SMT制程資料3rtc.docx

《SMT制程資料3rtc.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《SMT制程資料3rtc.docx（21页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、下一代的的回流焊焊接技术术本文介绍绍，世界界范围内内无铅锡锡膏的实实施出现现加快，随随着元件件变得更更加形形形色色，从从大的球球栅阵列列(BGGA)到到不断更更密间距距的零件件，要求求新的回回流焊接接炉来提提供更精精确控制制的热传传导。表一、典型的无铅焊锡特性合金熔点蠕变强度熔湿热阻Sn/3.5Ag216221C良好一般良好Sn/3.5Ag/0.7Cu共晶Sn/3.5Ag/4.8BiSn/5.8Bi139200C一般一般良好Sn/7.5Bi/2.0Ag/0.5CuSn/0.7Cu227C一般？Sn/9.0Zn190199C良好一般良好Sn/8.0Zn/3.0Bi共晶表一一与表二二列出了了典型的

2、的无铅(leaad-ffreee)锡膏膏(sooldeer ppastte)的的特性和和熔湿(wetttinng)参参数。显显示各种种无铅材材料(不包括括那些含含铋)的主要要金属成成分和特特性的表表一，揭揭示它们们具有比比传统的的Sn/Pb锡锡膏更高高的熔化化温度。从从表二中中在铜上上的熔湿湿参数可可以清楚楚地看到到，它们们也不如如Sn663/PPb377锡膏熔熔湿得那那么好。更更进一步步，其它它的试验验已经证证明当SSn633/Pbb37锡锡膏的可可扩散能能力为993%时时，无铅铅锡膏的的扩散范范围为773777%。Sn663/PPb377锡膏的的回流条条件是熔熔点温度度为1883CC，在小

3、小元件上上引脚的的峰值温温度达到到2400C，而而大元件件上得到到2100C。可可是，大大小元件件之间这这30C的差差别不影影响其寿寿命。这这是因为为焊接点点是在高高于锡膏膏熔化温温度的227557CC时形成成的。鱿鱿鱼金属属可溶湿湿性通常常在较高高温度时时提高，所所以这些些条件对对生产是是有利的的。可是，对对于无铅铅锡膏，比比如Snn/Agg成分的的熔点变变成21162221C。这这造成加加热的大大元件引引脚要高高于2330CC以保证证熔湿。如如果小元元件上引引脚的峰峰值温度度保持在在2400C，那那么大小小元件之之间的温温度差别别减少到到小于110CC。这也也戏剧性性地减少少锡膏熔熔点与峰

4、峰值回流流焊接温温度之间间的差别别，如图图一所示示。这里里，回流流焊接炉炉必须减减少大小小元件之之间的峰峰值温度度差别，和和维持稳稳定的温温度曲线线在整个个印刷电电路板(PCBB)在线线通过的的过程中中，以得得到高生生产率水水平。表二、铜上的熔湿参数*合金温度C接触角度时间(s)63Sn/37Pb260173.896.5Sn/3.5Ag260362.095.0Sn/5.0Sb280433.342.0Sn/58.0Bi195439.350.0Sn/50.0In2156314.2*From IPC Works99, Lead-free Solders by Dr. J. Hwang.峰值温度度维护

5、也必必须考虑虑要加热热的零件件的热容容量和传传导时间间。这对对BGA特别如如此，其其身体(和PCBB)首先先加热。然然后热传传导到焊焊盘和BBGA锡锡球，以以形成焊焊点。例例如，如如果2330CC的空气气作用在在包装表表面 - 焊盘盘与BGGA锡球球将逐渐渐加热而而不是立立即加热热。因此此，为了了防止温温度冲击击，包装装元件一一定不要要在回流流区过热热，在焊焊盘与BBGA锡锡球被加加热形成成焊接点点的时候候。回流炉加加热系统统两两种最常常见的回回流加热热方法是是对流空空气与红红外辐射射(IRR, iinfrrareed rradiiatiion)。对流流使用空空气作传传导热量量的媒介介，对加加

