哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)論文模板

1、摘要電子組裝業(yè)有鉛釬料禁用期限日益臨近.行業(yè)內(nèi)包括材料、設(shè)備、生產(chǎn)等各環(huán)節(jié)的廠商都在加快無鉛制程導(dǎo)入的步伐.無鉛化過程中,外表組裝的焊接工藝至為重要,而隨著熔點(diǎn)較高的新型釬料陸續(xù)應(yīng)用,焊接過程的冷卻速率也逐漸成為被關(guān)注點(diǎn).無鉛釬料熔點(diǎn)較Sn-Pb共晶提升30-40C,焊接溫度相應(yīng)提升.爐溫的提升對(duì)元件和電路板構(gòu)成挑戰(zhàn),焊接出爐溫度也相應(yīng)提升,釬料液相線上時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng).較快的冷速可以限制出爐溫度,從而一定程度的限制焊點(diǎn)內(nèi)部組織以及界面化合物的厚度,提升焊點(diǎn)質(zhì)量.本文基于實(shí)際的回流焊生產(chǎn)工藝,研究冷卻速率對(duì)無鉛焊點(diǎn)質(zhì)量的影響.主要研究?jī)煞N無鉛焊膏在不同冷速下焊點(diǎn)微觀組織和力學(xué)性能的變化.實(shí)測(cè)冷速在

2、-4C/S-6.5C/S之間時(shí)形成的無鉛焊點(diǎn)具有以下特點(diǎn)：微觀組織細(xì)化,金屬間化合物Ag3Sn和Cu6Sn5呈細(xì)顆粒狀在釬料中彌散分布,使焊點(diǎn)斷裂為切窩斷裂模式,可以起到類似復(fù)合材料的原位增強(qiáng)作用.在釬料和Cu盤的界面,化合物厚度較小,且呈大波浪形態(tài),容易緩解應(yīng)力集中的問題,焊點(diǎn)的力學(xué)拉脫載荷最大；當(dāng)冷速小于-1.5C/S時(shí),組織粗化.內(nèi)部Ag3Sn粗大而鋒利,界面的Cu6Sn5呈冰凌狀,且厚度較大.焊點(diǎn)在推剪時(shí)這成為裂紋萌生點(diǎn),焊點(diǎn)的力學(xué)拉脫載荷最小.關(guān)鍵詞回流焊；冷卻速率；拉脫載荷；推剪；焊點(diǎn)質(zhì)量;AbstractThelegislationtobantheuseofPb-basedsol

3、derswillbecomeeffectiveimmediately,whichprovideadrivingforceforenterprisestoacceleratePb-freeprocess.It'sfoundthatreflowsoldringplaysanimportantroleinSurfaceMountingTechnology,moreover,coolingrateinreflowsolderingprofileisgettingmoreandmoreattentionaftertheuseofhigh-melting-pointsolders.Themelti

4、ngpointofPb-freesoldersis30C40chigherthanSn-Pbeutecticsolder.TheincreaseoftemperatureinreflowerbecomesachallengeofPrintCircuitBoard(PCB)andcomponents.Asaresult,theTimeAboveLiquid(TAL)ofsolderjointsbecomeslonger,therefore,fastcoolinginreflowsolderingisusedforcontrollingthePCBAtemperature,improvingthe

5、microstructureofjointsanddecreasingthethicknessofintermetalliccompound,consequently,highqualityproductscanbeobtained.Howcoolingrateaffectsthequalityofsolderingjointsinlead-freeprocesswasstudiedinthispaper.Theexperimentswerebasedonpracticalindustrialproductionanditfocusedontheeffectofcoolingrateonmic

6、rostructureandmechanicalproperties.Whencooledat46C/S,themicrostructureofjointswererefined,theIMCofAg3SnandCu6Sn5phasesdisperseineutecticnetworkinjointswhichpresentsphericalparticles.Thefractureofthesejointsaftertensilefailurepresentsdimplemode.Furthermore,thethicknessofIMCwasthinanditpresentgentlein

7、clinemorphology.ItKeywordsRflowSoldring;CoolingRate;Pulll;Push;*知識(shí)就是力量*目錄摘要IAbstractII第1章緒論51.1 課題背景51.2 研究現(xiàn)狀61.2.1 電子組裝工藝61.2.2 無鉛回流焊工藝71.2.3 無鉛回流焊中冷卻速率研究現(xiàn)狀91.3 本文主要研究?jī)?nèi)容14第2章不同冷速的無鉛焊接工藝實(shí)驗(yàn)162.1 引言162.2 試驗(yàn)條件162.2.1 試驗(yàn)材料162.2.2 試驗(yàn)設(shè)備182.3 溫度曲線調(diào)試202.4 焊接試驗(yàn)結(jié)果232.5 本章小結(jié)24第3章冷速對(duì)無鉛焊點(diǎn)微觀組織的影響263.1 引言263.2 無鉛焊

8、點(diǎn)微觀組織263.3 冷速對(duì)焊點(diǎn)內(nèi)部組織的影響293.4 冷速對(duì)焊點(diǎn)界面組織的影響333.5 不同冷速對(duì)時(shí)效過程界面IMC生長(zhǎng)的影響363.6 本章小結(jié)38第4章冷速對(duì)無鉛焊點(diǎn)力學(xué)行為的影響404.1 弓|言404.2 冷速對(duì)無鉛焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響404.2.1 力學(xué)測(cè)試儀器404.2.2 QFP焊點(diǎn)的力學(xué)測(cè)試414.3 冷速對(duì)無鉛焊點(diǎn)斷裂行為的影響444.3.1 QFP焊點(diǎn)拉脫斷裂模式444.3.2 QFP焊點(diǎn)的斷口特征474.3.3 片式電阻焊點(diǎn)推剪的斷口特征474.4 本章小結(jié)49第5章無鉛回流爐的冷卻模塊505.1 引言505.2 回流爐結(jié)構(gòu)505.3 本章小節(jié)52結(jié)論53參考文獻(xiàn)54

9、附錄55攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文56致謝57索引58個(gè)人簡(jiǎn)歷59知識(shí)就是力量知識(shí)就是力量第1章緒論1.1 課題背景歐盟的WEEE和RoHS兩指令規(guī)定從2006年7月1日起全面實(shí)現(xiàn)無鉛化電子組裝.中國順時(shí)而動(dòng),也以此為有鉛的禁用期限1.包括法令、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和客戶要求等在內(nèi)的諸多因素都促使國內(nèi)企業(yè)必須加速導(dǎo)入適于自身產(chǎn)品的無鉛制程.應(yīng)對(duì)無鉛運(yùn)動(dòng)挑戰(zhàn)對(duì)企業(yè)而言可謂逆水行舟,不進(jìn)那么退.所以各企業(yè)必須從無鉛SMT的特性包括材料、工藝、設(shè)備以及DFM(DesignForManufacture)等各方面著手,制定最適合自己產(chǎn)品的無鉛制程.通過幾年來的努力,國內(nèi)企業(yè)對(duì)于無鉛回流焊已經(jīng)積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn).在

