锡膏应用暨表面组装（ＳＭＴ）无铅焊接工艺可靠性技术•焊料及焊接原理•1：SMT实现过程•2：焊料•3：焊接原理1、SMT工艺实现过程（1/4）1、SMT工艺实现过程（2/4）1、SMT工艺实现过程（3/4）1、SMT工艺实现过程（4/4）2、焊料（1/8）焊料在电子产品中的运用:常见焊接方法：手工焊、波峰焊、回流焊2、焊料（3/8）无铅焊料合金的选择(回流焊&波峰焊)波峰焊工艺最常用焊料合金回流焊、手工焊工艺最常用焊料合金2、焊料（4/8）SMT用有铅&无铅焊料对照xAg--yCuyCu))Sn--xAg无铅合金((SnSn63Pb37无铅合金217～～219熔点（℃℃）183217熔点（g/cm3）8.427.50密度（密度（g/cm润湿角（润湿角（°°）1444cm））380460表面张力（260℃,dyne表面张力（260℃,dyne--cm2、焊料（5/8）共晶焊料的概念合金直接从固态变为液态,,而不经使得在同一温度下,,合金直接从固态变为液态若存在一种组分,,使得在同一温度下焊料合金中焊料合金中,,若存在一种组分过塑性阶段。

那么这种组分的合金成为共晶合金，对应的焊料为共晶焊料。

其熔化温度称为共晶温度或共晶点。

在大多数情况下，共晶合金中组成物金属的熔点与它在纯金属状态下的熔点相差183℃。

而，其共晶点为183℃。

而100℃Sn63Pb37，其共晶点为100℃。

比如，最常用的有铅共晶焊料组分为。

比如，最常用的有铅共晶焊料组分为Sn63Pb37Pb的熔点328 ℃ 。

的熔点328 ℃232℃，纯，纯PbSn的熔点的熔点232℃纯Sn下表为常用无铅焊料的共晶成分及其共晶点：合金系列共晶成分共晶点（共晶点（℃℃）Sn--3.5Ag221SnSn--Ag SnSn--0.7Cu227SnSn--Cu Sn3.9Ag--0.6Cu217 ?Sn--3.9AgSnSn--AgAg--Cu Sn严格来说，三元合金的共晶成分不存在！行业内使用最多的无铅焊料的合金成分为金成分为Sn Sn--3.0Ag 3.0Ag--0.5Cu 0.5Cu，其可，其可焊性与可靠性被认为与焊性与可靠性被认为与Sn63Pb37Sn63Pb37最接近！出于成本考虑，出于成本考虑，Ag Ag含量低于含量低于1%1%的低银的低银SAC SAC系列合金也被越广泛系列合金也被越广泛地使用。

2、焊料（6/8）焊料的各种形态:焊料产品形态：锡膏（回流焊）、锡线（手工焊）、锡条（波峰焊）、预成型焊料片2、焊料（7/8）SMT用焊锡膏组成锡膏是由合金颗粒（见左图）与助焊剂按一定比例（重量比为9：1）混合而成。

合金颗粒呈球形或椭球形，根据其直径的分布，可以将锡膏分为6种类型。

2、焊料（8/8）3、焊接原理（1/9）焊接定义焊接是通过加热或加压或两者并行的方式使两种或两种以上同种或异种材料通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺过程。

3、焊接原理（2/9）焊接相关的基本概念——表面张力）是一种物理效应，它使得液体的表面总是试图获得最小的、Surface tension）是一种物理效应，它使得液体的表面总是试图获得最小的、表面张力（Surface tension光滑的面积，就好像它是一层弹性的薄膜一样。

其原因是液体的表面总是试图达到能量最低的状态。

广义地所有两种不同物态的物质之间界面上的张力被称为表面张力。

表面张力的量纲是单位长度的力和单位面积的能。

在材料科学里，表面张力也称为表面应力和表面自由能。

3、焊接原理（3/9）焊接相关的基本概念——润湿）是指液相与固相接触时液相沿着固相表面铺展的现象。

Wetting）是指液相与固相接触时液相沿着固相表面铺展的现象。

润湿（Wetting液体在固体表面能铺展，接触面有扩大的趋势，就是润湿，此时液体对固体表面的附着力大于其表面张力；液体在固体表面不能铺展，接触面有收缩成球形的趋势，就是不润湿，此时液体对固体表面的附着力小于其表面张力。

焊接相关的基本概念——润湿角润湿角（Wetting Angle Wetting Angle）是通过润湿平衡原理测量、计算获得的，它是衡量焊料可焊性）是通过润湿平衡原理测量、计算获得的，它是衡量焊料可焊性的重要指标。

θ=0θ=0°°，表示完全润湿；，表示完全润湿；θ=180θ=180°°，表示完全不润湿；，表示完全不润湿；00°＜°＜θθ＜9090°°，表示润湿良好。

3、焊接原理（4/9）焊接相关的基本概念——扩展率焊料基板H 0基板H基板焊料3、焊接原理（5/9）焊接相关的基本概念Sn63Pb37无铅合金无铅合金((SnSn--xAgxAg--yCuyCu))表面张力基材附着力润湿角扩展率润湿性可焊性小大好差小大大小好差将“大、小、好、差”填写在下表空格中：大小3、焊接原理（6/9）当温度升至太高时,比如320 –350℃ 及以上(化学反应剧烈,形成太厚的IMC)SnAgCu在发生化学反应的温度下250 –260℃(在1秒钟内,生成约0.5μm厚的IMC)SnAgCu焊接过程的微观解析在室温下25 –30℃(所有物质都是固态)SnAgCu焊料在焊锡熔点温度下217 –219℃(焊锡呈液态)SnAgCuCu 3Sn/Cu 6Sn 5/Ag 3SnⅠⅡⅢⅣ3、焊接原理（7/9）3、焊接原理（8/9） 合金层 (IMC:Intermetallic)要达到持久牢固的机械连接,必须将焊点的温度上升到焊锡熔点以上约30℃，这时 的焊锡(下图中焊料为SnPb)才有可能在焊盘与器件引脚之间形成一种新的化学物质(即 IMC)持久地将两者牢固连接。

