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1、一、 无铅焊料的开发应用动向21.1 对铅的使用限制规定和欧美的研究而开发动向21.2 无铅焊料的实用化特征6二、无铅焊料的评价内72.1 无铅焊料的开发特征72.2 无铅焊料的熔融温度范围92.3 焊料强度102.4接合点强度102.5 润湿性11七、无铅焊料的实际应用事例127.1 Sn-Ag系(高温型)NEC的应用事例127.1.1 在回流焊接中的应用127.1.2 在波峰焊接中应用147.2 Sn-Ag-Bi系(中温型)日立公司应用事例157.2.1 无铅焊料的应用说明157.2.2 在回流焊上的组装应用167.2.3 在波峰焊接的实用化研究197.2.4 在混装工艺时的温度循环试验评
2、价207.3 Sn-Ag-Bi系(目前使用型)松下电器应用事例207.3.1 试验方法207.3.2 无铅焊料在回流焊接工艺批量应用评价217.3.3 无铅焊料在应用工程上的课题227.3.4 对于基板表面温度差大的大型基板在进入批量化时的研究227.3.5 波峰焊用无铅焊料的开发技术227.4 Sn-Bi系(低温型)富士通应用事例227.4.1 合金特性227.4.2 接合特性24八. 无铅焊料所对应的贴装组件258.1 无铅焊料的电镀258.2 焊料预置(Precoat)技术SJ法278.2.1 SJ法的工艺和特征278.2.2 对无铅化的应用288.2.3 Sn-Zn系无铅焊料的可靠性试
3、验结果288.3 无铅焊料对应的电子组件308.3.1 电子组件的耐热性308.3.2 无铅焊料使用时的接合可靠性318.4 无铅焊料对应的半导体封装器件318.4.2 片基材料的无铅化33一、 无铅焊料的开发应用动向1.1 对铅的使用限制规定和欧美的研究而开发动向二十世纪九十年代初，由美国国会提出了关于铅的使用限制法案(HR2479-Lead Based Paint Hazard Abatement Trust Fund Act，S-1347-Lead Abatement Trust Fund Act，S-729-Lead Exposure Reduction Act)，并由NCMS(the
4、 National Center for Manu facturing sciences)Lead Free Solder Project等进行无铅焊料的研究开发活动。表1.1是以欧美为代表的进行无铅焊料开发的设计方案，对无铅焊料的研制，在当时的情况下，发挥了相应的先导作用。1997年8月NCMS提出了最后的报告书“Lead Free Solder Project，Final Report，NCMS Report 0401 RE 96，August 1997，National Center for Manufacturing Sciences，3025 Boardwalk ，Ann Arbor
5、，M148108-3266”这个设计方案推荐的候补替代合金由1.2表示，根据不同的用途分为Sn-58Bi，Sn-3.5Ag-4.8Bi，Si-3.5Ag三种类型。(单位:mass%)但是，NCMS提出的结论，就无铅焊料的发展趋势而言，不可能成为现行Sn-Pb焊料完全的替代品，在世界范围类将会有多种新型的无铅焊料推向市场。 表1.1 世界范围类无铅焊料的开发动向公司名称设计方案鉴定(确定)ITRI公司General Electric公司Multicore Solders公司Northern telecom公司乙选定二种合金，对以下合金中正在进行调查Sn-3.5Ag，Sn-0.7Cu，Sn-2Ag
