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無(wú)鉛電子裝配的材料及工藝考慮
Material and Techniques for Lead-Free Electronic Assembly
J．Reachen
伴隨歐洲電子電氣設(shè)備指導(dǎo)法令(WEEE Directive)宣布到2006年部分含鉛電子設(shè)備的生產(chǎn)和進(jìn)口在歐盟將屬非法，以及國(guó)外同業(yè)競(jìng)爭(zhēng)者在全球不斷推廣無(wú)鉛電子裝配，相伴而生的對(duì)各種合金混合物的完好性和可靠性等問(wèn)題的考慮越來(lái)越受到重視。簡(jiǎn)言之，到底選用哪種合金，這一問(wèn)題變得越來(lái)越緊要。本文將對(duì)Sn/Ag、Sn/Ag/Cu和Sn/Cu等三種合金做深入考察，并對(duì)其可靠性試驗(yàn)結(jié)果與工藝上的考慮進(jìn)行比較。
Sn/Ag合金
Sn/Ag3.5-4.0合金在混合電路與電子組裝工業(yè)的使用時(shí)間較長(zhǎng)。正因如此，部分業(yè)者對(duì)使用Sn/Ag作為一種無(wú)鉛替代合金感覺(jué)得心應(yīng)手。但不巧的是這種合金存在幾方面的問(wèn)題。首先這種合金的熔融溫度(221度)和峰值回流溫度(2400-260度)對(duì)于許多表面安裝部件和過(guò)程來(lái)說(shuō)顯得偏高。此外，這種合金還含有3.5-4%的銀，對(duì)某些應(yīng)用構(gòu)成成本制約。而最主要的問(wèn)題是這種合金會(huì)產(chǎn)生銀相變問(wèn)題從而造成可靠性試驗(yàn)失效。
我們注意到，在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)(結(jié)果如表1)時(shí)，Sn96/Ag4在其中一種循環(huán)設(shè)置上產(chǎn)生了失效。對(duì)此問(wèn)題作進(jìn)一步研究得出的結(jié)論是：失效起因于相變。相變的產(chǎn)生是因合金的不同區(qū)有著不同的冷卻速率而致。
為對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行深入研究，用一根Sn96/Ag4焊條，從底部對(duì)其進(jìn)行回流加熱及強(qiáng)制冷卻，以便對(duì)其暴露在不同冷卻速率下的合金的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。Sn96/Ag4合金按冷卻速率的不同產(chǎn)生三種不同的相。由此考慮同樣的脆性結(jié)構(gòu)會(huì)存在于焊接互連中，從而造成焊區(qū)失效。正是由于這種原因，大多數(shù)OEM及工業(yè)財(cái)團(tuán)反對(duì)把Sn/Ag作為主流無(wú)鉛合金來(lái)用。銀相變問(wèn)題的存在也對(duì)高銀Sn/Ag/Cu合金提出了質(zhì)問(wèn)。
Sn/Ag/Cu合金
盡管涉及專(zhuān)利保護(hù)方面的問(wèn)題，世界大部分地區(qū)還是傾向選用Sn/Ag/Cu合金。但到底選擇什么樣的合金配方？本文將重點(diǎn)討論兩種Sn/Ag/Cu合金：受各種工業(yè)財(cái)團(tuán)推崇的Sn/Ag/Cu0.5合金和相應(yīng)的用作低銀含量合金的Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5。
兩種Sn/Ag/Cu合金的比較
在討論兩種合金體系的可靠性試驗(yàn)結(jié)果之前，先憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)兩種合金作一比較是有益的。大體上看兩種合金很相似：兩者都具有極好的抗疲勞特性、良好的整體焊點(diǎn)連接強(qiáng)度以及充足的基礎(chǔ)材料供應(yīng)。但兩者之間確也存在一些細(xì)微的差異值得討論。
熔點(diǎn)
兩合金的熔點(diǎn)極為相似：Sn/Ag4/Cu0.5熔點(diǎn)為218度，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5熔點(diǎn)為217度。業(yè)界對(duì)這種差異是否構(gòu)成對(duì)實(shí)際應(yīng)用的影響存在爭(zhēng)議。但如能對(duì)回流過(guò)程嚴(yán)格控制，熔點(diǎn)溫度變低會(huì)因減少元件耐受高溫的時(shí)間而帶來(lái)益處。
潤(rùn)濕
兩種合金比較，自然地會(huì)對(duì)選擇高銀含量合金的做法抱有疑問(wèn)，因?yàn)殂y含量變高會(huì)增加產(chǎn)品成本。有臆測(cè)認(rèn)為高銀合金有助于改進(jìn)潤(rùn)濕。但潤(rùn)濕試驗(yàn)結(jié)果顯示，低銀含量合金實(shí)際上比高銀合金潤(rùn)濕更強(qiáng)健和更迅速。
專(zhuān)利態(tài)勢(shì)