10、焊膏方面,Sn-Ag和Sn-Ag-Cu系合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用焊點(diǎn)釬料液相線以上時(shí)間必須加以限制,以減少釬料和焊盤的反響時(shí)間,預(yù)防脆性的金屬間化合物生長(zhǎng)過厚,影響接頭強(qiáng)度.3)無鉛焊點(diǎn)外表發(fā)黑,改變冷速可以改變焊點(diǎn)光亮.然而,冷卻速率并非越快越好,過大的冷速又會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中,出現(xiàn)元,供給商們?nèi)栽谂ρ芯?相信更優(yōu)性能更低本錢的助焊劑和焊膏將會(huì)陸續(xù)出現(xiàn)；在設(shè)備方面,無鉛制程中受影響最多的回流焊機(jī)通過在加熱模塊、氮?dú)獗Ｗo(hù)、助焊劑回收治理、智能限制等方面的開發(fā)逐漸適應(yīng)了無鉛網(wǎng)；工藝方面,通過制程優(yōu)化和精確的溫度限制,缺陷已經(jīng)大為減少,成品率和焊點(diǎn)可靠性逐漸得到提圖.4、5.但是,由無鉛焊膏自身特性帶來的一

11、些新問題如豎碑、外表裂紋、錫須等等仍未能徹底解.各類缺陷問題在陸續(xù)出現(xiàn),但客戶對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求卻不斷提升,這促使制造工藝尤其是焊接工藝愈來愈受人們關(guān)注.針對(duì)高可靠性要求的通訊設(shè)備、汽車電子等產(chǎn)品,設(shè)備商、材料商和制造商通常派出技術(shù)人員共同解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的工藝缺陷.其中,在有鉛電子組裝工藝中并不受重視的冷卻速率在無鉛導(dǎo)入過程中逐漸引起人們的關(guān)注.由于D對(duì)元件、溫度.2)鉛焊接溫度升高,PCB組裝板出爐溫度高.高溫時(shí)間過長(zhǎng)必然造成焊盤鍍層以及PCB板等的熱沖擊.需要可靠的冷卻手段降低出爐件破裂和PCB翹屈等缺陷.且焊點(diǎn)在釬料、PCB組件密度和尺寸、焊盤材料等諸因素不同時(shí)對(duì)冷速率要求也不盡相同.工藝

12、人員制定溫度曲線時(shí)多憑經(jīng)驗(yàn),沒有較為深刻的熟悉.本文基于實(shí)際SMT生產(chǎn)研究冷卻速率對(duì)無鉛回流焊焊點(diǎn)質(zhì)量的影響.主要研究冷速對(duì)微觀組織和焊點(diǎn)的力學(xué)性能的影響,著重于研究工藝、焊點(diǎn)組織和焊點(diǎn)力學(xué)性能之間的關(guān)系.得出生產(chǎn)中冷卻速率確實(shí)定方法,為SMT生產(chǎn)組裝焊接工藝提供數(shù)據(jù)參考,并作為設(shè)備開發(fā)的根本工藝依據(jù).1.2 研究現(xiàn)狀1.2.1 電子組裝工藝一款電子產(chǎn)品從設(shè)想到應(yīng)用所經(jīng)過的主要環(huán)節(jié)包括：電路設(shè)計(jì)(集成電路設(shè)計(jì)和PCB電路設(shè)計(jì)等)、元器件制造(半導(dǎo)體封裝與測(cè)試)、PCB電路板制造、電子組裝和產(chǎn)品的測(cè)試應(yīng)用.其中電子組裝是屬于板級(jí)組裝,即完成各類元件和電路板的互聯(lián).使各型元件在電路板上協(xié)同工作,實(shí)

13、現(xiàn)整機(jī)功能.電子組裝使元件和電路板完成兩種意義上的連接：一、機(jī)械連接,即達(dá)到一定要求的機(jī)械強(qiáng)度和使用可靠性；二、電氣連接,即元件之間信號(hào)傳輸暢通無阻并且噪音小,抗干擾水平強(qiáng).焊接是目前電子制造業(yè)中實(shí)現(xiàn)這兩種連接應(yīng)用最有效最廣泛的連接方法.電子產(chǎn)品的焊接方法應(yīng)用最為廣泛的有兩類,其一為通孔焊接(ThroughHoleTechnology)0通孔焊接即元件引腳和電路板上確定位置的通孔相配合一引腳插入通孔在以釬焊完成連接.為了實(shí)現(xiàn)群焊,開展起來波峰焊完成通孔焊.通孔焊接的優(yōu)點(diǎn)在于連接強(qiáng)度高,易于實(shí)現(xiàn),本錢較低.但是隨著電子產(chǎn)品的高密度化和小型化,通孔焊要進(jìn)一步提升組裝密度減小體積變得較為困難.相對(duì)于

14、通孔焊接開展起來外表組裝(SurfaceMountingTechnology)一即直接把元件的焊端或引腳貼裝在PCB外表的焊盤上,以回流焊完成電氣和機(jī)械連接.外表組裝是組裝工藝中的具有革命性意義的進(jìn)步.由于相應(yīng)的開展起來各種封裝形式的貼裝元件,該技術(shù)使得組裝密度大為減少,結(jié)構(gòu)更為緊湊.同時(shí)電信號(hào)的傳輸距離縮小,抗干擾水平增強(qiáng),電氣性能也大大提高6.外表電子組裝工藝主要環(huán)節(jié)包括：焊膏印刷、元件貼裝和回流焊.焊膏*Tf*印刷工藝主要由印刷機(jī)實(shí)現(xiàn).印刷機(jī)上刮刀從具有一定厚度的模板上刮過,由于模板上有和PCB焊盤一一對(duì)應(yīng)的漏孔,靠刮刀擠壓把膏狀焊料轉(zhuǎn)移到焊盤上.機(jī)器印刷屬于群操作工藝,即所有點(diǎn)一次完成

15、印刷.靠模板基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精確定位,并通過限制模板厚度來實(shí)現(xiàn)焊盤上所需焊膏精確定量；元件貼裝由貼片機(jī)完成,把SMD外表貼裝元件精確的貼裝到已經(jīng)印有焊膏的位置.由于焊膏本身具有一定程度的粘性,所以元件在焊盤上可以暫時(shí)固定.最后是回流焊工藝,即把貼裝完畢的PCB組件通過回流爐加熱,使焊點(diǎn)熔化,完成焊接.回流焊工藝參數(shù)的決定和焊膏性能相關(guān).焊膏由合金粉末和助焊劑組成.助焊劑本身包括有機(jī)溶劑、活性劑等物質(zhì),在加熱過程中逐漸揮發(fā),去除焊盤和元件引腳的氧化物質(zhì),幫助釬料潤(rùn)濕鋪展.由于助焊劑的揮發(fā)和其中活性劑的激活都受溫度影響,故回流焊工藝加熱溫度和時(shí)間成為重要參數(shù).回流焊工藝通常分為升溫、預(yù)熱、回流和冷卻四個(gè)

