无铅焊料的评价内容-SMT耗材论文,SMT技术文章-SMT专家网

二、无铅焊料的评价内容

理想中的无铅焊料最好是与原来Sn—Pb共晶焊料特性相同的靠近低熔点处的类似型焊料。共晶焊料的主要特性，除具备低熔点外，能够像纯金属那样在单一温度下熔融、凝固。作为Sn—Pb共晶替代物的无铅焊料，也希望具有与Sn—Pb相同的熔融温度范围、良好的接合性能、润湿性等。在开发研制过程中，要完全达到原有焊料相同的性质是困难的，只有通过对Sn基合金添加As＼Bi、In、Cu等元素，组成性能最接近于原来使用焊料的替代物，同时要考虑到替代物(无铅焊料)的无毒性，制造成本，保存稳定性等因素。图2．1是无铅焊料中候补合金系示意。

对Sn—Ag共晶和Sn—Zn共晶添加Bi、In，目的是降低其溶点，添加Cu是为了使其组织细微化，并抑制Cu的溶解，随着某些应用上的要求，今后也可能添加Ce、Ni、P等元素。目前对无铅焊料进行评价，衡量的报告比较少，只有在替代实用过程中，或根据所用素材本身的润湿，使用性能来比较鉴别，以促进无铅焊料的应用发展。无铅焊料的特征比较见表2．1，含添加了0.5％程度的Cu。

2 无铅焊料的熔融温度范围

Sn基无铅焊料的熔点测定方式有下面三种

(1)同原来的热分析(TA)

(2)示差热分析(DTA)

(3)示差扫描热量分析(DSC)

通常采用第3种方式，对焊料由液体状态向固体状态转化时，测定其冷却曲线。这在回流焊接中，因焊料的熔融动态形成的润湿、流向、弯月面是个重要的因素。各种熔融温度的测定方法特征和低熔点共晶、对固相线、液相线测定的适用性由表2．2表示，可以看出，低熔点共晶在加热时的DSC或DTA，对固相线冷却时的热分析或加热时的DSC，在液相线冷却时求得是最适宜的。无铅焊料属Sn基合金，应充分理解由过冷却因素，需在冷却时进行液相线、固相线温度测定的这个特征。

图2．2是对Sn—3．5Ag合金的测定例，图中(a)的热分析可明显地看到冷却过程时的过冷却，凝固中回到共晶温度时不发生液相线温度误差。图中(b)的DSC在升温过程中熔融起始温度和共晶温度是一致的。由于过冷却因素，冷却过程后的散热不能表示其共晶温度，与峰值温度的液相线和固相线是没有关系的。

根据最近无铅焊料的研究报告，经加热过程时的DSC测定，由峰值温度确定液相线温度的例子是很多的。实际上，只从平衡状态图方面考虑，所拿来发表的数值是不对的，因吸热峰具加热速度依存性，不是物性值，在实用工艺上有把握焊料熔融动态的意义，仅靠这一点来表示液相线是有误差的。

无铅焊料熔融温度范围的确定，要考虑到下面几点：

(1)为决定液相线温度防止过冷却发生，在过冷的情况下宜采用方便的测定方法(TA和D

TA的共用)。 ·

(2)低熔点共晶的检测，经DSC可对加热过程有效地进行测定，在低熔点共晶基础偏析场合，可利用数次加热冷却的循环来进行探测。

(3)不是由加热过程来确定液相线温度。

3 焊料强度

测定焊料本身强度的方法有二种,一是制作试验用的拉伸试验样件,样件通过铸造做成,不经过任何机械加工,另一种是将铸造后得到的拉伸用样件,经机械加工后做成符合试验用的圆棒,再进行试验。图2．3是焊料试件用的板、圆棒。

前一种试验样件，因是铸造件存在的表面缺陷，大都会产生凝固收缩变形或发生裂纹，加上浇口方式的差异得到的数据也不同，后一种样件经机械加工后，去掉了表面缺陷，但样件上可能存在的加工误差，也会产生位置上的偏差。按操作工人的使用习惯程度，采用后一种方式作为试验样件的情况居多，具体执行时就要考虑到样件铸造形状，铸造温度，冷却速度，采用的位置精度等因素。

图2．4是Sn—Ag—Bi系无铅焊料的抗拉强度及延伸时Bi含有量的影响示意，可看出Bi含量的增加，强度就增加，延伸性就降低。在拉伸试验中，由应变速度变化形成的载荷一位移曲线见图2．50拉伸变形中应变速度减少一位负荷就会降低，这种现象说明，负荷的应变速度依存性，按照合金成分组成、试验温度、应变速度范围而产生不同的变化。原来的Sn—Pb焊料在高温下会发生微细粒超塑性现象，说明在室温时的拉伸发生的蠕变就大，例图2．5所示，应变速度(通常的拉伸变形速度)从10^-4／S降到10^-5／S，负荷就会大大减少，Sn—Ag系无铅焊料特别是Sn—Ag—Bi系焊料，这种倾向就小。

图2．6是几种不同合金在0．2％屈服强度的应变速度感受示意，应变速度感受次序为：Sn—37Pb>Sn—3。5Ag>Sn—3．5Ag—31n—0．5Bi。这里显示的数值与材料的蠕变特性有关，可通过应变速度变化的拉伸试验法来推算其热疲劳特性。抗拉强度和屈服强度没有指定的数值，会按照试验条件的异同产生变化。无铅焊料的强度试验有几个注意之处，其拉伸试验比常规的拉伸变形速度所表示的感受性系数要小，在低应变速度情况下抗拉强度比Sn—Pb共晶要小，其蠕变性质比Sa—Pb共晶难以生存，因此按照要求，测算其抗拉强度，最好在3位数的应变速度范围内进行(10—2／S---~10—4／S范围)，由不同的应变速度来计算抗拉强度。

2．4 接合点强度

由于润湿性和物性值的异同，焊接时会造成弯月面形状的不一致，焊料本身强度与接点强度的不合，随着界面层的形成会带来破坏过程的变化。同Sn—Pb共晶比较相同的焊膏印刷厚度，虽然焊料体积一样，但润湿性的不一致也会发生焊料弯月面的差异。

接合点强度试验可分为拉伸、剥离、剪切三种，拉伸和剥离适用于引线类贴片元件，剪切适用于阻容类贴片件(见图2．7)。引线的拉伸试验如图2．8所示，从反向决定弯月面的最大负荷，引线从封装体的断离和不断离，其拉伸数值当然不同。通过强度的绝对值观察时效变化，并从基板的45度方向进行拉伸试验，这种做法比较普遍。