电子产品在焊接过程中的可靠性探究

制备了一种新型Sn-9Zn-2.5Bi-1.5In钎料,开发了一套波峰焊氮气保护系统,考察了该钎料在不同氧含量的环境下的焊接质量. 结果表明,开发的氮气保护系统通过增加氮气流量可以将焊接区域内的动态氧含量降低到0.06%以下. 降低焊接区氧含量,可显著减少桥连、填充不良、气孔3类缺陷的数量,将不良率控制在0.20%以内. 在氧含量0.50%的临界值以下,该钎料可在锡炉设定温度为225 ℃的条件下进行低温焊接,焊接效果满足规模化生产需求. 通过能谱分析发现氧化物表面Zn元素含量比Sn-9Zn-2.5Bi-1.5In钎料升高84.9%,Zn元素的易氧化倾向是导致钎料形成大量氧化渣的主要原因. 降低焊接区域的氧含量可以有效抑制氧化渣的形成.采用氮气保护的方法可以解决Sn-Zn钎料在高氧环境下易出现的焊接缺陷问题,从而实现225 ℃低温波峰焊.     

氧含量对Sn-9Zn-2.5Bi-1.5In低温波峰焊焊接性能的影响

制备了一种新型Sn-9Zn-2.5Bi-1.5In钎料,开发了一套波峰焊氮气保护系统,考察了该钎料在不同氧含量的环境下的焊接质量. 结果表明,开发的氮气保护系统通过增加氮气流量可以将焊接区域内的动态氧含量降低到0.06%以下. 降低焊接区氧含量,可显著减少桥连、填充不良、气孔3类缺陷的数量,将不良率控制在0.20%以内. 在氧含量0.50%的临界值以下,该钎料可在锡炉设定温度为225 ℃的条件下进行低温焊接,焊接效果满足规模化生产需求. 通过能谱分析发现氧化物表面Zn元素含量比Sn-9Zn-2.5Bi-1.5In钎料升高84.9%,Zn元素的易氧化倾向是导致钎料形成大量氧化渣的主要原因. 降低焊接区域的氧含量可以有效抑制氧化渣的形成.采用氮气保护的方法可以解决Sn-Zn钎料在高氧环境下易出现的焊接缺陷问题,从而实现225 ℃低温波峰焊.     

波峰焊无铅化对策研究

从无铅焊料的易氧化性、腐蚀性、波峰焊温度曲线等方面分析了无铅焊接相对于Sn-Pb焊接的工艺特点,提出了无铅焊接过程中应注意的问题及解决方法,从而实现波峰焊的无铅化。     

无铅焊料的腐蚀性能研究现状及展望

就Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu和Sn-Zn几种主要的无铅焊料合金系阐述了当前对无铅焊料腐蚀性能的研究情况。指出当前研究只关注了焊料本体的腐蚀性能,而在焊接过程中焊料熔化和凝固后的微观结构和化学等将发生变化,这些对腐蚀有很大影响。提出进一步研究应关注实际焊点与服役环境的交互作用机制。     

Sn-Zn-Al-P系无铅焊料物理性能研究

在Sn-Zn系无铅焊料的基础上,通过添加合金元素Al和P制备出不同成分的无铅焊料,研究了其无铅焊料的物理性能。结果表明:通过加入适量合金元素Al和P的Sn-Zn-Al-P系无铅焊料在基本上不影焊料响熔点的前提下,可以减小密度,降低成本,提高其导电性能和润湿性。     

Sn-Zn系无铅钎料的研究现状及发展趋势

介绍了Sn-Zn系无铅钎料的研究及应用现状,阐述了为改善Sn-Zn无铅系钎料存在的不足之处,添加各种合金元素或微量元素如Bi,Ag,In,Ga,Al,RE等元素后,对Sn-Zn系无铅钎料钎焊性能、力学性能的影响以及Sn-Zn系无铅钎料界面反应及界面金属间化合物(IMC)的研究现状.简要综述了国内外有关Sn-Zn系无铅钎料专用助焊剂的研究状况,对Sn-Zn系无铅钎料今后的研究、改进及应用方面的前景和发展方向进行了分析与预测.     

