SMT无铅工艺对无铅锡膏的几个要求.doc

1、SMT 无铅工艺对无铅锡膏的几个要求 杨庆江 张辛郁 摘要：SMT 无铅工艺的步伐越来越近，无铅锡膏作为无铅工艺的重要一环，它的性能表现也越来越多引起人们的关注。本文结合汉高乐泰公司的最新无铅锡膏产品 Multicore(96SC LF320 AGS88 分析无铅锡膏如何满足无铅工艺的几个要求。关键词： SMT 无铅工艺 Sn/Ag/Cu 合金 低温回流 空洞水平 众所周知铅是有毒金属，如不加以控制，将会对人体和周围环境造成巨大而深远的影响。欧洲议会 2003 年底已经通过立法，要求从 2006 年 7 月开始，在欧洲销售的电气和电子设备不得含有铅和其它有害物质。中国等国家的相关法律也正在酝酿

2、之中。由此可见，SMT的无铅工艺已经成为我们必然的选择。本文以无铅锡膏的研发为基础，针对无铅工艺带来的几个问题，如合金选择、印刷性、低温回流、空洞水平等展开讨论，同时，向大家介绍了最新一代无铅锡膏产品 Multicore(96SC LF320 AGS88 相应特性。一、 无铅合金的选择 为了找到适合的无铅合金来替代传统的 Sn-Pb 合金，人们曾做过许多的尝试。这是因为无铅合金的选择需要考虑的因素很多，如熔点、机械强度、保质期、成本等。表 1 列举了三种主要无铅合金的比较结果。 合金类型熔点（度）主要问题Tin Rich209227熔点稍有升高Tin Zinc (Bi)190容易氧化，保质困难

3、Tin Bi137强度很差表 1 三种无铅合金的比较结果 人们最终把目标锁定在富含 Tin 的合金上，在富含 Tin 的合金中，Sn/Ag/Cu 系列又成为选择的目标。而 Sn，Ag，Cu 三种合金成份比例的确定也经历了一段探索的过程，这主要是考虑到焊点的机电性能，如抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、塑性、导电率等等。最终两种具有相同熔点（217C）且性能相似的合金成分： SnAg3Cu0.5(96.5%Sn,3%Ag,0.5%Cu)和 SnAg3.8Cu0.7(95.5%Sn,3.8%Ag,0.7%Cu)成为无铅合金的主要选择。其中， SnAg3Cu0.5被日本、韩国厂商广泛采用，欧美企业更多选

4、择 SnAg3.8Cu0.7 合金。以上两种合金Multicore(均可以提供，代号分别为 97SC 和 96SC。二、 印刷性由于 Sn/Ag/Cu 合金的密度(7.5 g/mm3)比 Sn-Pb 合金的密度 (8.5g/mm3) 低，使用该种合金的无铅焊锡膏的印刷性比有铅锡膏差一些,如容易粘刮刀等。尽管如此，由于保证锡膏的良好的印刷性对于提高 SMT 的生产效率、降低成本十分重要，在合金成分相同的情况下，只有通过助焊剂成分的调整来提高锡膏的印刷性，如填充网孔能力、湿强度、抗冷/热坍塌及潮湿环境能力等，并最终提高印刷速度、改善印刷效果。 图 1 为 Multicore(96SC LF320

5、AGS88 的印刷实验结果。由图 1 可知该产品的可印刷速度范围为 25 mm/s - 175 mm/s（图中的绿色部分表示印刷效果好） 。事实证明，通过调整助焊剂成分和比例，无铅锡膏可以具有与有铅锡膏同样的高速印刷操作窗口。 图 1 Multicore(96SC LF320 AGS88 印刷结果 三、 低温回流的重要性由于无铅合金的熔点升高（Sn/Ag/Cu 合金的熔点为 217C，Sn-Pb 合金熔点为 183C） ，无铅工艺面临的首要问题便是回流焊时峰值温度的提高。在图 2 中描述了无铅锡膏回流焊接时，在最坏情况假设下（线路板最复杂，系统误差和测量误差为正，以及满足充分浸润的条件） ，线

6、路板上最热点温度可能达到的温度（265C） 。图中最冷点 235C 是为保证充分浸润的建议条件。值得注意的是：一方面，若无铅锡膏所要求的峰值温度较高，线路板最热点便容易达到265C，而该温度已超过了目前所有元器件的耐温极限；另一方面，若系统误差和测量误差为负，同时锡膏的最低峰值温度较高，便会有冷焊问题的发生。因此为了保证元器件的安全性、以及焊点的可靠性，无铅锡膏的最低峰值温度应尽量低，即无铅锡膏低温回流特性在无铅焊接工艺中十分重要。 图 2 无铅焊接时线路板上最热点温度（最坏情况预估） 值得一提的是，Multicore(的领先技术、独特配方成功地解决了这一难题，无铅锡膏 96SC LF320

7、AGS88 的最低回流温度仅为 229C，这就意味着应用该款锡膏进行焊接时，可以仅比 217C 的合金熔点高出 3C（保证一定的回流时间） 。这样不但可以很好地解决可靠性、冷焊等问题，更可以减少生产工艺方面的调整，以节约成本。图 3 为该款无铅锡膏的回流操作窗口。由图 3 可知，96SC LF320 AGS88 拥有很宽的操作窗口：从熔点以上时间 60 秒/峰值温度 229C，到熔点以上时间 80 秒/峰值温度 245C 的范围内均可以获得极佳的焊接效果,较宽的回流窗口可以更好地满足生产方面的不同需求。 图 3 Multicore(96SC LF320 AGS88 回流操作窗口 四、 空洞水平

8、 空洞是回流焊接中常见的一种缺陷，尤其在 BGA/CSP 等元器件上的表现尤为突出。由于空洞的大小、位置、所占比例以及测量方面的差异性较大，至今对空洞水平的安全性评估仍未统一起来。有经验的工程师习惯将空洞比例低于 15%-20%，无较大空洞，且不集中于连接处的有铅焊点认为是可接受的。在无铅焊接中，空洞仍然是一个必需关注的问题。这是因为在熔融状态下，Sn/Ag/Cu 合金比 Sn-Pb 合金的表面张力更大。如图 4 所示。表面张力的增加，势必会使气体在冷却阶段的外溢更加困难，使得空洞比例增加。这一点在无铅锡膏的研发过程中得到证实，早期无铅锡膏的主要问题之一便是空洞较多。作为新一代的无铅锡膏产品，

9、Multicore(96SC LF320 AGS88 增加了助焊剂在高温的活性，实现了技术上的长足飞跃，使得无铅焊点的空洞水平可降低到 7.5%。 图 4 Sn/Ag/Cu 与 Sn-Pb 在熔融状态下的润湿角比较 五、 结论 1）Sn/Ag/Cu 系列合金成为无铅锡膏合金的主要选择；2）助焊剂介质的合理调整，可使无铅锡膏的印刷性与有铅锡膏几乎相同；3）无铅锡膏的低温回流特性对 SMT 无铅工艺意义重大；4）新一代的无铅锡膏，使得空洞问题得到明显改善。 参考文献：1 无铅法案引起业界关注，各公司准备迎接欧洲新法规;国际电子商情，2003 年 3 月2 低温回流焊接的无铅焊锡膏;中国电子商情，2003 年 11/12 月3 LF320 Introduction; Steve Dowds, August,2003