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开发高性能无铅波峰焊料合金的重点

作者:  来源:smt100 

 


    波峰焊是电子工业中许多领域的关键工序,转移使用无铅生产蕴藏着一些成本因素,其中之一是焊料合金的成本和性能,单单使用锡铜合金就会让用户的合金成本增加一倍以上,而且由于其工艺良率不佳,所以会造成更大的影响。与锡铅合金相比,目前可用的锡/银/铜(SAC)合金将使合金成本提高三倍以上,但是通常在工艺良率方面比锡铜系列好得多。许多任务厂就因为这个理由而选择了较贵的合金,因为工艺性能与企业的成功和生存息息相关。这个选择造成的两难境况已成为开发新合系列的推动力,激励业界开发一种既能实现工艺良率、又不如SAC合金系列那么昂贵的新型合金.
选择合金
无铅波峰焊接工艺现在处于早期开发阶段,据估计,目前使用无铅合金的波峰焊槽不足5%。在开发高性能无铅焊料合金时,研究人员必须评估主要特性,以及什么材料变量会构成这些特性(表1)。
    锡/银/铜(SAC)可为波峰焊接过程提供最好的工艺良率,而且许多用户信赖SAC的良好可靠性。目前这是最受欢迎的波峰焊料合金系,但是3%的银含量使其单位材料成本比较高。
    锡/铜共晶合金的成本低于SAC合金,但基本铜锡合金及其改性变种的工艺良率一贯比不上SAC合金。
因此,在研发新合金的配方设计时,必须同时提供较低的单位材料成本,以及相当的工艺良率、设备兼容性、组件与电路板兼容性和可靠性。
 
工艺性能要求
研发新合金的配方时需要满足的工艺性能包括:
1、固相线/液相线温度:层压电路板和组件受最高工作温度所限,如果高于这个温度,电路板和组件就会损坏。该项数据表明,每个合金系列在这些温度约束范围和工艺窗口内的适用性;
    2、粉末合金的机械特性:这包括硬度、最大载荷应力和延伸率。这些特
性综合起来表明焊点的机械强度;
    3、润湿速度润湿平衡试验通常用来测量组件的可焊l生并且作为开发和试验助焊剂的辅助工具,但是只要保持试验变量不变,就能把润湿试验当作衡量合金性能的一个相对尺度:润湿速度较快可以缩短焊料的接触时间,从而加快生产速度并减少电路板铜覆层的溶解。
4、铜溶解速率:PCB的铜覆层以这个速度溶入波峰焊接槽,这是无铅工艺的一个很重要的问题,特别是在使用Cu OSP焊盘表面处理的情况下更为突出。过去在Sn/Pb焊接过程中,铜溶解浓度达到0.3左右,焊槽便达到了平衡点。在无铅焊接过程中,由于锡槽温度和锡含量较高而加速铜的溶解。铜浓度上升使液线温度提高,因此不得不提高锡槽温度,才能保证温度高于液相线(以保持工艺良率)。然而,这样做又会加快铜溶解,从而造成恶性循环。因此,必须适当控制焊槽中的铜含量,以保证工艺良率。
 

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