新闻动态
News
您当前的位置:首页>>新闻动态
无铅焊接技术在微电子封装工业中的应用
发布时间:2019-07-16 丨 阅读次数:382

1 引言

钎焊焊接是指利用熔点较低的焊料(填充金属)和焊件连接处一同加热,焊料熔化后,渗人并填满连接处间隙而达到连接(焊件未经熔化)[’〕。传统铅锡焊料的熔点为183℃ , 焊接温度一般在225~2300℃之间。铅锡焊料的应用已有悠久的历史,由于它具有熔点低、原料丰富、价格低的优点,成为电子工业焊料中最主要的焊料系列。

如今,随 着电子封装工业的不断发展,焊接技术的使用变的越来越广泛,由于铅锡合金良好的性价比,在目前电子部件的装配上仍占主导地位。然而铅是一种重金属,不容易被降解,人类所使用的铅极少被回收,大部分以不同形式污染着我们周围的土壤、水资源和空气。

世界各国纷纷采取措施来限制铅对环境的进一步污染。20世纪90年代早期,人们便开始研究使用无铅焊料代替铅焊料的研究,并将解决铅污染问题分成五个部分:第一,提高世界各国对铅污染问题的认识;第二,开发新的焊接工艺;第三,焊料合金的选择;第四,焊料可焊性研究;第五,制定相关环境保护法律。而在我国,无铅焊料的研究起步较晚,研制无铅焊料成为我国电子工业的当务之急。


2 无铅焊料研究现状


2.1 无铅钎料的基本要求

现阶段研究的无铅焊料应该具有与 Pb-Sn系焊料大体相同的特征,这也是研究无铅焊料的基本要求,主要满足以下几点:第一,毒性要比Pb-Sn系焊料弱、不能含有Cd和Sb及其他对环境有害物质:第二,熔点应同Sn-Pb体系焊锡的熔点(183℃)接近,不应超过2000C;第三,全世界储量足够,能满足市场需求;第四,合适的物理性能,特别是电导率、热导率、热膨胀系数;第五,足够的力学性能:剪切强度、蠕变抗力、高温疲劳抗力、组织稳定性;第六,能利用设备和现行工艺条件进行安装;第七,能确保有良好的润湿性,较小的表面张力;第八,焊接后检修容易;第九,成本要低,这是产业化的一个重要考虑因素。

2.2 常用的无铅钎料

目前 , 国 内外已经研究开发了许多无铅系列焊料,有些已经广泛应用于日常生活、军事、航天航空领域。特别是在需要高温焊接的场合,一些无铅焊料具有比Sn-Pb系列焊料更卓越的性能。以下是按其二元基体成分分类介绍相关研究结果。

2.2. 1 Sn-Ag系合金

Sn- Ag 二 元合金的共晶成分为Sn-3.5A g,熔点为2210℃, S n-Ag合金焊料是一种重要的二元合金焊料,一般被认为是无铅焊料的首选材料。该系列相对较为成熟,一些典型成分已有生产应用。Sn-Ag合金的许多物理性能和Sn-Pb合金接近,耐疲劳、拉伸强度、抗蠕变性好,但是熔点较高,在Cu基体上的润湿性较差,因此近年在改善Sn-Ag焊料的润湿性和降低其熔点方面有较多的研究

林培豪等191的研究发现加人适量的Cu,In ,S和Bi可降低Sn-Ag合金的熔点,改善铺展性能,但是Bi的加人会使合金延展性下降,合金变脆。龚代涛等的研究表明,添加商量Zn也会降低焊料熔点,改善焊料对基体润湿性能。

2.2. 2 Sn-Zn系合金

Sn- Zn 合 金的共晶成分为 Sn-9Zn,熔点为198,能满足焊接需求。Sn-Zn合金焊料具有低的熔点,力学性能良好,价格低,原料丰富。但是润湿性、保存稳定性差,在焊接过程中Zn容易被氧化,需要选用有效助焊剂。

近年来对该焊料的研究主要集中在如何提高其润湿性和抗氧化性方面。魏秀琴等的研究发现对Sn-Zn合金微合金化可改善Sn-Zn合金对Cu的润湿性。另外加人适量的Bi也会有效改善Sn-Zn合金的润湿性。Kwang-Lung Lin等的研究发现在Sn-Zn合金中加人A1可改善合金的抗氧化和抗腐蚀能力。

Sn -Z n系 合金焊料已经广泛应用在铝焊接方面,但是该系的很多性能还没有彻底了解,有待进一步的研究。

2.2 .3 Sn -B i系合金

Sn -B i合 金的共晶成分为Sn-59Bi,熔点为1380℃,比Sn-Pb合金的熔点还低,适合于需要低温焊接的场合。Sn-Bi系合金的优点是熔点低,焊料与基体结合强度高,保存稳定性好,润湿性能好。但是不足之处是随着Bi含量的增加,将导致焊锡变硬、变脆,加工性能大幅度下降,焊接可靠性能变坏,所以必须控制Bi的加人量在适当范围内。