6、热那些些从板上上“凸出”的元件件，比如如引脚与与小零件件，是理理想的。可可是，在在该过程程中，在在对流空空气与PPCB之之间的一一个“边界层层”形成了了，使得得热传导导到后者者效率不不高，如如图二所所示。用IIR方法法，红外外加热器器通过电电磁波传传导能量量，如果果控制适适当，它它将均匀匀地加热热元件。可可是，如如果没有有控制，PCB和元件过热可能发生。IR机制，如灯管和加热棒，局限于表面区域，大多数热传导集中在PCB的直接下方，妨碍均匀覆盖。因为这个理由，IR加热器必须大于所要加热的板，以保证均衡的热传导和有足够的热量防止PCB冷却。三种热传导机制中 - 传导、辐射和对流 - 只有后两者可通

7、过回流炉控制。通过辐射的热传导是高效和大功率的，如下面的方程式所表示：T(K) e = bbT4这里里热能或或辐射的的发射功功率 ee 是与与其绝对对温度的的四次方方成比例例的，bb 是Steefann-Booltzzmann常数。因为为红外加加热的热热传导功功率对热热源的温温度非常常敏感，所所以要求求准确控控制。而而对流加加热没有有辐射那那么大的的功率，它它可以提提供良好好的、均均匀的加加热。IR + 强制制对流加加热今天的的最先进进的回流流炉技术术结合了了对流与与红外辐辐射加热热两者的的优点。元元件之间间的峰值值温度差差别可以以保持在在8CC，同时时在连续续大量生生产期间间PCBB之间的的

8、温度差差别可稳稳定在大大约1C。IIR + 强制制对流的的基本概概念是，使使用红外外作为主主要的加加热源达达到最佳佳的热传传导，并并且抓住住对流的的均衡加加热特性性以减少少元件与与PCBB之间的的温度差差别。对对流在加加热大热热容量的的元件时时有帮助助，诸如如BGAA，同时时对较小小热容量量元件的的冷却有有帮助。在图三中，(1)代表具有大热容量的元件的加热曲线，(2)是小热容量的元件。如果只使用一个热源，不管是IR或者对流，将发生所示的加热不一致。当只有IR用作主热源时，将得到实线所示的曲线结果。可是，虚线所描述的加热曲线显示了IR/强制对流系统相结合的优点，这里增加强制对流的作用是，加热低于

9、设定温度的元件，而冷却已经升高到热空气温度之上的那些零件。先进回流焊接炉的第二个特点是其更有效地传导对流热量给PCB的能力。图四比较传统喷嘴对流加热与强制对流加热的热传导特性。后面的技术可均匀地将热传导给PCB和元件，效率是喷嘴对流的三倍。最后，不象用于较旧的回流焊接炉中的加热棒和灯管型IR加热器，这个较新一代的系统使用一个比PCB大许多的IR盘式加热器，以保证均匀加热(图五)。PCB加加热偏差差一一个试验验设法比比较QFFP1440P与与PCBB之间的的、455mm的的BGAA与PCBB之间在在三种条条件下的的温度差差别：当当只有IIR盘式式加热器器的回流流时、只只有对流流加热和和使用结结合

10、IRR/强制制对流加加热的系系统。对流流回流产产生在QQFP1140PP与PCBB之间222C的的温度差差(在预热热期间PPCB插插入后的的70秒)。相反反，通过过结合式式系统加加热结果果只有77C的的温度不不一致，而而45mmm的BGAA对流加加热结果果是9C的温温度差别别，结合合式系统统将这个个温度差差减少到到3CC。另外外，在PPCB与与45mmm的BGAA之间的的峰值温温度差别别当用结结合式系系统回流流时只有有12C，使使用的是是传统的的温度曲曲线设定定。这个个差别使使用梯形形曲线可可减少到到8CC，如后后面所述述。(在连续续大生产产中，回回流炉中中的温度度不稳定定在使用用无铅锡锡膏时

11、将将有重大大影响。试试验已经经显示尺尺寸为2250xx3300x1.6mmm的PCBB、分开开5cmm插入，其其峰值温温度在大大约1C之内内。) 最佳回流流温度曲曲线对于无无铅锡膏膏，元件件之间的的温度差差别必须须尽可能能地小。这这也可通通过调节节回流曲曲线达到到。用传传统的温温度曲线线，虽然然当板形形成峰值值温度时时元件之之间的温温度差别别是不可可避免的的，但可可以通过过几个方方法来减减少：延延长预热热时间。这这大大减减少在形形成峰值值回流温温度之前前元件之之间的温温度差。大大多数对对流回流流炉使用用这个方方法。可可是，因因为助焊焊剂可能能通过这这个方法法蒸发太太快，它它可能造造成熔湿湿(w

