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无铅工艺中铅污染对焊接可靠性的影响3

作者:  来源:smt100 

 

两种Sn/Ag/Cu合金配方的比较
    前面讲的可靠性实验有利于我们比较这两种不同百分比合金配方的优劣。能常情况下,这两种合金是非常类似的:无论是疲劳特性、焊接强度还是原料的供应,但是,一些相对次要的问题还是值得我们讨论的。例如下面几点:
熔点
    这两种合金的熔点其实也是相差无几的,Sn/Ag4/Cu0.5的熔点是218℃,而Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5的熔点是217%。一摄氏度的温差在实际应用中也许是微不足道的,但如果回流过程可以进行严格的控制的话,那么温度即便是减小一摄氏度,元件暴露在高温环境中的时间也会降低很多。图七是两种合金熔点的对比(虚线表示的是Sn/Ag4/Cu0.5合金的熔点曲线)
 
图七
润湿性
    比较这两种合金我们就会有一个疑问,那就是为什么要选用含银量高的合金,要知道银的费用是很高的?也许很多人会认为增加银的含量有利于提高锡膏的润湿性,但通过下面的润湿性实验我们发现含银量低的合金无论在润湿强度还是在润湿速度上都是优于含银量高的合金的。图8和图9显示的是这次实验的结果。
 
专利情况
人们喜闻乐见的是能够发理一种可以广泛使用的合金,已经申请专利的合金配方一般是不受欢迎的。尽管Sn/Ag4/Cu0.5合金配方是没有申请专利,而Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5配方已经申请专利了,但人们在考虑尽量不引起专利纠纷的同时还要考虑到原料的成本问题。所以尽管Sn/Ag2.5/Cu0.7/ Sb0.5已经申请专利了,但由于这种配方成本低,所以得到很多锡膏生产厂商的认可,目前包括北美、日本、欧洲等地的很多锡膏制造厂商都在使用这种配方生产锡膏。尽管Sn/Ag4/Cu0.5这种配方没有申请专利,但使用这种锡膏的用户必须明白一件事情,那就是使用这种合金成分的电子产品有可能被申请专利,而且锡膏生产厂商要在美国拿到这种销售许可证也是非常困难的。尽管其最终的电子产品有可能破坏现有的专利权,但是Sn/Ag4/Cu0.5在业界还是被推荐使用的,因为人们认为电子产品中的合金成分是焊接前就已经确定的并不是后期才组合起来的,所以也就不受专利权的制约。实际上这种想法是错误的,在绝大多数的专利书上都写明:合金成分及生产工艺(锡膏焊接)都在此专利的覆盖范围内。所以说电子生产厂家如果使用的是没有申请专利的锡膏,但其最终产品却存在受专利保护的合金成分时,它就会因违反专利法而受到控诉。这种情况下违反法律的是电子生产厂家而不是锡膏生产商。这一点需要引起大家的注意。
合金成本
几种无铅锡膏合金成分的价格如下表所示
    合金成分              价格(美圆/磅)
  Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5     4.01
    Sn/Ag4/Cu0.5          4.99
    Sn/Ag4.7/Cul.7        5.40
从这个表格我们可以看到,银的含量越高,合金的成本相应地也就越高。
Sn/Cu合金在生产过程中存在的问题
    如果单从成本方面考量,Sn/Cu合金是最佳的选择。但是在制程方面这种合金存在着很多问题:其一、Sn/Cu熔点高达227℃,很多热敏元件都无法承受如此高的温度;其二、国际焊锡工业协会(ITRI)及其它一些OEM厂商已经证明相较于其它无铅焊膏,Sn/Cu的润湿性非常差,如果在回流过程不使用氮气及活性很强的助焊剂的话,就会产生大量的不良品;其三、Sn/Cu的疲劳特性很差。这些无法弥补的缺陷使得Sn/Cu成分的锡膏即便是成本低也无法得到广泛的应用。另外Sn/Cu还有一个典型的问题,那就是在通路中的流动性差,不适合PTH工艺。
二重合金组装工艺
    Sn/Cu在回流过程中的焊接性能差但成本低,含银锡膏的焊接性能比较好但成本高,所以人们就考虑同时使用两种成分的锡膏(例如在SMT阶段用Sn/Ag/Cu,在波峰焊阶段用Sn/Cu)。但混合使用锡膏的话,焊点中的合金成分就比较难控制,相应地焊点的可靠性分析起来也就比较困难。另外在翻修时也不知道究竟使用那一种焊料。根据以往的经验,作业人员往往是那一种焊料方便就用那一种,他完全不会考虑可靠性等问题,手头上有什么焊料就用什么焊料。这样的话焊点的成分就会被打乱,贴片元件焊点有可能会变成Sn/Cu,插件焊点也有可能会变成Sn/Ag/Cu,也有可能是一个焊点同时含有Sn/Cu和Sn/Ag/Cu两种成分。
    也就是说同时使用两种成分的锡膏的话,实际管控起来是很困难的。
焊点可靠性实验
    为了分析Sn/Ag/Cu及Sn/Cu锡膏的可靠性,我们做了很多热疲劳及机械强度实验,下面就将实验的结果分享给大家。

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