无铅焊接系列知识培训-绝对是精品中的精品 [复制链接]

:rolleyes:
part2

[QUOTE]最初由 jeff 发表
[B]我整理了，大家下吧！不过少了图3.12
Home里这么专业的东西不多见，我估计可能是硕士学位论文的综述。
请Mod给stacay加分！ [/B][/QUOTE]

多谢！多谢！！！

那就要看MOD了。。。

这是那本《无铅焊料应用技术总汇专辑 》书里的吧，楼主那里找来的软拷贝呢？

高高，楼上的确是高

:em31

一看就知出处。。。。。。。。。。。。

没想到我也占了一分光，谢谢老大

(3) 含 Bi 量多的低温系焊料可靠性评价
低温系 Sn-2Ag-7.5Bi-0.5Cu、Sn-2.8Ag-15Bi、Sn-2Ag-22Bi、Sn-1Ag-57Bi 四种焊料的熔点、回流温度、机械特性等汇总在表 7.4 。该类焊料与 Sn-10Pb 镀层 ( 引线 ) 的 QFP 在-55-125 ℃ 温度循环试验中，对接点要求是严格的。图 7.1 4 左面是200 次循环后的接点外观、右面是 100 次循环后的接点断面，含Bi 量在 7.5 ％、15 ％时看不到异常情况， 22 ％时可看到焊料中的空孔，57％时组织有明显变化。


空孔发生的原因， Sn-Bi-Pb 约 97 ℃ 时生成低温相， 57Bi 在 137 ℃ 低温相时由 Pb 的进人而造成的。含 Bi 多的焊料，占有共晶组织的比例多 ( 见图 7.15) ，当镀层成分 Pb 进入，作为初晶形成的熔点比较高， Pb 进人在 Sn 晶间生成的 57Bi 共晶 ( 低温相生成为 9 7 ℃ ) ，因为试验的最高温度为 125 ℃ ，由再熔融因素就得到了组织发生变化的状态。 22Bi 断面上的空孔缺陷，想必是 Sn 晶，间低温相的生成，焊料的移动所形成的。 57Bi 的场合，Sn 晶以微细粒状聚集，这时 Pb 容易掺人空孔缺陷减少，组织变化十分明显， 57 Bi 三元共晶中对 Sn 基体周围的包围量还不十分充分，可推定为 Pb 的影响还没有遍及到全体的原因。

片式元件 (Ni/Sn 镀层 ) 用上述四种低温焊料焊接后进行的抗挠性、高温放置、温度循环试验结果由下面说明。

图 7.16 是初始剪切强度和基板抗挠性评价。 Bi 量多的低温焊料与片式元件组装后，对基板的抗挠性和剪切强度与原来的 Sn-37Pb 相比，其性能还略高一些。图7.17是焊料成分改变后与片式元件组装，经 100℃、125℃、150℃ 的 1000 小时高温放置试验，以及-55-125℃ 1000 次温度循环试验，剪切破坏时的强度与初始剪切强度的比率表示。图中各曲线是 10 只元件数据的平均值。结果显示，镀层为 Ni/Sn 的片式元件，利用 Bi 系焊料在 100℃、125℃ 和-55-125℃ 长期试验条件下性能恶化很少，基本上没有问题。
但是在 150℃ 时，由于 Bil5 ％以上焊料Sn晶周围形成的137℃共晶成分超过 5 ％， Sn 晶周围的溶化将使强度显著降低。Bi7.5％的焊料经 DSC 分析在137℃ 的反应很少，这个微量经过 1000 小时试验是看不到强度劣化的。片式元件在150℃ ，经 200 小时放置后的弯月面外观观察，以 Bi 量比例在接合界面中心观察再熔融痕迹，是焊料中 57Bi 共晶组织 (137 ℃ ) 存在的因素，成为强度降低的原因 ( 见图 7.18) 。


