畢業(yè)論文---焊料的無鉛化及可靠性問題

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)論文</b></p><p>　　作者 學(xué)號(hào) </p><p>　　系部 機(jī)電學(xué)院 </p><p>　　專業(yè) 表面貼裝技術(shù)

2、 </p><p>　　題目 焊料的無鉛化及可靠性問題 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　評(píng)閱教師 </p>&

3、lt;p>　　完成時(shí)間：2004 年04 月30日 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文摘要</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 引言</b></p><p>　　第二章 焊料無鉛化的進(jìn)程</p><p>　　2.1 焊料

4、無鉛化刻不容緩 </p><p>　　2.1.1 鉛的危害</p><p>　　2.1.2 全球范圍的立法</p><p>　　2.1.3 國際市場需求對我國無鉛化進(jìn)程的影響</p><p>　　2.2無鉛焊料的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢</p><p>　　第三章 無鉛焊料合金的可靠性</p><p>　

5、　3.1 無鉛焊料的定義</p><p>　　3.2 無鉛焊料應(yīng)具備的條件</p><p>　　3.3 幾種常用的無鉛焊料及各自優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　3.3.1 Sn-Ag系合金</p><p>　　3.3.2 Sn-Ag-Cu系合金</p><p>　　3.3.3 Sn-Zn系合金</p><

6、;p>　　3.3.4 Sn-Bi系合金</p><p>　　3.3.5 Sn-Cu 系合金</p><p>　　第四章 無鉛焊料性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　4.1 無鉛焊點(diǎn)焊接界面的組織結(jié)構(gòu)</p><p>　　4.2 無鉛焊料的可焊性</p><p>　　4.3 無鉛焊料的表面張力</p>

7、<p>　　4.4 導(dǎo)電/導(dǎo)熱性能</p><p>　　4.5 無鉛焊料的力學(xué)性能</p><p>　　第五章 無鉛焊接給焊點(diǎn)可靠性帶來的新問題</p><p>　　5.1影響無鉛焊點(diǎn)可靠性的因素</p><p>　　5.2 無鉛焊點(diǎn)可靠性的測試方法</p><p><b>　　結(jié)論</b&g

8、t;</p><p><b>　　致謝</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　第一章 引言</b></p><p>　　Sn-Pb焊料以其優(yōu)異的性能和低廉的成本，一直得到人們的重用，現(xiàn)已成為電子組裝焊接中的主要焊接材料，但眾所周知鉛

9、及其化合物屬于有毒物質(zhì)，長期使用會(huì)給人類生活環(huán)境和安全帶來較大的危害。從保護(hù)環(huán)境和人類的安全出發(fā)，限制使用甚至禁止使用有鉛焊料的呼聲越來越強(qiáng)烈，這種具有悠久應(yīng)用歷史的Sn-Pb焊料，將逐漸被新的綠色焊料所替代。</p><p>　　但是從含鉛制程轉(zhuǎn)換到無鉛制程對于電子工業(yè)來說決不是一個(gè)簡單的事情。在實(shí)施無鉛化之前必須認(rèn)真考慮焊點(diǎn)潛在的可靠性問題。因?yàn)楹更c(diǎn)的質(zhì)量與可靠性很大程度決定了電子產(chǎn)品的質(zhì)量，而且無鉛焊點(diǎn)由于

10、焊料的差異和焊接工藝參數(shù)的調(diào)整，必不可少的會(huì)給焊點(diǎn)可靠性帶來新的影響。本文將著重談?wù)摵噶系母淖儗更c(diǎn)可靠性的影響，有不到之處，望給予批評(píng)和指正。</p><p>　　第二章 焊料無鉛化的進(jìn)程</p><p>　　2.1 焊接無鉛化刻不容緩</p><p>　　2.1.1 鉛的危害</p><p>　　鉛是一種有毒的金屬元素，長期與含鉛物質(zhì)接觸

