1、摘要電子組裝業有鉛釬料禁用期限日益臨近。行業包括材料、設備、生產等各環節的廠商都在加快無鉛制程導入的步伐。無鉛化過程中，表面組裝的焊接工藝至為重要，而隨著熔點較高的新型釬料陸續應用，焊接過程的冷卻速率也逐漸成為被關注點。無鉛釬料熔點較Sn-Pb共晶提高30-40，焊接溫度相應提高。爐溫的提高對元件和電路板構成挑戰，焊接出爐溫度也相應提高，釬料液相線上時間相對延長。較快的冷速可以控制出爐溫度，從而一定程度的控制焊點部組織以及界面化合物的厚度，提高焊點質量。本文基于實際的回流焊生產工藝，研究冷卻速率對無鉛焊點質量的影響。主要研究兩種無鉛焊膏在不同冷速下焊點微觀組織和力學性能的變化。實測冷速在-4/

2、S -6.5/S之間時形成的無鉛焊點具有以下特點：微觀組織細化，金屬間化合物Ag3Sn和Cu6Sn5呈細顆粒狀在釬料中彌散分布，使焊點斷裂為韌窩斷裂模式，可以起到類似復合材料的原位增強作用。在釬料和Cu盤的界面，化合物厚度較小，且呈大波浪形態，容易緩解應力集中的問題，焊點的力學拉脫載荷最大；當冷速小于-1.5/S時，組織粗化。部Ag3Sn粗大而尖銳，界面的Cu6Sn5呈冰凌狀，且厚度較大。焊點在推剪時這成為裂紋萌生點，焊點的力學拉脫載荷最小。關鍵詞回流焊；冷卻速率；拉脫載荷；推剪；焊點質量；AbstractThe legislation to ban the use of Pb-based s

3、olders will become effective im-mediately, which provide a driving force for enterprises to accelerate Pb-free process. Its found that reflow soldring plays an important role in Surface Mount-ing Technology ,moreover, cooling rate in reflow soldering profile is getting more and more attention after

4、the use of high-melting-point solders.The melting point of Pb-free solders is 3040 higher than Sn-Pb eutectic solder. The increase of temperature in reflower becomes a challenge of Print Circuit Board (PCB) and components. As a result, the Time Above Liquid (TAL) of solder joints becomes longer, the

5、refore, fast cooling in reflow soldering is used for controlling the PCBA temperature , improving the microstructure of joints and decreasing the thickness of intermetallic compound , consequently, high quality products can be obtained.How cooling rate affects the quality of soldering joints in lead

6、-free process was studied in this paper. The experiments were based on practical industrial production and it focused on the effect of cooling rate on microstructure and mechanical properties. When cooled at 46/S, the microstructure of joints were refined, the IMC of Ag3Sn and Cu6Sn5 phases disperse

7、 in eutectic network in joints which present spherical particles. The fracture of these joints after tensile failure presents dimple mode. Furthermore, the thickness of IMC was thin and it present gentle incline morphology. It KeywordsRflow Soldring;Cooling Rate;Pulll；Push;不要刪除行尾的分節符，此行不會被打印目錄摘要IAbs

8、tractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2 研究現狀21.2.1 電子組裝工藝21.2.2 無鉛回流焊工藝31.2.3 無鉛回流焊中冷卻速率研究現狀51.3 本文主要研究容10第2章 不同冷速的無鉛焊接工藝實驗112.1 引言112.2 試驗條件112.2.1 試驗材料112.2.2 試驗設備132.3 溫度曲線調試142.4 焊接試驗結果182.5 本章小結19第3章 冷速對無鉛焊點微觀組織的影響213.1 引言213.2 無鉛焊點微觀組織213.3 冷速對焊點部組織的影響243.4 冷速對焊點界面組織的影響283.5 不同冷速對時效過程界面IMC生長的影響303.6 本章小結33

9、第4章 冷速對無鉛焊點力學行為的影響344.1 引言344.2 冷速對無鉛焊點力學性能的影響344.2.1 力學測試儀器344.2.2 QFP焊點的力學測試354.3 冷速對無鉛焊點斷裂行為的影響384.3.1 QFP焊點拉脫斷裂模式384.3.2 QFP焊點的斷口特征414.3.3 片式電阻焊點推剪的斷口特征414.4 本章小結43第5章 無鉛回流爐的冷卻模塊445.1 引言445.2 回流爐結構445.3 本章小節46結論47參考文獻48附錄49攻讀學位期間發表的學術論文50致51索引52個人簡歷53千萬不要刪除行尾的分節符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。