12、eettiing)差，由由于引脚脚与焊盘盘的氧化化。提高高预热温温度。传传统的预预热温度度一般在在14001660CC，可能能要对无无铅焊锡锡提高到到17001990CC。提高高预热温温度减少少所要求求的形成成峰值温温度，这这反过来来减少元元件(焊盘)之间的的温度差差别。可可是，如如果助焊焊剂不能能接纳较较高的温温度水平平，它又又将蒸发发，造成成熔湿差差，因为为焊盘引引脚氧化化。梯形形温度曲曲线(延长的的峰值温温度)。延长长小热容容量元件件的峰值值温度时时间，将将允许元元件与大大热容量量的元件件达到所所要求的的回流温温度，避避免较小小元件的的过热。使使用梯形形温度曲曲线，如如图六所所示，一一个

13、现代代结合式式回流系系统可减减少455mm的的BGAA与小型型引脚包包装(SSOP, smmalll ouutliine pacckagge)身身体的之之间的温温度差到到8CC。氮气回流流炉无铅锡锡膏可能能出现熔熔湿的困困难，因因为其熔熔化温度度通常高高，而在在峰值回回流温度度之间的的温度差差不是很很大。另另外，无无铅锡膏膏的金属属成分一一般特性性是可扩扩散性差差。而且且，高熔熔点的无无铅锡膏膏在贴装装顶面和和底面PPCB时时将产生生问题。在在A面回流流焊接期期间，越越高的温温度B面焊盘盘氧化越越严重。在在2000C之之上，氧氧化膜的的厚度迅迅速增加加，这可可能导致致在回流流B面时熔熔湿性差差

14、。具有SSn/ZZn成分分的锡膏膏也可能能出现问问题(ZZn容易易氧化)。如果果氧化发发生，焊焊锡将不不能与其其它金属属融合。因因此，将将要求氮氮气的使使用，以以维持无无铅工艺艺的高生生产力。在以IR盘式加热器为主要热源的结合式IR/强制对流系统中(对流是均匀加热媒介)，氮气的消耗可减少到少于现在全对流回流炉所要求的一半数量。(可接纳450mm宽度PCB的炉的最大氮气消耗为每分钟200升。)一个可选的内部氮气发生器可消除大的氮气桶的需要。自动过程程监测除了了要求下下一代的的炉子技技术之外外，窄小小的无铅铅工艺窗窗口使得得必须要要做连续续的工艺艺过程监监测，因因为甚至至很小的的工艺偏偏离都可可能

15、造成成不合规规格的焊焊接产品品。监测测回流焊焊接工艺艺的最有有效方法法是用自自动、连连续实时时的温度度管理系系统。该该实时温温度管理理系统允允许装配配者通过过连续的的监测在在回流炉炉中的过过程温度度，获得得和分析析其焊接接过程的的实时数数据。这这种系统统通常由由30个嵌嵌入两个个细长不不锈钢探探测器的的热电偶偶组成，探探测器永永久地安安装在刚刚好传送送带的上上方或下下方。热热电偶连连续地监监测过程程温度，每每五秒记记录读数数。这些些温度在在炉子控控制器的的PC屏幕幕上作为为过程温温度曲线线显示出出来(图七)。实实时温度度管理系系统通过过产生一一个由穿穿过式测测温仪测测定的温温度曲线线与由实实时

16、温度度管理热热电偶探探测器所所测量的的过程温温度之间间的数学学相关性性，来提提供对每每个处理理板的产产品温度度曲线。来来自实时时温度管管理系统统的数据据也可通通过互联联网来发发送到远远方位置置，最大大利用这这种稀有有工程资资源的价价值。实时时连续温温度记录录的其它它优点包包括，消消除使用用标准穿穿过式温温度记录录器的生生产停顿顿，和所所需要的的预防性性维护的的计划。研研究已经经发现，现现代强制制对流炉炉可以有有效地工工作时间间延长，而而不需要要维护。实实时温度度管理系系统的使使用立即即提醒使使用者炉炉的性能能变差，允允许要求求时的预预防性维维护计划划。最后，严严密控制制的温度度过程可可大大减减