无铅焊料Sn-3Ag-xSb系微观组织及焊接性研究

采用定量的方法,研究Sn-3Ag-xSb(x取2,5,7)系新型无铅焊料的微观组织、润湿性以及焊接接头的性能,进而探究无铅焊料成分中Sb质量百分比的差异对焊料相关性能的影响.结果表明:在一定范围内随着Sb质量分数的增加,Sn-3Ag-xSb系无铅焊料组织晶粒得到细化,并且润湿性和焊接性能都得到了一定的提高.     

Ni改性GNSs对SnAgCuRE/Cu钎焊接头热老化特性的影响

以Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni无铅钎料合金为研究对象,基于石墨烯纳米片（GNS）独特的结构、优异的物理性能和力学性能,以其为复合钎料的增强相,开展基于Ni改性GNSs（Ni-GNSs）增强SnAgCuRE系复合钎料/Cu的钎焊和钎焊接头热老化试验,探讨Ni-GNSs对复合钎料组织及钎焊接头热老化失效断裂机制的影响。结果表明：Ni-GNSs的加入,抑制了复合钎料的线膨胀,产生晶格畸变,导致位错产生,金属间化合物（IMC）颗粒分布在位错线附近,与位错发生交互作用,阻碍位错运动,强化复合钎料,进而强化复合钎料接头。随着热老化时间延长,钎焊接头界面IMC层厚度增加,剪切强度降低;其中,添加0.05%（质量分数）GNSs的复合钎料接头剪切强度降幅最小,为8.9%,且热老化384 h后,其剪切强度仍高于Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu合金接头热老化前的剪切强度。Ni-GNSs的加入,使复合钎料钎焊接头界面IMC的生长系数明显降低,有效缓解了复合钎料/Cu钎焊接头热老化过程中力学性能的降低,进而改变复合钎料/Cu钎焊接头的热老化失效断裂机制,最终影响接头的可靠性。Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头的断裂位置由热老化前的钎缝区向钎缝/界面IMC移动,变为韧脆混合断裂;而添加0.05%（质量分数）GNSs复合钎料接头的断裂位置均在钎缝区,为韧性断裂,钎焊接头可靠性较高。     

Sn-Zn系无铅焊料合金的可靠性研究进展

环保要求和微电子器件的高度集成化驱动了高性能无铅焊料的研究和开发,近年来,Sn-Zn基无铅钎料因熔点与SnPb相近,成本低廉和机械性能优良等优点而备受关注,但是焊料的差异和焊接工艺参数的调整给焊点的可靠性带来了新的影响.本文总结了SnZn系焊料的主要失效模式,重点围绕热疲劳与机械疲劳、焊料和基体界面金属间化合物形成致裂、腐蚀等问题,阐述了SnZn系无铅焊料的可靠性,并指出提高其连接可靠性的几个途径.     

Sn基无铅焊料的研究进展

随着世界各国“限铅令”的颁布，Sn基无铅焊料被广泛研究以代替传统Sn-Pb焊料。然而，近年来大规模集成电路及先进电子封装架构的发展对无铅焊料的性能提出了更高要求。本文介绍了Sn-Sb、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi和Sn-In系等主要无铅焊料体系的最新研究进展，综述了添加合金元素、稀土元素以及纳米颗粒对焊料显微组织、润湿性能、力学性能、耐蚀性能和接头服役性能的影响。文章最后讨论了高性能无铅焊料的研发方向，提出了创新的研究理念及研究方法，为下一代钎焊材料的研发提供了参考。     