10、打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行第1章 緒論1.1 課題背景歐盟的WEEE和RoHS兩指令規定從2006年7月1日起全面實現無鉛化電子組裝。中國順時而動，也以此為有鉛的禁用期限 。包括法令、市場競爭和客戶要求等在的諸多因素都促使國企業必須加速導入適于自身產品的無鉛制程。應對無鉛運動挑戰對企業而言可謂逆水行舟，不進則退。所以各企業必須從無鉛SMT的特性包括材料、工藝、設備以及DFM（Design For Manufacture）等各方面著手，制定最適合自己產品的無鉛制程。通過幾年來的努力,國企業對于無鉛回流焊已經積累了較為豐富的經驗。在焊膏方面，Sn-Ag和Sn-Ag-

11、Cu系合金已經廣泛應用 錢乙余, 王鳳江等. 國內外無鉛釬料發展綜述. 錫焊料行業廠長聯絡網成立十周年會議.中國海口. 2003, 4:17-30，供應商們仍在努力研究，相信更優性能更低成本的助焊劑和焊膏將會陸續出現；在設備方面，無鉛制程中受影響最多的回流焊機通過在加熱模塊、氮氣保護、助焊劑回收管理、智能控制等方面的開發逐漸適應了無鉛 找一篇設備的；工藝方面，通過制程優化和精確的溫度控制，缺陷已經大為減少，成品率和焊點可靠性逐漸得到提高。但是，由無鉛焊膏自身特性帶來的一些新問題如豎碑、表面裂紋、錫須等等仍未能徹底解。各類缺陷問題在陸續出現，但客戶對產品的質量要求卻不斷提高，這促使制造工藝尤其是

12、焊接工藝愈來愈受人們關注。針對高可靠性要求的通訊設備、汽車電子等產品，設備商、材料商和制造商通常派出技術人員共同解決生產中出現的工藝缺陷。其中，在有鉛電子組裝工藝中并不受重視的冷卻速率在無鉛導入過程中逐漸引起人們的關注。因為 Hall, W.J. Cooling Parameters in Reflow Soldering, APEX 2000, Long Beach, CA, 2000.、 Yunus.M, Srihari.K, Shear Strength of Lead Free Solder Alloys, Technical Report, Area Array Consortium

13、, Universal Instruments Corporation, Binghamton, New York, 1999：1）鉛焊接溫度升高，PCB組裝板出爐溫度高。高溫時間過長必然造成對元件、焊盤鍍層以及PCB板等的熱沖擊。需要可靠的冷卻手段降低出爐溫度。2）焊點釬料液相線以上時間必須加以控制，以減少釬料和焊盤的反應時間，防止脆性的金屬間化合物生長過厚，影響接頭強度。3）無鉛焊點表面發黑，改變冷速可以改變焊點光亮。然而，冷卻速率并非越快越好，過大的冷速又會導致應力集中，出現元件破裂和PCB翹屈等缺陷。且焊點在釬料、PCB組件密度和尺寸、焊盤材料等諸因素不同時對冷速率要求也不盡相同。工藝

14、人員制定溫度曲線時多憑經驗，沒有較為深刻的認識。本文基于實際SMT生產研究冷卻速率對無鉛回流焊焊點質量的影響。主要研究冷速對微觀組織和焊點的力學性能的影響，著重于研究工藝、焊點組織和焊點力學性能之間的關系。得出生產中冷卻速率的確定方法，為SMT生產組裝焊接工藝提供數據參考，并作為設備開發的基本工藝依據。1.2 研究現狀1.2.1 電子組裝工藝一款電子產品從構想到應用所經過的主要環節包括：電路設計（集成電路設計和PCB電路設計等）、元器件制造（半導體封裝與測試）、PCB電路板制造、電子組裝和產品的測試應用。其中電子組裝是屬于板級組裝，即完成各類元件和電路板的互聯。使各型元件在電路板上協同工作，實

15、現整機功能。電子組裝使元件和電路板完成兩種意義上的連接：一、機械連接，即達到一定要求的機械強度和使用可靠性；二、電氣連接，即元件之間信號傳輸暢通無阻并且噪音小，抗干擾能力強。焊接是目前電子制造業中實現這兩種連接應用最有效最廣泛的連接方法。電子產品的焊接方法應用最為廣泛的有兩類，其一為通孔焊接(Through Hole Technology)。通孔焊接即元件引腳和電路板上確定位置的通孔相配合引腳插入通孔在以釬焊完成連接。為了實現群焊，發展起來波峰焊完成通孔焊。通孔焊接的優點在于連接強度高，易于實現，成本較低。但是隨著電子產品的高密度化和小型化，通孔焊要進一步提高組裝密度減小體積變得較為困難。相對

16、于通孔焊接發展起來表面組裝(Surface Mounting Technology)即直接把元件的焊端或引腳貼裝在PCB表面的焊盤上，以回流焊完成電氣和機械連接。表面組裝是組裝工藝中的具有革命性意義的進步。由于相應的發展起來各種封裝形式的貼裝元件，該技術使得組裝密度大為減少，結構更為緊湊。同時電信號的傳輸距離縮小，抗干擾能力增強，電氣性能也大大提高 張文典，實用。表面電子組裝工藝主要環節包括：焊膏印刷、元件貼裝和回流焊。焊膏印刷工藝主要由印刷機實現。印刷機上刮刀從具有一定厚度的模板上刮過，由于模板上有和PCB焊盤一一對應的漏孔，靠刮刀擠壓把膏狀焊料轉移到焊盤上。機器印刷屬于群操作工藝，即所有點