17、少焊接接点缺陷陷，和有有关的昂昂贵的返返工。事事实上，实实时温度度管理已已经成为为工业范范围的专专用品质质指示器器。回流温度度曲线优优化现在先先进的软软件可简简化转换换到无铅铅装配的的任务。在在较新的的软件中中，有一一个自动动温度曲曲线预测测工具，它它允许使使用者在在数分钟钟内决定定最佳的的温度曲曲线。该该工具将将曲线放放在由希希望设定定规定界界限的使使用者设设定的窗窗口中央央。一个个例子是是前面提提到的梯梯形曲线线 - 即，如如果装配配不能忍忍受高于于2400C的温度度但必须须最少2230C，那那么该自自动预测测工具将将找出一一条最佳佳的温度度曲线，介介于高限限位与低低限位之之间的中中央。结

18、论无铅锡锡膏的使使用将大大大减少少回流工工艺窗口口，特别别是对于于要求的的峰值温温度。元元件之间间的温度度差必须须减少，在在连续生生产期间间回流炉炉的变化化必须达达到最小小，为了了高品质质与高生生产力的的制造。为为了达到到这一点点，通过过回流炉炉的温度度传导必必须精确确控制。一一个具有有单独与与精密控控制的各各个加热热单元的的结合式式IR/强制对对流系统统，提供供要求用用来可靠靠地处理理无铅装装配的方方法。当当与自动动温度曲曲线预测测工具和和连续实实时温度度管理系系统相结结合时，该该回流技技术为未未来的无无铅电子子制造商商提供零零缺陷生生产的潜潜力。焊接材料料本文介绍绍，焊锡锡作为所所有三个个

19、连接级级别：芯芯片(ddie)、封装装(paackaage)和电路路板装配配的连接接材料。除除此之外外，锡/铅焊锡锡普遍用用于元件件引脚和和PCBB的表面面涂层。考考虑到铅铅(Pbb)的既既定角色色，焊锡锡可分类类为或者者含铅的的或者无无铅的(leaad-ffreee)。现现在，元元件和PPCB在在无铅系系统中已已经找到到可行的的替代锡锡/铅材料料的表面面涂层。可可是对于于连接材材料，对对实际无无铅系统统的寻找找还在进进行中。这这里，将将总结一一下锡/铅焊锡锡材料的的基础知知识，以以及焊接接点的性性能因素素，后面面有无铅铅焊锡的的一个简简要讨论论。焊锡锡通常描描述为液液相温度度低于4400C(

20、7500F)的可熔熔合金。芯芯片级别别(特别是是倒装芯芯片)的的锡球的的基本合合金含有有高温、高高铅成分分，如SSn5/Pb995或SSn100/Pbb90。共共晶或近近共晶合合金，如如Sn660/PPb400、Snn62/Pb336/AAg2和和Sn663/PPb377，也已已经成功功使用。例例如，在在载体CCSP/BGAA基板底底面的锡锡球可以以是高温温、高铅铅或共晶晶、近共共晶的锡锡/铅或锡锡/铅/银材料料。由于于传统电电路板的的材料如如FR-4的温温度忍耐耐级别，附附着元件件和ICC封装的的板级焊焊锡只局局限于共共晶、近近共晶的的锡/铅或锡锡/铅/银焊锡锡。在有有些情况况中，使使用了锡

21、锡/银共晶晶和包含含铋(BBi)或或铟(Inn)的低低温焊锡锡化合成成分。焊锡锡可以各各种物理理形式应应用，包包括锡条条(baar)、锡锭(ingot)、锡线(wire)、锡粉(powder)、预成型(preform)、锡球(sphere)与柱、锡膏(paste)和熔化状态。焊锡材料的固有特性可在三个范畴内考虑：物理、冶金和机械。物理特性性对于今今天的封封装和装装配，五五个物理理特性是是特别重重要的：11. 冶金学相相转变(phaase-traansiitioon)温温度具有有实际的的意义。液液相温度度认为等等于熔化化温度和和固相线线对软化化温度。对对于一个个给定的的成分，液液相与固固相之间间

22、的范围围叫做塑塑性或粘粘滞范围围。选作作连接材材料的焊焊锡合金金必须适适应服务务(最终使使用)温度的的最坏条条件。因因此，希希望合金金具有至至少高于于所希望望的服务务温度上上限两倍倍的液相相线。随随着服务务温度接接近液相相线，焊焊锡一般般在机械械上和冶冶金学上上变得“较弱”。2. 焊锡连接接的导电电性描述述其在传传送电气气信号中中的性能能。从定定义上，导导电性是是在一个个电场中中充电的的离子(电子)从一个个位置移移动到另另一个位位置的运运动。在在金属中中以电子子导电为为主；离离子负责责氧化物物和非金金属的导导电。焊焊锡的导导电主要要是电子子的流动动。电阻阻率 - 导电电率的倒倒数 - 随着着温

