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无铅焊点脆性的解决方法

2019-10-30

   由于近实施的有害物质限制法规(RoHS),出现了各种无铅焊料供电子装配业使用。SnAgCu(SAC)合金因具有出色的物理、机械和疲劳特性以及可接受的的焊接方式与成本而成为是常见的选择。然而,正如跌落试验结果所示,此类合金的应用因为焊点的脆性较高(相对于63Sn37Pb)而显得美中不足。对于采用阵列封装(如BGA和CSP)的便携式产品来说,此点尤为重要。
    SAC 焊点断裂主要出现在焊膏与焊垫之间的界面处。显而易见,任何发生在界面的问题均可能通过在界面一侧或双侧采取措施(如焊垫金属化和焊料合金)而得到解决,也可以通过减少对焊点的冲击而予以改进。其它提高焊点可靠性的途径还有:
(1) 改进表面处理
(2) 改进焊料合金
(3) 加强连接力
(4) 改进包装  
表面处理
    表面处理的成份直接影响IMC形成的类型。已知在某些情况下,镍金焊垫的跌落试验性能比OSP差。这一情况似乎与镍上的粗粒IMC 扇形物(scallop)形成有关。如果镀层厚度不控制在0.2微米范围内,沉浸银的跌落试验结果也会因小空洞而受到影响。  
    表面处理的质量可影响润湿性和金属间化合物的结构。根据IBM的观察,SAC焊点的脆性可能与各批之间OSP表面处理的变化有关,虽然变化的确切性质尚不清楚。  
焊料合金
    减少SAC合金的Ag含量(如SAC 105)固然有所助益,但性能仍然逊于共晶锡-铅。在这一方面,开发和研究了一类以少量添加剂加以改良的SnAgCu 合金。这种合金解决方案常被称为SAC+X,其中X是添加的一种或几种元素。这一改进减少了焊料合金的硬度,从而也降低其脆性。对这个方法的一种担心是可能会影响热疲劳可靠性。铟泰公司近一份关于各种合金(包括SAC+Mn)的报告提及其跌落试验的性能优于Sn63。此外,这种金属的蠕变率也低于Sn63,因此跌落试验和热疲劳性能评价的结果提供了很有希望的结果。
加强连接力
    脆性焊点的脆弱可通过使用粘胶剂来补偿。粘胶剂可增大BGA和PCB之间的连接强度。常用的方法有毛细管底部充胶和拐角加强点。底部充胶的缺点是步骤较多,而且助焊剂残留物会影响粘着性,但其优点是粘结强度较大。拐角加强点则在改进连接强度方面作用有限。有一种新的方法引起了业界极大的兴趣,称之为“非流动性底部充胶”。这种方法与SMT工艺完全兼容并对提高成品可靠性效果佳。

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