无铅回流焊接工艺温度曲线冷却速率至关重要作者:Ursula Marquez,工艺研究工程师和Denis Barbini博士，高级技术经理，维多利绍德（Vitronics Soltec）有限公司良好可控的回流工艺影响焊接质量。

对无铅焊接，各种不同的回流参数及工艺、材料与成品率和质量的关系，再次成为今天研究的主题。

由于现在的强制对流回流炉子的设计可以获得并控制很好的热稳定性和一致性,许多问题已经可以得到回答或解决，比如最高温度对零件可靠性的影响,如何降低回流最高温的要求,焊料成份的影响,减小ΔT的重要性,焊料在液态的滞留时间,以及焊料和助焊剂的匹配兼容性，等。

但是人们通常忽略了对冷却速率在焊接质量和成品率影响的研究和评估。

传统电子组装的冷却仅仅强调PCB板子的出炉温度和快速的回流回流速度，当无铅材料出现的时候,这个问题又被重新拿出来讨论。

最近的研究显示冷速率影响了焊接的微细构造的形成和最终焊接质量。

更快的冷却速率被采纳和应用，还因为快冷却速率的好处包括降低出炉温度,降低PCB板子、板子的镀层、热敏感性元器件、助焊剂和焊料在高温的时间, 减少金属化合物的形成。

然而，人们仍然面临这样的矛盾，即比较慢的冷却率可以减少不同热膨胀或热容量系数材料中的内应力。

这份报告研究和阐述了冷却的速率在回流工艺中的重要影响。

其中描述了冷却过程中焊接剪切力及微观组织的变化趋势，和不同板子的焊接表面材料对焊接力的影响。

为发展复杂无铅工艺找到了几把钥匙。

实验研究使用了一个标准的有可控冷却系统的回流炉。

板子是一块放满元器件的中等尺寸的板子(33cmx40.6cm,1.25kg)。

当三个冷却区被配置达到慢的和快速的冷却率的时候,加热部分的温度曲线保持不变。

温度测量使用了一个标准的数据装置和新的标准的热电偶。

用紫外线可修整的粘胶把热电偶粘在二个代表板子最冷的和最热的位置的器件上。

先前就对这些元器件做过了一些评估。

无铅回流曲线的冷却斜率是以最高温度和200°C之间来计算取值的。

在当今使用典型的板子和现代的强制对流的回流回流炉时,冷却速率决定了焊料在液态的时间和冷却的速度。

本研究共使用三种板子,它们是铜有机(Cu-OSP)，无电镀的镍-金(ENIG)和渗锡(ImmSn)表层的板子。

板子基体材料包括玻璃化的,四功能化合物FR-4环氧基树脂,它具有175°C的玻璃化转变温度,厚度有0.81毫米。

焊接区域直径是0.56毫米。

所有对无铅做的回流模拟实验都使用了一种非洁净的有点粘的助焊剂。

助焊剂是用一个小模板手动刷到板子上的。

使用小镊子人工把焊球放置在板子上。

实验选用了63Sn/37Pb和95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu材料,0.76毫米的焊球。

回流曲线样品大小需要裁减以适合热量计(DSC)的大小。

热量计是一个在氮环境中工作的炉子。

每一组实验配置,无论无铅还是有铅焊料,每一个板子都跑8次同样的回流曲线。

每块板子上焊4个焊球。

每个曲线都用了Omega型号K的热电偶和可用紫外修整的粘结剂。

实验设计调查了焊料在液相上面的时间（60或90秒）,直线加热升温曲线(L),或经过升温、恒温浸润、再融化的温度曲线(RSS)对焊接力的影响和最高温度后的冷却速率的影响。

