新型中温无铅焊锡膏的研制与应用

  新型中温无铅焊锡膏的研制与应用 新型中温无铅焊锡膏的研制与应用 罗礼伟贺会军 (厦门市及时雨焊料有限公司 北京康普锡威焊料有限公司) 摘要：为了应对RoHS指令，电子组装行业普遍开始了无铅化制造。在SMT方面，目 前所使用的焊锡膏主要是使用锡银铜合金。该合金比以往使用的含铅合金熔点高出很多， 使用成本和工艺难度也高出很多。及时雨公司做了深入研究，成功开发出新型SnBiCu中 温无铅焊锡膏，可以在以前的Sn63Pb37的回流条件下进行焊接。使用该焊锡膏在保证可靠 焊接的同时，大大降低无铅化带来的成本增加。 关键词：无铅、焊锡膏、中温...

  新型中温无铅焊锡膏的研制与应用 罗礼伟贺会军 (厦门市及时雨焊料有限公司 北京康普锡威焊料有限公司) 摘要：为了应对RoHS指令，电子组装行业普遍开始了无铅化制造。在SMT方面，目 前所使用的焊锡膏主要是使用锡银铜合金。该合金比以往使用的含铅合金熔点高出很多， 使用成本和工艺难度也高出很多。及时雨公司做了深入研究，成功开发出新型SnBiCu中 温无铅焊锡膏，可以在以前的Sn63Pb37的回流条件下进行焊接。使用该焊锡膏在保证可靠 焊接的同时，大大降低无铅化带来的成本增加。 关键词：无铅、焊锡膏、中温、无铅焊料、SnBiCu． RoHS指令规定．自2006年07年01日起禁止含有超过规定限量水平的铅(Pb)、镉 (Cd)、‘汞(Hg)、六价铬(C，+)与聚溴联苯(PBB)和聚溴二苯醚(PBDE)等有害于人体健康的物质的 电子电气产品(有部分豁免)进入欧洲市场。中国也出台了独立于Rolls指令但目的相同的 ‘电子信息产品污染控制管理办法》(信息产业部第39号令)．已于2007年3月1日正式 生效。现在电子焊料中不再允许铅(Pb)的使用(除了极少的例外)，已经对全球电子生产 行业，特别是中国和亚太别的地方的电子制造供应商产生了重大影响。在无铅绿色制造这 一大趋势下，许多国家的科研机构和企业已经加大投入来研发无铅焊料，并积极推广其应 用。 l 无铅现状 传统锡铅焊料，其共晶Sn63Pb37的熔点是183℃，与目前的PCB、元器件的耐热性能接 近，并且拥有非常良好的可焊性、可靠性、导电性以及较低的价格等优点而得到，‘。泛应用。无 铅焊料作为锡铅共晶焊料合金的替代材料，应该具备与锡铅焊料大体相同相同的特征，具 体目标如下： 。 (1)合金熔点接近Sn37Pb的183℃： ‘ (2)无毒或毒性很小： (3)材料供应充足，价格较低： (4)机械性能与可靠性良好： (5)足够的润湿及可焊性； (6)导热性和电导率满足规定的要求； (7)尽可能与目前所用焊剂相容，容易制成膏状，并且储存稳定； (8)一般在满足热线胀系数小于29X107K的要求下应尽可能使焊料热膨胀系数接近 基板或引脚材料。l 根据上述要求，最大有可能替代SnPb钎料的无毒合金是Sn基合金。因为Sn成本低，资 源丰富，物理性能(导热、导电性和润湿性)合适，易与其它元素合金化。钎料以Sn为土． 添加Ag、Bi、Cu、Zn和In等金属元素，通过合金化来改善钎料合金的性能，提高可焊性。 目前，已开发出来的无铅焊料主要有Sn—Ag系、Sn--Ag--Cu系、Sn-Cu系．Sn—Zn 系、Sn—Bi系。Sn—Ag系焊料具有优良的机械性能和较高可靠性性．已有多年使用经验， 299 但由于较之SnAgCu系熔点价格更高，可靠性稍逊而较少应用。Sn—Ag—Cu系合金焊料由 于具备优秀能力的细微组织和机械特性，最大的特征是焊接可靠性相当好和较高的工艺良率． 是目前的主流无铅焊料。缺点是：1)共晶点221℃，熔点相比来说较高．熔点比SnPb共晶高 38度左右；使用SnAgCu无铅焊料，若不改变工艺．将会在焊接时导致对热敏感的电子器 件损伤，使得产品的功能弱化或使器件破裂，也使得SnAgCu合金焊料不能成为未来趋势。 2)含有3％～4％(wt)的Ag造成成本高，存在电迁移问题。Sn—Cu系的优点是成本较低． 缺点是熔点偏高，润湿性较差而较少制备成焊锡膏使用。SnZn系无铅焊料对工业界很有吸 引力，因为其共晶合金Sn9Zn的熔点为199℃，接近锡铅共晶熔点183℃，焊接可靠性较好， SnZn系无铅焊料也存在很明显的缺陷，那就是在大气中易产生氧化，用助焊膏进行调配锡 锌焊膏会出现粘度的显著劣化与差钎焊性，目前，还只有少数成熟锡锌焊锡膏调配技术。 SnBi系无铅焊料具有熔点低、设备损害少；润湿性良好，焊接方便、效率高的优点。Sn58Bi 共晶合金应用于主板封装已超越20年。但由于其易偏析、在界面处易形成连续富Bi层， 且对杂质元素较为敏感，使可靠性变差的缺陷限制其应用场景范围。川 2 无铅化带来的问题 ” 出于环境保护而进行的无铅工艺给电子工业带来了巨大的挑战，也随之带来了诸多问 题： (1)无铅焊料高熔点温度(SnAgCu、SnAg、SnCu等)带来的问题。 a)现有钎焊设备的温度承受能力问题。由于焊接温度提高了30—50℃，原有有铅设备 本身的温度承受能力就出现了问题，需来更换。付出了相当大的成本。 b)塑封元件及PCB板材的耐受温度问题。常用塑封料的耐受长时间钎焊的温度极限是 230℃，较SnPb合金210℃左右的焊接温度约有20℃的温差，给焊接上艺留出了一定裕度。 而SnAgCu合金的焊接温度要达到247—257℃，已经超出了塑封件的耐受温度。不能应用。 一个有效的解决MATCH_

