焊，还有倒装焊等方法，特别是BGA、CSP和组合式复合元器件、模块等等新型的元器件，例如倒装BGA、CSP内部封装芯片凸点用的焊膏就是Sn一3 5Ag焊接，熔点221 ，如果这样的器件用于无铅

19、焊接，那么器件内部的焊点与表面组装的焊点几乎同时再熔化、凝固一次，这对于器件的可靠性是非常有害的。因此无铅元器件的内部连接材料也要符合无铅焊接的要求。铅是比较软的， 容易变形， 因此无铅焊点的硬度比SnPb高，无铅焊点的强度也l：l：SnPb高，无铅焊点的变形t：LSnPb焊点小，但是这些并不等于无铅的可靠性好。由于无铅焊料的润湿性差，因此空洞、移位、立碑等焊接缺陷比较多，另外由于熔点高，如果助焊剂的活化温度不能配合高熔点，由于助焊剂浸润区的温度高、时间长，会使焊接面在高温下重新氧化而不能发生浸润和扩散，不能形成良好的界面合金层，其结果导致焊点界面结合强度(抗拉强度)差而降低可靠性。合金本身的

20、结构，使它跟有铅焊料相比，比较脆，弹性不好SnZn合金的液相线和固相线的熔点会增高，但随着Bi的质量数的增大，焊料的熔化间隔即固液间隔增大，所以Bi就会使合金熔点降低、脆性也比(有铅)增大。浸润性差，只会扩张，不会收缩SnAg系合金添加CUB,-，共晶点会改变。当Ag的质量分数增加48、Cu增加约1 8时产生共晶，如果在合金添加ln时，口会造成提高合金微细化强度和扩张特性的同时，表面会形成氧化膜，所以浸润性稍差。4.1.1.决定无铅焊接可靠性的因素1)取决于焊接合金。对于回流焊， “主流的”无铅焊接合金是SnAgCu(SAC)，而波峰焊则可能是SAC或SnCu。SAC合金和SnCu合金拥有不同

21、的可靠性性能。2)取决于工艺条件。对于大型复杂电路板，焊接温度通常为2600C，这可能会给PCB和元器件的可靠性带来负面影响，但它对小型电路板的影响较小，因为最大回流焊温度可能会比较低。3)取决于PCB层压材料。某些PCB(特别是大型复杂的厚电路板)根据层压材料的属性，可能会由于无铅焊接温度较高，而导致分层、层压破裂、Cu裂缝、CAF(传导阳极丝须)失效等故障率上升。它还取决于PCB表面涂层。例如，经过观察发现，焊接与Ni层(从ENIG涂层)之间的接合要比焊接与Cu(如OSP和及浸润)之间的接合更易断裂，特别是在机械撞击下(如跌落测试中)。此外，在跌落测试中，无铅焊接会发生更多的PCB破裂。4

22、)取决于元器件。某些元器件，如塑料封装的元器件、电解电容器等，受到提高的焊接温度的影响程度要超过其它因素。其次，锡丝是使用寿命长的高端产品中精细间距的元器件更加关注的另一个可靠性问题。此外，SAC合金的高模量也会给元器件带来更大的压力，给低k介电系数的元器件带来问题，这些元器件通常会更加易失效。5)取决于机械负荷条件。SAC合金的高应力率灵敏度要求更加注意无铅焊接界面在机械撞击下的可靠性(如跌落、弯曲等)，在高应力速率下，应力过大会致焊接互连(PCB)易断裂。6)取决于热机械负荷条件。在热循环条件下，蠕变疲劳交互作用会通过损伤积聚效应而导致焊点失效(即组织粗化弱化，裂纹出现和扩大)，蠕变应力速

23、率是一个重要因素。蠕变应力速率随着焊点上的热机械载荷幅度变化，从而SAC焊点在“相对温和” 的条件下能够比SnPb焊点承受更多的热循环，但在“比较严重” 的条件下BzSnPb焊点承受更少的热循环。热机械负荷取决于温度范围、元器件尺寸及元器件和基底之间的CTE不匹配程度。例如，有报告显示在通过热循环测试的同一块电路板上，带有Cu引线框的元器件在SAC焊点中经受的热循环数量要高于SnPb焊点，而采用42合金引线框的元器件(其PCB的CTE不匹配程度更高)在SAC合金焊点中比SnPb焊点将提前发生故障。也是在同一块电路板上，0402陶瓷片状器件的焊点在SAC中通过的热循环数量要超过SnPb，而251

