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实验:调整合金成分的焊接合金,可降低空洞率
  2021-11-23      1

在焊接大平面和低托脚高度元件时会有空洞形成,如QFN 元件。这类元件的使用正在越来越多,为了满足IPC 标准,空洞形成使许多设计师、SMD 生产线运营商和质量控制人员都倍感头痛。本文重点介绍一种减少空洞的新方法。

优化空洞性能的参数通常是焊膏化学成分、回流焊温度曲线、基板和元件的涂饰以及焊盘和模板设计。然而,在实践中,改变这些参数有明显的局限性。尽管进行了很多努力进行优化,但是仍然经常看到过高的空洞率水平。

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不同程度的空洞

当我们仔细观察焊点和空洞时,一个主要参数似乎一直没有引起人们的关注。这就是焊料合金。

作为一项初步测试,市场上常用的三种无铅焊料合金都具有空洞行为的特点。进一步的研究策略包括用锡、铋、银、锌、铜等元素来调节这些合金,并观察其对空洞行为的影响。

由于这种方法很快就产生了许多合金,TGA 分析被用作初始选择工具。采用TGA 分析,可以监控在与某种合金相结合过程中焊剂化学成分的蒸发和回流焊温度曲线。

经验表明,更平滑的蒸发曲线一般意味着较低的空洞形成水平。从这项研究中,选择了8 种原型焊料合金,并对其进行了空洞行为表征。

为此,每种合金涂敷的60 个QFNs分别被焊接在三个不同涂敷的基板上:NiAu(ENIG)、OSP 和I-Sn。所有合金所使用的焊膏化学成分、模板厚度和布局、基板布局都是相同的。根据合金的熔点采用焊接温度曲线。用X 射线测定空洞率水平。其中一种合金在空洞行为中得到了最好的结果,并被选择做进一步的机械可靠性测试。

空洞形成机理分析

焊点中空洞形成的机理多年来一直是研究的主题。已经确定了许多空洞类型和形成机制。最引人注目的是大空洞,大空洞形成的主要因素似乎是焊膏中的化学成分。

微空洞、收缩空洞和Kirkendall空洞也是众所周知的和备有证据的空洞类型,但不属于本文的讨论范围。多年来已建立了许多减少空洞形成的技术。

调整焊膏化学成分、回流焊温度曲线、组件、PCB 和模板设计或涂饰,是当前正在广泛使用的一些优化工具。甚至设备制造商也在提供减少空洞率的解决方案,通过扫频或真空技术。

然而,还有另一个非常重要的定义空洞形成的参数——焊接合金。

焊接合金:

一个不同寻常的可疑因素,空洞形成的主要因素一直被认为是焊膏中的焊剂。设计一种能有效减少空洞的焊膏焊剂似乎是正确的方法,因为大约50% 的焊剂将在回流焊过程中会蒸发,从而产生空洞。由于焦点集中在焊膏焊剂上,直到现在,对不同焊料合金的空洞形成差异的研究一直没有关注。

空洞水平的测定用标准的可焊合金, 建立了一个基线的空洞形成百分比, 如SnAg3Cu0.5(SAC305)、SnAg0.3Cu0.7(LowSAC0307)和Sn42Bi57Ag1。在本文中所描述的所有测试中都使用了相同的焊膏化学成分。

为了了解PCB 涂饰之间的水平差异,对业界常用的3 种涂饰进行了测试:

OSPCu、ENIG(NiAu)和I-Sn。为了有足够的空洞产生,在焊盘没有任何减小的情况下,使用了120 μm的模板。对每种焊膏,使用适合每一个具体焊料合金的标准加热回流焊曲线,回流焊接60 个Sn 涂饰的QFN 元件。

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测试元件实例

对每个元件进行X 光检查和接地平面的空洞水平测定,以确定空洞百分比。通过空洞面积与接地平面面积相比计算空洞百分比。没有考虑单个空洞的大小。试验结果表明,SAC305 和LowSAC0307 结果相当差。Sn42Bi57Ag1获得较好的结果。

合金优化

基于这些试验结果,从空洞性能的角度出发,建立了最佳焊接合金的研究方案。研究方案使用了TGA 分析和X- 射线分析。此外,还考虑了其他参数,如回流焊温度曲线、屈服强度、粘性范围、延伸率以及其他工艺参数。

研发战略涉及从标准的无铅焊料合金开始,并用锡、铋、银、锌、铜等进行调整。这样很快就产生了许多候选合金,TGA 分析被用作初始选择工具。采用TGA 分析,可以监控在与某种合金相结合过程中焊剂化学成分的蒸发和回流焊温度曲线。更平滑的蒸发曲线一般意味着较低的空洞形成水平。从这项研究中选择了8 种原型焊料合金作为进一步的研究对象。

8 种原型焊料合金

对8 种原型焊料合金进行相同的测试设置,作为初始基准测试。这意味着在不同的PCB 涂饰上用每种焊膏焊接QFNs,用X 射线分析真实的空洞性能。初步测试结果显示,与标准合金SAC305、LowSAC0307 和Sn42Bi57Ag1相比,空洞率水平显着降低。试验合金G 具有最低的空洞率,以及最窄的铺展结果。

这一合金被选中做进一步的机械可靠性试验。

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图1 空洞水平参照值

与SAC305 相比,不仅具有低空洞性能,也具有良好的耐冲击和振动性能以及热循环性能。此外,该合金也被证明,除了适合回流焊,也适合波峰焊和选择性焊接。合金G 将以LMPA-Q 命名,向商业化发展。

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参照样本图片

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图2 TGA 分析

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图3 原型合金空洞水平

结论

与市场标准的SAC305 和LowSAC0307 合金相比,通过调整合金成分的焊接合金,极大地降低了空洞形成水平。

此外, 超低空洞焊料合金LMPA-Q,与今天市场上使用的大多数焊料合金相比,具有更好的热循环性能和振动性能。

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