  _20_1是提高塑封件的耐受温度。成本提高很多。如何保证可靠焊接的同时 降低无铅焊料合金熔点也就成了一个关键课题。 (2)合金成分变化带来的问题。润湿性降低，锡须生长等问题。 (3)可靠性问题。焊点界面金属间化合物的生长等。川 (4)成本的大幅度的增加。无铅工艺使得设备、焊料、元器件等均需做调整．这带来了成 本的大幅度的增加。 3 中温锡铋铜无铅焊料 基于对无铅焊料合金的深入研究及多年的无铅焊锡膏开发经验，厦门市及时雨焊料有 限公司成功开发出新型中温无铅焊锡膏，该焊锡膏是目前总体成本最低且拥有非常良好焊接可 靠性的无铅选择。该焊锡膏选用新型无铅焊料合金SnBiCu。下面首先对SnBiCu焊料进行 详细阐述： 在研究初期，确定了如下的焊料合金选择原则： a)熔点与传统锡铅合金183℃接近，客户在无铅化进程中能够继续使用原有的材料、 设备和工艺而不会额外增加成本： b)不含银、铟这些贵金属，使得产品成本及售价都大大低于锡银铜焊锡青。 C)拉伸、剪切强度等焊接可靠性指标在SnBi58基础上得到特别大程度提升。 d)兼顾润湿、导热、导电等指标． 经过大量的实验，确定了新无铅焊料SnBiCu符合上述要求，推出SnBi30Cu0．5和 SnBil7Cu0．5两种不同熔点的合金适应不一样需求。 (1)熔点： SnBi30Cu．5的熔点为149----186℃，SnBil7Cu0．5的熔点为190--209C。下图为SnBiCu焊 料与现用的SnPb37、SAC305等DSC曲线对比。图中，DSC曲线的峰越窄，合金越接近共晶 成分：DSC曲线出现双峰，说明有严重的偏析，从而形成先熔化相。另外，由于所测熔化 曲线为升温曲线，按照所测DSC曲线标识出的熔点应该偏高，这点从共晶的SnPb曲线就可 以证实。SBCl705焊料可根据SnPb37的焊接工艺温度进行焊接，而只需稍延长润湿时间 即可；而SBC3005焊料能代替现有多级封装的低温焊料。 SnB订7Cu0．5 萼一蓁 ●t瑚℃ 皇■直：216-11℃ 鼻IE直：盈，审5℃ ， ＼ 匕 SnBi30Cu0．5 SnPb37 SnA93．0C0．5 SnBi35Agl 《～ 《筐●s‘1曩霸嗣蹲圈■■■■■_ 合金 SIlBi58SnBiI?CuO5 SnBi30CuO5 SnPb37SnA93CuOj 电阻率pQ·cm 33 1584 15 133 12O 85C热导率 (2／m·s·K) 2l {5l 45．4 50 64 20℃热膨胀系数 105／K 15 1985 19 24 191 (5)可靠性： 钎料与Cu基板形成的CueSm(Cu3Sn等)界面IMC层厚度在2um左右时，界面既具有 较高的结合强度，同时又不至于脆断：无铅焊料的可靠性较差主要是钎焊形成的界面IMC 会随时效进行而长大。研究之后发现焊料中少量的Cu可显著提升SnBi焊料的界面IMC的稳定 性，因此SnBiCu焊料比SnBi的可靠性大幅度提高。 -■_-r．★●__-●-●---盘—_吲^n_●hlb-㈣—-h__一-●■-·●，f 撕佃㈣ _■-__■●—-■-一●●_o●--■■■蚋_■_H∞，_- 撕11m(days) 佃-■●__f●■---·●-●●一-■-■■_～一_-H抛■ ’n№I №蛆h孵epckIl曲细ld如Bj砌豳职-Vlri啷蜘妇 下图为几种焊料的焊点外观：可见SBC焊料为消光的产品。其中图1．SBCl705焊点的 外观的组织为细小的针状组织+不连续析出相：图2，SBC3005焊点的外观的组织为有稍偏 析的树枝晶组织出现：图3，SnPb37焊点的外观组织为具有等轴晶的典型共晶组织。一般 偏品合金如果将缺陷均匀分散，可避免应力集中，有利于残余应力的释放，提高了可靠性： 如果形成连续的严重的偏析组织一般性能恶化，容易在严重偏析(本焊料为Bi)的部位出 现开裂。此外，SnBiCu焊料无Ag。含银导致清洗要求增加，否则容易电化迁移导致电子电 路失效(氢氧化物和硫化物电化迁移)，特别是较低的银含量导致电化迁移和树枝结晶非常 不稳定：较低的Sn含量。Sn—Bi-cu焊料中的Sn含量较低，减弱了锡须的形成驱动力和剥 离概率(高锡风险)。同时。降低了对不锈钢焊接容器的腐蚀；另外．焊料中Bi含量较高， 降低了高Sn焊料焊点中Cu的溶解，Cu在焊料中溶解，会造成针状Cu6Sn5增加，导致流 一E3晷q妄rlt8墨王宣主 ．暑马量■￡】tB--暑‘-工． 动性下降，连锡拉尖的缺陷增加。 (6)焊接界面分析 下豳为加cu与未加Cu的SaN偏晶焊拳}界面能谱分析．扫描的顺序依次为焊料、界 面、cu基板。从左图能够准确的看出界面屡出现非常明显的纯的Bi层，且界面靠近基扳处有sn峰的 提高．说明紧界面处为cu—sn金属问化台物，次界面处由于sn的敌消耗产生了纯Bl屠； 而从右圈可见界面纯Bi层已经不明显了，井且在远界面的焊料中Bi的峰抖动明显．说明 Bi已经被打散了成均匀分布，细小弥散的Bi晶粒组织有利于提高焊点强度，这也是SBC 焊点比SSSB焊点强度高的原囡。 纯SnBi偏晶界面能谱 加入少量cu后界面能谱 (7)微台金化改性 SnBiCu焊料加cu的双重作用在于：降低和解决铜蚀问题．将粗火的菱状晶体(纯Bi) 细化．井且慢细小弥散的Cu6Sn5阻碍Bi的富集与长大，来提升了材料的可靠性。但仍 然存在极薄的富Bi层，主要是由于台金焊料中sn被基扳cu消耗形成Cu6Sn5．而Bi不参 与反廊，造成Bi的过剩。实验表明悍点开裂在此纯Bl层，下阿左圈为焊卢断n能谱分析。 (翻中sB#一1为整个断口面扫描{sB#一2为断口上的凸点成分：sB#一3和s8#一4为断口上 的凹点成分)可见断口整个面为富Bl(Bi含量比原始焊l：_}舍量高中j．且凸虫和凹点均 为B1的成分，宏观断口平整，断裂为典型的穿(Bi)晶断裂。这点的断裂机理bSnBl业 品焊料和SnBi偏晶合金相同。为此，设计减少sn的消耗性元素形成如中间示意罔的界面 组织为理想组织。在优选了大量台金元素后发现x元素能够形成圈示界面组织．初步实验 表明，焊接可靠性比SBC更有提高。下图右隔扫描和金相可她经改善后的捍料组织明显细 化而稳定．且富Bi层明显得到抑制，界面层变薄．发现Bi明显有被打敞的迹琢。 m讯0．40％ ∞m．4Ⅻ7∞哇 Codc．) MO．14∞ ■■山 示惠圈 (8)喷制锡粉 选刚高纯原料炼制罩 续同流焊接的锕织遗传， 分布，球形度好。右圄为 №x《l-Sl口a) n咄aa) №Xh． Ci{L啪) 有利r肝 ．甲志 黔滞龋÷{ 州x∞盯∞弧札札甄m，由u∞蜘蠹mM爝 篙黜M篮 刚z∞m∞ 酬x抽驺∞【耋№∽孔m【要№越乩mz皓M∞x站”∞№吼“饥M矾驯姗 j言{萋脚 拜艘僦 4焊锡膏调配 锡铋铜新型无铅焊锡膏使用了专门研制匹配的助焊膏。针对含Bi焊料易氧化、容易形 成锡珠和镯球的问题．在助挥膏中添加了一种特定二元胺的正辛酸盐为主活化荆．使之能 够提供足够的焊接活性。其还有一优异特性，那就是在焊锡膏温度(100C时．活性剂的活 性掇低．也就使得焊锡膏在储存及印刷过程中能保持很好的粘度稳定性。待焊锡膏进入同 流焊炉加热回焊时．焊锡膏被加热至