基板焊点的内部构造 来源: R.J. Kleinwassink, 电装行业中的焊接这是在电子显微镜下所见到新的化学介质层.它由 Cu3Sn (e-相) 和 Cu6Sn5 (ђ-相) 两种物质组成213、焊接原理（9/9） 合金层 (IMC:Intermetallic)合金层(IMC)是形成焊点的标志,与焊接强度关系密切。

22• 电子组装典型可靠性问题分享（来自KAIFA公司）–分享1：PBGA热变形对焊接可靠性的影响 –分享2：PCB基材对“坑裂”影响 –分享3：PCB表面处理对比分析 –分享4：低银焊点板级可靠性研究23分享1：PBGA热变形对焊接可靠性的影响 (1/4)• 背景–PBGA: SMT组装中的关键器件. –热翘曲: 很多失效的根本原因.• 焊点开裂、铜箔线开裂 • 焊盘离起、虚焊PBGA 焊盘裂缝PCB 焊盘100X铜箔线开裂24PCB 焊盘离起100X100XPBGA焊点典型失效模式的切面图虚焊100X分享1：PBGA热变形对焊接可靠性的影响 (2/4)• 有限元模拟结果和Shadow Morie实测结果比较：–PBGA变形规律相同：180℃以后达到最大变形有限元模拟PBGA变形2533℃ -80 µm180℃ -180 µm240℃ -100 µm33℃ -62 µm180℃ -162 µmShadow Morie 法实测PBGA变形分享1：PBGA热变形对焊接可靠性的影响(3/4) 理论解释：不同材料的杨氏模量不同材料的CTE关注区域杨氏模量 (GPa)–T < Tg: CTEEMC < CTEBT –T > Tg: CTEEMC > CTEBT凹入程度变大 凸起程度变大–最大热翘曲发生于 180℃ - 200℃间 (Tg温度附近)26分享1：PBGA热变形对焊接可靠性的影响(4/4) 优化分析 匹配的热膨胀系数能够降低整个回流焊过程中的热翘曲。

优化方向-匹配的CTE参数热翘曲变形的比较 结论 热膨胀系数不匹配是导致热翘曲变形较大的主要原因； 通过改善材料成分的配比能够改变热膨胀系数，避免大的热翘曲现 象的发生。

27分享2：PCB基材对焊盘坑裂影响(1/4) 背景 焊盘坑裂（Pad Crater）： 树脂/玻纤界面、及树脂内部的 微裂纹； BGA器件下面居多； 无铅化以来，焊盘坑裂失效的比例增高。

锡球裂纹图1. 典型的焊盘坑裂失效 评估手段： 研究对象基本信息图2. 焊点剪切测试示意图 （ IPC-9708推荐）表1 项目中所取PCB板材信息板材种类 固化体系ADicyBPNCPNTg/℃121 134 155主要填料无 Al(OH)3SiO228分享2：PCB基材对焊盘坑裂影响(2/4)• 不同峰值温度下焊盘坑裂断裂失效力值对比–相同回流峰温下，剪切力：Dicy固化板材A>PN固化的板材B和C –PN固化板材: 无卤板材B< C板材 –不同峰温下的剪切力值: 基本不变最大剪切力值/Kgf焊盘弹坑剪切力值对比1.50 1.25A: Dicy板材50x B: 无卤PN板材BC: PN含填料板1.00 0.750.970.9150.880.910.7550.771.02 0.960.7350.50type A B C 235℃ABC 245℃ABC 255℃图3 不同峰值温度下回流1次，剪切力值比较29分享2：PCB基材对焊盘坑裂影响(3/4)• 不同固化体系板材焊盘坑裂断裂形貌的研究ABC1500X50um1500X50um1500X50um图4. 板材在245℃回流1次后，发生焊盘坑裂形貌图 （A: Dicy板材，B: 无卤PN板材，C: PN含填料板）–Dicy板材断裂形貌: 韧性断裂。

–PN固化板材：脆性断裂。

–板的断面可看到树脂中有许多短而弯的裂纹30分享2：PCB基材对焊盘坑裂影响(4/4)•结论–Dicy/环氧树脂板材硬度较低、剪切力值较大，耐焊盘坑裂性能更好，SEM显示其断面呈现韧性断裂。

–无卤PN板材硬度高、且失效断面多发生于填料颗粒界面，耐焊盘坑裂性能差。

–填料的添加，可以阻碍裂纹扩展、但增加了脆性断裂的可能性。

❑化学镍/浸金（ENIG ）、有机可焊性保护涂层（OSP ）、浸锡（ImSn ）、浸银（ImAg ）等PCB 表面处理工艺被广泛应用。

❑不同的表面处理方式，对焊点的可焊性和可靠性有直接的影响ENIGOSP ImSn ImAg（a）IMC厚度增长（b）ENIG焊点界面组装XRD分析（c）焊点高速剪切强度不同表面处理老化前后对比❑系统的比较了四种表面处理对润湿可焊性及焊点可靠性的影响⍓IMC 类型及其厚度增长⍓界面缺陷和对焊料的影响⍓焊点强度❑研究结果PCB表面处理OSP ENIG ImAg ImSn可焊性焊点强度成本由于ImAg和ImSn某些特性不足，手机主要使用OSP和ENIG两种表面处理方式。