冷却速率对无铅再流焊焊点质量的影响.doc

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1、冷却速率对无铅再流焊焊点质量的影响        史建卫，江留学，梁永君，杨建民，柴勇（日东电子科技（深圳）有限公司）摘要：无铅再流焊中冷却速率影响焊点力学性能及可靠性。快速冷却可以细化组织，间接控制金属间化合物厚度和形态，影响焊点断裂模式，提高焊点综合性能。但由于元件与PCB等材料的热不匹配性而造成的较大应力，易造成元件或焊点失效等。本文通过对文献中研究结果的总结，设计了炉冷、空冷和水冷等几种再流焊冷却方式，并对焊点进行了强度测试和组织成分分析，建议工业用最佳冷却斜率控制在3～6℃/s。关键词：冷却速率；无铅再流焊；金属间化合物；焊点质量；应变速率 EffectofCool

2、ingRateonSolderJointQualityInLead-freeReflowSoldering ShiJianwei1,JiangLiuxue,LiangYongjun,YangJianming,ChaiYong（SunEastElectronicTechnologyCompanyLt.d） Abstract:Coolingrateaffectsmechanicpropertyandreliabilityofsolderjointmarkedlyinlead-freereflowsoldering.Rapidcoolingratecanfinestructure,

3、controlindirectlythicknessandmodalityofintermetalliccompound,affectfailurestyleandreinforceperformanceofsolderjoint,butstressinducedbymismatchingbetweencomponentsandPCBmaterialsbringsaboutinvalidationofproduce.Thepapersummarizestheworkofdocumentsandprojectsaexperimentofovencooling,aircoolin

4、gandwatercoolingforreflowsoldering,testssolderjointsstrengthandanalyzesmetallographofinterfacecompoundaswell.Theoptimumscoolingrateis3to6Celsiuspersecondsinelectronicindustry.Keywords:CoolingRate;Lead-freeReflowSoldering;IntermetallicCompound(IMC);SolderJointQuality;StrainRate 1引言无铅化电子组装给传统

5、组装工艺带来了一次变革，包括材料、设备及工艺各个方面，设计、生产及检测等各个阶段，均出现了新的要求与规范。就焊接工艺而言，无铅再流焊后的冷却速率问题引起了业界的广泛关注。众多研究表明，快的冷却速率有利于焊点力学性能和可靠性的改善与提高。但在实际生产中，一方面考虑焊接设备结构设计所能达到的冷却能力，另一方面考虑快速冷却产生的负面影响，比如元件爆裂和分层失效等。最佳冷却速率的研究迫在眉睫，值得注意的是，本文所述冷却速率是指焊点冷却到钎料熔点以下30℃或更多这一区间的平均斜率，无铅焊接中常以180℃为基准，也有以150℃为基准的，一般认为温度低于此值后焊点组织结构不再发生明显变化。

6、 2冷却速率对焊点质量的影响2.1冷却速率对焊点强度的影响DenisBarbini等人对不同冷速下焊点组织结构进行研究发现：由快速冷却（2.5℃/s）过渡到慢速冷却（0.5℃/s），焊点组织由均质向离散变化，金属间化合物由薄变厚、由平滑变粗糙。对冷速为2.5℃/s下有铅样品和无铅样品进行热循环后强度测试，发现剪切强度中位数分别降低23％和17％，无铅钎料抗蠕变性能优于有铅钎料。对于无铅焊点，快速冷却形成的细小富锡枝状晶和锡基体中弥散的细小Ag3Sn等颗粒使焊点抗断裂强度提高，从而改善抗蠕变性能；慢速冷却形成粗大的晶粒，在焊点基体内和界面层出现Ag3Sn、Cu6Sn5或Ni3S

7、n4等块状金属间化合物（如图1），容易产生裂纹并快速扩展，导致可靠性下降。S.K.Kang等人试验发现：快速冷却（3℃/s）增加极限拉伸强度和0.2%应力，提高焊点剪切强度20%之多，有的甚至高达50%左右；增强Sn0.7Cu、Sn3.5Ag、Sn3.5Ag0.7Cu及Sn4.0Ag0.5Cu无铅钎料可靠性。观察Sn3.5Ag和Sn4.0Ag0.5Cu微观结构和应力值变化，发现Sn3.5Ag钎料中晶界滑移机制在变形过程中并不明显，抗蠕变性能的提高主要是弥散分布的Ag3Sn颗粒起到了强化作用。值得注意的是