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(上)冷却速率对无铅再流焊焊点质量的影响




关键词:

摘要:无铅再流焊中冷却速率影响焊点力学性能及可靠性。快速冷却可以细化组织,间接控制金属间化合物厚度和形态,影响焊点断裂模式,提高焊点综合性能。但由于元件与PCB等材料的热不匹配性而造成的较大应力,易造成元件或焊点失效等。本文通过对文献中研究结果的总结,设计了炉冷、空冷和水冷等几种再流焊冷却方式,并对焊点进行了强度测试和组织成分分析,建议工业用最佳冷却斜率控制在3~6℃/s。

关键词:冷却速率;无铅再流焊;金属间化合物;焊点质量;应变速率

 

Effect of Cooling Rate on Solder Joint Quality

In Lead-free Reflow Soldering

 

Shi Jianwei1, Jiang Liuxue, Liang Yongjun, Yang Jianming, Chai Yong

(Sun East Electronic Technology Company Lt.d)

 

Abstract: Cooling rate affects mechanic property and reliability of solder joint markedly in lead-free reflow soldering. Rapid cooling rate can fine structure, control indirectly thickness and modality of intermetallic compound, affect failure style and reinforce performance of solder joint, but stress induced by mismatching between components and PCB materials brings about invalidation of produce. The paper summarizes the work of documents and projects a experiment of oven cooling, air cooling and water cooling for reflow soldering, tests solder joints strength and analyzes metallograph of interface compound as well. The optimums cooling rate is 3 to 6 Celsius per seconds in electronic industry.

Key words: Cooling Rate; Lead-free Reflow Soldering; Intermetallic Compound (IMC); Solder Joint Quality; Strain Rate

 

1 引言

无铅化电子组装给传统组装工艺带来了一次变革,包括材料、设备及工艺各个方面,设计、生产及检测等各个阶段,均出现了新的要求与规范。就焊接工艺而言,无铅再流焊后的冷却速率问题引起了业界的广泛关注。众多研究表明,快的冷却速率有利于焊点力学性能和可靠性的改善与提高。但在实际生产中,一方面考虑焊接设备结构设计所能达到的冷却能力,另一方面考虑快速冷却产生的负面影响,比如元件爆裂和分层失效等。最佳冷却速率的研究迫在眉睫,值得注意的是,本文所述冷却速率是指焊点冷却到钎料熔点以下30℃或更多这一区间的平均斜率,无铅焊接中常以180℃为基准,也有以150℃为基准的,一般认为温度低于此值后焊点组织结构不再发生明显变化。

 

2 冷却速率对焊点质量的影响

2.1 冷却速率对焊点强度的影响

Denis Barbini等人对不同冷速下焊点组织结构进行研究发现:由快速冷却(2.5 ℃/s)过渡到慢速冷却(0.5 ℃/s),焊点组织由均质向离散变化,金属间化合物由薄变厚、由平滑变粗糙。对冷速为2.5 ℃/s下有铅样品和无铅样品进行热循环后强度测试,发现剪切强度中位数分别降低23%和17%,无铅钎料抗蠕变性能优于有铅钎料。对于无铅焊点,快速冷却形成的细小富锡枝状晶和锡基体中弥散的细小Ag3Sn等颗粒使焊点抗断裂强度提高,从而改善抗蠕变性能;慢速冷却形成粗大的晶粒,在焊点基体内和界面层出现Ag3Sn、Cu6Sn5或Ni3Sn4等块状金属间化合物(如图1),容易产生裂纹并快速扩展,导致可靠性下降。

S.K.Kang等人试验发现:快速冷却(3 ℃/s)增加极限拉伸强度和0.2%应力,提高焊点剪切强度20%之多,有的甚至高达50%左右;增强Sn0.7Cu、Sn3.5Ag、Sn3.5Ag0.7Cu及Sn4.0Ag0.5Cu无铅钎料可靠性。观察Sn3.5Ag和Sn4.0Ag0.5Cu微观结构和应力值变化,发现Sn3.5Ag钎料中晶界滑移机制在变形过程中并不明显,抗蠕变性能的提高主要是弥散分布的Ag3Sn颗粒起到了强化作用。值得注意的是,慢速冷却降低了Sn0.7Cu、Sn3.5Ag无铅钎料和纯锡的剪切强度,但会轻微增加Sn37Pb钎料的剪切强度,这一现象要联系合金的变形机理来分析。小应变下晶界产生划移,大应变下位错产生划移。当位错产生划移占主导时,细颗粒结构会导致较高的材料强度;当晶界产生划移占主导时,大颗粒结构会导致较高的材料强度。

 