6、-0.8Cu-0.5Sb，Sn-4Ag-0.5Cu，Sn-Ag-Bi(Cu)，Sn-8Zn-3BiSn-0.7Cu(best)Sn-3.5Ag(next)NCMSTexas lnstruments公司Ford公司、GM公司、ATT公司Rockwell公司，Sandia Na-Tional Laboratory公司从79种候补合金中对以下7个种类正进行最终确定Sn-3.5Ag，Sn-58Bi，Sn-3Ag-2BiSn-2.6Ag-0.8Cu-0.5Sb，Sn-3.4Ag-4.8BiSn-.2.8Ag-20In，Sn-3.5Ag-0.5Cu-lZn已设定三种Sn-58BiSn-3.5Ag-4.8B
7、iSn-3.5AgSwedish Institutd of Pro-ductionEngineering Research(IVF)对目前已使用的无铅焊料进行综合调查，进行着焊料疲劳破坏机理的研究，欲开发添加Zr的Sn-Ag系高温强度合金。U.S.EnvironmentalProtection Agency;DesignFor Environment Program，PCB SurfaceFinishes Project进行替代表面处理技术的研究IDEALSMarconi Electronic Electronic System公司Siemens公司、Philips公司Multicore公司以
8、Sn-Ag-Sn-Ag-Cu-(Sp)系，Sn-Bi-Ag-x系合金为中心，对包含替代表面处理在类的应用技术作广泛的应用研究Sn-3.8Ag-0.7Cu-(Sb)系，Sn-Bi-Ag-x系合金为中心，对包含替代表面处理在类的应用技术作广泛的应用研究 表1.2 由NCMS Lead Solder Project推荐的无铅焊料(含金)合 金液相线固相线温度用途范围推荐理由Sn-58Bi139共晶家电产品通信产品属单纯二元共晶合金，融点低表面贴装:与Sn-Pb共晶比较其热疲劳损害少，通孔插装:与Sn-Pb共晶比较，对CPGA84其疲劳特 性良好，对CDIP来说其特性不好。Sn-3.5Ag-4.8Bi
9、210205家电产品通信产品航空航天装备汽车表面贴装: 对于1206电阻的热疲劳而言，在0100比Sn-Pb共晶焊料好，(6673个识验周期无损伤)在-55125与Sn-Pb共晶相同，从横截面分析比Sn-Pb的热疲劳损坏小通孔插装:在大部分的接合部，其弯月面上升。Sn-3.5Ag221共晶家电产品通信产品航空航天汽车单纯二元共晶合金。表面贴装: 在0100其热疲劳与Sn-Pb共晶相同，在-55125比Sn-Pb共晶差。通孔插装: 与其它的高Sn合金相比，不易产生焊接弯月面的升高。使用Sn-2.6Ag-0.8Cu-0.5Sb的结果，对其接合可靠性不太放心前面所述的限制法案对美国的电子产业产生的效
10、能并不大，只是让世界各国了解了NCMS的设计方案，对于对居住环境意识较强的欧洲，自1996年起，由EU 提出了汽车环保法案(End of Life Vehicles)，这个法案提出，2002年1月以后向市场提供的汽车不得使用铅、镉、水银、六价铬、PVC等材料。1997年EU又提出了家电环保法案(End of Life Electrical and Electronic Equipments)经1998年7月的法案修正，已明确至2004年1月起任何制品中不可使用铅、镉、水银、六价铬等有害物质。在美国由NCMS推荐了含有Bi的合金作为无铅焊料用候补合金，而在欧洲却将Bi看作为是铅的副产品，不太受欢
11、迎，一般看来单纯的二元系合金无铅焊料，如融点高的Sn-3.5Ag和Sn-0.7Cu，从可靠性观点看，Sn-3.5Ag系比较有利，而从经济观点来看，期待着将Sn-0.7Cu系无铅焊料用于波峰焊工艺。目前Northern Telecom公司生产的电话机已使用了Sn-0.7Cu焊料。三元系合金无铅焊料的开发应用，除了欧洲外，日本已同样将三元系合金作为应用开发中心。NOKIA公司和Multicore公司正共同研究，降Sn-3.8Ag-0.7Cu合金用于移动信产品上，有PHILIPS、SiemenS、Multicore等公司参加的IDEALS工作组织上(Improved Design Lifeand E
