控制无铅焊料合金组成，减少无铅焊接"立碑"现象
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2020-12-09
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控制无铅焊料合金组成，减少无铅焊接控制无铅焊料合金组成，减少无铅焊接"立碑立碑"现象现象
"立碑"现象苦恼表面贴装工业已有十年了。尽管随着材料、设计和工艺控制改善，特别是作为主要焊接技术的汽
相回流技术的淡出，这种情况已经逐渐得到控制。但是随着像0402和0201封装的微型器件的出现，该问题正重
新出现。最近，全球针对无铅焊接的研究增加了人们对"立碑"问题的关心，主要原因就是无铅焊料的表面张力相
对增大。SnAgCu系列无铅焊料的"墓碑"行为，受焊料合金组成和性质的影响，如合金表面张力、合金相图和焊
料润湿性等。以共晶SnPb焊料作为基线，Indium公司的实验研究探讨了影响"墓碑"的焊料的性质，评估出影
响"立碑"问题的关键特性，并表明SnAgCu焊料的"立碑"现象可通过调整焊料组成得到控
"立碑"现象苦恼表面贴装工业已有十年了。尽管随着材料、设计和工艺控制改善，特别是作为主要焊接技术的汽相回流技术的
淡出，这种情况已经逐渐得到控制。但是随着像0402和0201封装的微型器件的出现，该问题正重新出现。最近，全球针对无
铅焊接的研究增加了人们对"立碑"问题的关心，主要原因就是无铅焊料的表面张力相对增大。SnAgCu系列无铅焊料的"墓
碑"行为，受焊料合金组成和性质的影响，如合金表面张力、合金相图和焊料润湿性等。以共晶SnPb焊料作为基线，Indium公
司的实验研究探讨了影响"墓碑"的焊料的性质，评估出影响"立碑"问题的关键特性，并表明SnAgCu焊料的"立碑"现象可通过调
整焊料组成得到控制。
试验设置
实验材料和设备
焊接材料采用SnAgCu系合金焊料样品：98.3Sno.96Ag0.74Cu、97.5 Sn2.0Ag0.5Cu、96.7Sn2.5AgO.8Cu、
96.5Sn3.Oag0.5Cu、95.5Sn3.5Agl.0Cu、和95.5Sn3.8Ag0.7Cu，同时以63Sn37Pb作为基线对比测试。
实验覆铜箔试验板尺寸：20cm×15.2cm。每个试验中，采用了工69个0402器件。为减少因印刷和定位带来的影响，采取了两
队焊盘交替印刷焊膏的方法。
评估试验设备：Manix汽相回流炉。SnAgCu试验采取沸点260℃的S0lay Solexis HS-260汽相回流液，SnPb焊膏采取的汽相
回流液的3M Fluorinert 70的沸点是245℃。每一个被测试焊膏的回流板数为8块，共使用了1352片器件。
图1 采用沸点为260℃的汽相液进行SnAgcu焊膏试验的回流曲线
图2 采用沸点为245℃的汽相液进行63Sn37Pb焊膏试验的回流曲线
液态焊料的润湿力和润湿时间
在焊膏"立碑"测试中，润湿力和润湿时间也是要考虑的重要问题。在该试验中，试验程序按照工PC-TM-650(浮力校正后)来进
行，样品浸入速度2cm／Sec，高度2.5 cm，时间限制在4秒内，锡锅温度：SnPb焊料为245℃：Sn久置Cu焊料为260℃。
DSC(Differential Scanning Ca1orimetry)
DSC可用来测量焊膏对"立碑"影响的焊料熔化行为。在电子制造业，焊料熔化行为的变化已被应用到了减少"立碑"中去。该研
究，采用了加热速率为5℃／min、采用氮气保护的SEIKO DSC5220测试仪。采用的焊料粉末为标准样品。
表面张力测试
经测定，焊膏"立碑"现象与各自焊料合金的表面张力有关。在该试验中，使用了Multicore MUST系统来测量焊料合金的表面张
力。试验样品为一块尺寸为2.5cm×O.4cm×0.062cm铝片，SnPb锡锅温度为245℃，SnAgCu锡锅温度为260℃，样品浸入速
度为0.5 cm／Sec，高度为2.5cm。当铝片在某一高度开始浸入焊料中时，形成稳定的弯月面，作用力与被替代焊料体积成相
应比例关系，这种作用力可表示为F=L+ghA。
其中，L表示铝片的周长，表示表面张力，表示焊料密度，h表示浸入深度，A表示被替代焊料体积曲面面积。当浸入深度h=0
时，作用力F=L，此时可测定表面张力大小。该试验测量出的63Sn37Pb表面张力为0.5l±0.0lN／m。
试验结果
"立碑"测试结火
对无铅焊料来讲(图3)，95.5Sn3.5AglCu的"立碑"率是最高的，且从3.5Ag含量开始，随着Ag含量升高而减少。63Sn37Pb缺陷
率较95.5Sn3.8Ag0.7Cu稍微降低。很有意思的是，我们发现回流温度对63Sn37Pb"立碑"率的影响可以忽略不计。很显然，当
回流温度分别在215℃和260℃时，63Sn37Pb"立碑"率分别为2.00％和2.24％。
图3 焊膏"立碑"率与汽相回流工艺关系。这里SnAgCu和SnPb焊膏的回流温度分别为260℃和245℃。
这里SnAgCu和SnPb焊膏的回流温度分别为260℃和245℃。
液态焊料的润況力和润況时间
液态焊料润湿力和润湿时间分别如图4和图5所不。由此可见，所有SnAgCu焊料的润湿力均低于63Sn37Pb焊料，"立碑"率和
润湿力之间无关。
另一方面，SnAgCu系在260℃时的润湿时间与"立碑"率之间视乎关系不太明显，润湿时间稍长之后，"立碑"率才更高起来。
应该关注不同合金相对润湿能力对两种情形的区别，在器件两端不平衡润湿也许在焊膏熔化之处就已经开始了。
DSC
从63Sn37Pb和SnAgCu合金粉末的熔化DSC曲线可以看出，95.5Sn3.8AgO.7Cu和95.5Sn3.5Ag1Cu都出现了单个熔化峰，前
者在高温终点出现一个尾部。在 A g含量低于3.5％时，熔化峰逐渐变得平坦，随着 SnAgCu中Ag含量降低，逐渐出现双峰或
多峰。
图4 分别在245℃和260℃温度下澳得的63Sn37Pb和SnAgCu焊料润湿力。
图5分别在245℃和260℃温度下测磋63Sn37Pb和SnAgcu焊料润湿时间。
吸热曲线的复杂性与低"立碑"率有相应系，较宽峰与低"立碑"率相关(图6)。习温度范围与低"立碑"率相关，较宽的半熔融其"立
碑"也较低。
图6 加热DSC吸热曲线宽度与SnAgcu系"碑"率之间关系。其中，X和Y分别代表特定SnAgCu合金Ag和Cu含量。
分析DSC吸热曲线，可大致估计熔化之初固态物质含量，分析的近似方法如下：
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