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第5章

无铅焊接

李宁成

摘要 在RoHS法规的驱动下，世界从20世纪90年代末开始向无铅焊接过渡。本章介绍了主流无铅焊接实践，并对无铅焊接材料和焊接接头的性能（包括金属间化合物和微观组织演变）进行了示例和讨论。此外，还介绍了焊点可靠性的主要类别，包括温度循环，脆性，电迁移和锡晶须，并阐明了其机理。最后，简要介绍了包括低温，低成本和高可靠性的新型无铅焊料合金及高温合金的发展趋势和现状。

5.1主流无铅焊接实践

5.1.1无铅焊接驱动

欧盟立法限制在电气和电子设备中使用有害物质（包括铅）（RoHS指令2002/95 / EC），并促进此类设备的收集和回收（WEEE指令2002/96 / EC）。这两项指令自2003年2月起生效。

自20世纪90年代后期以来，无铅焊料的采用一直在不断推进。图5.1显示了2004年至2015年无铅焊料材料在全球采用水平的IPC数据。焊膏和焊料条比药芯焊丝稍早转换。

图5.1 焊膏、药芯焊丝、焊条和固态焊丝中无铅焊料与锡铅焊料所占比例的历史趋势[1]

图5.2电子工业采用的普遍的焊料合金[2]

5.1.2普遍的无铅焊料合金

电子工业采用的主流无铅焊料合金如图5.2所示。该合金分为共晶锡铜（SnCu），共晶锡银（SnAg）和共晶锡锌（SnZn），并根据熔化温度范围排布。涉及指定焊料合金系列的应用通过图表右侧的复选标记显示。

列出的每个合金族都通过添加主要元素或掺杂剂进一步改性以增强某些特征，例如熔融温度，可焊性，机械强度，可靠性或化学稳定性。SnAgCu三元合金是最主流的焊料材料，包括95.5Sn4Ag0.5Cu（SAC405），95.5Sn3.8Ag0.7Cu（SAC387）和96.5Sn3Ag0.5Cu（SAC305），用于回流焊，波峰焊和手工焊接。在降低成本的考虑下，最近市场上出现了低含量的Ag SAC焊料合金，Ag含量从0.3％上升到1％，如SAC0307和SAC105。

除了SnAgCu其它包含添加剂的合金可能包括96.2Sn2.5Ag0.8Cu0.5Sb（Castin），98.45Sn0.5Ag1Cu0.05Mn（SACm）等。

出于对成本的考虑，希望使用无银焊料，例如共晶99.3Sn0.7Cu。然而，共晶SnCu在焊料润湿性，焊点强度和焊点可靠性方面较差。据报道，一些改性合金如99.25Sn0.7Cu0.05Ni0.006Ge（SN100C）和99.5Sn0.5Cu0.06Co（Sn995）在这些方面提供了增强的性能。这些合金主要用于波峰焊和手工焊接应用，其中由于涉及较大的接头尺寸，对焊料合金可靠性的要求不高。

共晶SnZn合金于20世纪90年代后期推出，由于其熔点低至199℃，因此当组件和板的热稳定性尚未升级以应对更高的工艺温度时，允许无铅添加组装工艺。但是，Zn元素的高反应性由于易于氧化Zn而导致实施焊接过程中的主要挑战，更不用说SnZn焊膏的稳定性差。引入89Sn8Zn3Bi以抑制Zn的反​​应性，并设法用于回流工艺。加入Bi还使熔融温度进一步降低到190℃。然而，由于CuZn金属间化合物（IMC）层在焊接到Cu焊盘上时温度循环时形成空隙的趋势，并且由于组件和板的可用性热稳定性提高，这种合金逐渐淡出工业。

对于某些热敏元件，焊接温度必须低得多，而58Bi42Sn的熔化温度为138℃。添加1％或2％的Ag可以稍微降低焊料的脆性。根据iNEMI的预测，低温焊接预计将在2017年后成为电子组装的重要组成部分。

5.1.3无铅表面处理

对于形成无铅焊点，不仅需要焊料合金无铅，而且零件或电路板的金属化表面光洁度也必须无铅。表5.1中列出了电子工业可用的印刷电路板（PCB）表面。

在表中列出的所有品种中，最受欢迎的表面保护层是有机保护层（OSP），化学镍金（ENIG），镀银层（I-Ag）和镀锡层（I- Sn）。

对于零件表面光洁度，可用选项显示在表5.2中。

调查结果表明，用于部件的前三种涂层包括（1）纯Sn，（2）SnBi和（3）NiPdAu。 对于需要连接有源芯片的引线框封装，Ni / Pd / Au是预镀表层的最爱。 对于无源元件来说，纯锡是有利的。