17、一次完成印刷。靠模板基準點實現精確定位，并通過控制模板厚度來實現焊盤上所需焊膏精確定量；元件貼裝由貼片機完成，把SMD（表面貼裝元件）精確的貼裝到已經印有焊膏的位置。由于焊膏本身具有一定程度的粘性，所以元件在焊盤上可以暫時固定。最后是回流焊工藝，即把貼裝完畢的PCB組件通過回流爐加熱，使焊點熔化，完成焊接。回流焊工藝參數的決定和焊膏性能相關。焊膏由合金粉末和助焊劑組成。助焊劑本身包括有機溶劑、活性劑等物質，在加熱過程中逐漸揮發，去除焊盤和元件引腳的氧化物質，幫助釬料潤濕鋪展。因為助焊劑的揮發和其中活性劑的激活都受溫度影響，故回流焊工藝加熱溫度和時間成為重要參數。回流焊工藝通常分為升溫、預熱、回

18、流和冷卻四個階段，最主要是要做到在合金熔化前助焊劑既能完全揮發掉，又能徹底的去除氧化物并且對液態焊點表面進行保護 K.H.Prakash , T.Sritharan. Interface Reaction between Copper and Molten Tin-Lead SoldersJ . Acta Mater. 49(2001), pp2481-2489、 D.Santos, S.Saiyed, F.Andros. Effect of Reflow Profile on Shear Strength of Sn-4.0 Ag-0.5Cu Solder Joint. Forthcomin

19、g: Proceedings of the NSF Grantees Conference,Dallas,TX,2004。比如升溫速率太快則助焊劑揮發劇烈，導致釬料飛濺，冷卻后形成錫球。如果錫球出現在細間距元件兩引腳之間，則可能形成短路；若加熱時間不夠，助焊劑在合金中有殘留而不能完全以氣體逸出則產生氣孔；若助焊劑過早揮發掉，則可能出現潤濕不良，釬料在焊盤表面不鋪展等等，這些都是可能造成整塊電路板失效的因素 Iver.E. Anderson, et al. Development of Eutectic and Near-Eutectic Tin-Silver-Copper Solder All

20、oys for Lead-Free Electronic Assemblies. IPCWorks 99: An International Summit on Lead-Free Electronics Assemblies, Minneapolis, MN。1.2.2 無鉛回流焊工藝無鉛帶來機遇和市場，同時也帶來問題和挑戰。目前應用廣泛的幾種無鉛釬料熔點比傳統Sn-Pb共晶釬料熔點高出3040左右。而釬焊峰值溫度須高出熔點2040才能保證釬料的良好潤濕，這使得無鉛化后釬焊峰值溫度達到250左右（表1-1）。表1-1 Sn-Pb釬料與無鉛釬料熔點及釬焊峰值溫度比較 Claude Carsac

21、, Jason Uner and Martin Theriault. Inert Soldering with Lead-free Alloys: review and evaluationR. IPC SMEMA Council, 2001焊膏熔點釬焊峰值溫度圍Sn-37Pb183208235Sn-3.5Ag221242262Sn-3.0Ag-0.5Cu217219242262除了溫度升高，無鉛釬料的潤濕性弱于傳統的Sn-Pb共晶釬料。潤濕角大，潤濕力減小，圓角過渡不圓滑，空洞出現的幾率增加；焊接溫度提高使釬料和焊盤氧化更嚴重，也是導致潤濕不良的原因之一，產生許多焊后缺陷。這些問題的出現對回

22、流焊設備和工藝都提出新要求。在回流焊工藝方面，最主要的變化體現在預熱和回流峰值溫度相應升高，加熱時間更長（圖1-1）。圖1-1 有鉛與無鉛典型回流焊溫度曲線比較 史建衛, 氮氣保護對無鉛化電子組裝再流焊工藝的影響D.工學碩士論文，2004年4月，哈爾濱工業大學從表1-2的幾種無鉛釬料推薦工藝參數也可以看出工藝的變化。表1-2 幾種品牌釬料的推薦工藝參數 E.P.Wood, K.L.Niimmo, In Search of New Lead-Free Electronic SoldersJ.Journal of Electronc Materials. 23(1994),pp709-714品牌S