23、度升升高而增增强。这这是由于于电子的的可移动动性减少少，随着着温度升升高电子子的可移移动性直直接与平平均自由由行程(meaan-ffreee-paath)成比例例。焊锡锡的电阻阻率也可可受塑性性变形程程度的影影响(增增加)。 3. 金属的导导热性通通常与导导电性有有关系，因因为电子子主要负负责这两两样。(可是，对绝缘体，以声子活动为主。)焊锡的导热性随着温度增加而减少。4. 自从表面面贴装技技术的开开始，温温度膨胀胀系数(CTEE, ccoeffficciennt oof ttherrmall exxpannsioon)问问题已经经是最经经常讨论论的，原原因是SSMT连连接材料料特性的的CTE

24、E通常有有胶大的的不同。一一个典型型的装配配由一块块FR-4板、焊焊锡和无无引脚或或有引脚脚元件组组成。它它们各自自的CTTE是116.00x100-6/C(FFR-44)、223.00x100-6/C(SSn633/Pbb37)、166.5xx10-6/C(铜铜引脚)、和66.4xx10-6/C(AAl2O3无引脚脚元件)。在温温度的波波动和电电源的开开与关之之下，这这些CTTE的不不同增加加在焊接接点上应应力与应应变，缩缩短服务务寿命和和导致过过早失效效。两个个主要的的材料特特性决定定CTEE的幅度度，晶体体结构和和熔点。当当材料具具有类似似的晶格格结构时时，其CCTE与与其熔点点有相反反

25、的关系系。5. 熔化焊锡锡的表面面张力是是一个关关键参数数，与可可熔湿性性(weettaabillityy)和可可焊接性性有关。由由于接合合在表面面断开，在在表面分分子之间间作用的的吸引力力相对强强度比焊焊锡内部部分子力力较弱。因因此材料料的自由由表面具具有比其其内部更更高的能能量。对对于用来来熔湿焊焊盘的熔熔化焊锡锡，焊盘盘的表面面必须具具有比熔熔化的焊焊锡较高高的能量量。换句句话说，熔熔化金属属的表面面能量越越低(或或金属焊焊盘的表表面能量量越高)，对熔熔湿越有有利。注注意：上上助焊剂剂就是要要增加焊焊盘的表表面能量量而不是是象有时时在文章章中那样样说的减减低。冶金学特特性在焊锡锡连接服服

26、务寿命命内暴露露的环境境条件之之下，通通常发生生的冶金金现象包包括几个个明显的的变化。11. 塑性变形形。当焊焊锡暴露露在作用用力下，如如机械或或热应力力，它会会进行不不可逆变变的塑性性变形。通通常通过过在焊锡锡晶体结结构的许许多平行行平面上上的剪切切变形开开始，它它可能全全面地或或局部地地(在焊焊接点内内)进行，取取决于应应力水平平、应变变率、温温度和材材料特性性。连续续或周期期性的塑塑性变形形最终导导致焊锡锡点破裂裂。2. 应变硬化化，经常常在应力力与应变变的关系系中观察察到，是是塑性变变形的结结果。3. 恢复过程程是应变变硬化的的反现象象。恢复复是一个个软化事事件，即即，焊锡锡倾向于于释

27、放所所储存的的应变能能量。该该过程是是热动力力学推动动的，一一个以快快速率开开始、以以较低速速率进行行的能量量释放过过程。这这样，对对焊点缺缺陷敏感感的无论论特性倾倾向于恢恢复到其其最初的的值。可可是，这这不影响响微结构构中的可可发现的的变化。4. 重新结晶晶是在服服务寿命命期间焊焊接点内内经常观观察到的的另一个个现象。它它经常发发生在相相对高的的温度，并并涉及从从应变材材料释放放比恢复复过程较较高的能能量。还还有，在在重结晶晶期间，形形成一套套新的基基本上无无应变的的晶体结结构，它它明显涉涉及晶核核形成与与增生的的过程。重重结晶所所要求的的温度一一般落在在材料的的绝对熔熔点的三三分之一一到二