12、nvironmentally Aware Manufacture of Electronic Assemblies by Lead-Fee Solder)也将Sn-3.8Ag-0.7Cu-(Sb)合金作为优先推荐的候补替代合金。 无铅焊料在进入实用化阶段将会面临许多课题，譬如用于再流焊接，Sn-3.5Ag合金的熔点为243，Sn-0.7Cu为245，Sn-3.8Ag-0.7Cu为232，属于高熔点的合金，如何克服无铅焊料在应用中的不良因素，当前世界各国正在进一步给予研究开发。可以作为无铅焊料候补合金的熔点及成本的比较列于表1.3。 表1.3 无铅焊料候补合金的融点和成本比较合金名融点|()成本
13、(美元/cm3)当前问题点Sn-37Pb1830.05Sn-58Bi1380.07融点过低、Bi的稳定供给事宜Sn-20Sn-2.8Ag179-1890.38成本问题、润湿性Sn-10Bi-5Zn168-1900.06润湿性Sn-9Zn1980.06Sn-3.5Ag-4.8Bi205-2100.12可靠性、组成的管理Sn-7.5Bi-2Ag-0.5Cn213-2180.09Sn-3.2Ag-0.5Cu217-2180.10Sn-3.5Ag-1.5In2180.12In的稳定化管理Sn-2.5Ag-0.8Cu-0.5Sb213-2180.09Sn-3.5Ag2210.10Sn-2Ag221-22
14、60.09Sn-0.7Cu2270.06Sn-5Sb232-2400.061.2 无铅焊料的实用化特征根据世界各国的开发状况，要在短时间内研制出使用性超过Sn-Pb共晶焊料的无铅焊料是一件困难的事情。1998年2月日本电子工业振兴协会和电路实装学会公布了无铅焊料的实用化进程说明书。指出，在无铅焊料还没有完全成熟应用的情况下，制造业适用的产品可用产品可以使用Sn-Ag系焊料，并可以此类焊料作为主要的替代品向执行部门提供实用化的实绩报告，以进一步设定无铅焊料的型号、名称。这是日本开展无铅焊料实用化的基本设想。表1.4是典型的无铅焊料特征。 表1.4 典型的无铅焊料特征(日本规定)Sn-Ag系(添加
15、Cu，无Bi)具优良的机械性能，适合于波峰焊、手工焊、熔点高(216220)润湿性差。Sn-Ag系(少量Bi)熔点偏高，润湿性较差，机械性能好，在组装电镀铅的组件电极场合要确认其组装的可靠性。Sn-Ag系(Bi含量偏多)Sn-Zn系熔点靠进183对其综合特性有必要进行改进，组装电镀铅的组件电极实要确认其可靠性。 在熔点靠进183前后的无铅焊料，与现行的焊料相比，带来的问题是焊接组装后的机械特征和可靠性，以Sn-Ag共晶系形成的高温系无铅焊料，其熔点高是一个应用难题，今后也可能采用成本低的Sn-Cu系焊料，Sn-Cu系焊料的熔点，作业温度比Sn-Ag高，应该在N2氛围中使用。而对长期性延伸性好的
16、，耐疲劳特征优良的Sn-Ag系焊料的有利性，也必须加以确认。高温系无铅焊料的适用性问题有以下几点:(1)电子部品的内部连接: 其内部连接使用高温焊料的场合，与外部接合实的高温焊料是否适应。(2)电子部品电极部的电镀层: 经与Bi等无铅焊料的接熔反应，在接合接口易产生脆性金属化合物层，会降低可靠性。镀锡电极生存的晶须问题也必需加以技术鉴定。(3)部品的耐热性: 对于LSI的封装，其短引线电镀的耐热性是个问题，原有部分厂商采取电镀钯(Pb)，但实施效率较低，如引线材料是铁系42合金时，钯的电镀会发生困难，有必要研究新的电镀用材料。对塑封LSI来说，为防止焊接中发生的破损，使用高温型无铅焊料焊接，组
