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SMT无铅焊接对锡膏技术的新要求

SMT无铅工艺的步伐越来越近,无铅锡膏作为无铅工艺的重要一环,它的性能表现也越来越多引起人们的关注。本文结合萃华电子公司的最新无铅锡膏产品MulTIcore(96SC LF320 AGS88分析无铅锡膏如何满足无铅工艺的几个要求。


        众所周知铅是有毒金属,如不加以控制,将会对人体和周围环境造成巨大而深远的影响。欧洲议会2003年底已经通过立法,要求从2006年7月开始,在欧洲销售的电气和电子设备不得含有铅和其它有害物质。中国等国家的相关法律也正在酝酿之中。由此可见,SMT的无铅工艺已经成为我们必然的选择。本文以无铅锡膏的研发为基础,针对无铅工艺带来的几个问题,如合金选择、印刷性、低温回流、空洞水平等展开讨论,同时,向大家介绍了最新一代无铅锡膏产品MulTIcore(96SC LF320 AGS88相应特性。


        一、 无铅合金的选择 


        为了找到适合的无铅合金来替代传统的Sn-Pb合金,人们曾做过许多的尝试。这是因为无铅合金的选择需要考虑的因素很多,如熔点、机械强度、保质期、成本等。表1列举了三种主要无铅合金的比较结果。 


合金类型TIn Rich TIn Zinc (Bi) Tin Bi
熔点(℃) 209-227 ℃190℃137℃
主要问题 熔点稍有升高 容易氧化,保质困难 强度很差


        表1 三种无铅合金的比较结果 


       人们最终把目标锁定在富含Tin的合金上,在富含Tin的合金中,Sn/Ag/Cu 系列又成为选择的目标。而Sn,Ag,Cu三种合金成份比例的确定也经历了一段探索的过程,这主要是考虑到焊点的机电性能,如抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、塑性、导电率等等。最终两种具有相同熔点(217°C)且性能相似的合金成分:SnAg3Cu0.5(96.5%Sn,3%Ag,0.5%Cu)和SnAg3.8Cu0.7(95.5%Sn,3.8%Ag,0.7%Cu)成为无铅合金的主要选择。其中,SnAg3Cu0.5被日本、韩国厂商广泛采用,欧美企业更多选择 SnAg3.8Cu0.7合金。以上两种合金Multicore(均可以提供,代号分别为97SC和96SC。 

       二、 印刷性


        由于Sn/Ag/Cu合金的密度(7.5 g/mm3)比Sn-Pb合金的密度 (8.5g/mm3) 低,使用该种合金的无铅焊锡膏的印刷性比有铅锡膏差一些,如容易粘刮刀等。尽管如此,由于保证锡膏的良好的印刷性对于提高SMT的生产效率、降低成本十分重要,在合金成分相同的情况下,只有通过助焊剂成分的调整来提高锡膏的印刷性,如填充网孔能力、湿强度、抗冷/热坍塌及潮湿环境能力等,并最终提高印刷速度、改善印刷效果。 


        图1为Multicore(96SC LF320 AGS88的印刷实验结果。由图1可知该产品的可印刷速度范围为25 mm/s - 175 mm/s(图中的绿色部分表示印刷效果好)。事实证明,通过调整助焊剂成分和比例,无铅锡膏可以具有与有铅锡膏同样的高速印刷操作窗口。 


        三、 低温回流的重要性


        由于无铅合金的熔点升高(Sn/Ag/Cu合金的熔点为217°C,Sn-Pb合金熔点为183°C),无铅工艺面临的首要问题便是回流焊时峰值温度的提高。在图2中描述了无铅锡膏回流焊接时,在最坏情况假设下(线路板最复杂,系统误差和测量误差为正,以及满足充分浸润的条件),线路板上最热点温度可能达到的温度(265°C)。图中最冷点235°C是为保证充分浸润的建议条件。


        值得注意的是:一方面,若无铅锡膏所要求的峰值温度较高,线路板最热点便容易达到265°C,而该温度已超过了目前所有元器件的耐温极限;另一方面,若系统误差和测量误差为负,同时锡膏的最低峰值温度较高,便会有冷焊问题的发生。因此为了保证元器件的安全性、以及焊点的可靠性,无铅锡膏的最低峰值温度应尽量低,即无铅锡膏低温回流特性在无铅焊接工艺中十分重要。 


        值得一提的是,Multicore(的领先技术、独特配方成功地解决了这一难题,无铅锡膏96SC LF320 AGS88的最低回流温度仅为229°C,这就意味着应用该款锡膏进行焊接时,可以仅比217°C 的合金熔点高出3°C(保证一定的回流时间)。这样不但可以很好地解决可靠性、冷焊等问题,更可以减少生产工艺方面的调整,以节约成本。图3为该款无铅锡膏的回流操作窗口。由图3可知,96SC LF320 AGS88 拥有很宽的操作窗口:从熔点以上时间60秒/峰值温度229°C,到熔点以上时间80秒/峰值温度245°C的范围内均可以获得极佳的焊接效果,较宽的回流窗口可以更好地满足生产方面的不同需求。 


        四、 空洞水平 


        空洞是回流焊接中常见的一种缺陷,尤其在BGA/CSP等元器件上的表现尤为突出。由于空洞的大小、位置、所占比例以及测量方面的差异性较大,至今对空洞水平的安全性评估仍未统一起来。有经验的工程师习惯将空洞比例低于15%-20%,无较大空洞,且不集中于连接处的有铅焊点认为是可接受的。


        在无铅焊接中,空洞仍然是一个必需关注的问题。这是因为在熔融状态下,Sn/Ag/Cu合金比Sn-Pb合金的表面张力更大。如图4所示。表面张力的增加,势必会使气体在冷却阶段的外溢更加困难,使得空洞比例增加。这一点在无铅锡膏的研发过程中得到证实,早期无铅锡膏的主要问题之一便是空洞较多。作为新一代的无铅锡膏产品,Multicore(96SC LF320 AGS88增加了助焊剂在高温的活性,实现了技术上的长足飞跃,使得无铅焊点的空洞水平可降低到7.5%。


        五、 结论 


        1)Sn/Ag/Cu 系列合金成为无铅锡膏合金的主要选择;


        2)助焊剂介质的合理调整,可使无铅锡膏的印刷性与有铅锡膏几乎相同;


        3)无铅锡膏的低温回流特性对SMT无铅工艺意义重大;


        4)新一代的无铅锡膏,使得空洞问题得到明显改善。


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