SMT無鉛焊接對錫膏技術的新要求

SMT無鉛工藝的步伐越來越近，無鉛錫膏作為無鉛工藝的重要一環，它的性能表現也越來越多引起人們的關注。本文結合萃華電子公司的最新無鉛錫膏產品MulTIcore(96SC LF320 AGS88分析無鉛錫膏如何滿足無鉛工藝的幾個要求。

        眾所周知鉛是有毒金屬，如不加以控制，將會對人體和周圍環境造成巨大而深遠的影響。歐洲議會2003年底已經通過立法，要求從2006年7月開始，在歐洲銷售的電氣和電子設備不得含有鉛和其它有害物質。中國等國家的相關法律也正在醞釀之中。由此可見，SMT的無鉛工藝已經成為我們必然的選擇。本文以無鉛錫膏的研發為基礎，針對無鉛工藝帶來的幾個問題，如合金選擇、印刷性、低溫回流、空洞水平等展開討論，同時，向大家介紹了最新一代無鉛錫膏產品MulTIcore(96SC LF320 AGS88相應特性。

        一、 無鉛合金的選擇 

        為了找到適合的無鉛合金來替代傳統的Sn-Pb合金，人們曾做過許多的嘗試。這是因為無鉛合金的選擇需要考慮的因素很多，如熔點、機械強度、保質期、成本等。表1列舉了三種主要無鉛合金的比較結果。 

        表1 三種無鉛合金的比較結果 

       人們最終把目標鎖定在富含Tin的合金上，在富含Tin的合金中，Sn/Ag/Cu 系列又成為選擇的目標。而Sn，Ag，Cu三種合金成份比例的確定也經歷了一段探索的過程，這主要是考慮到焊點的機電性能，如抗拉強度、屈服強度、疲勞強度、塑性、導電率等等。最終兩種具有相同熔點（217°C）且性能相似的合金成分：SnAg3Cu0.5(96.5%Sn,3%Ag,0.5%Cu)和SnAg3.8Cu0.7(95.5%Sn,3.8%Ag,0.7%Cu)成為無鉛合金的主要選擇。其中，SnAg3Cu0.5被日本、韓國廠商廣泛采用，歐美企業更多選擇 SnAg3.8Cu0.7合金。以上兩種合金Multicore(均可以提供，代號分別為97SC和96SC。 

       二、 印刷性

        由于Sn/Ag/Cu合金的密度(7.5 g/mm3)比Sn-Pb合金的密度 (8.5g/mm3) 低，使用該種合金的無鉛焊錫膏的印刷性比有鉛錫膏差一些,如容易粘刮刀等。盡管如此，由于保證錫膏的良好的印刷性對于提高SMT的生產效率、降低成本十分重要，在合金成分相同的情況下，只有通過助焊劑成分的調整來提高錫膏的印刷性，如填充網孔能力、濕強度、抗冷/熱坍塌及潮濕環境能力等，并最終提高印刷速度、改善印刷效果。 

        圖1為Multicore(96SC LF320 AGS88的印刷實驗結果。由圖1可知該產品的可印刷速度范圍為25 mm/s - 175 mm/s（圖中的綠色部分表示印刷效果好）。事實證明，通過調整助焊劑成分和比例，無鉛錫膏可以具有與有鉛錫膏同樣的高速印刷操作窗口。 

        三、 低溫回流的重要性

        由于無鉛合金的熔點升高（Sn/Ag/Cu合金的熔點為217°C，Sn-Pb合金熔點為183°C），無鉛工藝面臨的首要問題便是回流焊時峰值溫度的提高。在圖2中描述了無鉛錫膏回流焊接時，在最壞情況假設下（線路板最復雜，系統誤差和測量誤差為正，以及滿足充分浸潤的條件），線路板上最熱點溫度可能達到的溫度（265°C）。圖中最冷點235°C是為保證充分浸潤的建議條件。

        值得注意的是：一方面，若無鉛錫膏所要求的峰值溫度較高，線路板最熱點便容易達到265°C，而該溫度已超過了目前所有元器件的耐溫極限；另一方面，若系統誤差和測量誤差為負，同時錫膏的最低峰值溫度較高，便會有冷焊問題的發生。因此為了保證元器件的安全性、以及焊點的可靠性，無鉛錫膏的最低峰值溫度應盡量低，即無鉛錫膏低溫回流特性在無鉛焊接工藝中十分重要。 

        值得一提的是，Multicore(的領先技術、獨特配方成功地解決了這一難題，無鉛錫膏96SC LF320 AGS88的最低回流溫度僅為229°C，這就意味著應用該款錫膏進行焊接時，可以僅比217°C 的合金熔點高出3°C（保證一定的回流時間）。這樣不但可以很好地解決可靠性、冷焊等問題，更可以減少生產工藝方面的調整，以節約成本。圖3為該款無鉛錫膏的回流操作窗口。由圖3可知，96SC LF320 AGS88 擁有很寬的操作窗口：從熔點以上時間60秒/峰值溫度229°C，到熔點以上時間80秒/峰值溫度245°C的范圍內均可以獲得極佳的焊接效果,較寬的回流窗口可以更好地滿足生產方面的不同需求。 

        四、 空洞水平 

        空洞是回流焊接中常見的一種缺陷，尤其在BGA/CSP等元器件上的表現尤為突出。由于空洞的大小、位置、所占比例以及測量方面的差異性較大，至今對空洞水平的安全性評估仍未統一起來。有經驗的工程師習慣將空洞比例低于15%-20%，無較大空洞，且不集中于連接處的有鉛焊點認為是可接受的。

        在無鉛焊接中，空洞仍然是一個必需關注的問題。這是因為在熔融狀態下，Sn/Ag/Cu合金比Sn-Pb合金的表面張力更大。如圖4所示。表面張力的增加，勢必會使氣體在冷卻階段的外溢更加困難，使得空洞比例增加。這一點在無鉛錫膏的研發過程中得到證實，早期無鉛錫膏的主要問題之一便是空洞較多。作為新一代的無鉛錫膏產品，Multicore(96SC LF320 AGS88增加了助焊劑在高溫的活性，實現了技術上的長足飛躍，使得無鉛焊點的空洞水平可降低到7.5%。

        五、 結論 

        1）Sn/Ag/Cu 系列合金成為無鉛錫膏合金的主要選擇；

        2）助焊劑介質的合理調整，可使無鉛錫膏的印刷性與有鉛錫膏幾乎相同；

        3）無鉛錫膏的低溫回流特性對SMT無鉛工藝意義重大；

        4）新一代的無鉛錫膏，使得空洞問題得到明顯改善。