24、2元器件则相反。再举一个例子，许多报告称，在0C和100 之间热循环时，FR4上1206陶瓷电阻器的焊点在无铅焊接中发生故障的时间要晚于SnPb，而在温度极限是一40oC和150oC时，这一趋势则恰好相反。7)取决于“加速系数” 。这也是一个有趣的、关系非常密切的因素，但这会使整个讨论变得复杂得多，因为不同的合金(如SAC与SnPb)有不同的加速系数。因此，无铅焊接互连的可靠性取决于许多因素。这些因素错综复杂、相互影响【4】。4.1.2.无铅焊点可靠性的评价无铅和有铅焊点在外观上是有差别的，同时无铅焊接的球形焊点中虚焊增多，因此对检测设备的要求有所提高。无铅焊点可靠性的评价方法主要有两种：物理

25、模拟法(即实验法)和数值模拟法。1)物理模拟法物理模拟法就是指在实验室里通过加速寿命实验来对焊点的可靠性进行评估。加速寿命实验中的载荷要比实际应用中的载荷强度更大，因此在较短的时间内就可以观察到失效模式，并获得可靠性数据。用于评价无铅焊点可靠性的试验项目一般包括：温度循环、温度冲击、高温高湿、跌落(或机械冲击)、随机振动、强度(拉力和推力)以及弯曲试验。温度循环试验是模拟温度交替变化环境对组装件的影响。使用温度循环的方法对无铅焊点特别是SnAgcu焊点的可靠性进行研究的报道较多，该实验方法可以对不同构型的封装焊点在热循环过程中焊点界面金属问化合物的组织演变、结合强度的变化和焊点寿命进行观察与评

26、估，从而为无铅焊点可靠性提供更多的数据和信息。为了提高焊点的可靠度，需要对失效产品作必要的分析，找出失效模式，分析失效原因，以改进设计工艺、结构参数和焊接工艺等。常用的焊点失效分析技术有外观检查、x一射线透视分析、金相切片分析、扫描超声显微镜检查、扫描电镜与能谱分析和染色与渗透检测技术等。工业界为不同的焊点可靠性评价方法分别制订了详细的标准，不仅对可靠性的评估方法给出了具体的规定，还对可靠性的评估和失效分析方法作出了指导，这些标准包括：JESD22一A104、MILSTD883E、IPCSM一785、IPC一9701、IPCTM一650和JIS Z 3198等。IPC一9701规定的温度循环实

27、验方法见表1。2)数值模拟法由于无铅焊点向着小尺寸和细间距的方向发展，给试验带来了更大的困难，数值模拟法被越来越多地用于计算可靠性的数据。有限元法(FEM)是一种非常强大和有效的方法，被广泛应用于对焊点在温度循环下的寿命预测。在过去的儿十年，对SnPh焊点的大量研究使得对SnPb焊点的寿命预测己相当准确。对于无铅焊点的可靠性模拟，由于无铅焊料的材料性能(弹性模量和热膨胀系数等)与传统snPh焊料存在较大差异，故而表现出不同的抗热疲劳特性。有限元模拟包括以下几个阶段：首先建立本构方程或理论方程；然后采用适当的假设，编写有限元程序；进而计算结构系统在模拟条件下的应力一应变；将有限元分析结果代人疲劳