17、装前必须采取预热工艺。无铅焊料的实用化进程是否顺利，与焊接制造商、焊料厂商、元器件厂商这三者间的协调作用有很大的关系，其中有一方配合不周，既会对推广应用产生障碍，日本新能源，产业技术综合开发机构(NEDO)于1999年发表了为无铅焊料量产化、标准化的研究报告，定于2000年开始进入实施阶段。在无铅焊料的应用过程中，还有以下数点必须加以研究、解析。无铅焊料材料特性解析标准化问题及评价方法。无铅焊料接合时，对初使特性的评价方法和标准化事宜。接合工艺条件对无铅焊料适应性的工艺研究。在组装阶段对可靠性评价方法的设定和实施方式。无铅焊料材料的特性评价标准和电子部品的无铅化研究。日本NEDO工布的第一期无
18、铅焊料组装工艺评价对象(合金系)由表1.5表示。 表1.5 第一期无铅焊料的评价研究对象分 类焊料组成回流焊工艺波峰焊工艺银 系Sn-3.5Ag250中高温型250原来型式铋 系Sn-Ag-3Bi-CuSn-Ag-4Bi-Cu-Ge240中高温型Sn-Ag-5Bi-GuSn-Ag-6Bi230原来型式低温系Sn-57Bi-Ag175低温型二、无铅焊料的评价内2.1 无铅焊料的开发特征理想中的无铅焊料最好是与原来Sn-Pb共晶焊料特性相同的靠近低熔点处的类似型焊料。共晶焊料的主要特性，除具备低熔点外，能够像纯金属那样在单一温度下熔融凝固。作为Sn-Pb共晶替代物的无多方面铅焊料，也钸望具有与Sn
19、-Pb相同的熔融温度范围、良好的接合性能、润湿性等。在开发研制过程中，要完全达到原有焊料相同的性质是困难的，只有通过对Sn萁合金添加Ag、Bi、In、Cu等元素，组成性能最接近于原来使用焊料的替代物，同时要考虑到替代(无铅焊料)的无毒性， 造成本，保存稳定性等因素。图2.1是无铅焊料中候补合金系示意。高熔點焊料 含有Pb焊料无铅焊料Pb-Sn-AgPb-Sn 约300Sn-Ag22、3.5Ag與Sn-Pb共晶相同熔點的焊料Sn-Zn199、9ZnSn-Pb183、37PbSn-Pb-Bi低熔點焊料135/190Sn-46Pb-8BiAu-Sn278、20SnSn-Sb233/240、5SbBi
20、 Sn-Cu227、0.7CuIn Sn-Au217、10Au In-Ag143，3AgSn-Bi139，58Bi Sn-In118，52In 图2.1 熔点靠近183附近的几种候补合金系 对Sn-Ag共晶和Sn-Zn共晶添加Bi、In，目的是降低其溶点，添加Cu是为了使其组织细微化，并仰制Cu的溶解，随着某些应用上的要求，今后也可添加Ge、Ni、P等元素。目前对无铅焊料进行评价，衡量的报告比较少，只有在替代实用过程中，或根据所用素材本身的润湿，使用性能来比较鉴别，以促进无铅焊料的应用发展。无铅焊料的特征比较见表2.1，含添加了0.5%程度的Cu。表2.1 有可能实用化的几种无铅焊料特征比较项
21、目Sn-AgSn-Zn-Bi-In-Bi-Cu-Cu-Sb-Bi-Ag组成例Sn-3.4Ag-4.8BiSn-2Ag-7.5Bi-0.5CuSn-Ag-In-Bi(各为13)Sn-3.5Ag-0.7CuSn-4.7Ag-1.7CuSn-2.5Ag-0.8Cu-0.5SbSn-78Zn-35BiSn-8Zn-1Ag熔点、作业温度强度延伸率润湿性桥联发生频度波峰焊回流焊粉末化保存稳定性耐迁移?价格注: 评价基准: 良劣，?未确定 2.2 无铅焊料的熔融温度范围Sn基无铅焊料的熔点测定方式有下面三种(1) 同原来的热分析(TA)(2) 示差热分析(DTA)(3) 示差扫描热量分析(DSC)通常采用第