表 7.4 中对上述四种焊料进行了综合评价， 7.5Bi 焊料焊接温度比其他品种高，在 125 ℃ 可靠性试验上，外观组织是稳定的， 15Bi与57Bi 共晶比较，耐高温性好，但由于固相、液相间温差大，考虑到焊料提升问题不适宜在波峰焊使用，同时在混合式组装工艺使用时也要注意， 57Bi 系焊料延伸性、抗挠性良好，可考虑在混合组装工艺中使用。 ( 混装工艺 --- 波峰焊同回流焊组合形式 ).  
7.2.3 在波峰焊接的实用化研究
(1) 通孔基板接点
图 7.19 是波峰焊接时通孔基板接点产生的焊料提升机理，这种现象是基板焊接时基板一侧的焊区与焊料间的剥离，树脂系基板，对引线等的导热系数比较小，最终凝固在基板焊区一侧。
含 Bi 量多的焊料，因液相线和固相线温差大的原因会影响凝固时间，最初在容易冷却的引线端部凝固，对弯月面有一定的约束，这期间由于基板厚度方向的热胀差形成的大收缩量，最终凝固部分在靠近焊区一侧的焊料容易发生剥离。
为防止焊料的提升，采取急冷方式缩短凝固时间，并由 Bi 的分散保证接合界面的强度。 ( 见图 7.20) ，基板焊区产生的焊料提升现象，经Bi 层状偏析的XMA 图像观察可参阅图 7.21 。目前的波峰焊装置，对固相、液相温差大的焊料，要在焊接中实现急冷程序可能不易办到，为此可使用低温系的 57Bi 共晶焊料。
无液相、固相温差的 Sn-3Ag-Cu 共晶焊料，在熔点 218~C 的瞬时会发生凝固，这种现象不是凝固中的提升，是由凝固时温度到室温形成的温差产生的热应力与接合界面强度关系，基板玻化温度在 125℃以上时，热膨胀系数就高，基板厚度方向的收缩量也比原 Sn-37Ph 大，由于 Sn-3Ag-Cu 共晶系接合界面强度大的原因，焊接中会少许发生一些提升现象。作为防止对策，可缓和焊料与基板组装时的热应力，在使用高温系焊料焊接通孔基板场合，可考虑使用 Sn-3Ag-Cu 共晶系或低成本的 Sn-Cu共晶系焊料。
便用 Sn-3Ag-5Bi 焊料，在-55-125℃ ，1小时／循环，1000 次循环后观察通孔两面基板的断面结果由图 7.22 表示。从图上可确认到，由焊料提升部分的间隙扩展状态成为裂纹形状，实际上，经过温度循环发展成裂纹是不大可能的，正因为焊料提升因素，使接点部的应力已部分释放，对使用上是不会存在问题的。试验中还发现带 Sn-Pb 镀层基板与 Sn-3Ag-5Bi 焊料焊接时，基板通孔界面有时还存在提升，另外带薄镀层 Au 基板用上述焊料焊接时就不会产生提升不良。这个结果说明，通孔型两面基板的波峰焊接工艺，与金属层的组成只要是匹配的，就不会发生提升，有时通孔部稍微有焊料提升发生，对制品的使用不会有大的问题。