2.2 冷却速率与应变速率之间的关系

Maveety.J.G等人试验研究发现:快速冷却(50 ℃/s)下焊点组织对应变速率非常敏感,慢速冷却(2 ℃/s)下焊点组织延展性好,对应变速率不敏感。快速应变速率(10-3/s~10-1/s)易产生焊点硬化,提高焊点剪切强度。表1为10-1/s应变速率下快速冷却和慢速冷却焊点剪切强度的提高程度。值得注意的是10-3/s应变速率下,Sn3.5Ag的强度和延展性均好于Sn0.7Cu和Sn37Pb,而纯锡无论是快速冷却还是慢速冷却强度都最低。

K.S. Kim等人对8.3 ℃/s、0.43 ℃/s和0.012 ℃/s三种冷却速率下的SAC合金进行剪切强度测试。图2为Sn3.5Ag0.7Cu在不同冷速下工程应力-应变曲线,应变速率在10-1/s~10-2/s之间时,快冷比慢冷强度增加了近50%。图3为不同钎料成分极限拉伸强度和0.2%应力随应变速率变化关系图,可以看出Sn3.5Ag0.7Cu钎料抗拉强度和0.2%应力最高,这主要是因为β-Sn+Ag3Sn共晶组织的面积份数小和Ag3Sn化合物程小颗粒均匀分布的缘故,如图4所示。此外,随着冷却速率的降低和银含量的增加,共晶组织变的粗糙,弥散纤维状Ag3Sn化合物减少,块状Ag3Sn成为主要化合物相,在低应力或温度循环条件下易碎特性容易产生缺陷。试验还发现热循环后SAC305组织没有明显的粗化,热稳定性好。因此可以通过减少Ag含量来减少块状Ag3Sn化合物,因为低Ag含量合金对冷却速率依赖性较小。

焊点热循环寿命受蠕变、疲劳、高温氧化及钎料的冶金性能等多种因素影响。热循环失效是指焊点在温度循环或功率循环过程中,由于芯片载体材料和基板材料存在明显的热膨胀系数(CTE)差异所导致的蠕变-疲劳失效。通常SMT中芯片载体材料为Al2O3陶瓷,CTE为6.0 ppm/℃,基板材料为环氧树脂/玻璃纤维FR4复合板,CTE为20.0 ppm/℃。当环境温度发生变化或元件本身工作发热冷却时,由于二者间CTE差异,在焊点内部就产生周期性变化的应力应变过程,在疲劳和蠕变的共同作用下导致焊点的失效。

冷却速率对焊点热循环疲劳寿命和高温蠕变断裂寿命的影响趋势不尽相同。疲劳辉纹是疲劳断裂的主要特征,沿晶断口是蠕变断裂的主要特征,高温下有时也出现穿晶。金属抗疲劳性随着晶粒的细化而增加,快速冷却有利于提高应变抗力,改善焊点抗疲劳性能。金属抗蠕变性与晶粒的大小有关,冷却速率越大,晶界数目越多,沿晶裂纹的数目就增加,焊点的抗蠕变能力就降低。Young-Sun Kim等人对不同冷速下钎料断口进行SEM观察,结果发现炉冷断面断口较平坦,空洞较少,沿晶裂纹细小,滑移线细密;而水冷断面空洞、韧窝较多,有明显的剪切滑移痕迹,如图5所示。空洞的变化可能是由于炉冷冷却速率低,气体容易逸出,而水冷冷却速率快,焊剂和水分等产生的气体来不及逃逸而保存下来形成气孔或空洞,同时也产生了许多微小空位。朱颖等人试验发现水冷焊点在热循环过程中,空位会不断聚集形成较多空洞、韧窝、不平整的断面,降低了焊点的热循环寿命,但不呈现线形关系。实际焊接过程中,要求优化工艺流程,调整温度曲线,降低焊剂残留量,使快速冷却的优势得以发挥。

2.4 冷却速率对焊点组织和IMC形态及厚度的影响

X.DENG等人通过试验研究发现:水冷(106 ℃/s)和风冷(5.4 ℃/s)条件下无铅钎料/Cu界面IMC层的厚度相对炉冷(0.5 ℃/s)条件下薄,呈层状,生长面较平坦,而炉冷条件下IMC呈扇贝状,生长面厚度不均,如图6所示。IMC厚度变化之所以受冷却速率变化的影响,是因为冷速减小时相当于再流焊时间延长,界面反应和原子扩散增强,IMC厚度增加。试验还发现冷速越小,IMC形状起伏越大,对于无铅钎料/Cu界面,再流焊时间超过40s就会产生扇贝状Cu6Sn5,对SMT焊点起到劣化作用。

 

2.5冷却速率对成分偏析的影响

慢速冷却易产生粗糙表面、焊点内部空洞和偏析等缺陷,其主要出现在含有Zn和Bi元素的钎料中。如图7所示,SnZnBi钎料在0.018 ℃/s冷速下,内部组织产生大的空洞和Bi的严重偏析。快速冷却可以减小和防止这种缺陷,但是如果含量过高,快速冷却的作用就被弱化。图8为含不同成分Bi元素的钎料在8.3 ℃/s冷却速率下的焊点组织,可以看出当Bi含量为3wt%时快速冷却可以防止Bi偏析,但Bi含量为6wt%时,同样会出现偏析现象。赵智力等人对无铅波峰焊焊点剥离现象进行研究,试验发现,较多Bi含量的无铅钎料在快速冷却下也会产生剥离现象,如图9所示,快速冷却对剥离现象影响不是很明显。