22、3种方式，对焊料由液体状态向固体态转化时，测定其冷却曲线。这在回流焊接中，因焊料的熔融动态形成的润湿、流向、弯月面是个重要的因素。各种熔融温度的测定方法特征和低熔点共晶、对固相线、液相线测定的适用性由表2.2表示，可以看出，低熔点共晶在加热时的DSC或DTA，对固相线冷却时的热分析或加热时的DSC，在液相线冷却时求得是最适宜的。无铅焊料属Sn基合金，应充分理解由过冷却因素，需在冷却时进行液相线、固相线温度测定的这个特征。表2.2 各种熔融温度的测定方法特征分析方法加热时冷却时低熔点共晶固相线液相线低熔点共晶固相线液相线热分析示差热分析(DTA)示热扫描热量分析(DSC)注: 测定精度良好，可以
23、测定，可以测定但精度差，不推荐图2.2是对Sn-3.5Ag合金的测定例，图中(a)的热分析可明显地看到冷却过程时的过冷却，凝固中回到共晶温度时不发生液相线温度误差。图中(b)的DSC在升温过程中熔融起始温度和共晶温度是一致的。由于过冷却因素，冷确过程后的散热不能表示其共晶温度，与峰值温度的液相线和固相线是没有关系的。根据最近无铅焊料的研究报告，经加热过程时的DSC测定，由峰值温度确定液相线温度的例子是很多的。实际上，只从平衡状态图方面考虑，所拿来发表的数值是不对的，因吸热峰值具加热速度依存性，不是物性值，在实用工艺上有把握焊料熔融动态的意义，仅靠这一点来表示液相线是有误差的。无铅焊料熔融温度范
24、围的确定，要考虑到下面几点:(1)为决定液相线温度防止过冷却发生，在过冷的情况下宜采用方便的测定方法(TA和DTA的共享)。(2)低熔点共晶的检测，经DSC可对加热过程有效地进行测定，在低熔点共晶基础偏析场合，可利用数次加热冷却的循环来进行探测。(3)不是由加热过程来确定液相线温度。2.3 焊料强度测定焊料本身强度的方法有二种，一是制作试验用的拉伸试验样件，样件通过铸造做成，不经过任何机械加工，另一种是将铸造后得到的拉伸用样件，经机械加工后做成符合试验用的圆棒，在进行试验。图2.3是焊料试件用的板、圆棒。前一种试验样件，因是铸造件存在的表面缺陷。大都会产生凝固收缩变形或发生裂纹，加上浇口方式的
25、差异得到的数据也不同，后一种样件经机械加工后，去掉了表面缺陷，但样件上可能存在的加工误差，也会产生位置上的偏差。按操作工人的使用习惯程度。采用后一种方式作为试验样件的情况居多，具体执行时就要考虑到样件铸造形状，铸造温度，冷却速度，采用的位置精度等因素。图2.4是Sn-Ag-Bi系无铅焊料的抗拉强度及延时Bi含有量的影饷示意，可看出Bi含量的增加，强度就增加，延伸性就降低。在拉伸试验中，由应变速度变化形成的载荷一位移曲线见图2.5。拉伸变形中应变速度减少一位负荷会降低，这种现象说明，负荷的应变速度依存性，按照合金成分组成、试验温度、应变速度范围而产生不同的变化。原来的Sn-Pb焊料在高温下会发生
26、微细粒超塑性现象，说明在室温时的拉伸发生的蠕变就大，例图2.5所示，应变速度(通常的拉伸变形速度)从104/S降到105/S ，负荷就会大大减少，Sn-Ag系无铅焊料特别是Sn-Ag-Bi系焊料，这种倾项向就小。图2.6是几种不同合金在0.2%屈服强度的应变速度感受示意，应变速度感受次序为: Sn-37PbSn-3.5AgSn-3.5Ag-3In-0.5Bi。这里显示的数值材料的蠕变特性有关，可通过应变速度变化的拉伸试验法来推算其热疲劳特性。抗拉强度和屈服强度没有指定的数值，会按照试验条件的异同产生变化。无铅焊料的强度试验有几个注意之处，其拉伸试验比常规的拉伸变形速度所表示的感受性系数要小，在
27、低应变速度情况下抗拉强度比Sn-Pb共晶要小，其蠕变性质比Sa-Pb共晶难以生存，因此按照要求，测算其抗拉强度，最好在3位数的应变速度范围内进行(102/S104/S范围)，由不同的应变速度来计算抗拉强度。2.4接合点强度由于润湿性和物性值的异同，焊接时会造成弯月面形状的不一致，焊料本身强度与接点强度的不合，随着接口层的形成会带来破坏过程的变化。同Sn-Pb共晶比较相同的焊膏印刷厚度，虽然焊料体积一样，但润湿性的不一致也会发生焊料弯月面的差异。接合点强度试验可分为拉伸、剥离、剪切三种，拉伸和剥离适用于引线类贴片组件，剪切适用于阻容类贴片件(见图2.7)。引线的拉伸试验如图2.8所示，从反向决定