28、分分之一范范围内。5. 固溶硬化化(sooluttionn-haardeeninng)，或或固体溶溶解合金金，造成成屈服应应力的增增加。固固溶硬化化的一个个现成例例子是，当当Sn/Pb成成分通过过锑(SSb)添添加来强强化时，如如图一所所示。6. 沉淀硬化化(prreciipittatiion-harrdenningg)包括括强化作作用，它它来自于于具有分分布良好好的细沉沉淀的结结构。7. 焊锡的超超塑性特特性表明明自己处处于低应应力、高高温和低低应变率率的条件件之下。机械性能能焊焊锡的三三个基本本机械特特性包括括应力与与应变特特性、抗抗懦变性性和抗疲疲劳性。虽然应变可以通过张力、压力或剪力来

29、施加，但多少合金在剪力上比在张力或压力上更弱。剪切强度是重要的，因为多数焊点在服务期间经受剪切应力。懦变是当温度和应力(载荷)都保持常数时造成的整体塑性变形。这个决定于时间的变形可能在绝对零度之上的任何温度发生。可是，懦变现象只是在“活跃”温度时才便得重要。疲劳是在交替应力之下的合金失效。一个合金在循环载荷下可忍受的应力远低于静载荷之下的。因此，屈服强度，焊锡没有永久变形将抵抗的静态应力，与抗疲劳性无关。疲劳破裂通常从几个小裂纹开始，在应力的循环作用下增产，造成焊接点灯承载横截面减小。在电子封装和装配应用中的焊锡通常经受低循环疲劳(疲劳寿命小于10,000周期)，和遭受高应力。热力疲劳是用来刻

30、划焊锡特性的另一个测试模式。它将材料经受循环的温度极限，即，一个温度疲劳测试模式。每一种方法都有其独特的特征与优点，两者都影响在焊锡上的应变循环。2性能与外外部设计计人人们清楚楚地认识识到，焊焊接点的的可靠性性不仅依依靠固有有特性，而而且依靠靠设计、要要装配的的元件与与板、用用来形成成锡点的的工艺和和长期服服务的条条件。进进一步，焊焊接点预预计与散散装的焊焊接材料料有不同同的表现现。因此此，可能能不能准准确地遵遵循在散散装焊锡锡与焊接接点之间间的一些些现成的的机械与与温度特特性模式式。主要要地，这这是由于于基板表表面焊接接体积的的高比率率，在固固化期间间造成大大量的非非均质成成核点，以以及当焊

31、焊点形成成时在元元素或冶冶金化合合物中的的浓度梯梯度。无无任哪一一种条件件都可能能导致一一个反映映缺乏均均质性的的结构。随随着焊接接点厚度度的减少少，这个个界面效效果更加加明显。因因此，焊焊接点的的特性可可能改变变，失效效机制可可能与散散装焊锡锡不一致致。元件与与板的设设计也可可重大影影响焊接接点的性性能。例例如，与与焊盘有有关的阻阻焊层(sollderr maask)(如一一个限定定的或不不限定的的阻焊层层)的设计计，将影影响焊接接点灯性性能以及及失效机机制。对对于每种种元件封封装的各各自焊点点失效模模式已经经有观察察和说明明特征11,3,4,55,6。例例如，翅翅形(ggulll-wiin

32、g)QFPP焊接点点的断裂裂经常从从焊接圆圆角的脚脚跟开始始，第二二个断裂裂在脚尖尖区域；BGAA焊点失失效通常常在或者者焊锡球球与封装装的界面面或者焊焊锡球与与板的界界面找到到。另一个个重要的的因素是是系统的的温度管管理。IIC芯片片的散然然要求继继续增加加。其运运作期间间产生的的热量必必须有效效地从芯芯片带走走到封装装表面，然然后到空空气中。在在由于过过热系统统失效出出现之前前，ICC的性能能可能变变得不稳稳定，与与在导电电性和温温度之间间的关系系中描述述的一样样。封装装与板的的设计和和材料都都是该工工艺效率率的影响响因素。焊锡连接认为在导热方面比其聚合物胶替代品要有效得多(如表中预计的导