23、ENJUGENMAINDIUMALPHLA成分SAC305SAC305SAC305SAC305預熱升溫1-3/S1-4/S2-4/S1-3/S預熱溫度120-170150-180150-200150-170預熱時間100-120S60-90S60-120S60-90S回流升溫1-3/S1-3/S220上時間30S30S20-40S峰值溫度230230-250230-240240由于無鉛釬料和Sn-Pb共晶釬料的特性差異，無鉛回流焊工藝和傳統有鉛回流焊工藝相比，有以下不同 Yunus.M, Srihari.K, Reflow Profile Development for Lead Free S

24、olders, Technical Report, Area Array Consortium, Universal Instruments Corporation, Binghamton, New York, 1999、 N.C.Lee, Reflow Soldering Processes and Troublesbooting SMT, BGA, CSP, and FlipChip Technologies, Newnes,2002、 ：1）預熱區時間加長，預熱溫度升高，使助焊劑在回流區以前充分揮發，增強熔融釬料的潤濕性。2）焊料熔點高回流溫度升高,工藝窗口（回流上下限溫度差）變窄，只有

25、810。溫控精度要求高,工藝余量少。3）由于焊膏潤濕性變差，所以助焊劑要求更高。但出于減少腐蝕和污染的考慮，助焊劑活性的不宜太強，只能增大用量。對于高可靠性要求產品實施氮氣保護下的焊接。4）由于焊接區溫度升高，出爐溫度隨之升高，要控制釬料在液相線以上的時間，對冷卻速率提出了新要求。1.2.3 無鉛回流焊中冷卻速率研究現狀目前對冷卻速率影響的研究主要是以鑄造態合金為研究對象，通常以三種冷速進行冷卻：水冷、空冷和爐冷，冷卻速率由大到小。如圖1-2（a）, F.Ochoa等人研究了Sn-Ag系在各種冷卻條件下的微觀組織 F.Ochoa,J.J.Williams,N.Chawla. Effect of

26、 Cooling Rate on The Microstructrue and Mechanical Behavior of Sn-3.5Ag solderJ. Electron Mater,2003。快速冷卻導致液態釬料非平衡相固化，生長出較細的富錫枝狀晶，周圍是共晶帶。共晶帶由富錫基體和球狀顆粒Ag3Sn組成。圖1-2（b）為-0.5/S的慢速冷卻，也會導致非平衡固化。但微觀結構為較粗大的富錫枝狀晶，共晶富錫基體中的Ag3Sn顆粒也相對較大。富錫相和共晶帶的顆粒尺寸都隨冷速增加而減小。慢冷件微觀可以較為清晰的看到Ag3Sn沉積物呈片狀，Ag3Sn在冷卻過程中率先形核，是初始相。大塊片狀初始

27、相Ag3Sn沉淀物應該被避免，因為它較脆，當釬料接頭在低應力或者循環應力條件下工作時導致缺陷。 （a）水冷：-24/S （b）空冷：-0.5/S圖1-2 Sn-3.5Ag掃描照片K.S.Kim等人研究表明,對于Sn-Ag-Cu系鑄造態合金，冷卻速率的影響與Sn-Ag系類似 K.S.Kim,S.H.Huh,K.Suganuma. Effects of Cooling Speed on Microstructure and Tensile Properties of Sn-Ag-Cu alloys J. Materials Science and Engineering.A333 (2002) 1

28、06-114。主要是快冷時枝狀晶間距減小，晶粒尺寸減小。而慢冷由于反應時間的增加使共晶網絡的寬度增加（如圖1-3）。 （a）水冷：-8.3/S （b）空冷：-0.43/S圖 1-3 無鉛釬料Sn-3.0Ag-0.5Cu掃描照片金屬間化合物IMC（主要是-Cu6Sn5）的初始形態也和冷速大有關系。圖1-4顯示水冷和空冷的IMC相對爐冷件要薄，而且生長面較平坦。爐冷件相較厚，呈扇貝狀。X.DENG等人認為：IMC厚度之所以受冷速變化的影響，是因為冷速減小時釬料液態滯留時間增加，相當于再流時間延長，反應和擴散也增強，所以冷速降低出現IMC厚度增加 X.Deng, G.Piotrowski, J.J.

29、Williams, and N.Chawla. Influence of Initial Morphology and Thickness of Cu6Sn5 and Cu3Sn Intermetallics on Grows and Evolution during Thermal Aging of Sn-Ag solder/Cu joints J.Journal of Electronic Materials, Dec 2003。同時冷速越小IMC形狀起伏越大。這樣的形狀也會對SMT焊點有劣化作用。 (a) -106/S (b) - 5.4/S (c) -0.1/S圖1-4 不同冷速下 S

30、n-3.5Ag/Cu界面的IMC形貌 對于拉伸和屈服強度，如表1-3,J.Madeni研究了冷卻速率對幾種無鉛釬料的影響 J.Madeni, S.Liu, and T.Siewert, Casting of Lead-free Solder Specimens with Various Solidification Rates, ASM-International Conference, Indianapolis 2001。可見，水冷同時提高了釬料的拉伸強度和屈服強度，而且屈服強度提高尤其明顯。Yang W.Yang, L.E.Felton and R.W.MesslerJr, Journal