无铅的最高温度是244℃－245℃,有铅的最高温度是210℃－211℃。

无铅最快速的冷却速率是-2.5℃/sec,有铅最快速的冷却速率是-2.4℃/sec。

最慢的冷却速率两个都是-0.5℃/sec。

无铅冷却速率是从244℃-245℃最高点温度到200℃测量的。

有铅冷却速率的测量是从210℃-211℃最高点温度到165℃。

表1是有铅焊接回流回流曲线的参数,表2是无铅焊接回流回流曲线的参数。

表1 有铅组装回流回流曲线的参数表2 无铅组装回流回流曲线的参数模拟的曲线加热斜坡速率达到4℃/sec。

这是由于热量计炉(DSC)良好有效的热传导。

然而这个不会影响焊接的质量。

图1和2分别是典型的有铅和无铅焊球的切面图。

两个焊点都是良好浸润,典型的倒塌形状,且内部没有气孔。

图1典型的有铅焊球的切面图图2典型的无铅焊球的切面图所有无铅的温度曲线都达到了244℃的最高温。

冷却速率-0.5℃/sec。

最小达到液相的时间决定了曲线的形状。

冷却的时间等于54秒。

这个时间是以-0.5℃/sec的冷却速率从最高温244℃到217℃计算的。

因此,为了要达成一个TAL60秒的曲线,升温段的时间应该是6秒,这在DSC中不可达到。

在线性和RDD曲线中观察到,TAL分别等于77和79秒。

相同的情形在表1有铅的模拟中也存在。

焊接强度的剪切力测试在回流模拟之后,焊接的剪切力使用了Instron材料测试机器来测量。

测试头的最大测试负荷100牛顿，速度是0.5毫米/分钟。

测试设备使用了一个小探头装置,它可以平行电路板来推动焊球。

为了要进行该测试,小的板子被粘到一个比较大的电路板上。

见图3。

图3 焊球的剪切力测试实验装置该测试符合联合电子设备工程会议标准中的JESD22-B117"BGA球剪力"标准。

每种材料及参数的实验都有十六个焊球被切和取值，而且对最大剪切破坏力的收集是自动完成的。

截面取样和电子扫描显微镜SEM分析为了要在焊接里面分析微观组织结构变化和金属间化合物层的形成,每个小组的样品都要用显微镜和电子扫描显微镜做截面分析。

经过碾磨和抛光到4000 FEPA或1200砂砾级,再用以矾土为基础的胶质悬浮粒继续磨光。

使用二种酸性溶液的清洗方法再来看金属间化合物层的结构。

一种溶液是由一份浓盐酸和九份甲醇混合而成。

磨好的样品在室温下在溶液中浸30秒。

另一种溶液由4份丙三醇,一份冰乙酸和一份浓硝酸混合而成。

样品在80℃的溶液中浸20秒。

老化研究对有Cu-OSP表面完成和95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu和63Sn/37Pb的焊球的样品做了老化研究。