16、階段,最主要是要做到在合金熔化前助焊劑既能完全揮發(fā)掉,又能徹底的去除氧化物并且對(duì)液態(tài)焊點(diǎn)外表進(jìn)行保護(hù)7'8.比方升溫速率太快那么助焊劑揮發(fā)劇烈,導(dǎo)致釬料飛濺,冷卻后形成錫球.如果錫球出現(xiàn)在細(xì)間距元件兩引腳之間,那么可能形成短路；假設(shè)加熱時(shí)間不夠,助焊劑在合金中有殘留而不能完全以氣體逸出那么產(chǎn)生氣孔；假設(shè)助焊劑過早揮發(fā)掉,那么可能出現(xiàn)潤(rùn)濕不良,釬料在焊盤外表不鋪展等等,這些都是可能造成整塊電路板失效的因素901.2.2 無鉛回流焊工藝無鉛帶來機(jī)遇和市場(chǎng),同時(shí)也帶來問題和挑戰(zhàn).目前應(yīng)用廣泛的幾種無鉛釬料熔點(diǎn)比傳統(tǒng)Sn-Pb共晶釬料熔點(diǎn)高出3040c左右.而釬焊峰值溫度須高出熔點(diǎn)2040C才

17、能保證釬料的良好潤(rùn)濕,這使得無鉛化后釬焊峰值溫度到達(dá)250c左右表1-1.表1-1Sn-Pb釬料與無鉛釬料熔點(diǎn)及車f焊峰值溫度比擬10焊膏熔點(diǎn)釬焊峰值溫度范圍Sn-37Pb183c208235CSn-3.5Ag221c242262CSn-3.0Ag-0.5Cu217219c242262C除了溫度升高,無鉛釬料的潤(rùn)濕性弱于傳統(tǒng)的Sn-Pb共晶釬料.潤(rùn)濕角大,潤(rùn)濕力減小,圓角過渡不圓滑,空洞出現(xiàn)的幾率增加；焊接溫度提升使釬料和焊盤氧化更嚴(yán)重,也是導(dǎo)致潤(rùn)濕不良的原因之一,產(chǎn)生許多焊后缺陷.這些問題的出現(xiàn)對(duì)回流焊設(shè)備和工藝都提出新要求.在回流焊工藝方面,最主要的變化表達(dá)在預(yù)熱和回流峰值溫度相應(yīng)升高,加

18、熱時(shí)間更長(zhǎng)圖1-1.Time圖1-1有鉛與無鉛典型回流焊溫度曲線比擬11從表1-2的幾種無鉛釬料推薦工藝參數(shù)也可以看出工藝的變化表1-2幾種品牌釬料的推薦工藝參數(shù)12品牌SENJUGENMAINDIUMALPHLA成分SAC305SAC305SAC305SAC305預(yù)熱升溫1-3C/S1-4C/S2-4C/S1-3C/S預(yù)熱溫度120-170C150-180C150-200C150-170C預(yù)熱時(shí)間100-120S60-90S60-120S60-90S回流升溫1-3C/S1-3C/S220c上時(shí)間30S30S20-40S峰值溫度230c230-250C230-240C240c由于無鉛釬料和Sn

19、-Pb共晶釬料的特性差異,無鉛回流焊工藝和傳統(tǒng)有鉛回流焊工藝相比,有以下不同13'14'15：1預(yù)熱區(qū)時(shí)間加長(zhǎng),預(yù)熱溫度升高,使助焊劑在回流區(qū)以前充分揮*Tf*發(fā),增強(qiáng)熔融釬料的潤(rùn)濕性.2焊料熔點(diǎn)高回流溫度升高,工藝窗口回流上下限溫度差變窄,只有810C.溫控精度要求高,工藝余量少.3由于焊膏潤(rùn)濕性變差,所以助焊劑要求更高.但出于減少腐蝕和污染的考慮,助焊劑活性的不宜太強(qiáng),只能增大用量.對(duì)于高可靠性要求產(chǎn)品實(shí)施氮?dú)獗Ｗo(hù)下的焊接.4由于焊接區(qū)溫度升高,出爐溫度隨之升高,要限制釬料在液相線以上的時(shí)間,對(duì)冷卻速率提出了新要求.1.2.3 無鉛回流焊中冷卻速率研究現(xiàn)狀目前對(duì)冷卻速率影響

20、的研究主要是以鑄造態(tài)合金為研究對(duì)象,通常以三種冷速進(jìn)行冷卻：水冷、空冷和爐冷,冷卻速率由大到小.如圖1-2a,F.Ochoa等人研究了Sn-Ag系在各種冷卻條件下的微觀組織16.快速冷卻導(dǎo)致液態(tài)釬料非平衡相固化,生長(zhǎng)出較細(xì)的富錫枝狀品,周圍是共晶帶.共晶帶由富錫基體和球狀顆粒Ag3Sn組成.圖1-2b為-0.5C/S的慢速冷卻,也會(huì)導(dǎo)致非平衡固化.但微觀結(jié)構(gòu)為較粗大的富錫枝狀晶,共晶富錫基體中的Ag3Sn顆粒也相對(duì)較大.富錫相和共晶帶的顆粒尺寸都隨冷速增加而減小.慢冷件微觀可以較為清楚的看到Ag3Sn沉積物呈片狀,Ag3Sn在冷卻過程中率先形核,是初始相.大塊片狀初始相Ag3Sn沉淀物應(yīng)該被預(yù)

21、防,由于它較脆,當(dāng)釬料接頭在低應(yīng)力或者循環(huán)應(yīng)力條件下工作時(shí)導(dǎo)致缺陷.(a)水冷：-24C/S(b)空冷：-0.5C/S圖1-2Sn-3.5Ag掃描照片K.S.Kim等人研究說明,對(duì)于Sn-Ag-Cu系鑄造態(tài)合金,冷卻速率的影響與Sn-Ag系類似17.主要是快冷時(shí)枝狀晶間距減小,晶粒尺寸減小.而慢冷由于反響時(shí)間的增加使共晶網(wǎng)絡(luò)的寬度增加如圖1-3.a水冷：-8.3C/S(b)空冷:-0.43C/S圖1-3無鉛釬料Sn-3.0Ag-0.5Cu掃描照片金屬間化合物IMC主要是7-Cu6Sn5的初始形態(tài)也和冷速大有關(guān)系.圖1-4顯示水冷和空冷的IMC相對(duì)爐冷件要薄,而且生長(zhǎng)面較平坦.爐冷件相較厚,呈扇

22、貝狀.X.DENG等人認(rèn)為：IMC厚度之所以受冷速變化的影響,是由于冷速減小時(shí)釬料液態(tài)滯留時(shí)間增加,相當(dāng)于再流時(shí)間延長(zhǎng),反響和擴(kuò)散也增強(qiáng),所以冷速降低出現(xiàn)IMC厚度增加18.同時(shí)冷速越小IMC形狀起伏越大.這樣的形狀也會(huì)對(duì)SMT焊點(diǎn)有劣化作用.(a)-106C/S(b)-5.4C/S(c)-0.1C/S圖1-4不同冷速下Sn-3.5Ag/Cu界面的IMC形貌對(duì)于拉伸和屈服強(qiáng)度,如表1-3,J.Madeni研究了冷卻速率對(duì)幾種無鉛釬料的影響19o可見,水冷同時(shí)提升了釬料的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度,而且屈服強(qiáng)度提升尤其明顯.Yang20等人的研究結(jié)果也說明冷速的增加提升屈服強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度.Kim等人的實(shí)