28、模型，预测失效前的疲劳循环次数。目前已提出的焊点疲劳模型有：基于应力的疲劳模型、基于塑性应变的疲劳模型、基于蠕变应变的疲劳模型、基于能量的疲劳模型、基于损伤的疲劳模型和基于断裂力学基础的疲劳模型等。上述模型均以不同的准确度在一定范围内反映焊点疲劳的规律。在多数情况下，需要将物理模拟法和数值模拟法相结合，使二者相辅相成，以更好地评价焊点的可靠性【5】。4.2.微组装对焊膏质量的要求分析“微组装”中最常见的焊接缺陷的形成机理可知，焊膏质量的影响占有很重要的地位。显然，从确保微焊点的质量和可靠性的要求出发，对焊膏的基本应用特性要求必须要确保 。4.2.1.良好的润湿性焊膏中的焊料在再流过程中对基体金

29、属的润湿性，是构成焊膏各成分综合作用的结果，也是评估焊膏综合性能的核心指标。润湿性良好的焊膏，是确保焊点获得连接强度、导电性和导热性的前提，而且在一定程度上还有降低焊料润湿温度的效果，对抑制冷焊现象也有一定的作用。润湿性不良是导致焊点虚焊的根源。4.2.2.再流焊接温度窗口宽在以Sn37Pb共晶焊料为核心的传统的有铅再流焊接中，峰值温度的选择窗口在220 一225已能完全满足工艺应用要求。因此对焊膏的各成分的温度的适用性和匹配性相对要求就低些。然而对无铅应用情况就不一样了，基于成本和应用性等方面的考虑，无铅焊料合金成分几乎很少选择共晶成分。因此，液相温度和固相温度之间都存在一个范围，而且液相温

30、度都比Sn37Pb的熔点高很多，例如SAC305液相温度比Sn37Pb的熔点高37。因此，再流焊接峰值温度窗口范围比有铅要宽得多，例如SAC305的再流焊接峰值温度窗口范围在235 250 ，比Sn37Pb宽了3倍。因此，对构成焊膏的各非金属组份的温度适用范围就要求宽得多。如果焊膏的性能不能与此窗口范围相匹配，就会导致冷焊或过热(如残留物烧焦发黑等)。4.2.3.环保性能好特别是无铅焊膏产品对6种有害元素和物质，必须符合RoHS规定要求。4.2.4.形成的焊点质量好金相组织分布均匀，无偏析和粗大晶粒，空洞少和无微裂纹，外形符合表面能最小原理。4.2.5.可靠性所选焊膏用在PCB上必须具有长期的

31、可靠性。残留物少，无离子性污染，不会造成电迁移和慢性的电化腐蚀。在互连处存在侵蚀和有促进侵蚀的残余物，可能增大绝缘材料表面的电导率，引起短路，促使枝晶生长。在极端情况下，会产生机械故障及电气故障。此外，侵蚀物还影响芯片接合处的热疲劳寿命，而局部侵蚀则能造成若干应力集中点。4.2.6焊膏钎料粉粒度和模板开孔的适配03 mm微细间距的CSP、QFP和EMI等器件在PCBA上的应用已成为热门技术。如何处理这种微细间距的CSP、QFP以及EMI组装中常见的模板超小开孔成了一个挑战。焊膏的金属粉颗粒度小印刷性较好，有利于使焊膏在压力下能顺利地通过模板开口，释放到PCB焊盘上，但颗粒度小的负面作用是容易出

32、现焊膏塌陷。金属粉颗粒度大的焊膏容易堵塞模板，影响焊膏的可印刷性，不适合微小间距的PCB印刷 J。衡量焊膏印刷质量的一个重要指标是焊膏的释放率，焊膏印刷中的焊膏的释放率(转移率)可定为：焊膏印刷释放率=释放到焊盘上的焊膏体积模板开孔体积开孔尺寸对焊膏释放的难易程度见表2。4.2.7.焊膏批次的一致性对于焊膏，最重要的评估参数还有焊膏的黏度、焊膏金属含量和金属粉颗粒尺寸分布情况等。必须了解这些焊膏参数实际值和供货商所提供的规格范围况。因为材料的实际评估一般只会对每个供货商的一个批次进行，所以必须要确信每个供货商是否有能力保证每批质量的一致性，是否有足够的检测手段以确保这种一致性。5.无铅焊膏的设计要求与展望5.1.无铅合金焊粉发展现状与技术要求作为优良的无铅替代合金，应具有以下基本要求：(1)合金的熔化温度要与替代的S