  100C。该活性剂能释放出报强的活性。完成助 焊作业。 助焊膏中还使用了适景烷基酚聚氧乙烯醚磷酸酯的铜盐作为界面强度改进 荆。该盐能进一步改善焊接可靠性。 (1)烷基酚聚氧乙烯醚磷酸酯类他台物是一种常用的表面活性剂．在焊接温度下可以降 低熔融焊剂的表面张力．有利于焊料在焊盘上的铺展，同时促进了焊接面合金的形成。 f2)皖基酚聚氧乙烯醚磷酸醑与多元羧酸反麻的产物培件能优异的缓蚀剂．谚化台物通 过麓基的吸附作用可以在焊料表明产生一层致密的保护膜，使焊料表面避免被腐蚀和氧化． 也能促进界面合金的形成。 (3)使用铜盐得益丁日本公司的一些做法。在焊接温度F，杖还原出来的微细铜颗辛立使 得焊接后界面合金组织变得微细化，这对于改变富铋台盒的脆性是有帮助的。 采取了专用助焊膏及精选的焊粉泥炼而成的锡铋铜无铅焊锡膏性能优越。无吸溯性．气 味小．粘度适当，适应钢同及滚简印刷工艺。塌落性能优异，冷、热塌落均合格。润攫性 好．焊后残留无色透明，稳定性高．具有很高的绝缘电阻。在0～lO℃条件下保质期超过 A个月。 l ：黧豢．1 甘a睁■自簪⋯一 悸蘩√”期蝴■K一一誊囊鬟蘸jI SnBiCu焊锡膏焊接效果 SnBiCu焊锡膏印刷技 使用SnBiCu焊锡青焊接过程必须要格外注意的问题： (1)SnBiCu焊料具有较高的兼容性，典型焊盘有Cu、Ni、NliP、Au、蛔、sn辞几种， 在实验中t以上几种焊盘材料均能得到很好的润槛．按照

