无铅电子装配的材料及工艺考虑

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1、无铅电子装配的材料及工艺考虑MaterialandTechniquesforLead-FreeElectronicAssemblyJ．Reachen伴随欧洲电子电气设备指导法令(及工业财团反对把Sn/Ag作为主流无铅合金来用。银相变问题的存在也对高银Sn/Ag/Cu合金提出了质问。Sn/Ag/Cu合金尽管涉及专利保护方面的问题，世界大部分地区还是倾向选用Sn/Ag/Cu合金。但到底选择什么样的合金配方？本文将重点讨论两种Sn/Ag/Cu合金：受各种工业财团推崇的Sn/Ag/Cu0.5合金和相应的用作低银含量

2、合金的Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5。两种Sn/Ag/Cu合金的比较在讨论两种合金体系的可靠性试验结果之前，先凭经验对两种合金作一比较是有益的。大体上看两种合金很相似：两者都具有极好的抗疲劳特性、良好的整体焊点连接强度以及充足的基础材料供应。但两者之间确也存在一些细微的差异值得讨论。熔点两合金的熔点极为相似：Sn/Ag4/Cu0.5熔点为218度，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5熔点为217度。业界对这种差异是否构成对实际应用的影响存在争议。但如能对回流过程严格控制，熔点温度变低会因减少元

3、件耐受高温的时间而带来益处。润湿两种合金比较，自然地会对选择高银含量合金的做法抱有疑问，因为银含量变高会增加产品成本。有臆测认为高银合金有助于改进润湿。但润湿试验结果显示，低银含量合金实际上比高银合金润湿更强健和更迅速。专利态势工业界渴望找到一种广泛可获的合金。因此，专利合金是不大受欢迎的。尽管Sn/Ag4/Cu0.5合金没有申请专利，而Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5已申请了专利，但选择时需要全面了解两种合金的专利约束作用和实际供应源情况才好确定。上面已谈到，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.

4、5合金已获专利。但它已授权给焊料制造商使用，对授权使用者无数量限制和无转让费用。目前，这一合金可通过北美、日本和欧洲的数家焊料厂商在全球范围内获取。尽管Sn/Ag4/Cu0.5合金没有申请专利，但用这种合金制成的焊点连接是有专利的，而在美国具有这种产品销售授权的电子级焊料厂商的数量极为有限。尽管用Sn/Ag4/Cu0.5制作的焊点有可能侵犯现有的专利权，但业界还是建议使用这种合金。人们曾假想地认为，通过给这种系统施加预先工艺可以避开专利纠纷。但这种想法是错误的，因为大多数的专利说明都会涉及合金成份和应用范围

5、(焊点)两部分内容。换句话说，如果预先工艺能够得到证实，突破专利的合金成份限制是可能的。但如果专利说明做得很完善，那么还需向声明了电子装配焊接特定用法的应用部分进行挑战。总的来说，这意味着即使制造商正在使用一种专利规定范围(如Sn/Ag4/Cu0.5)以外的合金，但如果在制造过程中，此合金"偶获"基础金属成分(一般为铜)并因而形成一种含有专利规定范围内的成份构成的金属间化合物的话，那么该制造商就会因侵犯了专利权而受到法律的裁决。金属成本专利载明的银含量范围为3.5%-7.7%。如此高的银含量使得焊料的大量使

6、用变得成本高昂；装填波峰焊锅时，每1%的银大约使成本增加0.66美元/磅(见表2)。为控制成本，有人建议在波峰焊应用中使用不含银的无铅合金，在表面安装应用中使用含银合金。但正如下面所要讨论的，使用这种方法会因Sn/Cu和双合金工艺存在不足而造成失效。Sn/Cu的工艺缺陷遏制成本的想法虽说合情合理，但引用Sn/Cu需要考虑几方面的因素。第一，此合金的熔融温度为227度，使其在许多温度敏感应用上受限。此外，它比其它无铅焊料的湿润性差，在许多应用中需引入氮和强活性助焊剂并可造成与润湿相关的缺陷，这点已得到广泛证明

7、。还有，一般来讲Sn/Cu表面张力作用较低，在实施PTH技术时容易进入套孔(barrel)中，且缺乏表面安装装配过程所要求的耐疲劳强度。最后一点，该合金的耐疲劳特性差，可导致焊区失效，从而抵销了节省成本的初衷。双合金装配还应注意的是，除Sn/Cu引起相关问题外，使用双焊料合金(SMT过程使用Sn/Ag/Cu，波峰焊使用Sn/Cu)也存在问题。Sn/Ag/Cu、Sn/Cu混用不宜提倡，因为这会造成合金焊点连接的不均匀性。如果这一情形出现，那么制成的焊点会因不能消除应力和应变而易产生疲劳失效。由于存在这些潜在的

8、混用问题，因此在进行修复或修补时就需要开列两种合金的存货清单，并给出具体的指令进行监控，以使两合金不发生混用。然而，经验显示，不论对这种情形监控得多好，操作员都会趋向使用易用性最好也即流动性最好且熔融温度较低的焊料。因此，尽管焊点最初由Sn/Cu来装配，但大量修补工作可能会用Sn/Ag/Cu合金来完成。如果两种产品都在生产现场使用，那么RA会常用到，不只是好用的问题。双合金装配工艺的要害问题是会导致潜在的可靠性失