11、會(huì)對人體健康造成危害。人體通過呼吸、進(jìn)水、進(jìn)食和皮膚呼吸等都有可能吸收鉛及其化合物。而且鉛是一種不可分解的金屬，它被人體器官攝取后，就會(huì)在人體中聚集，影響人體神經(jīng)系統(tǒng)，造成代謝紊亂，使人的神經(jīng)和生理反應(yīng)變得遲鈍改變?nèi)说母兄托袨槟芰?，減小血色素而造成貧血以及高血壓等。</p><p>　　鉛在其它工業(yè)部門中使用場合相對集中，所以回收渠道通暢，通常都可通過回收并集中處理，不會(huì)對環(huán)境造成大的污染。但在電子工業(yè)和機(jī)械行

12、業(yè)中使用的鉛則存在很大的問題。電子和機(jī)電產(chǎn)品的組裝焊接目前還廣泛使用含鉛焊料。如電子線路板組裝中使用的SnPb焊料含鉛37％以上，在空調(diào)、汽車的散熱器銅管和散熱片的焊接主要使用含鉛40％的SnPb焊料，燈具照明行業(yè)也常使用含鉛50％以上的高鉛焊料。這些產(chǎn)品產(chǎn)量極大，用戶分散，而單件產(chǎn)品含鉛量少，極容易被人們忽略；同時(shí)由于鉛是以合金的形式存在，回收困難，處理技術(shù)難度大，成本高，并且回收處理不當(dāng)就很容易造成環(huán)境污染。根據(jù)歐洲委員會(huì)的報(bào)告，電

13、子廢棄物是城市垃圾中增長最快的，增長系數(shù)為3。目前全世界每年消耗500萬噸鉛，其中蓄電池所用的鉛占80％，電子設(shè)備中用在Sn-Pb焊錫中的鉛約占0.5 。由于電子設(shè)備的更新周期越來越短。從而產(chǎn)生大量的電子垃圾。這些廢棄的電路板，除少量在破碎焚燒時(shí)回收外，絕大部分都直接掩埋。硅谷有毒物質(zhì)聯(lián)盟提供的數(shù)字顯示，在美國，日用電子產(chǎn)品占垃圾填埋場重金屬來源的70％，而鉛占40％。填埋的鉛會(huì)通過雨水等腐蝕溶解而進(jìn)入地下水，污染環(huán)境，影響健康。<

14、;/p><p>　　2.1.2全球范圍的立法</p><p>　　電子行業(yè)無鉛化的原始推動(dòng)力來自于美國。20世紀(jì)80年代后期．美國首次頒布了限制鉛使用的法律一減少鉛暴露條律、鉛稅法。1992年，美國國會(huì)提出了Reid法案，其中一點(diǎn)就是在電子組裝行業(yè)中禁止使用含鉛物質(zhì)。1994年，北歐環(huán)境部長會(huì)議提出逐步取締鉛的使用，以減少鉛對人類健康和生存環(huán)境的危害。1998年歐盟通過WEEE(Waste E

15、lectrical and Electronic Equipment)和RoHS (Rest-riction of the use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electric Waste)第2次決議草案，提出自2004年1月1日起全面禁止使用含鉛電子釬料，后來推遲至2008年1月1日。2003年1月27日歐盟通過了2002／96／EC法案，明確規(guī)定WEEE和Rol

16、S指令自2003年2月13日生效，2006年7月1日起在歐洲市場上銷售的相關(guān)產(chǎn)品必須為無鉛產(chǎn)品，同時(shí)各成員國必須在2004年8月13日前完成相應(yīng)的立法工作。日本對無鉛焊料的響應(yīng)最為積極。盡管沒有直接限制使用含鉛焊料的立法，但是，日</p><p>　　2.1.3 國際市場需求對我國無鉛化進(jìn)程的影響 </p><p>　　無鉛化進(jìn)程在國際市場上如火如荼地進(jìn)行著，作為已實(shí)現(xiàn)改革開放和市場經(jīng)濟(jì)的

17、現(xiàn)代中國更不可幸免，特別是在我國加入WTO后，很多產(chǎn)品都要符合國際標(biāo)準(zhǔn)。隨著歐盟ROHS的頒布，很多國家紛紛響應(yīng)，但是稍有不慎將面臨“巨罰”。ROHS指令的相關(guān)規(guī)定非常嚴(yán)厲，一旦被查出檢測不實(shí)或6種有害物質(zhì)超限量，不但要被處以巨額罰款，還將被列入黑名單，并通報(bào)全歐不得進(jìn)口和銷售。這道“綠色壁壘”對我國機(jī)電產(chǎn)品出口歐盟造成重大影響。據(jù)報(bào)道，2004年兩項(xiàng)指令的實(shí)施直接影響我國467.8億美元機(jī)電產(chǎn)品的出口，2005年達(dá)到了560億美元。因