3 不同再流焊冷却速率研究

实际工业生产中,焊接设备的冷却能力达不到上述快速冷却要求。对于无铅再流焊工艺,冷却速率在小范围内变化是否会影响焊点质量,周惠玲和徐波等研究人员选用不同种类焊膏,取峰值温度240~245℃,对QFP和片式阻容元件进行了焊后质量分析。

首先对不同冷速下QFP引脚焊点进行45°拉脱试验,之所以选择45°是原因这个角度可以有力的结合加载在焊点上的剪切和拉伸两种力而得到较为精确的测定值。徐波等人选用Sn3.5Ag、SAC305和Sn37Pb三种焊膏,制定四种冷却速率,拉脱试验结果见表2。周惠玲等人选用水冷机制冷、循环水冷却和随炉冷却三种方式对SAC305焊点进行作业,同时为了反映冷速对焊点强度的影响程度,进行了冷速为2.5 ℃/s时不同氧含量对Sn3.5Ag和SAC305焊点强度的影响,表3为不同条件下焊点的拉脱载荷值。从试验结果可以看出:快速冷却和低氧含量有助于提高焊点拉脱强度;当冷速大于2.8 ℃/s后焊点拉脱强度提高程度不大,而低氧含量条件下促进润湿而改善焊点几何形状,对强度影响较大;各种实验条件下,Sn3.5Ag焊点拉脱强度都低于SAC305焊点,可能原因是SAC305中更细小的Cu6Sn5和Ag3Sn颗粒强化作用更大。

此外,研究人员还对2012型电阻进行了不同冷却速率下的推荐强度试验,结果见表4。从试验数据可得:无铅钎料焊点强度低于有铅钎料,可能的原因是由于润湿性差导致焊点几何形状不佳;Sn3.5Ag钎料在大的冷却速率下强度反而下降,可能的原因是过快的冷却导致焊点内气孔过多而强度弱化;不通无铅钎料在冷却速率大于2.1 ℃/s情况下,剪切强度都较高。

快速冷却下焊点强度提高,可以用霍尔-佩奇公式来解释。焊点强度与晶粒直径之间满足以下关系:

式中 表示晶粒内部对变形的阻力,d表示晶粒直径,k为常数。

该公式表明:随着晶粒的细化,合金强度增大。

其次,根据Hall-Petch公式,合金强度的提高与晶粒大小之间的关系为:

式中 为合金强度的增加值;k为材料常数;D为晶粒直径。

该公式表明:随着晶粒的细化,合金强度的增加愈大;细晶粒结晶的韧性与抗热疲劳性能远比粗晶粒好。

冷却速率同时也影响结晶时二次枝晶的间距和大小。枝晶间距主要受凝固时间的影响,满足以下关系:

式中SDAS为二次枝晶的间距,ts为凝固时间,k为与材料有关的常量。根据凝固原理,增加冷却速率,相当于减少凝固时间,从而减小了二次枝晶的间距。

图10为三种不同冷却方式下枝晶的微观组织,水冷几乎没有生成二次枝晶,β-Sn晶粒结构细小,且生长具有一定的方向性,但被IMC隔断而不连续,原因是由于冷却速率很快,各个部分基本是同时形核,使各部分来不及相互扩散就已凝固。风冷和空冷都会导致二次枝晶的生成,随着冷却速率的降低,凝固时间延长,扩散作用增强,二次枝晶间距和大小增加,枝晶间距的增加同时表征了共晶网络在焊点中百分含量的增加,同时Ag3Sn颗粒从球形向针状转变。水冷增大了形核率而抑制了Ag3Sn颗粒长大,故形成的组织为球形,而风冷和空冷条件下Ag3Sn细小颗粒从β-Sn基体上析出聚合长大,并具有一定的方向性,最终形成针状。

凝固时间还与合金成分有关。金属凝固时固相析出率可用Scheil’s方程预测:

式中 为温度, 为纯金属温度, 为液相温度, 为固体含量份数, 为平衡分布系数。图11为SAC合金DSC曲线,可以看出SAC305合金熔点范围在217~221℃之间,且在218~221℃间变的较平缓,有额外的吸热反应,即相变吸热,在较宽的温度范围内有新相生成,固体含量份数增加。根据图12所示 SAC合金温度与固体质量份数关系图,可以看出在温度下降的过程中,SAC305依次经历L→L+βSn→L+βSn+Ag3Sn→L+βSn+Ag3Sn+ Cu6Sn5几个阶段,在3和4阶段有化合物Ag3Sn析出,如果温度下降过慢,首先形成的Ag3Sn颗粒就会长大成为块状沉淀,影响焊点力学性能和可靠性。

 

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