  测定均在2级以上，但在焊 盘或引脚镀层中应尽可能地选择不含P元素的镀屡(有降低润湿性作j{j)：特圳应严格限制Pb 的含量．少量的铅就能严重恶化蜱接性能．特别是温度循环实验过程中发现．有少鼍的铅 存在就会产生微裂纹，分析为sn—Pb—B1低熔点IMc所致： (2)补焊：在补焊过程中选用常片j的SAC焊丝较好．也可选用成本低廉的SnCu焊丝， 但当选用SnCu焊丝时，应选用cu含量较低的焊丝，否则会由于焊点中sncu金属问化台 物(IMC)增多而降低焊点的连接性能和使用的可靠性 (3)SnBiCu焊料属于非共晶焊料．回流工艺过程中在焊料崮相线以上温度范围内麻尽可 能加快速冷却，降低先析出相遗成成分的不均和避免粗大组织的形成。回流焊设备考虑添 加玲水机提高其冷却效果。(所述的快速冷却是指在合金固相线阱上快冷，吲相线以F戍采 用缓冷来降低应力) SnBiCu焊锡膏各项性能指标 序号 检验测试的项目 技术方面的要求 实测结果 单项 结论 1 粘度(Pa·S) 194．9(25℃) } 2木 润湿性试验 无非或反浸润现象，且印刷图形周 浸润良好．且印刷图形周围 合格 围无焊锡飞溅物。 。 无焊锡飞溅物 3宰 锡珠试验 ①符合图示标准： ①符合图示标准； 合格 ②Type3-4合金粉：三个试验