23、驗(yàn)也說明Sn-Ag-Cu系釬料合金冷速增加時(shí)拉伸強(qiáng)度增加170表1-3兩種冷卻方式引起的強(qiáng)度變化比照19SampleProcessYS(MPa)UTS(MPa)Sn-3.5AgWaterQuench2428AirCooling1928Sn-3.2Ag-0.8CuWaterQuench2832AirCooling2030Sn-3.0Ag-0.5CuWaterQuench3033AirCooling2527強(qiáng)度隨冷速的增加而增加可以由微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)化來解釋,由尺寸和強(qiáng)度關(guān)系函數(shù)Hall-Petch公式可知,冷速細(xì)化微觀組織,從而提升強(qiáng)度.而且枝狀晶尺寸減小那么界面面積增加也使抗斷裂水平增加,起到強(qiáng)化

24、作用.Yang等人認(rèn)為彌散分布顆粒越細(xì)釬料接頭的強(qiáng)度越高20.在水冷時(shí)接頭工作淬硬速率最大是由于細(xì)化和彌散分布的Ag3Sn硬度高于錫基體.錫基體使斷裂性能提升.冷速減小微觀尺寸增加,因此爐冷條件下獲得的較粗的微觀結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致斷裂性能變差.快冷改變微觀組織結(jié)構(gòu),從而也對(duì)無鉛釬料的蠕變行為產(chǎn)生重要影響.F.Ochoa等人的研究說明冷速的增加使試件抗蠕變性能增加21o這是快冷形成的細(xì)小富錫枝狀晶和錫基體中細(xì)小彌散的Ag3Sn顆粒使接頭抗斷裂性能提升從而提升蠕變性能.相反,慢冷時(shí)粗大的晶體容易導(dǎo)致裂紋并擴(kuò)展.Sn-Ag系的蠕變性能提升主要是彌散分布顆粒起到了增強(qiáng)作用.而通過研究微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力值變化,結(jié)果

25、說明變形過程的主導(dǎo)機(jī)制并非晶界滑移.比照Sn-37Pb釬料,冷卻速率對(duì)其拉伸和蠕變性能的影響都和Sn-Ag-Cu系合金相反.錫鉛釬料快冷時(shí)共晶體中Pb成球狀,雖然同樣是快冷使相細(xì)化,但差異在于Pb硬度比富錫基體弱而且其含量遠(yuǎn)大于Ag在Sn-Ag和Sn-Ag-Cu合金中的含量.所以快冷導(dǎo)致的Sn-Pb釬料微觀細(xì)化,反而使其在變形過程中更有利于晶界滑移.故拉伸和抗蠕變性能相對(duì)較低220可以說Pb和Ag3Sn本身的性質(zhì)決定了合金的主導(dǎo)變形機(jī)制,使冷卻速率有不同的表現(xiàn).這也是冷卻速率在無鉛焊接中較受關(guān)注的一個(gè)原因.除了以上冷卻速率的一些影響以外,快速冷卻還可以獲得比慢冷更為光亮的外觀.圖6是AIM公司

26、對(duì)不同焊膏加熱熔化后采用不同冷速冷卻獲得的外觀圖片,快速冷卻的外觀明顯比慢冷的亮,所以快冷可以解決實(shí)際生產(chǎn)中焊點(diǎn)金屬光澤差的問題23.Sn-37PbSn-0.7CuSn-3.8Ag-0.1CuSn-3.0Ag-0.5Cu圖1-5幾種釬料在不同冷速下的外觀除了對(duì)基于鑄造態(tài)釬料進(jìn)行的冷卻速率方面的研究,行業(yè)內(nèi)的一些企業(yè)和組織開始以實(shí)際組裝板為對(duì)象研究冷速的影響.人們開始關(guān)注快冷導(dǎo)致的應(yīng)力問題,慢冷出現(xiàn)的缺陷問題以及產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性等等.試圖確定各型產(chǎn)品的最正確冷卻速率.美國的Amkor公司對(duì)Sn-Ag-Cu系列的釬料BGA焊點(diǎn)進(jìn)行了全面的可靠性研究24.在快速冷卻的情況下,Sn-Cu、Sn-3.4

27、Ag-0.7Cu及Sn-4.0Ag-0.5Cu焊點(diǎn)可靠性提升了超過20%.日立公司在其某型便攜式信息產(chǎn)品上的應(yīng)用Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料,冷速為-4C/S.該產(chǎn)品基板裝有1.27mm間距的BGA、0.5mm間距的QFP,0.5間距的連接器,1.0W5mm的片式元件.焊后焊點(diǎn)外觀漂亮,很少外觀缺陷,可靠性測(cè)試結(jié)果業(yè)十分好,產(chǎn)品進(jìn)入批量化生產(chǎn)250IBM公司的技術(shù)人員采用兩種冷速對(duì)SAC釬料的BGA焊點(diǎn)冷卻固化：(a)在一種油介質(zhì)中快冷(接近100°C/s),(b)在爐中慢冷(0.02C/s).如圖+*T(f*1-6(a)所示,形成很細(xì)的B6n枝狀晶并在其間形成較細(xì)的共晶帶.快

28、冷形成較大的溫度梯度,使枝狀晶生長(zhǎng)尺寸細(xì)化,且形成彌散強(qiáng)化的AgsSn或Cu6Sn5,使接頭的拉伸強(qiáng)度和抗蠕變性能都大為提升.如圖1-6(b),慢冷形成的微觀組織粗大,又由于AgsSn或Cu6Sn5呈先共品相出現(xiàn),生長(zhǎng)形態(tài)不規(guī)那么且尺寸偏大,失去了彌散強(qiáng)化效果,這大大降低了接頭的質(zhì)量.在實(shí)際生產(chǎn)中,采用1.5C/S或稍大的冷速對(duì)接頭冷卻可以有效抑制大片狀A(yù)gsSn或Cu6Sn5,起到彌散強(qiáng)化作用,提升釬料接頭質(zhì)量.(a)快冷(b)慢冷圖1-6兩種冷速下獲得的組織比照26VitronicsSoltec公司的UrsulaMarquez認(rèn)為：良好可控的再流工藝曲線影響回流焊接的質(zhì)量,而冷卻速率是工藝

29、曲線中的重要組成局部,影響焊料在液態(tài)的滯留時(shí)間從而影響焊接質(zhì)量和成品率.如表1-4,快速冷卻實(shí)現(xiàn)了對(duì)釬料液相線以上時(shí)間(TAL)的限制,從而獲得良好的焊點(diǎn)質(zhì)量27.表1-4冷卻速率對(duì)回流工藝參數(shù)的影響速率范圍TAL范圍AT快冷2.9C/S60Sec7.2C3.9C/S43Sec慢冷1.2C/S68Sec6.7C1.9C/S55SecUrsulaMarquez實(shí)驗(yàn)采用的最大冷速-2.5C/S,最慢-0.5C/S焊接BGA器件.典型的SAC系合金在-0.5C/S慢冷條件下的BGA焊點(diǎn)枝狀晶異常粗大,IMC尺寸也較大.由于無鉛本身工藝窗口窄,認(rèn)為-2.5C/S已經(jīng)屬于快冷之列.如圖1-7b所示,快冷