28、弯月面的最大负荷，引线从封装体的断离和不断离，其拉伸数值当然不同。通过强度的绝对值观察时效变化，并从基板的45度方向进行拉伸试验，这种做法比较普遍。图2.9是QFP引线(Sn-3.5Ag电镀)的剥离试验结果，采用Sn-2.72.4Ag-Bi无铅焊料中Bi为0.5%的最大值，随着Bi量的增加强度逐步降底，说明不对应焊料本身强度在形成的引线界面Sn- Fe-Bi层中Bi含有量关系。图2.10是Sn-3.5Ag-3In-Bi无铅焊料经150时效后的强度变化，图中可看到Sn-37Pb时效后的强度跌落情况。接合接口的强度关系同样说明无铅焊料中Bi含量的增大其强度会减少。另外，片式组件剪切强度的规定虽然已
29、有标准，但对微小型组件来说，剪切识验中切断夹县安装位置的偏差都会使结果发生差异，易受到焊料量多少的影饷。在使用无铅焊料时要考虑到，由于其强度、润湿性原因，所形成弯月面形状的差别而发生强度差。2.5 润湿性(1) 润湿试验润湿试验一般采用润湿曲线。润湿力进行润湿平衡评价。目前，专门用于无铅焊料润湿试验的装置和方法都没有，只能依据原来的试验来执行，利用原波峰焊接的方式来评价比较方便。润湿平衡试验，如果焊料温度固定，液相线温度低的焊料，其润湿时间就短，润湿的起始温度由焊料的成分组成来确定。润湿时间如对应着试件的上升温度，不一定表明润湿的真正作用，应该从试件尺寸、表面状态、识验焊料槽的表面积、体积、助
30、焊条件、试验条件等各个方面进行分析比较。(2) 扩展试验扩展试验是通过一定重量(体积)的焊料，在扩展后测定焊料的高度，以求出扩展率。扩展率(%)=100(DH)/D这里: H扩展后的焊料高度(测定值) D识验用焊料球直径，D=1.24V1/3 V质量/比重。润湿性好的焊料扩展率会超过90%，扩展率的简单计算方法，可以由扩展面积通过接触角进行计算，将扩展部份看作为球的一部分利用几和学来求出，通常所用试料少的场合产生的误差就少。(3) 桥联试验应该从实用性观点评价无铅焊料的润湿性，并设立桥联试验方法，根据试验方法测定无铅焊料桥联的发生频度，测定数据有待于今后的技术报告。(4) 实用化试验无铅焊料在
31、向规模化，实用化应用时，关建的是操作(作业)温度条件的变更，特别是装载耐热性差的片式组件在高温时间的焊接温度曲线较难设定。针对高密度组装的微型焊接特征，SMT基板在回流炉内通过后，这时所有的接合点最好在适合的温度条件氛围中进行回流焊接，小型基板，热容差小的元器件一般都没有问题，大型基板热容差大时，焊接中就必须谋求均匀的上升温度，不然将会产生润湿性的差异，对弯月面形状、接点强度造成不良影饷。QFP引线上升温度及QFP的设置间隔见图2.11，组装密度高，间隔距离小的基板温度上升就慢。理想的温度曲线最好是所有接点的上升温度是均一的，但实际上很难做到，通常都采用较慢的上升速度使基板进入适宜的温度范围并
32、给予设定。有时上升速度过快，会在熔融焊料与母材金属或电镀材料(电极镀层)产生过剩反应，形成金属间化合物，随着金属化层的溶解产生去湿不良。对熔融温度高的无铅焊料，焊接中要获得合格的接合点，必须提高焊接操作温度，在设定焊接温度时，同时又要考虑到贴装组件的耐热性，基板的受热变形因素，避免由于温度不足发生的接合不良。改善无铅焊料焊接时间的不良，方法有以下几点:1. 可使用防止氧化的充氮焊接方式。2. 对无铅焊料进行适当的表面处里理(电镀、金属化)。3. 开发适合于无铅焊料使用(配合)的助焊剂。4. 有效地利用某些添加元素。5. 只要工艺许可，适当提高焊接温度改善润湿性。 七、无铅焊料的实际应用事例7.
