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开发高性能无铅波峰焊料合金的重点 在开发高性能无铅波峰焊料合金时，研究人员必须评估四项 主要特性：工艺良率、铜浸出率、浮渣形成和热／机械可靠 性。 波峰焊是电子工业中许多领域的关键工序，转移使用无铅 生产蕴藏着一些成本因素，其中之一是焊料合金的成本和性 能，单单使用锡铜合金就会让用户的合金成本增加一倍以 上，而且由于其工艺良率不佳，所以会造成更大的影响。与 锡铅合金相比，目前可用的锡／银／铜(SAC) 合金将使合金 成本提高三倍以上，但是通常在工艺良率方面比锡铜系列好 得多。许多任务厂就因为这个理由而选择了较贵的合金，因 为工艺性能与企业的周功和生存息息相关。这个选择造成的 两难境况已成为开发新合金系列的推动力，激励业界开发一 种既能实现谆工艺良率、又不如SAC 合金系列那么昂贵的新 型合金。 选择合金 无铅波峰焊接工艺现在处于早期开发阶段，据估计，目前 使用无铅合金的波峰焊槽不足5 ％．在开发高性能无铅焊料 合金时，研究人员必须评估主要特性，以及什么材料变量会 构成这些特性(表1)。 表1 影响波峰焊接工艺良率的材料变量 锡／银／铜(SAC)可为波峰焊接过程提供最好的工艺良 率，而且许多用户信赖SAC 的良好可靠性。目前这是最受欢 迎的波峰焊料合金系，但是3 ％ 的银含量使其单位材料成 本比较高。 锡／铜共晶合金的成本低于SAC 合金，但基本铜锡合金 及其改性变种的工艺良率一贯比不上SAC 合金。 因此，在研发新合金的配方设计时，必须同时提供较低的 单位材料成本，以及相当的工艺良率、设备兼容性、组件与 电路板兼容性和可靠性。 工艺性能要求 研发新合金的配方时需要满足的工艺性能包括： 1.固相线／液相线温度：层压电路板和组件受最高工作温 度所限，如果高于这个温度，电路板和组件就会损坏。该项 数据表明，每个合金系列在这些温度约束范围和工艺窗口内 的适用性； 2.粉末合金的机械特性：这包括硬度、最大载荷应力和延 伸率。这些特性综合起来表明焊点的机械强度： 3.润湿速度：润湿平衡试验通常用来测量组件。可焊性并 且作为开发和试验助焊剂的辅助工具，但是只要保持试验变 量不变，就能把润湿试验当作衡量合金性能的一个相对尺 度：润湿速度较快可以缩短焊料的接触时间，从而加快生产 速度并减少电路板铜覆层的溶解。 4.铜溶解速率：PCB 的铜覆层以这个速度溶入波峰焊接 槽，这是无铅工艺的一个很重要的问题，特别是在使用Cu OSP 焊盘表面处理的情况下更为突出。过去Sn ／Pb 焊接过 程中，铜溶解浓度达到0.3 左右，焊槽便达到了平衡点。在 无铅焊接过程中，由于锡槽温度和锡含量较高而加速铜的溶 解。铜浓度上升使液线温度提高因此不得不提高锡槽温度， 才能保证温度高于液相线( 以保持工艺良率) 。然而，这样做 又会加快铜溶解，从而造成恶性循环。因此，必须适当控制 焊槽中的铜含量, 以保证工艺良率。 工艺良率 所有专业生产人员都知道，材料成本与材料对工艺良率的影 响相比几乎算不了什么，工艺良率一旦发生跳变，就会对生 产线的盈利能力造成非常严重的影响，合约式的电子制造商 (CEM)对此感受尤深。 表2 湿润平衡试验结果 表3 铜溶解速率 在波峰焊接过程中，焊接缺陷数量与助焊剂、合金、合金 纯度、PCB ／组件表面处理、PCB 设计布局以及环境和工艺 设置之间存在原有的内在关联。在向无铅波峰焊过渡的过程 中，我们正在转向一个逐渐缩小的工艺窗口， 因此，工艺 技术人员的重要任务之一是扩展工艺窗口，使工艺过程能够 获得令人满意的结果(输出) ，同时最大限度地减小成本的影 响(输入) 。 如上所述，合金的某些主要特性对波峰焊接效果有着显着 的影响。润湿速度较慢和流动性较差，可能转化成漏焊或局 部润湿缺陷的增多。漏焊在在线测试(ICT) 或功能验证测试 (FVT)中可能未被发现，因为引线末端与PCB 焊盘之间可能 存在断续的电接触。 锡桥会对电路的功能性造成恒久的影响，不过用人工或自 动检验方法都能容易地检测出来。在目前大部分无铅制造工 艺中都发现了锡桥缺陷增加，而且主要是由于合金表面张力 较大，造成焊点回流不良。这两种严重缺陷 (锡桥和漏焊) 的自然补救方法是减慢焊接传输速度和提高锡槽和预热温 度。减慢传输速度确实增加合金润湿焊点的机会，却减慢了 生产