31、 of Electronic Materials, 2410,1465 (1995).等人的研究結果也表明冷速的增加提高屈服強度、剪切強度。Kim等人的實驗也表明Sn-Ag-Cu系釬料合金冷速增加時拉伸強度增加12。表1-3 兩種冷卻方式引起的強度變化對比14SampleProcessYS(MPa)UTS(MPa)Sn-3.5Ag Water Quench2428Air Cooling1928Sn-3.2Ag-0.8CuWater Quench2832Air Cooling2030Sn-3.0Ag-0.5CuWater Quench3033Air Cooling2527強度隨冷速的增加而增加可

32、以由微觀結構的細化來解釋，由尺寸和強度關系函數Hall-Petch公式可知，冷速細化微觀組織，從而提高強度。而且枝狀晶尺寸減小則界面面積增加也使抗斷裂能力增加，起到強化作用。Yang等人認為彌散分布顆粒越細釬料接頭的強度越高15。在水冷時接頭工作淬硬速率最大是由于細化和彌散分布的Ag3Sn硬度高于錫基體。（錫基體使斷裂性能提高）。冷速減小微觀尺寸增加，因此爐冷條件下獲得的較粗的微觀結構將導致斷裂性能變差。快冷改變微觀組織結構，從而也對無鉛釬料的蠕變行為產生重要影響。F.Ochoa等人的研究表明冷速的增加使試件抗蠕變性能增加 F.Ochoa, X.Deng, and N.Chawla. Effe

33、cts of Cooling Rate on Creep Behavior of Sn-3.5Ag alloyJ. Journal of Electronic Materials,Vol.33, No.12, 2004。這是快冷形成的細小富錫枝狀晶和錫基體中細小彌散的Ag3Sn顆粒使接頭抗斷裂性能提高從而提高蠕變性能。相反，慢冷時粗大的晶體容易導致裂紋并擴展。Sn-Ag系的蠕變性能提高主要是彌散分布顆粒起到了增強作用。而通過研究微觀結構和應力值變化，結果表明變形過程的主導機制并非晶界滑移。對比Sn-37Pb釬料，冷卻速率對其拉伸和蠕變性能的影響都和Sn-Ag-Cu系合金相反。錫鉛釬料快冷時共晶

34、體中Pb成球狀，雖然同樣是快冷使相細化，但差別在于Pb硬度比富錫基體弱而且其含量遠大于Ag在Sn-Ag和Sn-Ag-Cu合金中的含量。所以快冷導致的Sn-Pb釬料微觀細化，反而使其在變形過程中更有利于晶界滑移。故拉伸和抗蠕變性能相對較低 找一篇SnPb的。可以說Pb和Ag3Sn本身的性質決定了合金的主導變形機制，使冷卻速率有不同的表現。這也是冷卻速率在無鉛焊接中較受關注的一個原因。除了以上冷卻速率的一些影響以外，快速冷卻還可以獲得比慢冷更為光亮的外觀。圖6是AIM公司對不同焊膏加熱熔化后采用不同冷速冷卻獲得的外觀圖片，快速冷卻的外觀明顯比慢冷的亮，所以快冷可以解決實際生產中焊點金屬光澤差的問題

35、 J.Hwang, Environmentally-Friendly Electronics: Lead Free Technology, Electrochemical Publications,2001。 Sn-37Pb Sn-0.7Cu Sn-3.8Ag-0.1Cu Sn-3.0Ag-0.5Cu圖1-5 幾種釬料在不同冷速下的外觀除了對基于鑄造態釬料進行的冷卻速率方面的研究，行業的一些企業和組織開始以實際組裝板為對象研究冷速的影響。人們開始關注快冷導致的應力問題，慢冷出現的缺陷問題以及產品的長期可靠性等等。試圖確定各型產品的最佳冷卻速率。美國的Amkor公司對Sn-Ag-Cu系列的釬料B

36、GA焊點進行了全面的可靠性研究 。在快速冷卻的情況下，Sn-Cu、Sn-3.4Ag-0.7Cu及Sn-4.0Ag-0.5Cu焊點可靠性提高了超過20%。日立公司在其某型便攜式信息產品上的應用Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料，冷速為-4/S。該產品基板裝有1.27mm間距的BGA、0.5mm間距的QFP，0.5間距的連接器，1.0×0.5mm的片式元件。焊后焊點外觀漂亮，很少外觀缺陷，可靠性測試結果業十分好，產品進入批量化生產 。IBM公司的技術人員采用兩種冷速對SAC釬料的BGA焊點冷卻固化：(a)在一種油介質中快冷(接近100°C/s)，(b)在爐中慢冷(0.02

