電子組裝中無鉛錫膏的選擇

 The Selection of Solder Paste in Electronic Assembly

摘   要： 焊膏是焊料閤金粉末與助焊劑的混閤物，其質量的優劣對印刷效果有極其重要的影響，特彆是無鉛化工工藝中。本文介紹瞭焊膏的組成、隻要性能要求及其影響因素，我們對目前常用的焊料閤金和助焊劑的性能和使用效果進行總結，併對不衕行業所適用的焊膏類型進行瞭論述。

關鍵詞： 無鉛化；焊膏；焊料閤金；助焊劑；應用

Abstract:   Solder paste is a compound of solder alloy and flux, and its quality affects printing The main factors that infect the performance of solder paste are introduced. The performance of different solder and flux which in common use at present are contrasted. Some suggestions about the selection of lead-free solder paste in PCB assembly are provided.

Keyword:  Lead-free; Solder Paste; Solder Alloy; Flux; Application

   焊膏是將焊料閤金粉末與助焊劑混閤而成的一種漿料，通常閤金比重佔 90% 左右，其餘部分爲助焊劑。焊膏是一箇複雜的物料繫統，製造過程涉及流體力學、金屬冶鍊學、有機化學和物理學等綜閤知識。焊膏的選擇和使用至關重要，據有關數據顯示，電子産品品質缺陷有 70% 左右與焊膏印刷有關。無鉛化後此問題更加嚴重，其中由於焊膏的選擇不當而導緻的品質問題及可靠性問題非常明顯。

1.        焊膏的組成

              焊膏是伴隨著 SMT 應用而産生的一種新型材料，也是錶麵組裝生産中極爲重要的輔助材料，其質量的好壞直接關繫到 SMA 品質的好壞，因此受到工程師的廣泛重視。錶 1 爲焊膏的基本組成，其中觸變劑在有些文獻中被列爲獨立一類。不衕的設計有不衕的用途和使用範圍， SMT 工程師在選擇時必鬚明確其所用於何種産品；軍品還是民品，要求清洗還是免清洗等。

錶 1 焊膏的基本組成

2. 焊膏的性能要求

焊膏在電子組裝過程中的不衕工藝階段有不衕的性能要求：使用前焊膏應具有較長的儲存壽命，在一定時間內不髮生化學變化，不髮生焊料與助焊劑分離，不髮生黏度變化，併且要求吸濕性小、低毒、無腐蝕性；印刷時應具有良好的印刷性能，包括順利填充模闆且無溢齣，脫模順利且不堵塞模闆開孔或點塗管嘴；成型要好無重大形狀缺陷，放置一段時間後不髮生塌陷；具有較長的工作壽命，印刷後放置於常溫下可保持在一定的時間內不變質；迴流焊接是應具有良好的潤濕性能，焊料在母材上鋪展良好；不髮生飛濺現象，盡量減少焊接過程中産生的焊料球；焊後應具有良好的焊接強度，確保時間組裝的可靠性；焊後殘留物有良好的穩定性，絶緣且無腐蝕作用，且易於清洗。尤其是焊接過程中所需的要求，如圖 1 所示，焊接過程中焊膏活化溫度必鬚覆蓋整箇釺焊溫度，一般從 80 ℃開始髮揮到冷卻後 180 ℃ { 無鉛 } 或 150 ℃ { 有鉛 } ，整箇變化過程中助焊劑焊後重量損失率可達 94.48% 。

圖 1  焊接過程中焊膏重量損失率

根據以上要求，選擇焊膏時必鬚從材料特性和工藝特性進行考慮，併依據測試方法進行評估。焊膏材料特性包括顆粒度、黏度、熔點及錶麵絶緣電阻等，工藝特性包括可印刷性、抗熱塌性、潤濕性、焊球可控性、可檢查性 { 探針測試 } 、可靠性 { 絶緣電阻及電遷測試 } 及抗腐蝕性等 { 影響模闆壽命及焊點質量 } 。從目前企業實際情況來看，大多數都不具備檢測能力。因此對技術人員來説，通過日常的經驗積纍，掌握焊膏的經驗判斷方法是可行的。 （1）焊料顆粒是將閤金熔化後，通過高壓惰性氣體噴霧或超聲波霧化形成，再通過多次過篩得到統一的尺寸，其形狀、大小及比重對於焊膏的黏度及印刷性有直接的影響。韓料顆粒形狀分爲無規則和球形兩種，無規則顆粒焊膏黏度更高，因爲顆粒直接由着“互鎖”作用導緻流動性差，而球形顆粒的延展性更高。焊料顆粒太大不易印刷，太小則會增加單位體積的焊膏錶麵積而易被氧化，造成空洞、焊球等缺陷。衕時由於佈線、阻焊膜、元件標記、加工精度及印刷機導緻水平度的影響，印刷時 PCB 焊盤與鋼網之間存在的間隙很容易漏齣過小的顆粒造成沾汙。不衕閤金比重的焊膏印刷工藝窗口是不衕的，比重太小會增加塌陷及針孔的齣現，過高會使焊膏印刷性變差，一般模闆漏印閤金顆粒佔焊膏總重量的 88%~91% ，對於點塗等註射方法，含量可低至 80%~85% 。驗證焊膏顆粒可通過顯微鏡 { 帶分析設備 } 對所攝像範圍內的顆粒直徑進行測量，蔘考 J-STD-006 來判斷。

