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无Pb焊点特有的工艺缺陷现象

2019-05-05 10:25
可靠性杂坛
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一、凝固过程生成的缺陷

1、概述

目前,正处于从有Pb钎料向无Pb钎料过渡之中,与凝固有关的一些问题将会突显出来,如微偏析、起翘、缩孔、焊盘剥离、PBGA封装体翘曲等。这些现象虽然在SnPb钎料中有时也会发生,如当基板吸湿后也会引起焊盘剥离,但在组装中这种缺陷并不经常发生,因而不会引起过分的关注。然而对于无Pb焊接,由钎料凝固过程所引发的缺陷却是一种高发的较为普遍的现象。为了改善无Pb化产品的可靠性,提高产品质量,国外已开始对焊接凝固现象开展了系统的研究,旨在搞清楚焊接凝固中所引发的各种缺陷现象的机理和抑制的对策。凝固现象引发的问题也是最深刻的问题,它以“起翘”为中心来展开对其缺陷形成机理的研究。在日本将起翘现象称为“リフトオフ”,在欧洲称为“Lift-off”,在美国称为“Fillet-lifting”。

2、初晶粗大的金属间化合物的形成

标准的无Pb钎料主要是SnAgCu、SnCu之类,和SnPb钎料相比,它们生成的金属间化合物不同。金属间化合物生长晶粒较粗大,从状态图可以预测到,如SnAg二元合金状态图如图1所示。在状态图的右侧Ag的浓度高,相的构成要稍许复杂些。该侧和通常的焊点没有关系,主要是位于左侧的Sn浓度的构成是最重要的。SnAg的共晶成分是Sn3.5Ag。如Ag3Sn的组成范围从图的左侧即可看岀。

图1 SnAg二元合金状况图

在SnPb场合随着Pb含量的变化有多种多样的合金成分,和共晶组分Sn37Pb相比,即此Pb的含量在共晶组分上下变化,也不会引起剧烈的机械性能的变化。然而像SnAg这样的无Pb钎料形成的金属间化合物就不一样了,从共晶组分向化合物侧不可能没有明显的波动。例如,Ag量从零增加其抗拉强度也增加,而延伸率有所减小。但当Ag量超过3.5wt%时,抗拉强度显著下降。此时,除析出微细的Ag3Sn相外还会有数十μm的粗大板状Ag3Sn相形成,如图2所示。人们把这个粗大的Ag3Sn叫做初晶,它是在钎料凝固过程初始析出的固态组织。这种粗大的金属化合物相的形成,不仅使强度低下,而且蠕变、疲劳和冲击等特性都会受到严重影响。

图2 在Sn3.9Ag0.6Cu钎料球中形成的粗大板状Ag3Sn初晶(右图是用蚀刻提取的化合物图像)

对于SAC305无Pb钎料来说,初晶金属间化合物是细长棒状的Cu6Sn5,未见到Ag3Sn初晶。当Ag量增加后,在初晶Cu6Sn5棒状粒子中才增加了相当粗大的板状粒子的初晶Ag3Sn,如图3所示。

图3 SnAgCu合金生成的粗大化初晶金属间化合物及其影响

3、焊盘边缘起翘(1)现象描述。起翘是无铅波峰焊接中的高发性缺陷,在单面PCB上不发生,只发生在金属化通孔的基板上,而且目前尚缺乏通用的对策。在发现起翘现象的初期,最先对其进行研究的是英国的Vincent,他用Sn7.5Bi2Ag0.5Cu钎料合金,对双面都有铜焊盘的金属化通孔的PCB进行波峰焊接,发现在铜焊盘和钎料圆角的界面发生剥离现象。随后,又发现许多含Bi的合金系也存在此现象。而且即使不含Bi,只要在搭载的元器件的焊端镀了SnPb合金,同样也会发生,如图4所示。

图4 镀SnPb的引线在波峰焊接时生成的起翘现象

(2)焊盘边缘起翘现象发生的机理。① 材料间CTE严重不匹配。基板和钎料、Cu等的热膨胀系数的失配是引发起翘现象的一个重要因素。基板是纤维强化的塑料(FRP),它沿板面方向的热膨胀系数小,可以确保被搭载的电子元器件的热变形小。作为复合材料,面积方向的热膨胀和垂直方向的热膨胀差异很大,沿板面垂直方向的收缩是很大的(例如,FR-4厚度方向的热膨胀系数CTE是Sn的10倍以上)。如果在界面上存在液相,只要圆角有热收缩便会从基板上翘起来,而且一旦翘起来就不能复原。② 含Pb、Bi等合金元素的影响。Bi添加在无Pb钎料中,是作为一种降低熔点改善润湿性的合金元素。图5示出了SnBi二元合金在Sn侧的状态图,从状态图中可见在Sn侧固、液共存区温度范围变大。

图5 SnBi二元合金在Sn侧的状态图

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