30、時(shí)化合物厚度明顯減小,且沒有如圖1-7a中Ag3Sn和Cu6Sn5像冰凌一樣的形狀.Y.QI等人研究了冷速對(duì)無鉛的Sn-3.8Ag-0.7Cu釬料焊接無引腳片式電阻的影響.用三種冷速進(jìn)行冷卻：-1.6C/S,-3.8C/S和-6.8C/S,并進(jìn)行了加速熱循環(huán)試驗(yàn),測(cè)試結(jié)果也說明：快速冷卻的Sn-Ag-Cu釬料焊點(diǎn)的力學(xué)性能尤其是抗蠕變失效性能較慢冷的焊點(diǎn)好28o(a)冷速-0.5C/S(b)冷速-2.5C/S圖1-7滲錫板上Sn-Ag-Cu/Cu界面微觀1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容1以片式電容電阻為主要焊接元件,研究應(yīng)用于無鉛回流焊中的幾種典型Sn-Ag-Cu系無鉛釬料在不同冷卻速率下焊接的焊點(diǎn)質(zhì)

31、量.2從QFP焊點(diǎn)的外觀缺陷,內(nèi)部微觀組織和QFP焊點(diǎn)力學(xué)性能以推剪強(qiáng)度為主等方面來考察不同冷卻速率對(duì)所選定的典型無鉛釬料焊接所得焊點(diǎn)質(zhì)量的影響.3無鉛焊接的焊點(diǎn)質(zhì)量與用傳統(tǒng)Sn-37Pb釬料焊接的焊點(diǎn)進(jìn)行比照.確定所選定的釬料焊接獲得焊點(diǎn)高可靠性的最正確冷卻速率.4焊點(diǎn)溫度到達(dá)周相線下某一溫度后微觀組織趨于穩(wěn)定,此后冷卻速率對(duì)焊點(diǎn)影響作用不大.釬料從液態(tài)到固相線下的這一溫度存在一個(gè)冷卻效果明顯的區(qū)間.研究確定所選定釬料的冷卻區(qū)間,獲得最正確冷卻效果.*知識(shí)就是力量*第2章不同冷速的無鉛焊接工藝實(shí)驗(yàn)2.1 引言無鉛工藝更難于限制,要求更嚴(yán)格,不良工藝極容易導(dǎo)致產(chǎn)品失效或者降低可靠性.在無鉛制程

32、導(dǎo)入研究中人們發(fā)現(xiàn),無鉛焊料合金的力學(xué)和蠕變等性能受溫度影響的表現(xiàn)有別于共晶錫鉛合金,因而人們對(duì)回流焊工藝重新進(jìn)行了更為細(xì)致準(zhǔn)確的研究,而冷卻速率也越來越受關(guān)注.為了闡述冷速對(duì)無鉛焊點(diǎn)的影響,本章介紹有關(guān)的工藝實(shí)驗(yàn).2.2 試驗(yàn)條件2.2.1 試驗(yàn)材料1 .電路板采用FR-4單面剛性板.Tg=140C,焊板上有片式元件焊點(diǎn)共130個(gè),如圖2-1示.電路板焊盤采用鍍錫工藝,鍍層厚度為50pm.PCB板在焊膏印刷前用酒精進(jìn)行清洗,去除外表雜質(zhì)污物.圖2-1實(shí)驗(yàn)用組裝板*女t工*>>/*2 .外表貼裝元件采用三種型號(hào)片式電阻元件：R2021、R1608、R1005以及128個(gè)引腳、弓唧間

33、距0.4mm的QFP.QFP相關(guān)參數(shù)如圖2-2和表2-1.圖2-2QFP封裝試件示意圖及封裝尺寸表2-1QFP封裝尺寸29封裝尺寸A1A2DEFGLbCD1E1128QFP14.0014.000.101.0016.0016.008.858.850.600.180.153 .焊膏試驗(yàn)采用兩種無鉛焊膏,焊膏A是億鉞達(dá)Sn-3.5Ag,焊膏B是Sn-3.0Ag-0.5Cu,焊膏C是錫鉛共晶Sn-37Pb.主要參數(shù)如表2-2.表2-2試驗(yàn)用焊膏性能參數(shù)焊膏類型A型B型成分Sn-3.5AgSn-3.0Ag-0.5CuSn-37Pb密度7.57.48.4助焊劑量10.0S.5%11.5%10.0M.5%粒

34、度25-4525-4525-45熔點(diǎn)221c217-219C183C2.2.2試驗(yàn)設(shè)備1 .焊膏印刷設(shè)備絲印機(jī)以高精度的定量和定位把焊膏從模板轉(zhuǎn)移到PCB板上相應(yīng)的位置,具有高精度和高速度的特點(diǎn),是SMT自動(dòng)化生產(chǎn)的主要設(shè)備之一.本文實(shí)驗(yàn)采用日東SEM-688型號(hào)絲印機(jī),樹脂刮刀,不銹鋼模板.印刷工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2-3.表2-3焊膏印刷工藝參數(shù)模板厚度印刷速度刮刀角度刮刀壓力脫模速度0.12mm20mm/s60°30N1mm/s2 .元件貼裝設(shè)備貼片機(jī)為三星CP45FV型,動(dòng)臂式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu),六貼裝頭.貼裝精度0.08mm.3 .回流焊設(shè)備回流爐采用日東電子科技的兩款機(jī)型,分別是NT-8

35、N-V2和NT-8N-V3.兩機(jī)型同為8溫區(qū)加熱,不同處在于后者在冷卻區(qū)具備兩個(gè)冷卻模塊,可以在焊接時(shí)獲得更大的冷卻速率.NT-8N-V2外觀如圖2-3(a),NT-8N-V3的雙模塊冷卻區(qū)如2-3(b).兩款機(jī)型都基于無鉛焊接設(shè)計(jì),有如下特點(diǎn)3.(1)加熱系統(tǒng)加熱模塊均采用增強(qiáng)型PID限制的強(qiáng)制熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng),具有優(yōu)良的均溫性和熱效率.控溫精度i2r0各溫區(qū)上下加熱,獨(dú)立循環(huán),獨(dú)立控溫.前后循環(huán)回風(fēng)設(shè)計(jì)和優(yōu)良的熱風(fēng)噴嘴對(duì)流系統(tǒng),可有效預(yù)防溫區(qū)之間氣流影響,保證溫控精確.加熱效率高,升溫速度快.(2)限制系統(tǒng)模塊化智能限制軟件,電腦全自動(dòng)限制各溫區(qū)的上下加熱模塊溫度,網(wǎng)帶進(jìn)板速度；可以實(shí)現(xiàn)各溫區(qū)

