無鉛電子裝配的材料及工藝考慮
無鉛電子裝配的材料及工藝考慮發布時間：2003-8-23作者：秩名
MaterialandTechniquesforLead-FreeElectronicAssembly
J．Reachen
伴隨歐洲電子電氣設備指導法令(WEEEDirective)宣布到2006年部分含鉛電子設備的生產和進口在歐盟將屬非法，以及國外同業競爭者在全球不斷推廣無鉛電子裝配，相伴而生的對各種合金混合物的完好性和可靠性等問題的考慮越來越受到重視。簡言之，到底選用哪種合金，這一問題變得越來越緊要。本文將對Sn/Ag、Sn/Ag/Cu和Sn/Cu等三種合金做深入考察，并對其可靠性試驗結果與工藝上的考慮進行比較。
Sn/Ag合金
Sn/Ag3.5-4.0合金在混合電路與電子組裝工業的使用時間較長。正因如此，部分業者對使用Sn/Ag作為一種無鉛替代合金感覺得心應手。但不巧的是這種合金存在幾方面的問題。首先這種合金的熔融溫度(221度)和峰值回流溫度(2400-260度)對于許多表面安裝部件和過程來說顯得偏高。此外，這種合金還含有3.5-4%的銀，對某些應用構成成本制約。而最主要的問題是這種合金會產生銀相變問題從而造成可靠性試驗失效。
我們注意到，在進行疲勞試驗(結果如表1)時，Sn96/Ag4在其中一種循環設置上產生了失效。對此問題作進一步研究得出的結論是：失效起因于相變。相變的產生是因合金的不同區有著不同的冷卻速率而致。
為對此問題進行深入研究，用一根Sn96/Ag4焊條，從底部對其進行回流加熱及強制冷卻，以便對其暴露在不同冷卻速率下的合金的微結構進行觀察。Sn96/Ag4合金按冷卻速率的不同產生三種不同的相。由此考慮同樣的脆性結構會存在于焊接互連中，從而造成焊區失效。正是由于這種原因，大多數OEM及工業財團反對把Sn/Ag作為主流無鉛合金來用。銀相變問題的存在也對高銀Sn/Ag/Cu合金提出了質問。
Sn/Ag/Cu合金
盡管涉及專利保護方面的問題，世界大部分地區還是傾向選用Sn/Ag/Cu合金。但到底選擇什么樣的合金配方？本文將重點討論兩種Sn/Ag/Cu合金：受各種工業財團推崇的Sn/Ag/Cu0.5合金和相應的用作低銀含量合金的Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5。
兩種Sn/Ag/Cu合金的比較
在討論兩種合金體系的可靠性試驗結果之前，先憑經驗對兩種合金作一比較是有益的。大體上看兩種合金很相似：兩者都具有極好的抗疲勞特性、良好的整體焊點連接強度以及充足的基礎材料供應。但兩者之間確也存在一些細微的差異值得討論。
熔點
兩合金的熔點極為相似：Sn/Ag4/Cu0.5熔點為218度，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5熔點為217度。業界對這種差異是否構成對實際應用的影響存在爭議。但如能對回流過程嚴格控制，熔點溫度變低會因減少元件耐受高溫的時間而帶來益處。
潤濕
兩種合金比較，自然地會對選擇高銀含量合金的做法抱有疑問，因為銀含量變高會增加產品成本。有臆測認為高銀合金有助于改進潤濕。但潤濕試驗結果顯示，低銀含量合金實際上比高銀合金潤濕更強健和更迅速。
專利態勢
工業界渴望找到一種廣泛可獲的合金。因此，專利合金是不大受歡迎的。盡管Sn/Ag4/Cu0.5合金沒有申請專利，而Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5已申請了專利，但選擇時需要全面了解兩種合金的專利約束作用和實際供應源情況才好確定。
上面已談到，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金已獲專利。但它已授權給焊料制造商使用，對授權使用者無數量限制和無轉讓費用。目前，這一合金可通過北美、日本和歐洲的數家焊料廠商在全球范圍內獲取。盡管Sn/Ag4/Cu0.5合金沒有申請專利，但用這種合金制成的焊點連接是有專利的，而在美國具有這種產品銷售授權的電子級焊料廠商的數量極為有限。
盡管用Sn/Ag4/Cu0.5制作的焊點有可能侵犯現有的專利權，但業界還是建議使用這種合金。人們曾假想地認為，通過給這種系統施加預先工藝可以避開專利糾紛。但這種想法是錯誤的，因為大多數的專利說明都會涉及合金成份和應用范圍(焊點)兩部分內容。換句話說，如果預先工藝能夠得到證實，突破專利的合金成份限制是可能的。但如果專利說明做得很完善，那么還需向聲明了電子裝配焊接特定用法的應用部分進行挑戰。總的來說，這意味著即使制造商正在使用一種專利規定范圍(如Sn/Ag4/Cu0.5)以外的合金，但如果在制造過程中，此合金"偶獲"基礎金屬成分(一般為銅)并因而形成一種含有專利規定范圍內的成份構成的金屬間化合物的話，那么該制造商就會因侵犯了專利權而受到法律的裁決。
金屬成本