33、1 Sn-Ag系(高温型)NEC的应用事例7.1.1 在回流焊接中的应用目前已经开始应用的无铅焊料，Sn-2Ag-0.7Cu对回流焊/波峰焊/手工焊都适应用，回流焊专用的常选择Sn-2Ag-3Bi-0.7Cu。由于目前电子组件的电极还未全部做到无铅化，本节讨论、评价的主题还是以现行使用的电镀Sn-Pb电子组件作为讨论对象。(1)无铅焊膏基础评论价回流焊接使用的无铅焊膏，除了必须适应应用中的印刷/组件贴装/回流焊等工艺外，与原来焊膏相同，还须进行润湿性、焊料球、印刷性、印刷塌边、加热塌边、触变性、焊剂可靠性等方面的评价。表7.1是有关无铅焊料扩展性、焊料球的测定比较(图7.1)。采用无铅焊料的液
34、相线(216220)加上50的270进行测试，(焊料A，在回流温度240也进行了测定)，Sn-37Pb)焊料B，比焊料A的扩展性要好。表7.1 扩展程度、扩展率焊料球试验结果试料符号合金组成W%熔融温度扩展程度JIS Z 3284扩展率焊料球240270Ihr24hrRSn-37Pb183185.35(230)12ASn-3.5Ag-0.75Cu216220171.4582.8212BSn-2Ag-3Bi-0.7Cu2102161-83.4022焊料球试验：24小时内的凝聚度在2小以内，焊料粒子的氧化比较少，状态良好。铜板腐蚀试验，镜铜腐蚀试验、迁移试验、焊剂可靠性等全部通过，操作工艺评价例印
35、刷性、塌边性、触变性等，无铅焊料A、B与Sn-37Pb的性质基本相同，不存在使用上问题。作为无铅焊料润湿性低的理由，与Pb比较主要是金属氧化物生成的自由较能稳定，是由金属性质所产生的现象。在认识其润湿性质后，可经焊剂的改进和在N2气体中进行焊接等方式，来增加无铅焊料的润湿性能。(1) 接合全评价对0.5mm间距的QFP执行抗拉强度剪切强度的测定。条件: 两面回流焊接，一次预热(烘烤)，焊接温度240(峰值)升温曲线，在所定温度循环试验实施后，观察强度性质和断面组织。强度方法见图7.2，元器件测定结果汇总在表7.2，强度变变化见图7.3。经试验，QFP的抗拉强度在不加入Bi，焊料A(Sn-3.5
36、Ag-0.75Cu)破坏大体在焊区部剥离，依存于焊区强度；加入3%Bi的焊料B(Sn-2Ag-3Bi-0.7Cu)到300次循环，在焊料接合界面的破坏比较多，其强度比Sn-37Pb低。超过500循环从焊区上脱离，与其它焊料无明显差别。表7.2 强度试验破坏状态(方式)温度循环数初始1003005001000208脚QFP间距0.5mmSn-37PbP10P10P9、H1P10P10Sn-3.5Ag-0.75CuP7、H3P10P8、H2P10P10Sn-2Ag-3Bi-0.7CuP5、H5P1、H9P10P10P102.01.25mm片式钽电容Sn-37PbH10H8、D2H10P2、H8H1
37、0Sn-3.5Ag-0.75CuH10P1、H6、D3H10P6、H3、D1P7、H3Sn-2Ag-3Bi-0.7CuH10H10H10H4、D6H10注: P从基板焊区剥离、H焊料接合接口剥离、D片式组件电极剥离片式组件的剪切强度对钽电容来说有明显差异。从图7.4中，Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料与原来的Sn-37Pb相同热循环后强度不降低，在500循环后组件电极的剥离发生在焊料接合界面外的地方。Sn-2Ag-3Bi-0.7Cu焊料的剪切强度最大会减少约30%，将在焊料接合界面产生破坏，从初使断面比较，Sn-2Ag-3Bi-0.7Cu形成的弯月面大，故接合面积比Sn-3.5Ag-0.75
38、Cu要宽。含有Bi的Sn-2Ag-3Bi-0.7Cu焊料，断裂界面发生在接合界面处，与接合面积、应力、应面无关，主要是焊料中的Bi增加了其抗拉强度，作为整个接合体来看待的场合，说明焊料延伸性的重要，不可按照原来的应力应变产生的接合界面破坏这样的思路来进行推测。上述成分的焊料Bi的添加量未超过3%，这样的焊料强度不受损伤，在润湿性得到改善的同时，其液相线只市稍微有些降低，但是对接合可靠性来说显示的作用是重要的。(3)在便携式信息产品“Mopailegea”上的应用用Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料应用于微型信息Mopailegea产品上的试分析，该产品基板装有1.27mm间距的BGA、0.5m
