低熔點無鉛焊料Sn-Bi-X的研制與無鉛焊接工藝研究.pdf

1、隨著各國政府無鉛法案的陸續(xù)推出，電子組裝業(yè)中焊料的無鉛化已成為一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。在業(yè)界目前公認(rèn)的四種類型的無鉛焊料中，Sn-Ag系和Sn-Cu系焊料因熔點比錫鉛焊料高出34℃以上，導(dǎo)致焊點質(zhì)量變差，焊接設(shè)備、印制板基材以及元器件都因無法承受高溫而需更新?lián)Q代；Sn-Zn焊料熔點為198℃，與Sn-37Pb的183℃非常接近，且具有良好的力學(xué)性能和低廉的價格，但Zn易氧化，使得Sn-Zn焊料在使用中也產(chǎn)生了很多問題；Sn-Bi系共晶焊料因

2、熔點只有138℃，只能應(yīng)用于對可靠性要求不高的低溫場合。目前尚未見到熔點在180℃～190℃之間的無鉛焊料應(yīng)用于實踐的報道。 Sn-Bi系焊料的熔點可以通過調(diào)整Bi的含量來控制，使其接近于錫鉛焊料，但該焊料在焊接過程中的產(chǎn)生的Bi偏析以及焊點脆性問題一直未能解決。作者通過在Sn-20Bi合金中加入一系列能夠優(yōu)化焊料性能的微量元素，首次采用快速凝固技術(shù)制備出了一種新型的Sn-Bi-X無鉛焊料。該焊料的熔點、力學(xué)性能、焊接性能均與S

3、n-37Pb的接近，可以在不改變現(xiàn)有裝焊設(shè)備和生產(chǎn)工藝的條件下進(jìn)行波峰焊接和回流焊接。論文研究了Sn-Bi-X焊料的微觀組織、性能特點、焊接界面問題、焊接工藝問題，并探討了無鉛焊接過程中產(chǎn)生的問題及解決方案。論文得到如下結(jié)論： (1) 系統(tǒng)研究了微量元素對Sn-20Bi焊料熔化特性、微觀組織及性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)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時，所得到的無鉛

4、焊料微觀組織均勻、微細(xì)，Bi的偏析程度明顯減小，其力學(xué)性能與傳統(tǒng)的Sn-37Pb焊料的相當(dāng)。 (2) 采用單輥甩帶法制備焊料時，冷速越快抑制Bi偏析的效果越好，當(dāng)輥速為1000r/min時效果最佳，所制作出的Sn-20Bi-0.7Ag-0.11n-0.5Ge-0.5Ce-0.5Sb-0.3Ga無鉛焊料，其熔點為186.1℃，微觀組織均勻，沒有偏析相形成。 (3)研究了擴(kuò)散退火對無鉛焊料及焊點微觀組織及性能的影響。結(jié)果表明

5、，在125℃退火16h可消除Sn-Bi系焊料中的粗大結(jié)晶，使組織均勻，并提高了焊料的力學(xué)性能。退火后的焊料在100℃長時間放置，組織穩(wěn)定。作者首次提出可將此工藝作為表面貼裝生產(chǎn)工藝中焊接完成后的一道工序。 (4)通過對焊接界面中金屬間化合物(IMC)的微觀組織進(jìn)行分析，首次發(fā)現(xiàn)焊盤鍍層金屬的消融對界面組織和性能的影響規(guī)律并通過試驗得到了驗證。此外還對錫鉛焊料及無鉛焊料合金的微觀斷裂行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，綜合考察了裂紋與晶界、第二

6、相顆粒、應(yīng)變速率及顯微組織的關(guān)系，闡述了Sn基合金內(nèi)部納米級裂紋的演化情況。 (5)采用有機(jī)可焊性防護(hù)劑(OSP)處理印制電路板(PCB)表面焊盤，通過調(diào)整不同工藝參數(shù)，進(jìn)行了大量無鉛條件下的回流焊和汽相焊工藝試驗，并對所出現(xiàn)的問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究，提出了相應(yīng)的解決方案，得出了最佳溫度曲線和工藝窗口，對層數(shù)高達(dá)20層的高梯度熱容量印制板實現(xiàn)了成功的焊接。 (6)通過有針對性地設(shè)計的幾種無鉛焊料的波峰焊試驗，總結(jié)出了焊盤剝離

7、現(xiàn)象產(chǎn)生的真正機(jī)理—“三要素法”：焊盤剝離與否取決于焊料熔融溫度區(qū)域的寬窄、伸長率的大小以及熱膨脹系數(shù)的高低，而不是“Bi-偏析”失效機(jī)理所認(rèn)為的焊盤剝離與否取決于焊料是否含Bi。“三要素法”可解釋各種情況下焊盤剝離產(chǎn)生的原因，并由此找出了抑制焊盤剝離的對策，必將對無鉛焊接的推廣產(chǎn)生重要影響。 (7)研究了無鉛焊接帶來的設(shè)備、板材、元器件、錫須以及焊點質(zhì)量等一系列新問題并提出解決這些問題的最佳方法就是采用新型作者研制的Sn-Bi