（2） 焊膏是一種假塑性流體，有觸變性。其粘度隨時間、溫度、剪切強度等因素而髮生變化，與閤金粉末含量。尺寸及焊劑黏度太大容易粘住網孔，太小無法粘住元件，一般模闆漏印採用的黏度介於 700~1300Pa ． s 之間，絲網漏印和點塗一般可低於 300Pa ． s 。黏度試驗主要測試焊膏黏度、印刷過程中黏度變化率及觸變繫數。黏度測試可蔘考 IPC-TM-650 或 J-STD-005 ，觸變繫數一般爲 0.5~0.6 。

（3） 焊膏可印刷性是評估焊膏在印刷到線路闆時的沈積高度和印刷效果。印刷高度評估時對數據進行統計方差計祘，取標準差最小的，可穫得一緻性好的焊膏。印刷效果主要看印刷圖邊緣是否平整，有無拉尖、缺損、橋連現象，併記録取最終最佳印刷效果、值得註意的是印刷效果所用模闆應具有圓形和矩形孔，矩形孔鬚有水平、垂直及 45 °三箇方曏。

（4） 焊膏保型性是評估焊膏印刷後在一定溫度及濕度條件下，由於重力及焊劑錶麵張力作用而導緻焊膏塌陷圖形模糊，引起的焊接時引腳橋連缺陷。塌陷測試可蔘考 IPC-TM-650 。

（5） 焊膏潤濕性是評估焊膏在焊盤錶麵潤濕能力和對焊盤錶麵氧化的處理能力，測試時可以對不衕的焊盤鍍層進行測試，測試方法可蔘考 IPC-TM-650 ，也可採用印刷麵積逐漸遞減 / 遞增的形式印刷在焊盤上。

（6） 焊球可控性是評估焊接過程中焊膏的濺射情況，其與焊膏中焊粉的氧化程度、夾雜的水汽及助焊劑與焊料流動協調性有很大關繫。當濺射齣現孤立分佈的焊球後，可能造成短路併且降低焊點可靠性。測試法方法可蔘考 IPC-TM-650 。

（7） 焊膏工作壽命是評估在貼片和迴流焊前焊膏印刷後可以存放的時間。

3. 無鉛焊料閤金的選擇

 釺焊過程中焊料閤金的行爲是能否進行釺焊以及釺焊質量優劣的決定因素   。焊料閤金在釺焊過程中的行爲就是其工藝性能，主要包括：焊料閤金的固相線及液相線、抗氧化性、潤濕性和慢流性等。影響焊料工藝性能的因素包括：閤金的組成、純度的化學均勻性；液態焊料的錶麵張力；母材的成分、性質和錶麵的潔淨度；釺焊溫度、氣氛、助焊劑的活性；液態焊料錶麵膜的組成、結構和性能等。

3.1  無鉛焊料閤金體繫

  錫鉛共晶閤金熔點爲 183 ℃，具有良好的可焊性能、電氣性能和力學性能，且具有較低成本。鉛雖不蔘與反應，但其具有促進潤濕鋪展、降低熔點、抗氧化及改善力學性能作用。

  無鉛焊料是指含鉛低於 1000ppm{IS09453 、 IEC61190-1-3 標準 } ，無鉛焊料種類在 JIS Z 3283 標準中規定瞭 11 種閤金共 21 類， ISO 和 IEC 正在討論中。無鉛閤金主要是在 Sn 證加入 Ag 、 Cu 、 Bi 、 Zn 、 Ni 、 In 、 Sb 、 Al 、 Mn 、 Ti 、 Ce 等元素，按不衕搭配和百分比組成二元、三元和四元閤金，甚至五元閤金，以穫得良好的工藝性能和可靠性。需要指齣的是，焊料閤金中的某種元素超過一定量纔能被認爲是該閤金的組成元素，一些微量存在的元素不會被列入閤金的錶達式中，因爲其對閤金性能沒有明顯的影響，無鉛焊料在註冊專利時，一般也是隻認可超過一定含量的元素作爲閤金配方的一部分。圖 2 爲目前市場上不衕焊接工藝中焊料閤金使用情況，其中波峰焊中仍以 SAC 爲主流，但其對錫爐易産生強的蝕孔、對産品細引流産生鏽蝕、對 Cu 産生嚴重腐蝕，還存在 IMC 沈積等問題； SnCu 抗擾性差，當成分髮生微量變化會導緻熔點上陞，且潤濕性差，焊點可靠性較差，使用時必鬚定期檢查閤金成分的變化，日本已開始使用 SnCuNi 替代。迴流焊中仍然以 SAC  爲主，其次二元閤金 Sn3.5Ag 爲日本 JEITA 和美國 NCMS 推薦。手工焊中仍以 SAC 爲主流，其替代閤金選擇上歐洲用 SnAg 、日本用 SnCu 。錶 2 爲世界範圍內普遍使用的無前行、焊料閤金情況。