專利載明的銀含量范圍為3.5%-7.7%。如此高的銀含量使得焊料的大量使用變得成本高昂；裝填波峰焊鍋時，每1%的銀大約使成本增加0.66美元/磅(見表2)。為控制成本，有人建議在波峰焊應用中使用不含銀的無鉛合金，在表面安裝應用中使用含銀合金。但正如下面所要討論的，使用這種方法會因Sn/Cu和雙合金工藝存在不足而造成失效。
Sn/Cu的工藝缺陷
遏制成本的想法雖說合情合理，但引用Sn/Cu需要考慮幾方面的因素。第一，此合金的熔融溫度為227度，使其在許多溫度敏感應用上受限。此外，它比其它無鉛焊料的濕潤性差，在許多應用中需引入氮和強活性助焊劑并可造成與潤濕相關的缺陷，這點已得到廣泛證明。還有，一般來講Sn/Cu表面張力作用較低，在實施PTH技術時容易進入套孔(barrel)中，且缺乏表面安裝裝配過程所要求的耐疲勞強度。最后一點，該合金的耐疲勞特性差，可導致焊區失效，從而抵銷了節省成本的初衷。
雙合金裝配
還應注意的是，除Sn/Cu引起相關問題外，使用雙焊料合金(SMT過程使用Sn/Ag/Cu，波峰焊使用Sn/Cu)也存在問題。Sn/Ag/Cu、Sn/Cu混用不宜提倡，因為這會造成合金焊點連接的不均勻性。如果這一情形出現，那么制成的焊點會因不能消除應力和應變而易產生疲勞失效。由于存在這些潛在的混用問題，因此在進行修復或修補時就需要開列兩種合金的存貨清單，并給出具體的指令進行監控，以使兩合金不發生混用。然而，經驗顯示，不論對這種情形監控得多好，操作員都會趨向使用易用性最好也即流動性最好且熔融溫度較低的焊料。因此，盡管焊點最初由Sn/Cu來裝配，但大量修補工作可能會用Sn/Ag/Cu合金來完成。如果兩種產品都在生產現場使用，那么RA會常用到，不只是好用的問題。雙合金裝配工藝的要害問題是會導致潛在的可靠性失效且很難對此進行有效地監控。
焊點連接的可靠性試驗
為分析Sn/Ag/Cu和Sn/Cu的可靠性，對它們進行各種熱和機械疲勞試驗。試驗描述和試驗結果如下：
熱循環試驗結果
測試板用Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5，以及1206薄膜電阻器制作。之后在-40度到125度的溫度范圍內，以300、400、500次的15分循環量對該板施以熱沖擊。然后將焊點分切，檢查是否存在裂痕。
試驗后檢查的結果顯示，Sn/Cu合金由于濕潤性不好導致某些斷裂焊點的產生。此外，成形很好的Sn/Cu焊點在施以第三種500次重復循環設置的試驗時，也顯示有斷裂。
有意思的是Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金在經歷高達500次重復的試驗后沒有任何斷裂跡象。這顯示出Sn/Ag/Cu合金具有Sn/Cu無法比擬的極為優異的耐熱疲勞性。但需要注意的是，Sn/Ag4/Cu0.5合金在經過熱循環處理后焊點的晶粒(grain)結構的確產生了一些變化。
機械強度-撓性測試
測試板用Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5，以及1206薄膜電阻器制作，對它進行撓性測試。用Sn/Cu0.7制作的焊點在撓性測試中產生斷裂，這顯示焊點不能承受大范圍的機械應力處理。相反由Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5制作的焊點卻滿足所有的撓性測試要求。
混合解決方案？
為消除電子行業存在的隱患，已開發出了一種完全無鉛裝配的混合解決方案。她用粗糙的錫鉛成品(QFP208IC)、有機表面保護劑PWB和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金焊膏構成系統，以復雜性或成本都不太高的方式達到了完全無鉛裝配的目的。取得成功的關鍵是這種裝配方法能夠承受峰值溫度為234度的回流加熱。需要注意的是，這種裝配方法要經過惰性環境的處理。當然，限于元件的效用性問題，以及由元件熱容、夾具固定等原因引起?%=T變化而造成事實上不是所有的裝配過程都能達到234度的峰值板溫度，因此不是所有裝配都能夠進行上述處理。但它給我們的重要提示是，在某些情形下，通過引入某些材料，實現無鉛焊接可以變得輕而易舉。
結論
無鉛焊接問題已受到廣泛關注。其中有許多是源自對法規環境的擔憂和市場行為的推進。由此大大刺激了活動的開展，其中一些工作對行業的發展是有益的。加工和可靠性方面存在的幾個問題與Sn/Cu合金的使用有關。此外，裝配一種電路板使用兩種合金也存在問題。如前所述，銀是Sn/Ag/Cu合金的高成本組份。由于同低銀合金比較，高銀合金在加工、可靠性或效用性方面沒有特別優勢，因此在所有焊接應用中使用不太昂貴的合金才是合情合理的。事實上，低銀合金不存在高銀合金潛在的銀相變問題，且能改進潤濕以及熔融溫度也稍低。這種合金可從全球數家制造商處購得。最重要的是，體現著Sn/Ag/Cu合金系多種優點的低銀Sn/Ag/Cu合金不存在成本局限性問題，因而可在所有的焊料操作中使用。這樣便消除了因采用Sn/Cu合金和雙合金工藝而引發的相關問題。
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