Ag,Al,Ga对Sn-9Zn无铅钎料润湿性能的影响

采用润湿平衡法测试了Sn-9Zn-X(X为Ag,Al,Ga)无铅钎料分别配合ZnCl2-NH4Cl钎剂和免清洗助焊剂,在空气和氮气保护的两种条件下的润湿性能,分析研究了合金元素Ag,Al,Ga的添加量对Sn-9Zn-X无铅钎料润湿性的影响规律.结果表明,合金元素Ag,Al,Ga在Sn-9Zn中的最佳添加量(质量分数)分别为0.3%,0.005%～0.02%,0.5%.采用氮气保护可以显著改善Sn-9Zn-X无铅钎料的润湿性,而Sn-9Zn-X无铅钎料配合ZnCl2-NH4Cl钎剂时具有较好的润湿性,甚至优于Sn-3.5Ag-0.5Cu在相同条件下的润湿性.这一研究结果表明,通过研发适合于Sn-Zn系无铅钎料的高性能助焊剂,从而改善Sn-Zn系钎料的润湿性能是完全可行的.     

无铅波峰焊工艺正交试验研究

随着各国对环境保护的日益重视,在波峰焊技术中选用无铅焊料焊接印制板势在必行.因为无铅钎料的成分配比不同于有铅钎料,因此在无铅钎焊时其工艺流程、工艺参数也有所改变.利用正交试验法进行无铅波峰焊工艺试验,并对所得到的正交试验数据进行分析,寻求工艺参数的最佳组合,得到的无铅波峰焊优化工艺参数为:锡炉温度为260 ℃,钎剂类型选用IF2005C,传送带速度为1.2 m/min,预热温度为120 ℃.     

抗氧化无铅焊料的研制

根据无铅焊料的要求与工作条件，选择了组成无铅焊料各金属元素及其最佳配比，研究了Sn-Ag-Bi-Cu系无铅合金焊料。焊料具有独特的抗氧化能力和良好的力学性能及焊接性能，抗氧化能力优于含铅焊料，主要技术性能基本接近Sn63/Pb锡铅焊料。     

焊锡接点IMC层微结构演化与力学行为

研究了150℃等温时效过程中无Pb焊料Sn3.0Ag0.5Cu与Cu基体间金属间化合物(intermetallic compound,IMC)的生长速率及形貌演化,以及IMC的生长演化对焊锡接点力学性能的影响.结果表明,IMC厚度与等温时效时间的平方根呈线性增长关系,随着等温时效时间的增加,IMC与焊料界面由初始的凹凸不平的扇贝状形貌逐渐变得平坦.IMC厚度和界面粗糙度共同影响焊锡接点的拉伸强度和断裂模式,随着时效时间的增加,IMC变厚,同时焊料与IMC界面变平坦,断裂模式由焊料内部的韧性断裂逐渐转变为IMC层内部的脆性断裂.     

Cu颗粒增强的Sn-9Zn复合钎料/Cu钎焊接头界面反应

研究了长时间再流焊条件下,在粉状Sn-9Zn无铅钎料中加入Cu颗粒增强质点(复合钎料)对Sn-9Zn/Cu钎焊接头界面反应的影响.结果表明,在Sn-9Zn无铅钎料中加入Cu颗粒,可有效降低Sn-9Zn/Cu钎焊接头界面金属间化合物(IMC)的生长速度,从而减小界面IMC层的厚度,减少IMC层内的柯肯达尔(Kirkendall)缺陷;IMC层的厚度随再流焊时间的增加而增加,随Cu颗粒加入量的增加而减小.在现试验条件下,IMC层由Cu-Zn金属间化合物组成,未检测到Cu-Sn金属间化合物的存在.     

Sn-Zn系无铅钎料研究中的几个热点问题

介绍了Sn-Zn系无铅钎料的应用及研究现状,阐述了Sn-Zn系无铅钎料研究中的几个热点课题。对Sn-Zn系无铅钎料的熔化行为、组织及力学性能相关的研究进行了总结。针对Sn-Zn钎料润湿性、高温抗氧化性、耐腐蚀性这几个不足,对目前的研究情况进行了分析、探讨;另外,还介绍了Sn-Zn系钎料与基板的界面反应和焊点可靠性的相关研究现状。     