37、76;C/s)。如圖1-6（a）所示,形成很細的Sn枝狀晶并在其間形成較細的共晶帶。快冷形成較大的溫度梯度，使枝狀晶生長尺寸細化，且形成彌散強化的Ag3Sn或Cu6Sn5，使接頭的拉伸強度和抗蠕變性能都大為提高。如圖1-6（b），慢冷形成的微觀組織粗大，又因為Ag3Sn 或Cu6Sn5 呈先共晶相出現，生長形態不規則且尺寸偏大，失去了彌散強化效果，這大大降低了接頭的質量。在實際生產中，采用1.5/S或稍大的冷速對接頭冷卻可以有效抑制大片狀Ag3Sn或Cu6Sn5, 起到彌散強化作用，提高釬料接頭質量。 （a）快冷 (b)慢冷圖1-6 兩種冷速下獲得的組織對比 S.K.Kang, et al.

38、Microstructure and Mechanical Properties of Lead-free Solders and Solder Joints Used in Microelectronic Applications. Technical Report. IBM Corporation，Binghamton, New York, 1999 Vitronics Soltec公司的Ursula Marquez認為：良好可控的再流工藝曲線影響回流焊接的質量，而冷卻速率是工藝曲線中的重要組成部分，影響焊料在液態的滯留時間從而影響焊接質量和成品率。如表1-4，快速冷卻實現了對釬料液相線以

39、上時間（TAL）的控制,從而獲得良好的焊點質量 Ursula Marquez, Denis.Barbini, The Importance of Cooling Rate in the Developing the Totally Controlled Reflow Process for Lead Free and Eutectic Tin Lead Processing, IPC SMEMA Council 2003, p.S11-3-13。表1-4 冷卻速率對回流工藝參數的影響速率圍TAL 圍T快冷2.9°C/S60 Sec7.23.9°C/S43 Sec慢冷1.2&

40、#176;C/S68 Sec6.71.9°C/S55 SecUrsula Marquez實驗采用的最大冷速-2.5/S，最慢-0.5/S焊接BGA器件。典型的SAC系合金在-0.5/S慢冷條件下的BGA焊點枝狀晶異常粗大，IMC尺寸也較大。由于無鉛本身工藝窗口窄，認為-2.5/S已經屬于快冷之列。如圖1-7（b）所示，快冷時化合物厚度明顯減小，且沒有如圖1-7（a）中Ag3Sn和Cu6Sn5像冰凌一樣的形狀。Y.QI等人研究了冷速對無鉛的Sn-3.8Ag-0.7Cu釬料焊接無引腳片式電阻的影響。用三種冷速進行冷卻：-1.6/S,-3.8/S和-6.8/S，并進行了加速熱循環試驗，測試

41、結果也表明：快速冷卻的Sn-Ag-Cu釬料焊點的力學性能尤其是抗蠕變失效性能較慢冷的焊點好 Y.Qi，A.R.Zbrzez，M.Aglar.Lam. Accelerated thermal fatigue of lead-freesolder joints as a function of reflow cooling rate.J Journal of 。 （a）冷速-0.5/S （b）冷速-2.5/S圖1-7 滲錫板上Sn-Ag-Cu/Cu界面微觀 1.3 本文主要研究容1）以片式電容電阻為主要焊接元件，研究應用于無鉛回流焊中的幾種典型Sn-Ag-Cu系無鉛釬料在不同冷卻速率下焊接的焊點質

42、量。2)從QFP焊點的外觀缺陷，部微觀組織和QFP焊點力學性能（以推剪強度為主）等方面來考察不同冷卻速率對所選定的典型無鉛釬料焊接所得焊點質量的影響。3)無鉛焊接的焊點質量與用傳統Sn-37Pb釬料焊接的焊點進行對比。確定所選定的釬料焊接獲得焊點高可靠性的最佳冷卻速率。4)焊點溫度到達固相線下某一溫度后微觀組織趨于穩定，此后冷卻速率對焊點影響作用不大。釬料從液態到固相線下的這一溫度存在一個冷卻效果明顯的區間。研究確定所選定釬料的冷卻區間，獲得最佳冷卻效果。雙擊上一行的“1”“2”試試，J(本行不會被打印，請自行刪除)第2章 不同冷速的無鉛焊接工藝實驗2.1 引言無鉛工藝更難于控制，要求更嚴格，

43、不良工藝極容易導致產品失效或者降低可靠性。在無鉛制程導入研究中人們發現，無鉛焊料合金的力學和蠕變等性能受溫度影響的表現有別于共晶錫鉛合金，因而人們對回流焊工藝重新進行了更為細致準確的研究，而冷卻速率也越來越受關注。為了闡述冷速對無鉛焊點的影響，本章介紹有關的工藝實驗。2.2 試驗條件2.2.1 試驗材料1.電路板采用FR-4單面剛性板。Tg140,焊板上有片式元件焊點共130個，如圖2-1示。電路板焊盤采用鍍錫工藝，鍍層厚度為50m。PCB板在焊膏印刷前用酒精進行清洗，去除表面雜質污物。圖2-1 實驗用組裝板2.表面貼裝元件采用三種型號片式電阻元件：R2012、R1608、R1005以及 12