爲瞭進一步提高性能，可對上述三種主要閤金進行閤金化。 SnCu 閤金便宜，對雜質元素的敏感度較低，有著等衕於傳統 SnPb 閤金的力學性能，目前廣泛應用於波峰焊接中。但由於牠的成本低，在焊膏消耗較多的低成本再流焊接中被開髮使用，併常加入一些元素如 Ni 、 P 、 Ge 等來提高牠的抗氧化特性。然而這些元素往往與焊膏錶麵的氧及其牠的元素有副反應，易被消耗而使得含量難以控製。 SnAg 閤金中加入質量分數爲 0.5-2.0% 的 Sb ，可以進一步強化和金，從而使強度、塑性及疲勞壽命較高。但是當 Sb 質量分數超過 1% 時，閤金熔點會上陞，且 Sb 毒性較大。 SAC 閤金中加入 0.001-0.006wt% 的 Al 、 Ni 等可有效提高閤金性能，增強蠕變性，降低屈服強度，改善微觀組織結構，改善熔點溫度，衕時 AlAg 和 AlCu 化閤物可有效抑製棒狀 SnAg 及塊狀 SnCu 化閤物形成，使組織更傾曏 SnAg 及 SnCu 兩相共晶組織，且 {Ni ， Cu}Sn 化閤物有效抑製銅焊盤的消耗。

  無鉛焊料按熔點範圍分包括高溫閤金 {SnAu 、 SnSb} 、中低溫閤金 {SnZn} 、中高溫閤金 {SAC 、 SnAg 、 SnCu} 及低溫閤金 {SnIn 、 SnBi} ，目前使用較廣泛的焊料閤金中主要爲中溫繫的二元和三元閤金。一般高大閤金大都呈現比低元閤金具有更好的綜閤性能，但是四元以上閤金體繫凝結溫度範圍大，易産生裂紋，所以很少使用。焊料閤金的可靠性與熔點及閤金種類有關：一般來説熔點高、可焊性優的多元閤金，抗蠕變性好，強度高，機械強度大。可靠性較好，可在各種惡劣的環境下工作，反之依然。值得註意的是，高溫閤金隻有 SnAu 繫最有可能滿足性能要求，但是成本太高。 SnB9 和 SnIn 等低溫繫閤金化程度不髙，抗疲勞性特差，可靠性差，尤其含銦焊料成本高且供貨性差，所以很少使用。中溫繫閤金 Sn9Zn 潤濕性能惡劣，而且極易氧化，給其儲存及焊接帶來很大不便，輕則焊點髮黑，重則形成黑渣。衕時 Zn 電離趨勢打，形成的焊點電化學腐蝕嚴重，而且迴收繫統很難建立。然而， SnZn 閤金由於熔點接近 SnPb 閤金，是最具髮展前景的閤金。焊接時選擇適用於 SnZn 閤金的助焊劑中要加入一些人、特殊物質來減緩氧化，併採用氮氣保護，也可以穫得很好的焊點。另外， SnZn 閤金對鋁有很好的潤濕性，選擇閤適助焊劑，防止過強的氧化性，可用於特殊組裝中。

3. 2 SAC 閤金繫

   SAC 三元閤金是無鉛焊接公藝中主要應用的閤金，加工性能好，可方便製成焊膏及其讓形狀用於不衕焊接方法。三種閤金元素毒性很小，資源豐富，供應充足，以生産與迴收，且一般不會與鉛劑髮生反應，能保證焊膏穩定性。工藝性能方麵，很少與其他閤金元素髮生不良反應，具有較高的剪切、拉伸強度，高的康爾疲勞性，低的塑性和良好抗蠕變性性能，高溫老化後機械性能優於 SnPb 閤金，可以在高溫、髙可靠性要求情況下使用。錶 3 實驗數據顯示 SAC 閤金在小文度梯度和短暫停留時間下右臂 SnPb 性能好的抗蠕變性能。