36、獨(dú)立溫控及監(jiān)視和在線溫度曲線(Pro巾le)測(cè)試分析功能,SmartPara虛擬仿真功能,節(jié)省參數(shù)的調(diào)整時(shí)間.(3)冷卻區(qū)采用外置冷水機(jī)冷卻的高效冷水循環(huán)冷卻,可以滿足各種無鉛冷卻速率的要求.冷水區(qū)溫度可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,外置冷水機(jī)的冷水溫度可調(diào)節(jié).*t(F-*jZ唱*(a)(b)圖2-3(a)NT-8N-V2回流爐；(b)冷卻模塊4 .溫度測(cè)試儀溫度測(cè)試儀用于測(cè)試監(jiān)控回流爐爐溫曲線,即焊點(diǎn)溫度和加熱時(shí)間的關(guān)系曲線.通過測(cè)試,考察設(shè)定溫度是否符合焊接要求,到達(dá)參數(shù)最正確設(shè)定的目的.課題中涉及的冷卻速率數(shù)據(jù)主要由該儀器測(cè)試結(jié)果所得.測(cè)試過程中以熱電偶連接溫度測(cè)試儀和待測(cè)焊點(diǎn),熱電偶把電路板上焊點(diǎn)的

37、溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),用相應(yīng)分析軟件分析即得溫度曲線31o圖2-4溫度曲線測(cè)試系統(tǒng)5 .3溫度曲線調(diào)試SMT衡量回流爐質(zhì)量?jī)?yōu)劣最重要的兩個(gè)指標(biāo)是加熱精度和穩(wěn)定性.但的流水線生產(chǎn)特點(diǎn)決定了回流爐為隧道式多模塊加熱結(jié)構(gòu),而各個(gè)相鄰加熱模塊之間極容易竄溫,影響加熱精度和熱穩(wěn)定性.所以,不同的回流爐在不同的PCB組件上有不同的表現(xiàn)力.故了解一臺(tái)設(shè)備的性能再根據(jù)焊膏參考曲線和被焊組件的特點(diǎn)調(diào)試溫度曲線至關(guān)重要.如圖2-5為本文所用B型焊膏的參考曲線.Ramp網(wǎng)皿世toIfQT?Rat印到3csmwMmiLSQCprakP+Hktrmp245VIiuw(S)圖2-5AlphaSn-3.0Ag-0.5Cu參

38、考溫度曲線由參考曲線可知,B型焊膏對(duì)回流焊加熱根本要求如表2-4.之所以參考曲線并沒有給定各項(xiàng)指標(biāo)的具體值,是由于對(duì)于不同組裝板,工藝參數(shù)存在差異.以升溫速率為例,要求焊點(diǎn)從室溫到達(dá)150c的速率不超過1.5C/So對(duì)于復(fù)雜的大板,為了使板上的大元件和小元件溫差限制在一定范圍內(nèi),通常會(huì)在較小的升溫速率下加熱比方0.5C/S.而小板那么可以在較大的速率下加熱.表2-4B型焊膏根本加熱條件加熱到150c的升溫斜率150-180C的力口熱時(shí)間180c到峰值溫度升溫斜率220c以上加熱時(shí)間峰值溫度w1.5/S90-120S&3c/S20-40S235-245C*Tf*根據(jù)參考曲線要求大致設(shè)置各

39、溫區(qū)參數(shù),執(zhí)行加熱并進(jìn)行溫度測(cè)試.反=復(fù)比照測(cè)試所得曲線和參考曲線的各項(xiàng)參數(shù),直至符合要求.實(shí)際過板觀測(cè)焊接外觀質(zhì)量,最終確定各溫區(qū)溫度設(shè)置和網(wǎng)帶運(yùn)動(dòng)速度.實(shí)際設(shè)定回流爐各溫區(qū)溫度見表2-5.其中一二溫區(qū)為升溫,電路板組件進(jìn)入回流爐從室溫開始升溫.三四五溫區(qū)為平臺(tái)區(qū),焊膏中的溶劑等物質(zhì)揮發(fā).六七溫區(qū)繼續(xù)升溫,多余物質(zhì)大局部揮發(fā),活性劑開始作用,去除焊盤外表氧化膜.七八溫區(qū)為回流焊接,焊膏到達(dá)熔點(diǎn),熔化并在焊盤外表潤(rùn)濕鋪展,包圍元件焊端和引腳.最后進(jìn)入冷卻區(qū),焊點(diǎn)固化,形成穩(wěn)定的永久性連接.表2-5回流爐各溫區(qū)溫度設(shè)定焊膏一區(qū)二區(qū)三區(qū)四區(qū)五區(qū)六區(qū)七區(qū)八區(qū)A170c180c180c180C190c

40、210c255C250cB170c180c180c180C190c210c255C250cC160C165c170c170c185C220c230c180C不同的網(wǎng)帶運(yùn)動(dòng)速度決定電路板組件在回流爐中的加熱時(shí)間,網(wǎng)帶速度和溫度設(shè)置必須最正確配合才能獲得良好的焊接質(zhì)量.本文所有無鉛焊接實(shí)驗(yàn)回流爐帶速均設(shè)定為75cm/min,該速率通過回流爐體總長(zhǎng)和焊膏最適加熱時(shí)間計(jì)算所得.確定各溫區(qū)溫度設(shè)置后,用溫度測(cè)試儀器對(duì)各型號(hào)曲線測(cè)試5次.紀(jì)錄所得曲線的各項(xiàng)參數(shù),計(jì)算平均值.實(shí)驗(yàn)用不同冷速的有鉛溫度曲線見圖2-6.實(shí)驗(yàn)用兩款回流爐的冷卻原理是：冷卻模塊中有冷凝管和冷卻風(fēng)扇.冷凝管外接循環(huán)冷水.不同冷卻速率主

41、要通過冷卻風(fēng)扇和冷水溫度各自的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn).四種典型冷速的曲線參數(shù)如表2-6所示,和供給商參考曲線根本要求相符.其中A曲線為V3機(jī)型上風(fēng)機(jī)翻開,冷水溫度最低時(shí)獲得水溫4C；C曲線為V3機(jī)型風(fēng)機(jī)打開,循環(huán)冷水關(guān)閉時(shí)獲得；B曲線為V2機(jī)型上風(fēng)機(jī)翻開,冷水溫度最低時(shí)獲得水溫4C；D曲線為V2完全爐冷時(shí)獲得.圖2-6不同卻速的典型有鉛溫度曲線圖2-7不同卻速的典型無鉛溫度曲線表2-6不同冷卻速率無鉛曲線的各項(xiàng)參數(shù)無鉛曲線參數(shù)>180c平均時(shí)間平均峰值溫度平均冷卻斜率>220C平均時(shí)間A型124.5S243.5C-6.50C/S34.12SB型125.0S244.0C-4.15C/S35.95