工業(yè)界渴望找到一種廣泛可獲的合金。因此，專(zhuān)利合金是不大受歡迎的。盡管Sn/Ag4/Cu0.5合金沒(méi)有申請(qǐng)專(zhuān)利，而Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5已申請(qǐng)了專(zhuān)利，但選擇時(shí)需要全面了解兩種合金的專(zhuān)利約束作用和實(shí)際供應(yīng)源情況才好確定。
上面已談到，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金已獲專(zhuān)利。但它已授權(quán)給焊料制造商使用，對(duì)授權(quán)使用者無(wú)數(shù)量限制和無(wú)轉(zhuǎn)讓費(fèi)用。目前，這一合金可通過(guò)北美、日本和歐洲的數(shù)家焊料廠商在全球范圍內(nèi)獲取。盡管Sn/Ag4/Cu0.5合金沒(méi)有申請(qǐng)專(zhuān)利，但用這種合金制成的焊點(diǎn)連接是有專(zhuān)利的，而在美國(guó)具有這種產(chǎn)品銷(xiāo)售授權(quán)的電子級(jí)焊料廠商的數(shù)量極為有限。
盡管用Sn/Ag4/Cu0.5制作的焊點(diǎn)有可能侵犯現(xiàn)有的專(zhuān)利權(quán)，但業(yè)界還是建議使用這種合金。人們?cè)傧氲卣J(rèn)為，通過(guò)給這種系統(tǒng)施加預(yù)先工藝可以避開(kāi)專(zhuān)利糾紛。但這種想法是錯(cuò)誤的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的專(zhuān)利說(shuō)明都會(huì)涉及合金成份和應(yīng)用范圍(焊點(diǎn))兩部分內(nèi)容。換句話(huà)說(shuō)，如果預(yù)先工藝能夠得到證實(shí)，突破專(zhuān)利的合金成份限制是可能的。但如果專(zhuān)利說(shuō)明做得很完善，那么還需向聲明了電子裝配焊接特定用法的應(yīng)用部分進(jìn)行挑戰(zhàn)。總的來(lái)說(shuō)，這意味著即使制造商正在使用一種專(zhuān)利規(guī)定范圍(如Sn/Ag4/Cu0.5)以外的合金，但如果在制造過(guò)程中，此合金"偶獲"基礎(chǔ)金屬成分(一般為銅)并因而形成一種含有專(zhuān)利規(guī)定范圍內(nèi)的成份構(gòu)成的金屬間化合物的話(huà)，那么該制造商就會(huì)因侵犯了專(zhuān)利權(quán)而受到法律的裁決。
金屬成本
專(zhuān)利載明的銀含量范圍為3.5%-7.7%。如此高的銀含量使得焊料的大量使用變得成本高昂；裝填波峰焊鍋時(shí)，每1%的銀大約使成本增加0.66美元/磅(見(jiàn)表2)。為控制成本，有人建議在波峰焊應(yīng)用中使用不含銀的無(wú)鉛合金，在表面安裝應(yīng)用中使用含銀合金。但正如下面所要討論的，使用這種方法會(huì)因Sn/Cu和雙合金工藝存在不足而造成失效。
Sn/Cu的工藝缺陷
遏制成本的想法雖說(shuō)合情合理，但引用Sn/Cu需要考慮幾方面的因素。第一，此合金的熔融溫度為227度，使其在許多溫度敏感應(yīng)用上受限。此外，它比其它無(wú)鉛焊料的濕潤(rùn)性差，在許多應(yīng)用中需引入氮和強(qiáng)活性助焊劑并可造成與潤(rùn)濕相關(guān)的缺陷，這點(diǎn)已得到廣泛證明。還有，一般來(lái)講Sn/Cu表面張力作用較低，在實(shí)施PTH技術(shù)時(shí)容易進(jìn)入套孔(barrel)中，且缺乏表面安裝裝配過(guò)程所要求的耐疲勞強(qiáng)度。最后一點(diǎn)，該合金的耐疲勞特性差，可導(dǎo)致焊區(qū)失效，從而抵銷(xiāo)了節(jié)省成本的初衷。
雙合金裝配
還應(yīng)注意的是，除Sn/Cu引起相關(guān)問(wèn)題外，使用雙焊料合金(SMT過(guò)程使用Sn/Ag/Cu，波峰焊使用Sn/Cu)也存在問(wèn)題。Sn/Ag/Cu、Sn/Cu混用不宜提倡，因?yàn)檫@會(huì)造成合金焊點(diǎn)連接的不均勻性。如果這一情形出現(xiàn)，那么制成的焊點(diǎn)會(huì)因不能消除應(yīng)力和應(yīng)變而易產(chǎn)生疲勞失效。由于存在這些潛在的混用問(wèn)題，因此在進(jìn)行修復(fù)或修補(bǔ)時(shí)就需要開(kāi)列兩種合金的存貨清單，并給出具體的指令進(jìn)行監(jiān)控，以使兩合金不發(fā)生混用。然而，經(jīng)驗(yàn)顯示，不論對(duì)這種情形監(jiān)控得多好，操作員都會(huì)趨向使用易用性最好也即流動(dòng)性最好且熔融溫度較低的焊
料。因此，盡管焊點(diǎn)最初由Sn/Cu來(lái)裝配，但大量修補(bǔ)工作可能會(huì)用Sn/Ag/Cu合金來(lái)完成。如果兩種產(chǎn)品都在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用，那么RA會(huì)常用到，不只是好用的問(wèn)題。雙合金裝配工藝的要害問(wèn)題是會(huì)導(dǎo)致潛在的可靠性失效且很難對(duì)此進(jìn)行有效地監(jiān)控。
