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低熔点无铅焊料Sn-Bi-X的研制与无铅焊接工艺研究

李元山  
【摘要】: 随着各国政府无铅法案的陆续推出,电子组装业中焊料的无铅化已成为一个不可逆转的趋势。在业界目前公认的四种类型的无铅焊料中,Sn-Ag系和Sn-Cu系焊料因熔点比锡铅焊料高出34℃以上,导致焊点质量变差,焊接设备、印制板基材以及元器件都因无法承受高温而需更新换代;Sn-Zn焊料熔点为198℃,与Sn-37Pb的183℃非常接近,且具有良好的力学性能和低廉的价格,但Zn易氧化,使得Sn-Zn焊料在使用中也产生了很多问题;Sn-Bi系共晶焊料因熔点只有138℃,只能应用于对可靠性要求不高的低温场合。目前尚未见到熔点在180℃~190℃之间的无铅焊料应用于实践的报道。 Sn-Bi系焊料的熔点可以通过调整Bi的含量来控制,使其接近于锡铅焊料,但该焊料在焊接过程中的产生的Bi偏析以及焊点脆性问题一直未能解决。作者通过在Sn-20Bi合金中加入一系列能够优化焊料性能的微量元素,首次采用快速凝固技术制备出了一种新型的Sn-Bi-X无铅焊料。该焊料的熔点、力学性能、焊接性能均与Sn-37Pb的接近,可以在不改变现有装焊设备和生产工艺的条件下进行波峰焊接和回流焊接。论文研究了Sn-Bi-X焊料的微观组织、性能特点、焊接界面问题、焊接工艺问题,并探讨了无铅焊接过程中产生的问题及解决方案。论文得到如下结论: (1)系统研究了微量元素对Sn-20Bi焊料熔化特性、微观组织及性能的影响。结果表明,当添加0.7%的Ag,0.3%的Ga,0.1%的In,0.5%的Sb,0.5%的Ge和0.5%的Ce时,所得到的无铅焊料微观组织均匀、微细, Bi的偏析程度明显减小,其力学性能与传统的Sn-37Pb焊料的相当。 (2)采用单辊甩带法制备焊料时,冷速越快抑制Bi偏析的效果越好,当辊速为1000r/min时效果最佳,所制作出的Sn-20Bi-0.7Ag-0.1In-0.5Ge-0.5Ce-0.5Sb- 0.3Ga无铅焊料,其熔点为186.1℃,微观组织均匀,没有偏析相形成。 (3)研究了扩散退火对无铅焊料及焊点微观组织及性能的影响。结果表明,在125℃退火16h可消除Sn-Bi系焊料中的粗大结晶,使组织均匀,并提高了焊料的力学性能。退火后的焊料在100℃长时间放置,组织稳定。作者首次提出可将此工艺作为表面贴装生产工艺中焊接完成后的一道工序。 (4)通过对焊接界面中金属间化合物(IMC)的微观组织进行分析,首次发现焊盘镀层金属的消融对界面组织和性能的影响规律并通过试验得到了验证。此外还对锡铅焊料及无铅焊料合金的微观断裂行为进行了系统的研究,综合考察了裂纹与晶界、第二相颗粒、应变速率及显微组织的关系,阐述了Sn基合金内部纳米级裂纹的演化情况。 (5)采用有机可焊性防护剂(OSP)处理印制电路板(PCB)表面焊盘,通过调整不同工艺参数,进行了大量无铅条件下的回流焊和汽相焊工艺试验,并对所出现的问题进行了详细的分析和研究,提出了相应的解决方案,得出了最佳温度曲线和工艺窗口,对层数高达20层的高梯度热容量印制板实现了成功的焊接。 (6)通过有针对性地设计的几种无铅焊料的波峰焊试验,总结出了焊盘剥离现象产生的真正机理─“三要素法”:焊盘剥离与否取决于焊料熔融温度区域的宽窄、伸长率的大小以及热膨胀系数的高低,而不是“Bi-偏析”失效机理所认为的焊盘剥离与否取决于焊料是否含Bi。“三要素法”可解释各种情况下焊盘剥离产生的原因,并由此找出了抑制焊盘剥离的对策,必将对无铅焊接的推广产生重要影响。 (7)研究了无铅焊接带来的设备、板材、元器件、锡须以及焊点质量等一系列新问题并提出解决这些问题的最佳方法就是采用新型作者研制的Sn-Bi-X焊料。 (8)新焊料已在我国最新一代高性能计算机NC芯片的BGA植球工艺中得到成功的应用。


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