42、S125.6S244.1C-2.10C/S42.20SD型126.2S245.2C-1.15C/S51.74S對(duì)于無鉛焊膏,220c以上加熱時(shí)間是十分重要的參數(shù).本文所選A型和B型焊膏熔點(diǎn)都在該溫度附近,故取220c以上加熱時(shí)間近似作為焊膏液相線上時(shí)間TAL(TimeAboveLiquid).從表2-6可知：冷卻速率對(duì)TAL時(shí)*T(f*間存在影響.A型和B型曲線相差最少,在2s左右；而A型和D型相差最大到達(dá)17.6S.由于在TAL范圍內(nèi),擴(kuò)散和反響進(jìn)行相當(dāng)劇烈,故從理論而言,限制冷卻速率可以一定程度的限制反響進(jìn)行程度.下面進(jìn)行理論估算TAL值.實(shí)驗(yàn)用兩款型號(hào)的回流爐加熱模塊的長(zhǎng)度和數(shù)目都一致,

43、每個(gè)模塊長(zhǎng)度為360mm.又帶速是74cm/min=12.33mm/s,所以在PCB組件在每個(gè)模塊中的加熱時(shí)間是360/12.33=29.20S第八溫區(qū)為焊接峰值區(qū),PCB組件從該區(qū)出來進(jìn)入冷卻區(qū).焊點(diǎn)溫度從245c降到220C,溫度減少25Co那么這一范圍內(nèi)不同冷速下焊點(diǎn)的加熱時(shí)間為：A型25C650C/SW85SB型25cW.15C/S迨05SC型25c攵.10C/S為1.90SD型25C+1.15C/S切.75STAL=29.20S+3.85S=33.05STAL=29.20S+6.05S=35.25STAL=29.20S+11.90S=41.10STAL=29.20S+21.75S=5

44、0.95S理論計(jì)算值和測(cè)試儀所得數(shù)據(jù)差值在2S之內(nèi),數(shù)據(jù)相似程度在回流焊工藝可以接受.各典型曲線下焊接元件數(shù)目如表2-7o表2-7無鉛不同冷速下焊接元件數(shù)目兀件類型A型曲線B型曲線C型曲線D型曲線PCB板數(shù)目8888單板元件數(shù)目R202140404040R160840404040R100550505050QFP11112.4 焊接試驗(yàn)結(jié)果*圖2-8焊膏A的片式電阻焊點(diǎn)ttfHtHint(a)焊膏A圖2-9焊膏(b)焊膏AB的QFP焊點(diǎn)2.5 本章小結(jié)1 .完成回流爐溫度曲線調(diào)試.根據(jù)各型焊膏參考工藝曲線,設(shè)置八個(gè)加熱區(qū)溫度以及最正確網(wǎng)帶運(yùn)動(dòng)速度.通過爐溫測(cè)試數(shù)據(jù)說明：各個(gè)溫區(qū)的溫度設(shè)置較好的限

45、制了加熱峰值溫度、220c以上加熱時(shí)間等重要參數(shù).2 .在兩型具有不同冷卻模塊的回流爐上獲得了不同冷卻速率,其中最大最小冷速分別為-6.50C/S和-1.15C/S.通過測(cè)溫儀所得數(shù)據(jù),不同冷速導(dǎo)致的TAL最大差值到達(dá)17.6S.3 .焊接完成三種焊膏(兩種無鉛和一種錫鉛共品)、四種典型冷速下共40塊PCB板.其中無鉛焊膏每種冷速下焊接4快板,錫鉛每種冷速焊2快板.每塊板包括片式元件130片,128引腳QFP一塊.*T(f'里-*4.各冷速下的焊點(diǎn)都沒有發(fā)現(xiàn)外觀缺陷.沒有片式元件最容易出現(xiàn)的豎碑、元件偏移等缺陷.無鉛焊膏的助焊劑殘留較多,覆蓋于焊點(diǎn)外表,呈淡黃色.無鉛焊點(diǎn)也沒有錫鉛共晶

46、焊點(diǎn)光亮.第3章冷速對(duì)無鉛焊點(diǎn)微觀組織的影響3.1 引言根據(jù)結(jié)晶學(xué)的經(jīng)典理論,冷速影響液態(tài)釬料凝固時(shí)內(nèi)部微觀組織的形成.且由于相應(yīng)的不同液相線時(shí)間差異而致使反響程度不同,使得釬料和焊盤界面形成化合物形態(tài)尺寸也有差異.本章研究冷速對(duì)釬料微觀組織的影響.3.2 無鉛焊點(diǎn)微觀組織本文所選取元件主要是片式電阻和QFP.由圖3-1為R2021和QFP的焊點(diǎn)截面.各型焊膏在設(shè)定回流曲線下都獲得了潤(rùn)濕良好的焊點(diǎn).釬料在Cu焊盤上充分鋪展,爬升高度足夠,完全包覆電阻元件的焊端,如圖3-1(b)0在焊點(diǎn)內(nèi)部沒有氣孔、裂紋等微觀缺陷.證實(shí)設(shè)置參數(shù)較符合焊膏的加熱要求.(b)X200R2021表3-1片式電阻R16

47、08焊點(diǎn)截面金相照片參加文字許#*>*矢口7?窟尢L心*-*(c)X50QFP(d)X200QFP圖3-2主要焊接元件截面金相照片由圖3-3無鉛釬料典型微觀照片可知,在Cu盤和釬料的界面明顯有一層化合物；釬料內(nèi)部由白色枝狀晶以及分布于白色枝狀晶之間的網(wǎng)絡(luò)狀晶體組成.為了確定釬料內(nèi)部的相組成,對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行EDX分析.(a)金相X1000(b)掃描圖3-3Sn-Ag-Cu系無鉛釬料的典型微觀組織圖3-3(b)中的a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的EDX曲線如圖3-4.有鉛和無鉛焊膏在和Cu焊盤的反響中生成的化合物都是T-Cu6Sn50沒有發(fā)現(xiàn)&Cu3Sn金屬問化合物,根據(jù)Alex等人的研究32,&Cu

48、3Sn通常會(huì)在時(shí)效過程中由刀相和Cu盤的進(jìn)一步反響生成.在通用的回流焊工藝中,由于回流時(shí)間較短,不會(huì)生成e相.圖3-4界面IMC的EDX分析無鉛焊膏不管A型還是B型焊膏的網(wǎng)絡(luò)狀晶體中都生成金屬間化合物Ag3Sn圖3-5.值得注意的是,焊膏B所形成焊點(diǎn)內(nèi)部組織中的IMC除Ag3Sn外,也有發(fā)現(xiàn)Cu6Sn5相,而焊膏A中較少.這是由于焊膏B本身含0.5%的Cu元素.共晶網(wǎng)絡(luò)中的Cu6Sn5有別于界面的刀相,它在釬料內(nèi)部呈顆粒狀分布,尺寸較Ag3Sn小12個(gè)數(shù)量級(jí).圖3-5焊點(diǎn)內(nèi)部IMC的EDX分析釬料內(nèi)部的白色枝狀晶主要是富錫相B6n,含有少量的Ag和Cu元素圖3-6.由此可見,兩種無鉛釬料的內(nèi)部