7.2.4 在混装工艺时的温度循环试验评价
装有 SOP、QFP 、片式阻容件等的两面基板，采用回流、波峰混载工艺进行温度循环试验时，使用的循环温度有二种：-55-125℃、-40-85℃。焊料有三种： Sn-3Ag-0.7Cu、Sn-3Ag-5Bi-0.7Cu、Sn-2.8Ag-15Bi。试验结果，在 -55-125℃，经 2000 次循环，使用 S n-3Ag-o.7Cu 高温系焊料未发生断线不良，但焊接中的回流温度太高、部分元件存在耐热性问题，对推广使用受到限止。使用 Sn-3Ag- 5Bi-0.7Cu 中温系焊料，焊接接点在 750 次循环后发生断线不良，可判定为具中等可靠程度，面对常规电子产品的可靠性等级，可推广使用。 Sn-2.8Ag-15Bi 的低温系焊料组装的 SOP、QFP 在。 200 次循环后产生断线 ( 循环条件：-55-125℃ 见图7.23) 也就是说，在这个条件下可靠性难以保证，对低温焊料采用超过 97℃ 的加速试验条件是不合适的，改用 -40-85℃ 条件重新评价，经 2000次循环后没有断线发生。
含 Bi 的低温系焊料，因 Sn-Pb-Bi 低温相 (97℃) 原因，在高温下强度降低将影响可靠性，与镀层含 Pb 的元件组装时，试验的评价条件应设定在 97℃ 以下。与镀层含 Sn 的元件组装时，评价的温度最大可到 125℃ 。 Sn-2.8Ag-15Bi 焊料与 Sn-10Pb 镀层的元件组装时，因接合界面强度小可能会发生脱落问趣，特别在混合组装工艺场合，先由回流焊完成基板 A 面的接点，在基板 B 面波峰焊时，由基板挠曲、元件结构、尺寸等会给接点较大的应力，当这个应力等级超过接合界面强度就会发生元件的脱落。同样，在温度循环试验场合，如对元件接点应力等级会发生元件的脱落。对于表面贴装元件接点的应力等级，如果要求是严格的，可考虑避免采用回流、波峰混装工艺 .
在无铅焊料逐步进入普及应用阶段 , 作为对应 PB 镀层元件的过渡期 , 最好使用 SN-AG 系无铅焊料 , 但考虑到元件的耐热性 , 又不得不选用含 BI 的中温系无铅焊料 , 在今后使用的焊接工艺成熟之后 , 适用的范围会不断扩大 . 为提高中温系无铅焊料的可靠性 , 开发相应的温着少的回流焊设备、降低焊料成本、增加无铅焊膏的稳定性等都是在实用化进程中有待解决的。