汤清华等的研究发现在Sn-Bi焊料中添加适量的Sn-Ag合金,可提高焊接温度,减少焊点中孔洞的出现,改善焊料的焊接性能,并且经过适当热处理能改善焊点的疲劳失效性能。另有研究表明在Sn-Bi系合金中添加Ag可以提高其抗拉强度和剪切强度。

2.2 .4 Sn-Sb系合金

Sn -Sb 系 二元合金的共晶成分为Sn-5Sb,熔点为245℃。Sb的加入提高了焊料的强度和硬度,在合金焊料中,Sn-Sb合金的屈服强度与Sn-3.5Ag很接近。然而Sn-Sb系熔点偏高,且Sb还稍具毒性,限制了它的开发和应用。

赵跃等的研究发现,Sn-4~5Sb-15~25Bi-2~3Ag合金系具有较低的固、液温度,较窄的固、液温度区间,一定的润湿性,较高的抗蠕变能力等优点,当在此合金系中加人微量元素Cu,Ni,In 后进一步改善了润湿性,可以满足电子线路焊接的要求。

2.2 .5 Sn -In 系 与 Sn -C u 系 合 金

Sn -In 合 金的共晶成分为 Sn-521n,熔点为118℃。Sn-In系焊料可提供较好的热疲劳性能、抗氧化性和抗碱性腐蚀性能,强度高,在Cu基上的润湿性能好,且蒸汽压低,能用于高真空密封焊和低温焊接场合。但因In的活性很大且储量不多,价钱又很昂贵,限制了该系合金的应用。

Sn-C u合金的共晶成分是 Sn-0.7 Cu,熔点是227-C. Sn-Cu合金价格最便宜,熔点高,但是力学性能最差,限制了它的应用领域。研究发现,提高焊接温度,在焊接时冲人N:作为保护气体或者在焊剂中加人卤素,均能改善Sn-Cu合金的润湿性能。Sn-Cu系合金主要应用于自动化工业,特

别是不能用含铅或银成分焊料的场合。


3 常用的无铅焊接技术


3.1 手工锡焊技术

随着电子封装工业的快速发展,尽管出现了一些新的焊接工艺,但是,手工锡焊技术仍不可少。

在手工焊接技术中,高质量、高可靠的焊点来源于被焊母材的可焊性、焊料、焊剂和操作技术四大因素。操作者必须具备和掌握手工焊接技术的基础理论知识,如母材的物理化学和电气性能、锡铅焊料状态图分析、助焊剂功能、操作秘诀等,其中操作技术是核心。手工操作三个要素是:第一,预热:将待焊母材(金属)加热到焊锡能融化的程度。第二,加助焊剂:带焊剂的焊锡丝、助焊剂熔点低首先起助焊剂三大作用。第三,加焊料:将焊锡送到焊接面上,掌握润湿程度时间和锡量。

3.2 漫焊和再流焊技术

浸焊技术是在手工焊基础上为了提高焊接效率,适合PCB电路焊接发展起来的。浸焊属二次焊接前道工序,起固定元器件作用,用波峰焊修正焊点,保证焊点质量,功率消耗和焊锡消耗大,已不属于先进工艺方法。印刷板的浸焊工序如图1所示。

再流焊是在焊接件上预镀焊料或者用成形焊料或焊膏,经过加热熔融进行焊接。这对于微小部分的锡焊和平面安装基板的锡焊非常有效。

再流焊的优点是仅在必要的地方给予适当成分的适量焊料;没有浸焊法所不可避免的杂质污染;不需进行阻焊处理;不会发生桥接,可进行高密度组装;可进行平面的组装而不需要通孔;能够仅在焊接处加热,对组装元器件的热影响小。

3.3 波峰焊技术

波峰焊接是将印制电路板组装件以平面直线运动方式,与熔融的呈波峰状隆起的焊料接触,实现锡铅焊连接的方法。波峰焊是一种先进的生产工艺,具有焊接质量稳定、生产一致性强、自动化程度高等优点,尤其适用于批量生产。波峰焊接技术的应用减少了生产工人的劳动强度,有效降低了生产成本大幅度提高了科研生产的效率和产品加工质量。波峰焊接工艺流程如图2所示。


4 无铅焊接技术的性能测试


为了电子元器件可以安全正常地使用,焊接材料能够正常焊接,必须对焊接器件进行性能检测。通常的性能测试包括熔点、焊点强度、疲劳强度、润湿性等。

4.1 熔点

无铅焊料合金的熔点高低直接决定其应用,用于电子封装的焊料熔点不能高于电路板所用许的最高温度,否则将会导致印刷电路的破坏。所以测熔点是研究焊料合金必须测的一项性能。

4.2 焊点强度

在微电子封装工业中,虽然焊点承受大作用力的情况不多,但是由于焊点的受力面积小,所以即使很小的作用力也有大的应力。影响焊接强度的因素主要是焊料的成份、焊接时间、焊接温度、焊接间隙。

另外 , 由于电路发热,焊点温度升高,焊料软化,因此,焊点的高温特性也成为重要的因素。掌握焊点所能承受的最高的温度,是设计焊点的重要环节。由于焊接条件和使用环境的不同,这一温度也有所不同。最高使用温度可用一般的实验式表

