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第七步:焊接




关键词:

作者:Gavin Jackson博士、Brian Toleno博士

      大家都知道,与锡铅合金相比,SAC合金焊点会产生更多气泡。大多数专家认为在一定程度上气泡是可以接受的,但是,减少气泡的数量和大小,是提高无铅焊点可靠性的最佳方法。 

      在试图减少无铅工艺中气泡的数量之前,必须清楚SAC和含铅焊料之间的差别。尽管存在许多与工艺有关或者与材料有关的变量可能会引起气泡的形成,但是,在SAC合金与锡铅合金之间,在物理上主要有三点不同,会使气泡增多。

      SAC合金的表面张力大于锡铅合金。因此,与熔融的锡铅合金相比,任何留存下来的气体都很难脱离熔融的SAC合金。对于无铅,工艺上原本要求把可能留存下来的气体更多地排放掉。因为SAC合金的熔化温度大约是217℃,而锡铅合金是183℃,从基板和元件释放出易挥发的化合物,可能导致无铅焊点中有更多气体留存下来。与锡铅焊料相比,SAC材料的湿润性较差、湿润角度较大,这意味着气泡需要走更长的距离才能脱离SAC合金。

优化材料的配方
      SAC材料会比锡铅材料产生更多的气泡。正如不同的锡铅焊膏在性能上存在差别,对SAC焊膏配方进行优化能够大量地减少与SAC合金有关的气泡数量。使用SAC材料的解决办法,能够减少气泡的形成。在这种情况下,助焊剂材料在减少气泡方面的作用至关重要。
焊膏的主要化学成分是焊料合金(平均90%以上),助焊剂起平衡作用。对于焊膏产生挥发性化合物和气泡的形成,助焊剂的成份、助焊剂中溶液的浓度、助焊剂的沸点温度和助焊剂、活性剂的浓度起重要的作用。

      怎样改变助焊剂配方才会影响无铅焊点内的气泡形成,为了搞清楚这点,有人针对改变助焊剂做了研究。除了改变助焊剂的成分、溶液的浓度、溶液的沸点温度和活性剂的浓度之外,还要考虑再流焊工艺的因素,才能充分理解工艺变化带来的影响。这项研究评价了含有气泡的焊点数量、形成气泡的面积百分比、气泡的大小和焊膏的工艺性。不仅要设计用来评价助焊剂对气泡形成的影响的测试方法,而且还要分析焊膏的焊接能力。在加工处理BGA和SOIC时,根据材料性能来评价最终的结果。

图1参数对热塌落的影响。

      我们根据助焊剂配方和工艺参数的结果和变化,研制出SAC材料,并且拿他和其他的无铅焊膏材料做比较。对选用的溶液、助焊剂-活性剂的浓度、助焊剂溶液的浓度、焊膏-助焊剂的成分、再流焊曲线、焊膏的粘性和热塌落性能都进行了评估。结果表明,选用的溶液和浓度对粘性有重要的作用,而且溶液的选择和活性剂的浓度是形成热塌落的主要原因,它会造成桥接(图1)。为了提高无铅焊膏的印刷性能,它必 须是印刷性良好,不会产生桥接。溶液的选择、溶液的浓度和活性剂的浓度的变化,这些都必须严格控制,从而可以得到印刷性好、不会出现热塌落的焊膏。

     下一步要评估气泡的形成。BGA的气泡通常按照气泡尺寸绘出气泡数量的图。结果显示,大多数情况下,气泡数量不多也很小,只有在个别位置上有一些较大的气泡。有许多不同的因素可能会引起无铅气泡的形成;要确定这些因素可能会比较复杂。但是,我们发现,一些条件对气泡的影响非常大。再流焊曲线就是一个重要因素。在助焊剂中,溶液的浓度和选择也会影响气泡的形成。对BGA来说,把线性再流曲线和挥发性溶液一起使用,能够观测到最坏的气泡状况。

      影响气泡形成的主要因素是再流焊曲线和助焊剂的挥发性。再流焊曲线和溶液挥发性结合在一起,会影响BGA里的气泡,溶液的选择对SOIC中气泡形成的影响超过了再流焊曲线(图2)。可以断定对助焊剂组分的挥发性进行严格控制,同时与最理想的再流焊曲线结合起来,能够减少无铅焊点中的气泡。

图2不同焊点的挥发速度所形成的气泡。

    采取措施减少无铅焊点里的气泡,是最好的办法,我们可以用它来提高无铅焊点的长期可靠性。保证焊膏使用耐用的助焊剂和再流焊曲线,对于减少气泡的形成是最理想的办法,这点已经得到证实。但是,这些办法并不能减少所有与无铅有关的气泡。气泡不见得是无法克服的工艺障碍。
     IPC焊料产品价值委员会(SPVC)最新的研究,证实其他组织提出的观点是正确——一定数量的气泡不会对焊点的可靠性产生不利的影响。尽管这个行业坚持BGA的气泡不能超过25%,但是这种使用X射线系统参数的测量方法有一点主观性。无论结果是对是错,我们已经把这个气泡技术规范应用到无铅组装中去。但是,这个25%的要求可能不适合无铅,存在一些气泡可能是可以接受的。IPC SPVC研究得出的结论是:“通过各种公认的热循环方法进行测试,在使用SAC合金形成的连接中,与工艺有关的气泡对焊料连接的可靠性不会产生重大的影响。”

结论
     把工艺优化工具和材料结合起来,降低不利条件的影响,可以充分地提高最终产品的可靠性,而且还可改善其他工艺。SAC合金会产生更多的气泡,因此需要采取必要的措施来减少气泡,尽可能延长使用寿命。把最佳的再流焊曲线和含有最适合助焊剂配方的SAC焊膏结合起来使用,从而减少无铅焊料气泡,余下的气泡基本不会对长期可靠性造成明显的影响。

作者简介
Gavin Jackson博士是Henkel电子集团公司产品发展经理。Brian Toleno博士是Henkel电子集团公司应用工程部主任。

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