7.3 Sn-Ag-Bi 系 ( 目前使用型 )松下电器应用事例
7.3.1 试验方法
无铅焊料的实用化开发，从焊料材料特性面看，作为共晶焊料替代性最高的是 Sn-Ag-Bi 系材料。在利用无铅焊料进入产品批量化生产场合，对焊料的使用要求是与共晶焊料特性类同，且不使电子元件遭受热损伤的低熔点焊料。
Sn-Ag-Bi 系焊料在添加 3-15mass ％程度 Bi 的基础上，在进入批量化生产之前，有必要对其可靠性，基板内温度偏差，原来片式元件使用的适应性等加以研究。焊料成分和片式元件电极镀层情况见表 7.5.
(1) 评价方法
对组装工艺的评价，主要是评价无铅焊料的印刷性能，例流动性、脱版性、可焊性包括焊料润湿性、焊料球的发生概率等 .
接合部可靠性评价方式：回流焊接后、热冲击试验 (-40℃~20℃-85℃ 各 30 分钟 ) 从初始接合部状况到 500 次循环后，测定接合部的接合状态，含引线的抗拉强度、剪切强度测定。并对试件抽样执行 SEM 、 XMA 接合部断面状态分析 .
(2) 评价结果与观察
图 7.24 是 1.6x 0.8mm 片式电阻接合强度的测定结果，显示了 Bi 含量少的场合在焊料内部发生破坏， Bi 含量多的场合破坏生成在焊料与焊区界面。回流焊接后的接合部组织随 Bi 量的增加焊料中的 Bi 逐渐明显，并在焊 IX／焊料界面出现 Bi 的偏析，说明 Bi 对引线及焊区界面强度有影响。
焊区一侧强度测定状况可见图 7.25 ，破断面可见到金属化合物， Sn-Ag-Bi 焊料中勘在 15mass ％场合， Bi 将在焊区／焊料界面析出，在 3mass ％场合基本上不易发生。无铅焊料与现行片式元件 ( 原有镀层电极 ) 组装后，在经 500 次循环热冲击试验，其接合部强度没有变化。
0.5 间距的 0FP( 引线镀层： Sn-10Pb) 热冲击试验的接合强度变化由图 7.26 表示。 Sn-Ag-3Bi 系合金的特性基本上与 Sn-Pb 系共昂同等，试验中接合部组织并未发生裂纹。无铅焊料与目前使用的片式元件组装后的热冲击试验对接合强度不会发生问题，经设定的可靠性试验后，未发生接合部焊料的组织变化，这个结果说明 Su-Ag-3Bi 系无铅焊料在进入批量化基板组装时，没有实用上的问题，可以作为商品化焊料定位。
7.3.2 无铅焊料在回流焊接工艺批量应用评价
(1) 评价内容
作为评价基板，对便携式 MD 组装基板进行了证实评价，回流焊接的温度条件，考虑到基板上的温度分布均匀情况，焊接的峰值温度设定在 220 ℃ 以上。执行基本的组装工艺评价是批量化生产的基础，在进行接合部可靠性评价时，作为最后阶段的可靠性基准，应该把通过产品本身的可靠性评价基准当作可靠性评价目标。组装基板状态见图 7.27 。
(2) 批量化工艺评价
批量化生产工艺，应该以焊接条件的质量面作为评价中心，考虑到组装元件的耐热程度和热容大小，相同的基板，在使用原来 Sn-37Pb 共晶焊料焊接时，基板上的温度偏差可以允许在 20 ℃- 30 ℃ 范围，而使用无铅焊料 (Sn-Ag-Bi) 进行回流焊接，偏差温度不得大于 10-2 ℃ 。利用 Sn-Ag-Bi 系无铅焊料的焊接，基板上的元件配置必须匹配，以保证元件焊接时的耐热性，焊接温度在基板上的偏差控制在 10 ℃ 以内，焊接温度曲线见图 7.28 。按公司 MD 生产线的运转情况，其产量也达到了 40000 台／月。
7.3.5 波峰焊用无铅焊料的开发技术
波峰焊用的无铅焊料，对 Sn-Ag 系材料进行了研究，与原共晶焊料相比、材料特性的改变，使用中容易发生桥联不良，为保证波峰焊接的接合可靠性，松下公司正在进一步开发更加实用的无铅焊料。目前松下公司的电视网络系统、 CRT 用基板组装、 TV 基板已经开始应用无铅焊料，到 2001 年将有四大系列产品完成无铅化组装、包括其他波峰焊的产品也在加速推进。