33、热率所反应的)表、普通通封装材材料的导导热率材料导热率(W/mmK)铜400金320硅80焊锡(SSn633/Pbb37)50铝(All2O3)35导电性胶胶5基板(FFR-44, BBT)0.2当焊接点点通过高高质量的的工艺适适当地形形成时，其其服务寿寿命与懦懦变/疲疲劳相互互作用、金金属间化化合物的的发展和和微结构构进化有有联系。失失效模式式虽系统统的组成成而变化化，如封封装类型型(PBBGA、CCSP、QQFP、电容等)、温度与应变水平、使用的材料、焊点圆角体积、焊点几何形状及其他设计因素。功率不断提高的芯片和现代设计不断变密的电路进一步要求在焊接点的抗温度疲劳的更好性能。无铅焊锡锡对无

34、铅铅焊锡的的兴趣水水平随着着时间而而变化，从从炽热到到冷淡。有有关无铅铅焊锡合合金发展展的询问问数量也也似乎直直接与美美国国会会或者在在其他国国家的法法律团体体内部的的事件成成比例77。虽然法法律的影影响不会会小，但但是，发发展无铅铅焊锡的的另一个个、可能能更重要要的目的的是要将将软的焊焊锡推向向一个新新的性能能水平。典型的PCB装配的共晶锡/铅(Sn63/Pb37)焊接点通常由于温度疲劳的结果遇到累积的老化1,3,4,5,6。这个老化经常与在焊点界面上和附近的粗糙晶粒有关，如图二所示，它反过来与Pb或富Pb相紧密相关。如果消除铅，对于经受温度循环的无铅焊接点的损坏机制会改变吗？在没有其他主要

35、失效条件(金属间化合物、接合差、过多空洞，等)时，在温度疲劳环境下的无铅焊点失效机制涉及晶粒粗糙很可能不会达到锡/铅相同的程度。无铅焊锡实际上应该设计成防止晶粒粗糙，因此提供较高的抗疲劳特性，由于有利的维结构进化。图三通过两种无铅合金比较温度疲劳无铅焊接点的强度，显示没有粗糙的出现。已经介绍了各种无铅成分1。多数似乎至少在一个区域失效：例如它们可能缺少本来的能力来展示在焊接期间的即时流动和良好的熔湿性能；熔化温度可能太高，超过普通使用的PCB的忍耐水平；或者它们可能显示不足的机械性能。只有那些结合所希望的物理与机械性能、具有满足制造要求能力的无铅合金才作为工作材料。从19901994年，在美国

36、铅的法律法规在联邦与州都是当时的议程，虽然实际的运动已经相对停滞。另一方面，日本最近的“家用电子再生法律”和欧洲的新的或更新的倡议已经推断在电子制造的所有级别实施无铅焊接。似乎工业确实在走近“绿色制造”的理想。无铅的真真正成本本本文，直直接分析析无铅焊焊锡的成成本。本文文又要谈谈一谈无无铅(lleadd-frree)。但我我的主题题不是要要海阔天天空地谈谈论什么么生态、财财政、感感情和政政治。这这方面的的主题太太多了。虽然大多多数的无无铅讨论论都是集集中在焊焊接上面面，但是是我们应应该记住住，无铅铅这一举举动也会会影响到到电路板板的表面面涂层、元元件引脚脚和内部部元件的的互联。材料材料料的成本

37、本影响焊焊接的成成本，最最终影响响装配的的成本。铅铅相对便便宜，一一般地说说，没有有哪一种种替代金金属证明明是经济济的。如如果工业业从锡/铅合金金转移到到锡/银/铜合金金，工业业的领导导者们必必须认识识到，银银和铜比比铅更贵贵。尽管管不是标标准377%的铅铅由377%的银银所取代代 - 应该是是5%的的银 - 但是锡锡、银和和铜的相相对成本本确实是是上去了了(表一一)。表一、金金属的成成本(近近似)元素每磅金属属成本(近似)密度(每每立方英英寸磅)铅$0.4450.4110锌$0.5500.2558铜$0.6650.3224锑$0.8800.2339铋$3.4400.3554锡$3.5500.

