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延展性是焊锡合金最重要的特性避免跌落冲击故障
  2021-09-28      38

作者:Ranjit Pandher,MACDERMID ALPHA电子方案公司

焊点的跌落冲击可靠性已经成为电子行业的一个主要问题,这不单是便携电子产品的日益普及和无铅焊锡广泛使用的原因,还包括在生产环境中进行焊接时要确保很高的首次合格率。通常推荐的大多数无铅焊锡都是锡(Sn)含量高的合金,这些合金在无铅焊点的可靠性中起到关键作用,这是因为高锡合金的强度和弹性模量相对比较大。此外,从冶金学的角度来看,虽然焊锡合金中的锡在形成焊点时是主要参与者,但是,锡铅合金(SnPb)和无铅合金在形成金属间化合物层(IMC层)时在细节上存在不同。锡铅合金和无铅合金形成焊点的工艺条件之间的明显差别也会影响到焊点的质量。

在跌落冲击中,焊点的脆性损坏发生在IMC的界面或内部。这是由于IMC固有的脆性,IMC层界面上或界面内的缺陷,或者是由于块状焊锡的延展性低而导致将应力转移到IMC层界面的结果。

在改进焊锡合金性能的开发工作中,公司解决了两个问题——提高焊锡合金的延展性,以及对金属间化合物层的改进和控制。我们对锡银铜合金中广泛使用的基础合金成分和选用的微合金添加剂进行评估,目的是控制块状合金的机械性能和在金属间化合界面层的形成与生长中的扩散过程。

合金添加剂一般起到扩散改进剂的作用,减缓基板和焊锡之间的相互扩散速率,从而减少IMC的厚度或减少空洞的形成。另外,合金添加剂还可以添加一些起到扩散补偿剂作用的东西。需要注意的是,微添加物的水平不能明显改变块状基础合金的力学性能。我们的结果表明,通过高速拉球和跌落冲击试验,可以实现焊点可靠性的极大改善。电子器件必须表现出具有很好的跌落冲击可靠性,在这些测试中,使用SAC305合金和其他含银相对较多的SAC合金的表现都不够好,这个缺点相当明显。与共晶锡铅合金相比,SAC305类合金的高应变率响应比较差的根本原因在于块状合金的性能。大多数无铅焊锡是含高达5%的银和1%铜的高锡合金。这些合金的强度和弹性模量都相对比较大,但声阻抗比较小,因此,在跌落冲击的情况下更容易将应力传递到焊锡-基板界面。焊接过程中形成的金属间化合物(IMC)的延展性比较低,在力学测试时出现脆性损坏的就是这种界面。

                                             

image.png

1SAC合金的力学性能。

对于依靠BGA和CSP运行的器件,替代高银SAC合金的大量的合金已经在文献中评估和讨论了。这些文献解决了块状合金性能这个主要问题。通过选择低银合金,在跌落冲击时,高锡合金中出现的很大的力对焊点的影响可能会变得很小。焊锡合金的含银量减少时,块状合金中伴生的机械强度低的Ag3Sn IMC很少。SAC系列合金的剪切强度如图1所示,这个图突出了低银合金的优势,这个优势是在吸收高应变率的变形影响可能性方面,其影响由于制造过程中设备操作不当所造成。无论是在生产环境中还是在消费者使用操作过程中,使用低银合金来提高机械强度将直接影响组件的可靠性。SMT007

作者简介:Ranjit Pandher是MacDermid Alpha 电子方案公司负责LED和半导体业务的高级经理。

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