7.4 Sn-Bi 系 ( 低温型 ) 富士通应用事例
Sn-Bi 共晶系无铅焊料的特征和课题有以下说明。
特征：能够在 170-180℃ 进行焊接，对元件适应性强，且节约能源。具良好的耐热循环疲劳性。
课题： Bi 的资源量不足，与目前带 Sn 二 Pb 镀层的片式元件使用困难。
7.4.1 合金特性
Sn-Bi 与 Sn-Pb 共晶合金的剪切弹性模量 C ，和机械损失． tan8 的温度依存性由图 7.31 表示。两合金的断裂延伸见表 7.6 。 Sn-Bi 在较宽的温度领域与 Sn-Pb 有相同的弹性模量，机械性损失在低温领域将明显减少，从表 7.6 上也看到 Sn-Bi 在低温环境下的延伸性降低。
Sn-Bi 共晶添加 Ag 后的断裂时延伸性和其合金组织见图 7.32 。随着 Ag 的添加使组织细微化断裂延伸增大，图 7.32 中的 C 表示添加过多形成的 Ag3Sn 粗化结晶，组织粗化后延伸性将减少，一般推荐的 Ag 添加比例为 1wt％。图 7.33 表示的是焊料的等温疲劳特性，由往返应力使 S n-Bi 共晶发生裂纹时，痒性模量将下降，而 Sn-Pb 在裂纹发生的初期弹性模量会得到维持， Sn-Bi 添加 1wt ％的 Ag ，主要是提高其耐疲劳性。
尽管 Sn-Bi 共晶的熔点只有 138℃ ，但在 125℃ 的高温环境中仍具有不易蠕变的性质。表 7.7 是 Sn-Bi 共晶的固定蠕变速度与 Sn-Pb 的比较， Sn-Bi 的蠕变速度比 Sn-Pb 小了二位数， Ag 的添加抑止了蠕变。
7.42 接合特性
作为电极材料使用的 CU ， NI 和用于电极无铅化镀层的 PB ，与不同焊料比较的接合强度由图 7.34 表示，这里用直径 1MM 金属丝端面和焊料球接合后测定其拉伸强度， SN-57BI-1AG 对应 CU 、 NI 的强度比 SN-PB 高，反映了焊料合金本身的拉伸强度差别。
由于接合界面附近脆性 Bi 的浓缩，使 Sn 在 Pd 一侧扩散，由图 7.34 显示的与 Pd 接合时接合强度会降低，这种现象在 Au 的场合也会发生， Pd 镀层薄时，在焊料中扩散与母材接合不会有问题，镀层厚时，因 Bi 的浓缩回流焊接时有必要调整焊接温度和时间。
作为接合部耐热循环疲劳特性的一个例子，将引线镀层为 Pd 的 QF P 分别与 Sn-57Bi-1AG 、 Sn-Pb 共晶回流焊接后的循环次数和引线的抗拉强度见图 7.35 。循环温度-55 ℃ (30 分钟 )---125 ℃ (30 分钟 ) ，电极材料由 AuFlash/Pd/Ni/Cu 组成， Pd 层厚为 0.05ųm ，回流温度的峰值前者为 175 ℃ 、后者为 235 ℃ 。因图 7.35 中的 Sn-57 Bi-1Ag 是与 Ni 底层接合，可得到同图 7.34Ni 线同样高的接合强度。关于 Sn-Bi 焊料的良好耐疲劳性，可参阅美国 NCMS 的作业报告， Sn-Bi 共晶的耐疲劳性比 Sn-Pb 高，事热循环试验中由热胀差应力发生的焊料塑性变形，说明是焊料中晶格缺陷积累所致的疲劳。 Sn-Bi 在热循环试验的保持时间内发生的蠕变应变比 Sn-Pb 要小，也同样说明了耐疲劳性好。
7.4.3 Sn-Bi 系焊料的课题无铅焊料的开发应用，将使世界上 Bi 的耗量连年增加，如果说今后替代焊料的比例要达到六成的话 ( 日本指定，的计划数 ) 一年中需用的焊料将近 10 万吨，其中包括 5 千吨焊膏，要是全部用 Sn- Bi 共晶来替代看来是困难的。
目前使用的片式元件电极，表面处理的材料大多还是 Sn-10P b ，在使用 Sn-Bi 共晶焊料焊接时，因镀层中 Pb 的混人，会生存溶点 97t 的 Sn-Bi-Pb 三元共晶。在采用 208 引线的 QFP 作热循环试验时 (-55----125 ℃ ) ，在 125 ℃ 状况下，焊料接合部形成固一液相混合状态，溶融的焊料将向引线上部吸附 ( 发生焊料提升现象 ) ，这是既有元件在使用无铅焊料产生的特有问题，加快元件电极的无铅化，也是推动整个电子组装业实现无铅化的关键因素，上述不良也将会解除。

老规距，图片放后面。。。。。。。

我顶，，谢谢楼上的资料

简直太强啦，要能整理一下就太好了！非常感谢！

16楼压缩包2损坏？不能解压

[QUOTE]最初由 SMTLover 发表
[B]16楼压缩包2损坏？不能解压 [/B][/QUOTE]

不会呀，我再试一下地说。。。。。。。。。。。。。。。。。。

楼主真是有耐心啊,感动中..........:ema23
谢谢