焊點(diǎn)連接的可靠性試驗(yàn)
為分析Sn/Ag/Cu和Sn/Cu的可靠性，對(duì)它們進(jìn)行各種熱和機(jī)械疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)描述和試驗(yàn)結(jié)果如下：
熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果
測(cè)試板用Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5和 Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5，以及1206薄膜電阻器制作。之后在-40度到125度的溫度范圍內(nèi)，以300、400、500次的15分循環(huán)量對(duì)該板施以熱沖擊。然后將焊點(diǎn)分切，檢查是否存在裂痕。
試驗(yàn)后檢查的結(jié)果顯示，Sn/Cu合金由于濕潤(rùn)性不好導(dǎo)致某些斷裂焊點(diǎn)的產(chǎn)生。此外，成形很好的Sn/Cu焊點(diǎn)在施以第三種500次重復(fù)循環(huán)設(shè)置的試驗(yàn)時(shí)，也顯示有斷裂。
有意思的是Sn/Ag4/Cu0.5和 Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金在經(jīng)歷高達(dá)500次重復(fù)的試驗(yàn)后沒(méi)有任何斷裂跡象。這顯示出Sn/Ag/Cu合金具有Sn/Cu無(wú)法比擬的極為優(yōu)異的耐熱疲勞性。但需要注意的是，Sn/Ag4/Cu0.5合金在經(jīng)過(guò)熱循環(huán)處理后焊點(diǎn)的晶粒(grain)結(jié)構(gòu)的確產(chǎn)生了一些變化。
機(jī)械強(qiáng)度-撓性測(cè)試
測(cè)試板用Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5和 Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5，以及1206薄膜電阻器制作，對(duì)它進(jìn)行撓性測(cè)試。用Sn/Cu0.7制作的焊點(diǎn)在撓性測(cè)試中產(chǎn)生斷裂，這顯示焊點(diǎn)不能承受大范圍的機(jī)械應(yīng)力處理。相反由Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5制作的焊點(diǎn)卻滿(mǎn)足所有的撓性測(cè)試要求。
混合解決方案？
為消除電子行業(yè)存在的隱患，已開(kāi)發(fā)出了一種完全無(wú)鉛裝配的混合解決方案。她用粗糙的錫鉛成品(QFP 208 IC)、有機(jī)表面保護(hù)劑PWB和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金焊膏構(gòu)成系統(tǒng)，以復(fù)雜性或成本都不太高的方式達(dá)到了完全無(wú)鉛裝配的目的。取得成功的關(guān)鍵是這種裝配方法能夠承受峰值溫度為234度的回流加熱。需要注意的是，這種裝配方法要經(jīng)過(guò)惰性環(huán)境的處理。當(dāng)然，限于元件的效用性問(wèn)題，以及由元件熱容、夾具固定等原因引起?%=T變化而造成事實(shí)上不是所有的裝配過(guò)程都能達(dá)到234度的峰值板溫度，因此不是所有裝配都能夠進(jìn)行上述處理。但它給我們的重要提示是，在某些情形下，通過(guò)引入某些材料，實(shí)現(xiàn)無(wú)鉛焊接可以變得輕而易舉。
結(jié)論
無(wú)鉛焊接問(wèn)題已受到廣泛關(guān)注。其中有許多是源自對(duì)法規(guī)環(huán)境的擔(dān)憂(yōu)和市場(chǎng)行為的推進(jìn)。由此大大刺激了活動(dòng)的開(kāi)展，其中一些工作對(duì)行業(yè)的發(fā)展是有益的。 加工和可靠性方面存在的幾個(gè)問(wèn)題與Sn/Cu合金的使用有關(guān)。此外，裝配一種電路板使用兩種合金也存在問(wèn)題。如前所述，銀是Sn/Ag/Cu合金的高成本組份。由于同低銀合金比較，高銀合金在加工、可靠性或效用性方面沒(méi)有特別優(yōu)勢(shì)，因此在所有焊接應(yīng)用中使用不太昂貴的合金才是合情合理的。事實(shí)上，低銀合金不存在高銀合金潛在的銀相變問(wèn)題，且能改進(jìn)潤(rùn)濕以及熔融溫度也稍低。這種合金可從全球數(shù)家制造商處購(gòu)得。最重要的是，體現(xiàn)著Sn/Ag/Cu合金系多種優(yōu)點(diǎn)的低銀Sn/Ag/Cu合金不存在成本局限性問(wèn)題，因而可在所有的焊料操作中使用。這樣便消除了因采用Sn/Cu合金和雙合金工藝而引發(fā)的相關(guān)問(wèn)題。
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