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2019-12-25

理想焊点的质量模型及其影响因素(二)

发布者:合明科技 ; 浏览次数:272

理想焊点的质量模型及其影响因素(二)


文章来源:OFWEEK 可靠性杂坛

文章关键词导读:可靠性、焊接、PCBA线路板、PCB、锡膏、水基清洗剂



界面体内粒度小于100nm的微细强化粒子受焊接后冷却速率的影响。近些年来,随着无铅制程的推广应用,人们在焊点可靠性实践中,不断发现焊接后特别是无铅再流焊接后,冷却速率对焊点内晶粒粗细的影响很大,进而明显影响焊点的可靠性。实践案例的积累表明,提高冷却速率易于使焊点获得强化的微细晶粒结构;而降低冷却速率,便会导致焊点内晶粒粗化,如图6所示,从而使焊点可靠性劣化。


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图6不同的SAC合金组织成分随冷却速率变化的影响形成焊点的钎料组织中晶粒的粗细对焊点的机、电性能有较大的影响。

例如:(1)SnPb系合金。上面讨论的SnPb系中的3种组分:Sn37Pb、Sn40Pb、Sn50Pb的机、电综合性能比较如表1所示。表1


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由上述分析可知,焊点内的晶粒度:Sn37Pb<Sn40Pb<Sn50Pb;比较表1可知,焊点的机、电性能:Sn37Pb>Sn40Pb>Sn50Pb。由于共晶成分的钎料晶粒最细,而机、电综合性能又最高,这就是在工程应用上要尽量选用共晶成分的钎料合金的原因之一。避免晶粒粗大化的主要措施是:

●尽可能选择共晶组分或靠近共晶组分的钎料合金;

●选择合适的焊接温度,避免过热;

●避免过长的焊接加热时间;

●提高焊后的冷却速率,特别是无铅制程情况下;

●在焊接时要尽量避免非钎料成分中的其他金属元素溶入钎料中。

4 偏析少的钎料组织偏析对焊点可靠性的影响

(1)偏析少的微细强化相均匀分布的钎料结晶组织是人们所追求的。而由于偏析等形成的脆性相,即使在低应力下也会成为破坏的起点。

(2)ENIG Ni/Au镀层在再流过程中Au层会溶解于钎料中,因为界面上形成的AuSn4层是相邻于富Pb区域的,热循环试验中,可识别出元器件和PCB焊盘界面间的AuSn4合金层,建立在相邻于该层的局部Sn耗尽区域(富Pb区)的界面是不牢固的。缺陷有可能快速蔓延,并沿着AuSn4金属化合物产生断裂。(3)

富P层是脆弱的,而且每每随着Ni3Sn2(或Ni2SnP)层的生成,在其上要形成许多空隙(龟裂),并且这些空隙沿富P层内纵向延伸形成龟裂,如图7所示。由于这些和界面并列的空隙或富P层内的纵向裂纹而导致了焊点强度的劣化。


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图7 Ni(P)镀层和Sn37Pb钎料焊接的界面生成的裂纹

4)抑制焊点出现偏析的措施

●无铅焊接时一定要预防Pb污染;

●控制好焊接温度,避免过热;

●控制好加热时间,避免过长;

●采用含Cu的钎料可以有效地抑制Ni(P)镀层焊接时富P层的厚度。


弱的氧化膜典型的SnPb钎料合金状态图如图8所示。在图中的O点,液态钎料沿着虚线箭头方向冷却变成固体的过程为:首先,液体缓慢地冷却到达共晶点温度(183℃),如图8中的E点。于是,在液态合金中同时生成由B点和D点两种组分的固溶相。在B点是2.5%的Pb向Sn中固溶而形成β相(β-Sn),而D点则是19.2%的Sn向Pb中固溶形成α相(α-Pb)。它们相互交替重叠形成相邻的层状微细组织,这种层状微细组织正是共晶合金的特征,也称为片晶状组织,如图9所示。


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图8 SnPb钎料合金状态图


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图9 

典型的Sn37Pb钎料的组织然而,对偏离共晶组分的p点,从300℃开始缓慢冷却,抵达液相线上的F点(约270℃),在液态钎料溶液中生成的固体就像在大海中的岛屿。其组成从F点向右沿横线延伸到F1点,即在Pb中溶入微量的Sn而生成片状的α-Pb相初晶(初始出现的固相)。当温度继续降低时,α相缓慢成长,不久便到达固相线的G点,在这里残余的液体也同时固化。对应p点最后凝固后的组分是:由D点的α相(在Pb中溶入了19.2%的Sn)和B点的β相(在Sn溶入了2.5%微量的Pb)共同构成微细的共晶组织。由于初始出现的α相的组织比较粗大,故在最终凝固的共晶微组织中,Pb的含量在合金成分中是较低的(37%)。图8中的q点是含量为90wt%的高温钎料合金,其冷却过程是:从320℃(I点)开始冷却,在液态钎料溶液中首先出现α的固体粒子。随着温度缓慢下降,α相不断增大,到了J点(约240℃)钎料全部转变为α的均质固体。当温度继续降至140℃(k1点)时,再由此析出由k点(k1点沿水平虚线延伸)所对应成分的β-Sn,即随温度的降低在固体的α-Pb中溶入Sn已不可能,只能在α相中形成其他的结晶微粒。不同的SnPb合金成分从熔融状态凝固后的组织状态如图10所示。弱的氧化膜就是指在结晶晶粒界面之间,不能存在明显的氧化现象。

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图10 不同的SnPb合金成分从熔融状态凝固后的组织状态


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以上为合明科技在工业清洗方面的经验的累积,我们是国内自主掌握核心水基清洗技术的先创品牌,合明科技专注精密电子清洗技术20多年,是SMT贴装/DIP封装,功率半导体器件及芯片封装精密清洗工艺技术方案、产品、清洗设备提供商,也成为了IPC清洗标准主席单位。但是因为工业清洗问题内容广泛,没办法面面俱到,本文只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,力争能为客户提供全方位的工业清洗解决方案。

 

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