5.2焊点的物理和机械性能

5.2.1熔化行为

对于SAC焊料合金，DSC熔融范围是Ag含量的函数，如图5.3所示。 SAC305具有217℃的固相线和220℃的液相线。对于低Ag SAC合金，固相线仍然在217℃，但液相线约为227℃。

表5.1电子行业可用的PCB无铅表面处理

表5.2电子行业可用的无铅表面处理

这些合金的抗拉强度随着Ag含量的增加而增加，从SAC0307的44MPa到SAC305的54MPa。

图5.3 SAC0307，SAC105和SAC305的DSC熔融行为。 SAC305接近共晶，而SAC105和SAC0307分别具有两个对应于共晶SnAg和共晶SnCu的不同峰[3]。由Vijay等人提供

5.2.2蠕变行为

蠕变是材料在恒定应力下随时间的变形。它反映了温度循环处理等应力条件下焊点的主要疲劳机理。高蠕变率强烈表明焊点对疲劳失效的抵抗性较低。

SAC305合金的蠕变行为如图5.4所示。对于SAC305，来自几个不同来源的数据全部显示在同一图表中。一般来说，SAC合金在低应力条件下显示较低的蠕变速率。这归因于SAC合金比63Sn37Pb更高的硬度。通常较硬的焊料比较软的焊料慢。然而，在高应力下，SAC305比较软的SnPb表现出更高的蠕变率。这种意外行为归因于SAC305的宏观长距排列。 SAC305的高Sn含量表现出Sn-枝晶晶格占优势的长程有序。在超过阈值的高应力条件下，这种长程有序崩溃，从而导致了相当快的蠕变速率。对于63Sn37Pb，由许多富含Sn的区域和富Pb区域组成的焊料基体，每个都是短程有序的结构。长程序的缺乏没有门槛值，因此在增加的应力条件下会出现稳定增加的变形。

长程有序的阈值不仅对压力敏感，而且对温度也很敏感，将在第二部分讨论。 5.5.1。

图5.4 SAC305和63Sn37Pb的稳态蠕变行为。 由Syed提供[4]

图5.5 SnAg倒装芯片焊点的蠕变数据。 由Wiese [5] 提供

焊点的蠕变性能不仅取决于焊料强度，还取决于表面光洁度类型和工艺条件以及测试温度。 图5.5显示了具有96.5Sn3.5Ag焊料接点的倒装芯片的Cu和NiAu涂层的蠕变特性。 在回流焊时，器件被缓慢或快速冷却。实验在5℃和50℃下进行。

图5.6 SnAgCu倒装芯片焊点的蠕变行为。由Wiese [5]提供

在较高的温度下进行测试总是会导致较高的蠕变速率，这可能是由于较高温度下的焊料刚性降低所致。缓慢冷却和快速冷却似乎在蠕变速率上是可比的。这是因为在回流焊时，冷却速率一般在0.7到2 ℃/ s的范围内。 这并没有明显的不同，因此导致了可比的蠕变速率。然而，金属化确实导致显着不同的蠕变速率，Ni金属化导致比Cu金属化慢得多的蠕变速率。也许，这种差异是由于在Ni / Au衬底上形成焊料凸块时，Au溶入焊料凸点而引起的。Au浸入焊料导致AuSn₄ IMC颗粒的形成，其改善了焊料粒度并因此使焊料自身变硬。 Cu焊盘的情况没有这种Au硬化效应。

发现倒装芯片焊点的存储条件会影响焊料的蠕变速率，如图5.6所示。将回流的焊点分别在125℃下储存24,168和1176小时，然后在5℃和50℃下进行蠕变试验。与回流样品相比，在125℃下储存24小时产生两个 提高三个数量级的蠕变速率，并且归因于在高储存温度下的晶粒粗化效应。储存时间的进一步增加不再改变蠕变速率，可能是由于平衡的粗化微观结构。

5.3金属间化合物（IMC）

在焊接时，原子级的紧密接触对于形成有效接头是至关重要的。如果焊料能与基体金属反应形成化合物，化学反应驱动的润湿速度将比单纯的物理溶解过程快得多。焊料和金属之间形

成的反应产物称为金属间化合物（IMC）。对于焊料而言，人们最喜爱的选择含锡合金焊料，因为Sn对电子工业中常用的大多数金属化层，例如Cu和Ni，都有高的反应活性，其中Cu是主要金属导体，而Ni是施加到Cu上的扩散阻挡层，用于某些需要焊料和Cu之间的反应较慢的应用。在焊接过程中遇到的常见IMC及其物理和热性能如表5.3所示。 IMC的出现通常是形成有效焊点的重要证据。

表5.3 纯铜，锡和镍及其金属间化合物：室温物理和热性能[6]<!--

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