  一般認爲 Sn Ag Cu  爲近共晶閤金，高於此比例則爲過共晶，低於此比例則爲亞共晶。如圖 3 所示， SAC305 閤金爲近共晶，熔點溫度區間窄，潤濕性好，空洞率低，且錶麵裂紋缺陷率少； SAC305 閤金爲亞共晶，寬而平緩的溫度熔化區間可有效降低豎碑缺陷。歐洲研究人員認爲高含量的 Ag 可提高焊接性能和焊點質量，但很多研究者認爲 Ag 含量超過 3.2% 時會齣現闆狀的 AgSn 閤金粗大化，導緻拉伸強度降低，疲勞壽命縮短。 SAC 閤金不衕配比對焊點微觀組織和斷裂機製都産生瞭很大的影響。試驗證明，使用不衕配比 SAC 閤金與 Au/Ni/Pb 鍍層 QFP 引線、 Ni 鍍層 PCB 焊盤得到的強度不衕，從一次再焊流、二次再焊流及熱循環前後力學實驗結果分析，近共晶成分的閤金的綜閤性能最好，亞共晶成分由於接頭引線與焊料閤金之間的金屬間化閤物中 Ni 沒有被 Sn 、 Cu 消耗或置換而含量過高導緻綜閤性能下降

3.3 無鉛焊料閤金顯微組織

 釺焊時焊料中的錫與焊盤母材反應生成以 Cu6Sn5 爲主的金屬間化閤物從而實現連接。焊點質量不但與界麵化閤物有關，而且與閤金基體顯微組織也有關。 Sn0.7Cu 閤金熔點爲 227 ℃，組織相對比較穩定，在β -Sn 基體上分佈着 Cu6Sn5 ，由於熔點較高很少作爲焊膏使用，主要應用於波峰焊中。 Sn3.5Ag 閤金熔點爲 221 ℃，組織相對穩定，在β -Sn 基體上分佈着 Ag3Sn 金屬間化閤物，起着固溶強化作用，塑性良好，但價格偏高。

3.4 無鉛焊料閤金與鍍層兼容性

  無鉛化電子組裝中，元器件和 PCB 錶麵鍍層有多種鍍層材料，無鉛閤金選擇時應該考慮與無鉛鍍層材料的兼容性。比如 PCB 鍍層基友 ENIG 、 HASL 、 I-Ag 、 I-Sn 及 OSP 五中圖層材料，從潤濕性、力學性能及無鉛焊料兼容性方麵考慮，無鉛焊料的最佳選配 PCB 錶麵材料主要爲 ENIG 、 T-Ag 、和 OSP 三種。從潤濕性方麵考慮，對於 ENIG 鍍層，無鉛焊料錶現瞭良好的鋪展率，其中 SnCu 焊料有著最大的鋪展率， SnAg 和 SAC 次之；對於 I-Ag 鍍層，錫鉛焊料沒有錶現齣比無鉛焊料特彆優異的鋪展率，這與其他 PCB 錶麵保護層的青睞是很不相衕的。

選擇焊料兼容的焊盤鍍層主要取決於界麵反應及化閤物的形成。焊料能夠實現與木材的良好連接在於 Sn 能夠與 Cu 、 Ni 等母材金屬或鍍層之間形成金屬間化閤物，從而促進焊料在金屬錶麵的潤濕鋪展及原子間鍵閤，進而形成可靠地連接。不衕的焊料閤金與界麵材料形成的可焊性。          

3.6 無鉛焊料閤金性能評

  目前無鉛焊料的配方很多，應該根據實際情況選擇最閤適的無鉛焊料閤金。圖 10 爲影響焊接可靠性的主要因素，無鉛焊料閤金在降低對銅溶解率、提高焊點光亮度以及低的熱膨脹繫數、均勻的金屬間化閤物、優異的力學性能、抗錫溫性能、抗氧化和腐蝕性能、康店偏移性能、抗蠕變性能及抗熱和機械疲勞性能方麵都有新的要求。錶 5 給齣 NCMS 提齣的一般性能評價標準。

錶 5  NCMS 提齣的無鉛焊料閤金性能評價標準

  除瞭考慮閤金本身性能外，實際生産中還應考慮其公藝性，如波峰焊中 SAC 和 SnCuNi 閤金的選擇，如錶 6 所示。 SnCuNi 閤金基地比較柔軟，強度要比 SAC 閤金低嗎，而 SAC 繫列基本相似。 4 點彎麴試驗和跌落試驗中， SnCuNi 性能較 SAC 閤金好，而低音含量的 SAC 比高銀含量的 SAC 閤金要好。

錶 6   波峰焊接中 SAC 及 SnCuNi 閤金工藝性能對比