  0．63衄焊盘问不出现桥接。 A焊盘(O．63问隙不应出现桥接。 B焊盘①25℃。所有问焊盘 ‘×2．03m,)B焊盘①25℃。在

  10．25ram间隙不不出现桥接。②150℃，所 B焊盘(0．33应出现桥连。②150℃，在≥0．30m有焊盘问不出现桥接。 ×2．03rm)间隙不应出现桥接。 0．IImm厚网印模板： C焊盘出现桥连间隙①25合格 2、0．1m厚网c焊盘①25℃，在≥0．25ram间隙不℃，0．10mm②①150℃，啦 应出现桥连。②150℃，在

  10．30ram0．10mm ， C焊盘(0．33间隙不应出现桥接。 D焊盘①25℃．所有焊盘不 ×2．03衄) D焊盘①25℃，在≥0．175m间隙出现桥接。②150℃，所有 D焊盘(0．20不应出现桥连。②150℃．在≥焊盘不出现桥接． ×2．03嘲) 0．20ram间隙不戍出现桥接。 5# 绝缘电阻(焊 从：≥1×10⋯Q 1．5X10“Q 合格 后，Typel， ^：≥1X10“‘Q (AA) 经40℃。95％ B：≥1×10”Q RH。96h测试 电压 Dc 500V) 6# 残留物干燥 焊渣表面应无粘性，表面的白垩粉 符合标准要求 合格 度 (或白粉笔)应能容易除去 7# 卤素含量 从：