44、8個引腳、引腳間距0.4mm 的QFP。QFP相關參數如圖2-2和表2-1。圖2-2 QFP封裝試件示意圖及封裝尺寸表2-1 QFP封裝尺寸 N.Brady, et al, Empirical Modeling of Surface Mount Solder Joint from 132 Pin Quad Flat Pack ComponentsJ, Soldering & Surface Mount Technology, 1992,10:4-8封裝尺寸A1A2DEFGLbCD1E1128 QFP14.0014.000.101.0016.0016.008.858.850.600.18

45、0.153.焊膏試驗采用兩種無鉛焊膏，焊膏A是億鋮達Sn-3.5Ag，焊膏B是Sn-3.0Ag-0.5Cu，焊膏C是錫鉛共晶Sn-37Pb。主要參數如表2-2。表2-2 試驗用焊膏性能參數焊膏類型A型B型C型成分Sn-3.5AgSn-3.0Ag-0.5CuSn-37Pb密度7.57.48.4助焊劑量10.0±0.511.510.0±0.5粒度25-45m25-45m25-45m熔點221217-2191832.2.2 試驗設備1.焊膏印刷設備絲印機以高精度的定量和定位把焊膏從模板轉移到PCB板上相應的位置，具有高精度和高速度的特點，是SMT自動化生產的主要設備之一。本文實驗

46、采用日東SEM-688型號絲印機，樹脂刮刀，不銹鋼模板。印刷工藝實驗參數見表2-3。表2-3 焊膏印刷工藝參數模板厚度印刷速度刮刀角度刮刀壓力脫模速度0.12mm20mm/s60°30N1mm/s2.元件貼裝設備貼片機為三星CP45FV型，動臂式運動結構，六貼裝頭。貼裝精度0.08mm。3.回流焊設備回流爐采用日東電子科技的兩款機型，分別是NT-8N-V2和NT-8N-V3。兩機型同為8溫區加熱，不同處在于后者在冷卻區具備兩個冷卻模塊，可以在焊接時獲得更大的冷卻速率。NT-8N-V2外觀如圖2-3(a),NT-8N-V3的雙模塊冷卻區如2-3(b)。兩款機型都基于無鉛焊接設計，有如下

47、特點 日東產品說明書：(1)加熱系統 加熱模塊均采用增強型PID控制的強制熱風循環系統，具有優良的均溫性和熱效率。控溫精度±2。各溫區上下加熱，獨立循環，獨立控溫。前后循環回風設計和優良的熱風噴嘴對流系統，可有效防止溫區之間氣流影響，保證溫控精確。加熱效率高，升溫速度快。(2)控制系統 模塊化智能控制軟件，電腦全自動控制各溫區的上下加熱模塊溫度，網帶進板速度；可以實現各溫區獨立溫控及監視和在線溫度曲線(Profile)測試分析功能，SmartPara虛擬仿真功能，節省參數的調整時間。(3)冷卻區 采用外置冷水機冷卻的高效冷水循環冷卻，可以滿足各種無鉛冷卻速率的要求。冷水區溫度可以進行

48、實時監控，外置冷水機的冷水溫度可調節。 (a) (b)圖2-3（a）NT-8N-V2回流爐；（b）冷卻模塊4.溫度測試儀溫度測試儀用于測試監控回流爐爐溫曲線，即焊點溫度和加熱時間的關系曲線。通過測試，考察設定溫度是否符合焊接要求，達到參數最佳設定的目的。課題中涉及的冷卻速率數據主要由該儀器測試結果所得。測試過程中以熱電偶連接溫度測試儀和待測焊點，熱電偶把電路板上焊點的溫度信號轉換為電信號，用相應分析軟件分析即得溫度曲線 溫度曲線測試。圖2-4 溫度曲線測試系統2.3 溫度曲線調試衡量回流爐質量優劣最重要的兩個指標是加熱精度和穩定性。但SMT的流水線生產特點決定了回流爐為隧道式多模塊加熱結構，而

49、各個相鄰加熱模塊之間極容易竄溫，影響加熱精度和熱穩定性。所以，不同的回流爐在不同的PCB組件上有不同的表現力。故了解一臺設備的性能再根據焊膏參考曲線和被焊組件的特點調試溫度曲線至關重要。如圖2-5為本文所用B型焊膏的參考曲線。圖2-5 Alpha Sn-3.0Ag-0.5Cu參考溫度曲線由參考曲線可知，B型焊膏對回流焊加熱基本要求如表2-4。之所以參考曲線并沒有給定各項指標的具體值，是由于對于不同組裝板，工藝參數存在差異。以升溫速率為例，要求焊點從室溫到達150的速率不超過1.5/S。對于復雜的大板，為了使板上的大元件和小元件溫差限制在一定圍，通常會在較小的升溫速率下加熱比如0.5/S。而小板