样品采用了升温,恒温浸润,再融化的温度曲线(RSS)。

具有90秒的液相时间,慢的和快速的两种冷却速率。

表3中列出了测量的曲线数据。

表3老化实验中的回流曲线用每个曲线都做20个焊球,在125的恒温中老化500小时。

剪切力测试和切面实验都是采用先前文章提到的相同的方法做出来的样品。

结果和讨论在强制对流炉中的冷却率根据板子的类型，大小,元器件类型和位置,冷却的速率可以在加热后观察到。

用强制对流炉做两个不同冷却速率的曲线。

研究的是一块典型的电脑主板。

温度最底的是QFP的领引，最热器件是一个电阻0603。

使用相等的温区设置和传送带速度,直接比较冷却的速率，TAL和ΔT是可能的。

图4就是一个慢冷却率的曲线。

图5用是一个快速冷却率的曲线。

图4慢冷却率曲线在最热和最冷的元器件上的表现图5快速冷却率曲线在最热和最冷的元器件上的表现上述的情行中冷却速率从两个重要方面影响了回流工艺。

那就是TAL和ΔT。

ΔT由于板子在最后一个回流温区之后还保持的潜在的热能而被影响。

对于快速的冷却速率,热能被驱散到炉子中,而很少留在板子中。

这就使板子能够快速冷却,同时没有内部热能残留在板子中的现象发生。

对于慢的冷却速率,板子内部残留热能会释放到环境中,和快速的冷却速率比起来,会使板子和看似冷却的元器件继续保持一段高温的时间。

虽然在二个曲线之间的ΔT中的不同只有0.5℃,但是对于要求苛刻的无铅工艺窗口还是有很明显的影响的。

保持加温部分曲线不变,改变冷却速率会直接影响TAL。

确认板子上最热和最冷的器件之后,在表4中列出了在特别的测试工具得到的冷却速率的范围。

表4总结了对二个曲线的分析结果控制冷却的速率可以用来更好的精调回流工艺。

通过识别和孤立那些发挥影响力的回流参数,就可以分析单个工艺参数的影响力。

在这项研究中，TAL，冷却速率和ΔT对无铅工艺的影响被通过对焊接质量，强度和动力学上的分析而进一步展现在大家面前。

冷却速率在金属化合物形成中的影响有铅焊接会形成一层富含锡铅的合金结构,见图6。

该焊球使用的回流.图6在冷却速率-2.4℃/sec时,ENIG镀层上锡铅焊接处的微观构造曲线是RSS和90秒的TAL。

较黑部分是含有大量的锡,明亮的区域含有大量的铅。

用能源分散X光设备(EDX)来分析这些元素。

金属间化合物由于PCB板子表面的不同而不同。

对于ENIG表面,金属间化合物主要是Ni3Sn4。

表现为结晶状或针状。

对于铜有机(Cu-OSP)和渗锡(ImmSn)的表面,金属间化合物主要是Cu6Sn5。

锡铅焊料会和Cu-OSP及锡表面反应,产生两种金属间化合物,一种是Cu6Sn5在靠近焊料的一边,另一种是Cu3Sn在靠近铜的一边。

Cu3Sn 是连续的一层,而Cu6Sn5是象针状物的结构。

在这项切面的样品研究中只观察到有Cu6Sn5。

甚至500个小时125℃的老化后,也没有观察到Cu3Sn。

图7中可以看到共晶的无铅合金含有大量锡的颗粒和锡银结构的区域。

焊球使用的回流曲线是RSS和60秒的TAL。

较黑部分主要是锡,明亮的区域含有大量的锡和银。

图7Sn/Ag/Cu焊料在渗锡表面板子(ImmSn)上的微观构造,冷却速率为-0.5(C/sec)这些金属间化合物也会根据板子表面的金属镀层的改变而改变。

对于无电镀的镍-金(ENIG),金属间化合物主要是Ni3Sn4。

这一层化合物较厚且粗糙而有规则。

对于铜有机物镀层板子(Cu-OSP)和渗锡表面板子,可以观察到主要是Ag3Sn和Cu6Sn5。

不看特殊板子的表面镀层，可以观察到较大的Ag3Sn化合物被附在Cu6Sn5或Ni3Sn4的分界面。

图8举例说明了大块焊料中的Cu6Sn5颗粒。

该切面焊球样品使用的回流曲线是RSS,60秒的TAL和-0.5℃/sec的冷却速率。

图8 Sn/Ag/Cu焊料(大块部分)在渗锡表面板子(ImmSn)上的微观构造冷却速率对大块无铅焊料中的金属化合物的影响已经是很明确了。

进一步对金属化合物的量的分析,可以得出从冷却速率-0.5℃/sec到-2.5℃/sec,呈现出下降的趋势。

包括图7中的Ag3Sn和图8中的Cu6Sn5。

这和早先的结论是一致的。

本项目还详细地研究了板子焊接处的表层材料和各个参数的相互作用影响，以及老化对剪切力和金属间化合物形成的影响力。