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SMT无铅工艺对无铅锡膏的几个要求


SMT 无铅工艺对无铅锡膏的几个要求

摘要:SMT 无铅工艺的步伐越来越近,无铅锡膏作为无铅工艺的重要一环,它的 性能表现也越来越多引起人们的关注。 本文结合汉高乐泰公司的最新无铅锡膏产 品 Multicore(96SC LF320 AGS88 分析无铅锡膏如何满足无铅工艺的几个要求。 关键词: SMT 无铅工艺 Sn/Ag/Cu 合金 低温回流 空洞水平 众所周知铅是有毒金属,如不加以控制,将会对人体和周围环境造成巨大而深远 的影响。欧洲议会 2003 年底已经通过立法,要求从 2006 年 7 月开始,在欧洲销 售的电气和电子设备不得含有铅和其它有害物质。 中国等国家的相关法律也正在 酝酿之中。由此可见,SMT 的无铅工艺已经成为我们必然的选择。本文以无铅锡 膏的研发为基础,针对无铅工艺带来的几个问题,如合金选择、印刷性、低温回 流、空洞水平等展开讨论,同时,向大家介绍了最新一代无铅锡膏产品 Multicore(96SC LF320 AGS88 相应特性。 一、 无铅合金的选择 为了找到适合的无铅合金来替代传统的 Sn-Pb 合金,人们曾做过许多的尝试。这 是因为无铅合金的选择需要考虑的因素很多,如熔点、机械强度、保质期、成本 等。表 1 列举了三种主要无铅合金的比较结果。

合金类型 Tin Rich Tin Zinc (Bi) Tin Bi

熔点(度) 209—227 190 137

主要问题 熔点稍有升高 容易氧化,保质困难 强度很差

表 1 三种无铅合金的比较结果 人们最终把目标锁定在富含 Tin 的合金上,在富含 Tin 的合金中,Sn/Ag/Cu 系 列又成为选择的目标。而 Sn,Ag,Cu 三种合金成份比例的确定也经历了一段探 索的过程, 这主要是考虑到焊点的机电性能, 如抗拉强度、 屈服强度、 疲劳强度、 塑性、导电率等等。最终两种具有相同熔点(217°C)且性能相似的合金成分: SnAg3Cu0.5(96.5%Sn,3%Ag,0.5%Cu)和 SnAg3.8Cu0.7(95.5%Sn,3.8%Ag,0.7%Cu) 成为无铅合金的主要选择。其中,SnAg3Cu0.5 被日本、韩国厂商广泛采用,欧 美企业更多选择 SnAg3.8Cu0.7 合金。以上两种合金 Multicore(均可以提供,代 号分别为 97SC 和 96SC。

二、 印刷性 由于 Sn/Ag/Cu 合金的密度(7.5 g/mm3)比 Sn-Pb 合金的密度 (8.5g/mm3) 低,使 用该种合金的无铅焊锡膏的印刷性比有铅锡膏差一些,如容易粘刮刀等。尽管如 此, 由于保证锡膏的良好的印刷性对于提高 SMT 的生产效率、 降低成本十分重要,

在合金成分相同的情况下,只有通过助焊剂成分的调整来提高锡膏的印刷性,如 填充网孔能力、湿强度、抗冷/热坍塌及潮湿环境能力等,并最终提高印刷速度、 改善印刷效果。 图 1 为 Multicore(96SC LF320 AGS88 的印刷实验结果。由图 1 可知该产品的可 印刷速度范围为 25 mm/s - 175 mm/s(图中的绿色部分表示印刷效果好)。事 实证明,通过调整助焊剂成分和比例,无铅锡膏可以具有与有铅锡膏同样的高速 印刷操作窗口。

图 1 Multicore(96SC LF320 AGS88 印刷结果 三、 低温回流的重要性 由于无铅合金的熔点升高(Sn/Ag/Cu 合金的熔点为 217°C,Sn-Pb 合金熔点为 183°C),无铅工艺面临的首要问题便是回流焊时峰值温度的提高。在图 2 中描 述了无铅锡膏回流焊接时,在最坏情况假设下(线路板最复杂,系统误差和测量 误差为正,以及满足充分浸润的条件),线路板上最热点温度可能达到的温度 (265°C)。图中最冷点 235°C 是为保证充分浸润的建议条件。 值得注意的是:一方面,若无铅锡膏所要求的峰值温度较高,线路板最热点便容 易达到 265°C,而该温度已超过了目前所有元器件的耐温极限;另一方面,若 系统误差和测量误差为负,同时锡膏的最低峰值温度较高,便会有冷焊问题的发 生。因此为了保证元器件的安全性、以及焊点的可靠性,无铅锡膏的最低峰值温 度应尽量低,即无铅锡膏低温回流特性在无铅焊接工艺中十分重要。

图 2 无铅焊接时线路板上最热点温度(最坏情况预估) 值得一提的是,Multicore(的领先技术、独特配方成功地解决了这一难题,无铅 锡膏 96SC LF320 AGS88 的最低回流温度仅为 229°C,这就意味着应用该款锡膏 进行焊接时,可以仅比 217°C 的合金熔点高出 3°C(保证一定的回流时间)。 这样不但可以很好地解决可靠性、 冷焊等问题, 更可以减少生产工艺方面的调整, 以节约成本。 3 为该款无铅锡膏的回流操作窗口。 图 由图 3 可知, 96SC LF320 AGS88 拥有很宽的操作窗口:从熔点以上时间 60 秒/峰值温度 229°C,到熔点以上时 间 80 秒/峰值温度 245°C 的范围内均可以获得极佳的焊接效果,较宽的回流窗口 可以更好地满足生产方面的不同需求。

图 3 Multicore(96SC LF320 AGS88 回流操作窗口 四、 空洞水平

空洞是回流焊接中常见的一种缺陷,尤其在 BGA/CSP 等元器件上的表现尤为突 出。由于空洞的大小、位置、所占比例以及测量方面的差异性较大,至今对空洞 水平的安全性评估仍未统一起来。有经验的工程师习惯将空洞比例低于 15%-20%,无较大空洞,且不集中于连接处的有铅焊点认为是可接受的。 在无铅焊接中,空洞仍然是一个必需关注的问题。这是因为在熔融状态下, Sn/Ag/Cu 合金比 Sn-Pb 合金的表面张力更大。如图 4 所示。表面张力的增加, 势必会使气体在冷却阶段的外溢更加困难,使得空洞比例增加。这一点在无铅锡 膏的研发过程中得到证实,早期无铅锡膏的主要问题之一便是空洞较多。作为新 一代的无铅锡膏产品,Multicore(96SC LF320 AGS88 增加了助焊剂在高温的活 性,实现了技术上的长足飞跃,使得无铅焊点的空洞水平可降低到 7.5%。

图 4 Sn/Ag/Cu 与 Sn-Pb 在熔融状态下的润湿角比较 五、 结论 1)Sn/Ag/Cu 系列合金成为无铅锡膏合金的主要选择; 2)助焊剂介质的合理调整,可使无铅锡膏的印刷性与有铅锡膏几乎相同; 3)无铅锡膏的低温回流特性对 SMT 无铅工艺意义重大; 4)新一代的无铅锡膏,使得空洞问题得到明显改善。 参考文献: 参考文献:


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