  O．5’I．0 8# 铜镜腐蚀试 从：应基奉无变化： 铜膜尢腐蚀 合格 验 ^：不应使铜膜有穿透腐蚀： (AA) B：／ 备注 枣依据IPCJ-STD-005：#依据JISz3283—86 粘度测定：MalcomPCU205lOrpm／lOmin／25C 307 5使用锡铋铜锑新型无铅焊锡膏总体成本评估 从有铅工艺转到无铅工艺，一直存在的一个问题是总体成本的大幅度的增加。因没有 一种无铅元件比有铅元件便宜．而且生产电子线路装配的实际成本并不像看到的那样直观 明显，构成总体成本的因素很多，这中间还包括焊料、印刷线路板、元器件、设备和T艺更换 及经营费用等。现在有了一个新选择，SnBi17CuO．5可部分替代SnPb37和SnA93CuO．5．特 别是在消费类电子科技类产品领域，SnBil7CuO．5成本低于Sn／t93CuO．5合金及其他含银焊料： SnBi30CuO．5可用于高频头等焊接，部分替代SnPb37和SnBi58共晶，在成本上明显低于 含1个Ag的SnBi35Agl，而且由于Bi含量的降低在成本上也明显低于SnBi共晶。此外， SnBiCu焊料可完全避免专利问题；下表为按07．8．8上海有色金属网报价计算的合金原材 料价格。 合金焊料 原料价格(元／kg)合金焊料 原料价格 SBCl705 156．93 SBC3005 171．13 SAC305 239．53 SnBi35Agl210．05 SnPb37 97．45 SnBi58 200．90 总的来看，使用锡铋铜无铅焊锡膏进行封装总体成本不高．具备极高的性价比： · 焊料中不含Ag等贵金属，单位焊料价格远较SnA93．OCuO．5低： ● 印制线路板及元器件能够正常的使用耐温性稍差的材料制造，成本明显降低。 · 仍可使用原有回流焊设备，节约不少。 6结语 SnBiCu新型中温无铅焊锡膏具有性能优良，熔点适当，焊接可靠性好，超高的性价比的特 点。该产品已经在部分电子组装厂商如TCL、万利达等使用，得到了用户的肯定。 参考文献 (1)王大勇，顾小龙．无铅焊料的研究现状．浙江冶金[J]，2007．2第一期：1--6． (2)菅沼克昭，无铅焊接技术[M]．北京；科学出版社，2004． (3)田春红，田艳红，孔令超．电子封装与组装无铅化应川中的问题．’卜导体{j．业 [J]，2006．12：46—51． 308

  本文档为【新型中温无铅焊锡膏的研制与应用】，请使用软件OFFICE或WPS软件打开。作品中的文字与图均可以修改和编辑， 图片更改请在作品中右键图片并更换，文字修改请直接点击文字进行修改，也可以新增和删除文档中的内容。

  [版权声明] 本站所有资料为用户分享产生，若发现您的权利被侵害，请联系客服邮件，我们尽快处理。

  本作品所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权，请谨慎使用。

  网站提供的党政主题相关联的内容(国旗、国徽、党徽..)目的是配合国家政策宣传，仅限个人学习分享使用，禁止用于任何广告和商用目的。

  诺贝尔化学奖历届得主%201901--2001 - 欢迎访问安阳工学院化学工程系

  人教部编版九年级历史上册《18 美国的独立》教案教学设计初三优秀公开课

  Lesson 4 Is he your brother示范课教学设计【小学英语四年级上册（科普）】

  河南省洛阳市2020届高三物理下学期尖子生第二次联考试题（含解析）（通用）