添加工装的无铅PCB组件回流焊温度场仿真分析

无铅化的电子制造需要使用熔点相对较高、工艺窗口小的无铅焊料,但是锡铅焊料的工艺参数可能产生元器件过热、焊接不良等缺陷。采用ANSYS软件建立了添加工装的PCB组件传热过程的数学模型,模拟了无工装及有工装情况下十温区无铅PCB组件的温度分布。结果显示,在无铅焊接条件下,添加工装后PCB组件相近位置节点同一时刻的温度低于未添加工装的节点温度约15℃~20℃,实现了无铅焊料充分熔化和有效防止元器件过热的双重目标。     

电子组装用无铅焊料发展现状

在电子组装早期用得最多的焊料主要是锡和铅两种元素,尤其是质量百分比为w(Sn)63%和w(Pb)37%的共晶铅锡合金为多数电子产品所采用.大量使用的Sn/Pb合金焊料正是造成污染的重要来源之一.在制造和使用Sn/Pb焊料的过程中,由于熔化温度较高,有大量的铅蒸气逸出,将严重影响操作人员的身体健康.同时焊接互联的常见热疲劳失效与富铅相有关,期望在设计锡基无铅焊料中不含有铅相,从而改善力学性能,强化焊料.介绍了无铅焊料的基本要求、无铅焊料的研究现状、无铅焊料面临的问题:指出无铅焊料及焊接可靠性仍是工业界和学术界研究的热点问题.     

功率互连全IMC焊点的研究进展

全金属间化合物焊点具有“低温制备,高温服役”技术优势,成为最可能替代用于高温环境的高铅焊料、Au基焊料等连接材料。本文概述了低温烧结、固液互扩散键合技术、瞬态液相连接等方法制备全金属间化合物(IMC)焊点的特点,综述了Cu/Sn、Cu/In、Sn/Ag、Sn/Ni等体系制备全IMC焊点的研究进展,指出键合时间太长、相变会产生孔洞等缺陷是制约IMC生产应用的主要问题,认为应结合Cu-Cu接头的结构特点和材料性能,在焊料体系方面开发更多基于Sn基、Cu基、Sn-Cu基二元或三元焊料体系,更多地关注焊料的状态、尺寸、制备方法;在制备方法方面,把母材和焊料构造为一个冷热微循环,对焊料进行如飞秒激光、局部激光、感应加热等瞬态、局部高功率加热,同时对母材进行高功率制冷,适当辅助振动和压力能增加碰撞扩散几率和缩短扩散距离,就能快速获得单一高可靠性全IMC焊点。     

Bi对Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC的影响

无铅钎料和基板间金属间化合物(1MC)的生长对元器件的可靠性有重要影响.使用Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi无铅钎料与Ni盘进行焊接,并对焊点进行了180℃时效试验,时效时间分别为O、24、96、216和384h.采用金相显微镜、扫描电镜和能谱仪观察分析了钎料与Ni界面IMC的生长及形貌变化,并对其焊点IMC层Ni的分布进行了分析,同时对其界面生长速率进行了拟合.结果表明:Sn-0.3Ag-0.7Cu焊料与Ni焊盘之间的IMC是棒状的(CuxNi1-x)6Sn5,Bi的加入并没有起到很好的抑制作用,而是随着Bi含量的增加IMC先增加后减少.Sn-O.3Ag-0.7Cu/Ni焊点IMC中Ni的平均含量(wN)分为15%、5%两区域.由近Ni向钎料基体方向呈下降趋势.但是Sn-O.3Ag-0.7Cu-3.0Bi/Ni焊点IMC中Ni的平均含量在7%左右.时效后IMC层的厚度会随着老化时间的延长而增加,但是Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点由于Bi的析出IMC增长得缓慢;Sn-0.3Ag-0.7Cu/Ni焊点(CuxNi1-x)6Sn5中15%Ni的含量区域逐渐过渡到5%区域,但是Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC中Ni的平均含量维持9%较时效前有所增加.通过生长速率计算,Sn-O.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC的生长速率随着Bi含量的增加而减少.