无铅电子装配的材料及工艺考虑(2)
2016-06-08 01:01
导读：金属成本 专利载明的银含量范围为3.5%-7.7%。如此高的银含量使得焊料的大量使用变得成本高昂；装填波峰焊锅时，每1%的银大约使成本增加0.66美元/磅(见表
金属成本
专利载明的银含量范围为3.5%-7.7%。如此高的银含量使得焊料的大量使用变得成本高昂；装填波峰焊锅时，每1%的银大约使成本增加0.66美元/磅(见表2)。为控制成本，有人建议在波峰焊应用中使用不含银的无铅合金，在表面安装应用中使用含银合金。但正如下面所要讨论的，使用这种方法会因Sn/Cu和双合金工艺存在不足而造成失效。
Sn/Cu的工艺缺陷
遏制成本的想法虽说合情合理，但引用Sn/Cu需要考虑几方面的因素。第一，此合金的熔融温度为227度，使其在许多温度敏感应用上受限。此外，它比其它无铅焊料的湿润性差，在许多应用中需引入氮和强活性助焊剂并可造成与润湿相关的缺陷，这点已得到广泛证明。还有，一般来讲Sn/Cu表面张力作用较低，在实施PTH技术时容易进入套孔(barrel)中，且缺乏表面安装装配过程所要求的耐疲劳强度。最后一点，该合金的耐疲劳特性差，可导致焊区失效，从而抵销了节省成本的初衷。
双合金装配
还应注意的是，除Sn/Cu引起相关问题外，使用双焊料合金(SMT过程使用Sn/Ag/Cu，波峰焊使用Sn/Cu)也存在问题。Sn/Ag/Cu、Sn/Cu混用不宜提倡，因为这会造成合金焊点连接的不均匀性。如果这一情形出现，那么制成的焊点会因不能消除应力和应变而易产生疲劳失效。由于存在这些潜在的混用问题，因此在进行修复或修补时就需要开列两种合金的存货清单，并给出具体的指令进行监控，以使两合金不发生混用。然而，经验显示，不论对这种情形监控得多好，操作员都会趋向使用易用性最好也即流动性最好且熔融温度较低的焊料。因此，尽管焊点最初由Sn/Cu来装配，但大量修补工作可能会用Sn/Ag/Cu合金来完成。如果两种产品都在生产现场使用，那么RA会常用到，不只是好用的问题。双合金装配工艺的要害问题是会导致潜在的可靠性失效且很难对此进行有效地监控。
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焊点连接的可靠性试验
为分析Sn/Ag/Cu和Sn/Cu的可靠性，对它们进行各种热和机械疲劳试验。试验描述和试验结果如下：
热循环试验结果
测试板用Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5，以及1206薄膜电阻器制作。之后在-40度到125度的温度范围内，以300、400、500次的15分循环量对该板施以热冲击。然后将焊点分切，检查是否存在裂痕。
试验后检查的结果显示，Sn/Cu合金由于湿润性不好导致某些断裂焊点的产生。此外，成形很好的Sn/Cu焊点在施以第三种500次重复循环设置的试验时，也显示有断裂。
有意思的是Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金在经历高达500次重复的试验后没有任何断裂迹象。这显示出Sn/Ag/Cu合金具有Sn/Cu无法比拟的极为优异的耐热疲劳性。但需要注意的是，Sn/Ag4/Cu0.5合金在经过热循环处理后焊点的晶粒(grain)结构的确产生了一些变化。
机械强度-挠性测试
测试板用Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5，以及1206薄膜电阻器制作，对它进行挠性测试。用Sn/Cu0.7制作的焊点在挠性测试中产生断裂，这显示焊点不能承受大范围的机械应力处理。相反由Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5制作的焊点却满足所有的挠性测试要求。
混合解决方案？
为消除电子行业存在的隐患，已开发出了一种完全无铅装配的混合解决方案。她用粗糙的锡铅成品(QFP208IC)、有机表面保护剂PWB和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金焊膏构成系统，以复杂性或成本都不太高的方式达到了完全无铅装配的目的。取得成功的关键是这种装配方法能够承受峰值温度为234度的回流加热。需要注意的是，这种装配方法要经过惰性环境的处理。当然，限于元件的效用性问题，以及由元件热容、夹具固定等原因引起?%=T变化而造成事实上不是所有的装配过程都能达到234度的峰值板温度，因此不是所有装配都能够进行上述处理。但它给我们的重要提示是，在某些情形下，通过引入某些材料，实现无铅焊接可以变得轻而易举。