式中,—— 是焊料的固相线温度,℃

——室温 ,℃

4.3 疲劳强度

电子元器件的焊点必须能经受长时间的微小振动和电路发散的热量。随着电子产品元器件安装密度的增加,电路的发热量增加,经常会发生焊接处的电气特性劣化,机械强度下降或出现断裂等现象。材料在变动载荷和应变长期作用下,因累积损伤而引起的断裂现象,称为疲劳。疲劳是一种低应力破坏。

4.4 润湿性能

对于焊料来说,能否与基板形成较好的浸润,是能否顺利地完成焊接的关键。如果一种合金不能浸润基板材料,则会因浸润不良而在界面上产生空隙,易使应力集中而在焊接处发生开裂,即使其力学性能很优越,也不能用作焊料。

焊料的润湿性主要的指标浸润角和铺展率。从现象上看,任何物体都有减少其自身表面能的倾向。因此液体尽量收缩成圆球状,固体则把其接触的液体铺展开来覆盖其表面。如果液体滴在固体表面,则会形成图3a所示的情况。

图3b和3c分别表示浸润不良和良好的现象。θ为接触角,显然接触角越小,液态焊料越容易铺展,表示焊料对基板的润湿性能越好。当θ<90°,称为润湿,θ角越小,润湿性越好,液体越容易在固体表面展开;θ>90°。时称为不润湿,θ角越大,润湿性越不好,液体越不容易在固体表面上铺展开,越容易收缩成接近圆球的形状;当θ=0°或180°时,则分别称为完全润湿和完全不润湿。通常电子工业焊接时要求焊料的润湿角θ<20°。

影响焊料润湿性能的因素很多,由于在焊接时由于焊接时间短,元素扩散的程度不够充分,所以通常认为焊料的润湿性主要是由物理润湿性能决定的。凡是能改变液、固、气三相界面张力的因素,都会影响钎料的润湿性能。影响焊料润湿性能主要有:焊料和基板的材料组分、焊接温度、金属表面氧化物、环境介质、基板表面状况等。其中材料组分和焊接温度是主要的研究方向,Tao-Chih Chang,L.W ang等分别对焊料加人Ag,La 和Ce进行了大量的研究。


5 无铅技术的发展现状


5.1 国外无铅技术发展现状

20世纪90年代起,由于铅的污染问题,无铅焊料的研究成为业界关注的热点。国际上相继制定了一系列限制使用富铅焊料、发展无铅焊料的计划。其中美国日本在此方面态度最为积极。早期主要集中在研究新型合金成分及基本性能测试。后期的研究主要集中在Sn-Cu,Sn -Ag,Sn -Zn和Sn-Bi等二元合金系列,并深入探讨其性能及通过添加微量其他元素来实现焊料性能的优化。

由于二元合金也不能满足微电子封装工业的需要,三元甚至多元合金的研究也逐渐展开,业界还建立了包含Pb,Bi,Sn ,Cu,Ag,Zn和In元素相关资料的数据库,利用热力学计算法来进行焊料成份设计,这种方法大大减少了研究的工作量。

5.2 我国无铅技术发展现状

我国无铅焊料研究的历史不长,起步相对较晚。研究工作主要集中在新合金系列的开发和国外已经研发的合金焊料的分析方面。由于我国还没有立法限制铅的使用,国内一些主要针对国内市场的电子企业,仍然使用富铅的传统焊料,还没形成研究无铅焊料的紧迫感。而一些大的电子企业,为了产品出口国际市场,提高产品竞争力,对无铅焊料的需求迫切。随着世界电子产品无铅化的普及,大力发展无铅焊料已经成为当今一项巫待解决的问题。

6 无铅焊接技术的发展趋势

尽管人们对无铅焊料进行了大量的研究,但是目前的研究水平还不能够完全替代铅锡焊料。无铅焊料相对于铅锡焊料来说,存在着熔点不适合,机械性能差,润湿性差,成本高等缺点,限制了研发出来的无铅焊料的研究。所以继续研发新型无铅焊料,无铅焊料合金成份多元化,研究和改善焊接工艺,是无铅焊料研究领域的主要发展趋势。

随着计算机技术的迅速发展以及人们对于各种元素在合金中的作用的深人认识,利用计算机技术辅助进行焊料成份设计将成为可能。这为无铅焊料的研究提供了新的途径,节约了研究费用。

7 结语

综上所述,无铅钎料的研究和发展还处于刚开始阶段。我国是世界上电子工业大国,特别是家电产品出口大国,加人WTO后,我国的电子产品(如彩电、冰箱等)要成功地占领世界发达国家的市场,就必须逐步适应全世界范围发展无铅焊料的要求。因此,研制开发无铅钎料系列产品势在必行。

文章转载自:电子工程世界


↑上一篇:封装技术层出不穷,哪一种最适合?
↓下一篇:最后一篇

Copyright ©  陕西图灵电子科技有限公司  版权所有 电话:029-61868288/029-61868299      邮箱:turinget@163.com      陕ICP备15007831号-1 地址: 西安市经济技术开发区草滩十路1787号华伟自控科技园      技术支持:至成科技     企商网链接