49、根本結(jié)構(gòu)都由B6n和分布于其間的共晶網(wǎng)絡(luò)組成.其中A型焊膏共晶網(wǎng)絡(luò)由具有高硬度的金屬間化合物Ag3Sn和共晶相中基體Sn組成；B型焊膏與之類似,不過在共晶網(wǎng)絡(luò)中除AgsSn外還有小尺寸的CueSns顆粒.療2鵬1WMt-Evi*ruru-JL一1制MtHf31WND工It南富韓京*T圖3-6焊點(diǎn)內(nèi)部枝狀晶EDX分析3.3冷速對(duì)焊點(diǎn)內(nèi)部組織的影響圖3-7為Sn-3.5Ag焊膏在不同曲線下焊接得到的焊點(diǎn)微觀組織：根本結(jié)構(gòu)并不隨冷速變化而變化,都是&Sn顆粒和以及其周圍的共晶網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu).然而D曲線焊點(diǎn)的微觀比A曲線粗大,Sn顆粒呈橢圓形狀排列.根據(jù)金屬的非均勻形核理論,液態(tài)釬料由于在A曲線下

50、能獲得較大過冷度而形核均勻細(xì)化.共晶網(wǎng)絡(luò)在A曲線下較為細(xì)密且其截面面積比例較小.因?yàn)榭炖涞囊合嗑€上時(shí)間較小.D曲線下的冷卻使得釬料在液相線上時(shí)間比曲線多17.6秒,那么合金中的Sn和Ag可以更充分結(jié)晶以形成共晶.圖3-7焊膏A不同冷速下焊點(diǎn)的金相照片由公式3-133,增加冷卻速率,相當(dāng)于減少了凝固時(shí)間,從而減小了枝晶的間距.故枝狀晶的間距在慢冷條件下相對(duì)較大.枝晶間距的增加同時(shí)也表征共晶網(wǎng)絡(luò)在焊點(diǎn)中百分含量的增加.sktm3-1式中S一枝狀晶的間距；ts一釬料凝固時(shí)間；k一與材料有關(guān)的常量.對(duì)于共晶網(wǎng)絡(luò)中的金屬間化合物Ag3Sn,在A曲線時(shí),快冷提供了更多的形核,并且抑制了Ag3Sn的長(zhǎng)大,故

51、形成的組織為球形的Ag3Sn顆粒,彌散分布在共晶網(wǎng)絡(luò)中的Sn基體上,尺寸較??；隨著冷速降低,Ag3Sn的微觀形貌從球形向長(zhǎng)條狀轉(zhuǎn)變.長(zhǎng)條狀A(yù)g3Sn相不僅在焊點(diǎn)內(nèi)部形成,而且在釬料與Cu盤的界面處也會(huì)形成,如圖3-8.aA曲線焊點(diǎn)bB曲線焊點(diǎn)圖3-8焊膏A不同冷速下焊點(diǎn)內(nèi)部Ag3Sn形貌對(duì)于Sn-3Ag-0.5Cu,由圖3-9,在D曲線下所形成焊點(diǎn)微觀中的8Sn具有二次枝晶結(jié)構(gòu).且晶粒比擬粗大,其生長(zhǎng)具有明顯的方向性；A曲線下的焊點(diǎn)那么完全沒有二次枝晶結(jié)構(gòu).,Sn晶粒生長(zhǎng)雖然也有一定的方向性,但是不連續(xù),晶粒尺寸較A曲線下的均勻.(a)A型曲線X1000(b)D型曲線X1000圖3-9焊膏B不

52、同冷速下焊點(diǎn)的金相照片F(xiàn).Ocho翁人認(rèn)為在快冷條件下之所以沒有二次枝狀晶的形成,是由于快冷時(shí)液態(tài)釬料各個(gè)局部根本上是同時(shí)形核,各局部來不及相互擴(kuò)散就已經(jīng)凝固了,所以晶粒比擬細(xì)小16;冷卻速率的降低使擴(kuò)散作用相應(yīng)的增強(qiáng).在快冷時(shí)形成的尺寸和形態(tài)趨于一致且具有一定方向性的,Sn晶粒增加了匯合的幾率,由相鄰的晶粒聯(lián)合長(zhǎng)成較大的枝狀晶并繼續(xù)生長(zhǎng)出二次枝晶.故慢冷時(shí)二次枝晶間距和大小都將增加.和焊膏A相似,焊膏B在快冷曲線下獲得的微觀組織中,釬料內(nèi)部共品網(wǎng)絡(luò)中的主要金屬問化合物Ag3Sn也呈圓形顆粒狀.Ag3Sn顆粒平均直徑在1.5小疝右,細(xì)小而彌散如圖3-10.顆粒狀A(yù)g3Sn由于只在共晶網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)

53、,故其分布也呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),存在于&Sn晶粒之間.焊膏B慢冷條件下D曲線的Ag3Sn形狀介于顆粒和長(zhǎng)條狀之間,粒度是快冷時(shí)的23倍.圖3-10焊膏B不同冷速下焊點(diǎn)的金相照片比照在同等條件下形成焊點(diǎn)的焊膏A和焊膏B,粗大的長(zhǎng)條狀A(yù)g3Sn相在含銀量高的焊膏A中出現(xiàn)的幾率更高.長(zhǎng)條狀A(yù)g3Sn在慢冷時(shí)往往比&Sn枝狀晶的尺寸還要大,甚至貫穿整個(gè)焊點(diǎn).在微連接過程中盡量預(yù)防生成這種粗大的Ag3Sn脆性相,由于其在使用過程中極易導(dǎo)致焊點(diǎn)的破壞,降低產(chǎn)品的使用壽命.比照金屬間化合物和基體Sn的強(qiáng)度性質(zhì)(表3-1),不難看出無論是什CueSns,&Cu3Sn還是Ag3Sn相,其強(qiáng)度和

54、硬度都遠(yuǎn)大于基體Sn.這和復(fù)合材料頗為相似.以SiC顆粒增強(qiáng)的Al基復(fù)合材料為例,SiC顆粒硬度、強(qiáng)度和熔點(diǎn)都超過Al基體.當(dāng)增強(qiáng)顆粒均勻而彌散的分布于基體中,且界面結(jié)合良好時(shí),材料的總體性能大為提升.復(fù)合材料的制造方法包括壓鑄法等物理方法以及反響法等化學(xué)方法.其中,在材料中通過化學(xué)反響生成新的中間相并使材料性能顯著提升的方法叫原位增強(qiáng)法34o表3-1釬料及其IMC的強(qiáng)度性質(zhì)比照35性質(zhì)CueSnsCu3SnAg3SnSn-3.5AgSn楊氏模量(GPa)85.6108.378.951.346.9剪切模量(GPa)無鉛釬料在快冷條件下通過反響獲得的金屬間化合物實(shí)際上起到原位增強(qiáng)的作用.但是如果IMC形態(tài)不規(guī)那么(如慢冷時(shí)的長(zhǎng)條狀),分布不均勻,那么其很難與基體Sn有良好的結(jié)合界面,不能起到原位增強(qiáng)作用.同時(shí),不同冷速產(chǎn)生的不同形貌尺寸的IMC也會(huì)影響材料的斷裂方式.知