50、則可以在較大的速率下加熱。表2-4 B型焊膏基本加熱條件加熱到150的升溫斜率150-180的加熱時間180到峰值溫度升溫斜率220以上加熱時間峰值溫度1.5/S90-120S3/S20-40S235-245按照參考曲線要求大致設置各溫區參數，執行加熱并進行溫度測試。反復對比測試所得曲線和參考曲線的各項參數，直至符合要求。實際過板觀測焊接外觀質量，最終確定各溫區溫度設置和網帶運動速度。實際設定回流爐各溫區溫度見表2-5。其中一二溫區為升溫，電路板組件進入回流爐從室溫開始升溫。三四五溫區為平臺區，焊膏中的溶劑等物質揮發。六七溫區繼續升溫，多余物質大部分揮發，活性劑開始作用，去除焊盤表面氧化膜。七

51、八溫區為回流焊接，焊膏達到熔點，熔化并在焊盤表面潤濕鋪展，包圍元件焊端和引腳。最后進入冷卻區，焊點固化，形成穩定的永久性連接。表2-5 回流爐各溫區溫度設定焊膏一區二區三區四區五區六區七區八區A170180180180190210255250B170180180180190210255250C160165170170185220230180不同的網帶運動速度決定電路板組件在回流爐中的加熱時間，網帶速度和溫度設置必須最佳配合才能獲得良好的焊接質量。本文所有無鉛焊接實驗回流爐帶速均設定為75cm/min，該速率通過回流爐體總長和焊膏最適加熱時間計算所得。確定各溫區溫度設置后，用溫度測試儀器對各型號

52、曲線測試5次。紀錄所得曲線的各項參數，計算平均值。實驗用不同冷速的有鉛溫度曲線見圖2-6。實驗用兩款回流爐的冷卻原理是：冷卻模塊中有冷凝管和冷卻風扇。冷凝管外接循環冷水。不同冷卻速率主要通過冷卻風扇和冷水溫度各自的調節來實現。四種典型冷速的曲線參數如表2-6所示，和供應商參考曲線基本要求相符。其中A曲線為V3機型上風機打開，冷水溫度最低時獲得（水溫4）；C曲線為V3機型風機打開，循環冷水關閉時獲得；B曲線為V2機型上風機打開，冷水溫度最低時獲得（水溫4）；D曲線為V2完全爐冷時獲得。圖2-6 不同卻速的典型有鉛溫度曲線圖2-7 不同卻速的典型無鉛溫度曲線表2-6 不同冷卻速率無鉛曲線的各項參數

53、無鉛曲線參數180平均時間平均峰值溫度平均冷卻斜率220平均時間A型124.5S243.5-6.50/S34.12SB型125.0S244.0-4.15/S35.95SC型125.6S244.1-2.10/S42.20SD型126.2S245.2-1.15/S51.74S對于無鉛焊膏，220以上加熱時間是十分重要的參數。本文所選A型和B型焊膏熔點都在該溫度附近，故取220以上加熱時間近似作為焊膏液相線上時間TAL(Time Above Liquid )。從表2-6可知：冷卻速率對TAL時間存在影響。A型和B型曲線相差最少，在2S左右；而A型和D型相差最大達到17.6S。由于在TAL圍，擴散和反

54、應進行相當劇烈，故從理論而言，控制冷卻速率可以一定程度的控制反應進行程度。下面進行理論估算TAL值。實驗用兩款型號的回流爐加熱模塊的長度和數目都一致，每個模塊長度為360mm。又帶速是74cm/min12.33mm/s,所以在PCB組件在每個模塊中的加熱時間是360/12.3329.20S。第八溫區為焊接峰值區，PCB組件從該區出來進入冷卻區。焊點溫度從245降到220，溫度減少25。則這一圍不同冷速下焊點的加熱時間為：A型 25÷6.50/S3.85S TAL=29.20S+3.85S=33.05SB型 25÷4.15/S6.05S TAL=29.20S+6.05S=35

55、.25SC型 25÷2.10/S11.90S TAL=29.20S+11.90S=41.10SD型 25÷1.15/S21.75S TAL=29.20S+21.75S=50.95S理論計算值和測試儀所得數據差值在2S之，數據相似程度在回流焊工藝可以接受。各典型曲線下焊接元件數目如表2-7。表2-7 無鉛不同冷速下焊接元件數目元件類型A型曲線B型曲線C型曲線D型曲線PCB板數目8888單板元件數目R201240404040R160840404040R100550505050QFP11112.4 焊接試驗結果 圖2-8 焊膏A的片式電阻焊點 （a）焊膏A （b）焊膏A圖2-9 焊膏B的QFP焊點2.5 本章小結1. 完成回流爐溫度曲線調試。根