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焊锡的机械特性

2019-10-30

    焊锡的三个基本的机械特性包括应力对应力特性、懦变阻抗和疲劳阻抗。

  强度是很重要的,因为大多数焊接点在使用中经受剪切应力。

  懦变是当温度和应力(负荷)都保持常数时的一种全面塑性变形。这个依靠时间的变形可能在零度以上的任何温度下发生。可是,懦变只是在“活跃”温度才变得重要。
疲劳是在交变应力下的合金失效。在循环负荷下合金所能忍受的应力比静态负荷下小电子包装与装配应用中等焊锡一般经受低频疲劳(疲劳寿命小于10,000周期)和高应力。温度机械疲劳是用来介定焊锡特性的另一个测试模式。材料受制于循环的温度极限,即温度疲劳测试模式。每个方法每个方法都有其独特的特性和优点,两者都影响焊锡上的应变循环。性能与外部设计
  
  人们都认识到焊锡点的可靠性不仅依靠内在的特性,而且依靠设计、要装配的元件与板、用以形成焊接点的过程和长期使用的环境。还有,焊接点表现的特性是有别于散装的焊锡材料。因此,一些已建立的散装焊锡与焊接点之间的机械及温度特性可能不完全相同。主要地,这是由于电路板层表面对焊锡量的高比率,在固化期间造成大量异相晶核座,以及当焊锡点形成时元素或冶金成分的浓度变化。任何一种情况都可能导致反应缺乏均匀性的结构。随着焊锡点厚度的减少,这种界面衰歇将更明显。因此,焊接点的特性可能改变,失效机制可能与从散装的焊锡得出的不一样。
  
  元件与板的设计也会对焊锡点特性有重要影响。例如,和焊盘有联系的阻焊的设计(如限定的或非限定的阻焊),将影响焊锡点的性能以及失效机制。
  
  对每一种元件包装类型,观察和介定各自的焊接点失效模式。例如,翅形QFP的焊接点裂纹经常从焊点圆角的脚跟部开始,第二条裂纹在脚趾区域;BGA的焊点失效通常在焊锡球与包装的界面或焊锡球与板的界面发现。

    另一个重要因素是系统温度管理。IC芯片的散热要求在不断增加。运行期间产生的热量必须有效地从芯片带出到包装表面,然后到室温。在出现由于过热而引起的系统失效之前,IC的性能可能变得不稳定,和前面所说的温度与导电性之间的关系一样。元件的包装与电路板的设计都会影响到散热过程的效率。
  
    焊锡节点比其替代品聚合胶的传导热量要有效得多。

    当焊锡点通过一个品质过程适当地形成后,与其使用寿命相联系的是懦变/疲劳的交互作得多。因此,屈服强度,焊锡阻抗变形的静态应力,经常与疲劳强度无关。通常疲劳断裂开始于几个微小的裂纹,在重复应力作用下增长,造成焊接点截面的承载能力下降。

    当焊锡点通过一个品质过程适当地形成后,与其使用寿命相联系的是懦变/疲劳的交互作用、金属化合的发展和微结构的进化。失效模式随系统的构成而变化,比如包装类型(PBGA、CSP、QFP 电容,等)、温度和应变水平、使用的材料、圆角体积焊锡点几何形状以及其它设计因素。更高功率的芯片和现在设计不断增加密度的电路更加要求焊点的更好的温度疲劳强度。

    无铅焊锡
  
    对无铅焊锡的兴趣随着时间发生变化,有激动也有冷漠。虽然还没有立法的影响,开发无铅焊锡的另一个、可能更重要的目标是把焊锡提高到一个新的性能水平。

    典型的PCB装配共晶锡/铅(Sn63/Pb37)焊锡点通常遇到累积的退化,造成温度疲劳。这个退化经常与焊点界面的金相粗糙有关,如图二所示,而它又与铅(Pb)或富铅(Pb-rich)金相更密切。
  
    如果取消铅,那无铅焊锡经受温度循环的损害机制会改变吗?在没有其它主要失效(金属间化合、粘合差、过多空洞,等)的条件下,温度疲劳环境中无铅焊锡点的失效机制很可能不会涉及与锡/铅相同程度的金相粗糙。实际上应该设计无铅合金以防止金相粗糙,因而提供更高的疲劳阻抗,因为有适当的微结构进化。图三比较受温度疲劳的无锡焊锡点的强度,显示两种无铅合金没有金相粗糙。
 
    已介绍各种无铅成分。多数似乎至少在一个区域失效:例如,可能缺少本身的性能来显示焊接期间即时流动和良好的熔湿性能;熔化温度可能太高,超出同用PCB的温度忍耐水平;或者可能展示机械性能不足。只有那些结合所希望的物理和机械特性与满足制造要求的能力的无铅焊锡才被认做可利用的材料。

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