39、m间距QFP，0.5间距的连接器，1.00.5mm片式组件，回流焊的峰值温度采用液相线50的270，由于事先考虑到部分塑对组件的受热变形，连接器等组件在焊接后再进行组装，焊膏的印刷，组件装载没有出现不良，也没发生因基板变形产生的IC损伤，在经过这样件运作试验后，进入批量化生产。回流焊接使用270的高温，对耐热性差的组件是比较担心的。后一种试验，采用的焊接峰值温度设定在220，温度保持时间在25秒左右(见图7.5)，试验中连接器没有发生变形，焊料的熔融性良好，说明这种焊接方式可行的。为使组件遭受的热应力低一些，焊接温度的均匀化是重要的。(4)剩于课题利用Sn-Ag系高温焊料进行回流的最大课题是电
40、子组件焊接时的损伤，因目前大多数电子组件是针对Sn-37Pb焊料而设计的，其中比较典型的薄型的LSI封装和塑封件连接器等，存在的问题大。组装中对热容大的大型QFP、BGA有必要对其端子部加热，如果同时存在热容小的组件一起加热，很可能就会产生对组件的过热，既超过了组件承受的耐热温度。针对Sn-Ag系焊料的应用发展，在减少对多引线LSI和小型组件使用限止的同时，设法增加组件的耐热性，适当降低回流焊的最高温度，提高回流炉的均匀加热能力，提高焊接预热温度，改变组件电极的设计等都是急需要着手进行的课题。7.1.2 在波峰焊接中应用使用焊料槽的波峰焊接，最好希望所用的焊料为单纯组织，以得到变化少，稳定性好
41、的焊接，现选择Sn-3.5Ag-0.75Cu作为波峰焊接用无铅焊料。(1)波峰焊工艺与原Sn-37Pb相比，无铅焊料的熔点比原来的要高出60(240-250)。波峰焊接过程是基板焊接部分加热，元器件的本体一般不与焊料接触或接触时间很短，对元器件来说耐热性基本没有问题，Sn-3.5Ag-0.75Cu无铅焊料的波峰焊试验，其焊接温渡设定在250，工艺上存在的问题是:a. 润湿性恶化b. 容易发生焊料浮渣为改善焊料的润湿性，考虑的方式是增加助焊剂的活性，从环境保护;角度出发，最好选用活性度弱的免清洗焊剂。用250进行波峰焊接，其焊接质量接近于Sn-37Pb，没有出现焊料向未插入组件的通孔扩展的现象。
42、(见图7.6)焊料的扩展现象不仅针对于高温系无铅焊料，是整个无铅焊料范围的共题。防止焊料生存浮渣的对策是防氧化剂、还原剂，从焊接设备一侧考虑可选择N2 波峰焊和合适的焊料喷口，另外，无铅焊料的价格比Sn-37Pb高，可控制焊料投入量的无铅焊炉设备已进入市场，也可使用带焊料槽再循环使用部件的设备。(2)弯月面提升的课题在使用Sn-Bi系焊料进行波峰焊接时会产生弯月面提升(Fillet Lifting)不良情况，由图7.7展示。对焊料元素分布状况分析的话，可看到在焊料和Cu焊区界面生存的偏析，这是在导热系数大的引线附近焊料开始凝固的原因，而造成弯月面的提升。在图7.8上可看到，随着固化现象的组织变
43、化，由Bi的偏析使焊区周边形成Bi的偏析使焊区周边形成Bi-rich状低溶点部分，再由引线和焊料热收缩产生对低熔点部焊料的拉伸，从而造成了焊区部的上浮现象。不仅焊料使用中会发生低温相，作为焊料和电镀使用的Sn-Ag-Pb和Sn-Pb(指贴装组件电极)其熔点比Sn-Ag系焊料低，应用中也同样发生低温相，说明了焊料与电镀关系的重要性，焊料弯月面提升的发生机理有以下三点。由焊料本身产生的低温相。由焊料与电镀关系产生的低温相。在固液共存领域大的场合所使用的焊料。在未插入组件的通孔部和由于焊料的热收缩及凝固收缩现象均会产生焊料的弯月面提升,作为对策，要注意到焊料本身的低温共晶和基板的表面处理，并对电镀选
44、用的元素与形成低温相的关系也必须注意。无铅焊料的应用不仅仅是焊料的替换，所对应的基板表面处理、组件电极电镀、焊接工艺设定等均是重要的因素。7.2 Sn-Ag-Bi系(中温型)日立公司应用事例7.2.1 无铅焊料的应用说明日立公司对无铅焊料的应用目标，2000年在各类产品达到50%，2001年将达到100%。目前已经开始应用的无铅焊料大致分为表7.3中的三类，既作为高温系的Sn-Ag， 普通基板和耐热性差的组件不能使用该焊料。焊接温度偏低，可保证中度可靠性的中温系Sn-Ag-Bi焊料和耐热性非常低的产品用的含Bi15及57%，回流、波峰焊用低温系焊料。表7.3 无铅焊料分类和用途 高温系(无Bi)中温系(低Bi含量)低温系(高Bi含量)基板A面回流焊接Sn-Ag-x235245Sn-Ag-Bi-x230240Sn-28Ag-15Bi(220)Sn-1Ag-57Bi(2