38、2664银$84.200.3779铟$1255.0000.2664材料密度度当看到各各种合金金的单位位体积价价格时(表一)，你会会发现与与Sn663/PPb377焊锡合合金的基基准价格格相差悬悬殊。焊焊锡不是是按体积积购买的的，而是是按重量量 - 锡膏论论公斤；锡条和和锡线论论磅。在在表一中中的密度度栏显示示，替代代金属比比铅的密密度远小小的多。表二二显示正正在考虑虑的特殊殊合金的的密度。例例如，最最受欢迎迎的替代代铅的候候选合金金是Snn96.3/AAg3/Cu00.7，它它与Snn63/Pb337之间间在密度度上的差差别几乎乎达到220%。因因此，如如果一公公斤的SSn633/Pbb37产

39、产生1,0000瓶的锡锡膏，那那么0.8公斤斤的Snn96.3/AAg3/Cu00.7也也将产生生同样11,0000瓶锡锡膏。因因此，以以重量来来销售焊焊锡造成成实际成成本的下下降。表二、最最常考虑虑的替代代合金AllooyMelttingg Raangee (C)Metaal CCostt/lbb (UUS$)Denssityy att 255C (lbbs/iin3)Metaal CCostt peer iin3 (UUS$)Metaal CCostt peer iin3 SSn633/Pbb37Sn622/Pbb371832.3770.31180.7550%Sn422/Bii581393

40、.4440.31161.099+45%Sn777.2/In220/AAg2.8179-189930.0060.26678.022+9700%Sn911/Znn91993.2330.26630.855+13%Sn911.8/Ag33.4/Bi44.8208-11556.2440.27721.700+1255%Sn900/Bii7.55/Agg2/00.5CCu186-11225.0990.27731.399+85%Sn966.2/Ag22.5/Cu00.8/Sb00.5213-11995.4880.26671.466+95%Sn966.3/Ag33/Cuu0.77217-11885.90.266

41、81.588+1100%Sn955/Agg3.55/Inn1.552188.1550.26682.188+1900%Sn933.5/Ag33.5/Bi33216-12005.9220.26691.599+1100%Sn966.5/Ag33.52216.3220.36682.333+1255%Sn999.3/Cu00.72273.4880.26640.922+23%Sn955/Sbb5232-14003.3770.26630.888+17%制造工艺艺当焊锡生生产时，每每一种合合金的金金属锭以以适当的的比率投投入到焊焊锡制造造商的焊焊锡罐中中。例如如，如果果制造商商想要生生产Snn60/Pb440

42、合金金的焊锡锡条，那那末锡罐罐中装的的是600%的锡锡锭和440%的的铅锭。这这些元素素熔合在在一起，最最终形成成锡条，在在波峰焊焊接机的的锡罐中中使用。制制造商可可以用该该相同的的合金拔拔成锡线线。如果果要制造造Sn663/PPb377的锡膏膏，锡罐罐中装的的是633%的锡锡锭和337%的的铅锭。合合成出来来的焊锡锡通过一一个特殊殊的工艺艺粉化，使使用一系系列的筛筛子得到到规定直直径的粉粉末。可是是，考虑虑中的三三元和四四元合金金将要求求更准确确的成分分控制。不不是简单单地在焊焊锡制造造时加入入单个的的金属，制制造商将将很可能能不得不不增加一一个额外外的预先先调制合合金的工工序。以以96.3

43、%的的一种金金属、3%的另一一种和00.7%的第三三种来调调制一种种合金要要求极高高的精确确度。这这些金属属必须在在严密控控制的条条件下结结合起来来，所得得到的合合金送到到机器中中心，在在这里制制造焊锡锡。这个个额外的的工序造造成额外外的制造造成本。专利美国国国家电电子制造造促进会会(NEEMI, Naatioonall Ellecttronnicss Maanuffactturiing Iniitiaativvess, HHernndonn, VVA)的的无铅焊焊锡指引引企图推推导出一一个不受受专利限限制的无无铅合金金标准。其其目的是是，一个个工业标标准不应应该允许许个人简简单地依依靠知识识产权而而受益。尽尽管如此此，许多多专利正正出自欧欧洲、北北美和日日本。实实际上所所有替代代合金都都被专利利所保护护。锡、银银、铜、铋铋和锑的的所有关关键结合合都已被被人获取取，包括括锡/银/铜。其结结果是，我我们几乎乎可以肯肯定无铅铅焊锡合合金的部部分成本本是某个个人或实实体的专专利权使使用费。这这可能将将增加大大约28%的的合金成成本。结论不管管无铅焊焊锡与涂涂层的使使用广度度如何，再再生与回回收还是是一个非非常可行行的方向向。不是是要不断断地开发发和报废废一类更更加昂贵贵的耗损损产品，而而是我们们应该循循环使用用我们现现有的东东西。请请记住，这这是我们们所有人人的责任任。