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铜溶解在锡中的问题

2019-10-30

       铜溶解在锡中的问题:
       最近你是否觉得天气变得更暖和呢?是否感到热浪不断袭来?我很想知道是什么原因导致天气变热的。当我在加拿大多伦多写这篇文章时,正值2006年末,白天的温度达到60°F。你是觉得Al Gore关于全球变暖的观点是对的呢?因为这是一个与政治无关而只是与SMT有关的论坛,所以当我们在谈论温度时所指的必定是另外一些东西。我想说的是无铅焊料,焊料中锡含量比较高,要求的工艺温度也比较高。这两点对印刷线路板(PWB)上的铜层来说非常重要,而且可能会造成灾难性后果。
       让我们来看一看,当把材料焊接到铜上时,究竟发生了什么?首先,涂敷了助焊剂的组装件在预热时,助焊剂会和金属表面的氧化物发生反应,把这些氧化物除掉。随着焊料熔化,印刷线路板上的铜扩散到焊料中,而焊料中的锡也会扩散到铜中。最后,熔化的焊料凝固,会在接触面上形成铜锡金属化合物,它能起到粘接的作用,把焊料和铜牢牢地连接在一起。
在无铅时代,在新的焊料合金中锡的含量达到95-99%,远远高于传统的低共熔点锡铅合金的63%。由于锡含量比较高,从焊盘、微孔和电镀孔扩散到焊料中的铜的数量是锡铅焊膏的二到四倍之多。实际溶解率取决于许多因素:焊接时的温度、使用的焊接工艺(波峰焊、焊膏再流焊、烙铁维修、焊料喷焊),以及接触时间和预热温度。
      合金设计人员也在研究这个问题,许多公司已经研制出拥有zhuanli权的合金,这些合金通过减缓铜的溶解速度来降低这个问题的影响。例如,在CuSn低共熔点合金中加入少量的镍(Ni)能够降低铜的扩散速度,达到类似锡铅合金的水平。在SAC合金中加入锑(Sb)也可以达到同样的效果。在SAC合金中加入少量的铋,效果也很好,但是没有那么明显。
对于电路板,制造商必需通过控制孔的形成和镀铜工艺来解决铜的溶解问题。为了在钻孔或者激光烧蚀工艺处理后得到清洁的孔或者微孔,他们研制出用 清除孔或微孔上的残渣的精密控制程序,并且在孔、焊盘和微孔镀上充足的铜。电镀层的厚度不能低于25μm,以保证微孔或者导通孔上的铜在焊接过程中不会全部溶解到锡中。如果铜在焊接过程中全部溶解到锡中,电气连接就会被破坏,或者至少是削弱了。
      能够承受更高的无铅焊接温度的新型层压材料的出现,使问题变得更复杂。这些新材料处理起来更加困难,而且需要对传统的环氧玻璃层压工艺做大量改动。
      焊接工艺对铜的最后溶解也起重要的作用。对于焊膏再流焊而言,焊料合金中出现铜溶解的体积是有限的,也是局部的焊料合金出现铜溶解,而且可以通过研究再流焊温度曲线来缩短温度高于液相线的时间(TAL)。波峰焊是另一回事。熔化的焊料在电路板上流过,进入电镀的孔,将加快铜的溶解速度。在修理连接器的焊料喷焊工艺中也存在类似的情况。电路板设计的关键是减少散热器──散热器需要较长的焊接时间。

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