18、此我國需要以積極地態(tài)度應(yīng)對這次“綠色挑戰(zhàn)”。</p><p>　　在這次無鉛化過程中，我國各級(jí)部門也給予了足夠的重視。國家科技部、國家發(fā)展改革委員會(huì)、國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)、國家環(huán)?？偩?、國家信息產(chǎn)業(yè)部經(jīng)濟(jì)體制改革與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行司體制改革處等政府機(jī)構(gòu)多次聯(lián)合研究院所、大中企業(yè)等召開無鉛政策及技術(shù)研討會(huì)，討論我國無鉛產(chǎn)品應(yīng)對歐盟指令的政策及技術(shù)措施。各電子組裝學(xué)會(huì)、焊接學(xué)會(huì)等相關(guān)學(xué)會(huì)、協(xié)會(huì)也積極采取各種措施，在各級(jí)企業(yè)&l

19、t;/p><p>　　中宣講歐盟政策、各國應(yīng)對措施及無鉛材料和技術(shù)的進(jìn)展，并聘請國內(nèi)外知名企業(yè)和廠商參加,聘請研究機(jī)構(gòu)宣講無鉛發(fā)展技術(shù)及存在問題，展出產(chǎn)品。在十五期間，國家科技部還給以了重大基礎(chǔ)研究支持，完成了無鉛合金體系的研究和性能測試工作，取得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。然而，我國的無鉛產(chǎn)品的生產(chǎn)還存在很多問題，離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離，需要進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)。目前最主要的是找到能完全取代傳統(tǒng)Sn-Pb焊料的無鉛焊料。我

20、國無鉛焊料發(fā)展的歷史不長，起步較晚，但發(fā)展速度很快。研究工作主要集中在大專院校和科研院所，有一些焊料生產(chǎn)單位也在進(jìn)行開發(fā)研制。但國內(nèi)還未形成無鉛焊料的批量生產(chǎn)，這是由于我國沒有立法限制鉛的使用，國內(nèi)一些大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，其產(chǎn)品主要是針對國內(nèi)市場，使用無鉛焊料的要求還遠(yuǎn)不是那么強(qiáng)烈。而我國一些技術(shù)含量較高的機(jī)電產(chǎn)品，由于使用了鉛錫焊料，在出口時(shí)受到阻礙，已嚴(yán)重影響了這類產(chǎn)品在國際市場上的競爭力。受世界大環(huán)境的影響，隨著我國對環(huán)境和生態(tài)

21、的高度重視，使用無鉛焊料替代鉛錫焊料已提到議事日程。我國是錫的生產(chǎn)和出口大國也是消耗焊料的各種電器生產(chǎn)的大國，如無鉛焊料的研究沒有實(shí)質(zhì)性的突破，將會(huì)嚴(yán)重影響我國的</p><p>　　2.2無鉛焊料的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢</p><p>　　近年來無鉛焊料的研究工作發(fā)展很快，國內(nèi)外已有的研究成果表明，在各種候選無鉛合金焊料中，錫(Sn)都被用作基體金屬，由于它的成本很低，貨源充足并具備著理想的

22、物理特性。同時(shí)它也是63Sn一37Pb合金的基體金屬，因此大多數(shù)的無鉛焊料都是以金屬錫(Sn)作為基體金屬，再添加其它的金屬，例如銀(Ag)、銦(In)、鋅(zn)、銻(St，)、銅(Cu)以及鉍(Bi)等。為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境和提高產(chǎn)品質(zhì)量，并考慮到電子組裝工藝條件的要求，新型的無鉛焊料應(yīng)具備一定的要求無鉛焊料的研制已成為目前行業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。從90年代起，研究最多且可能替代Sn—Pb焊料的無毒合金主要還是Sn基合金，添加Ag、Zn、Cu

23、、Sb、Bi、Zn等金屬元素，這些金屬元素可在和錫組成合金時(shí)降低焊料的熔點(diǎn)，使其得到理想的物理特性。但是到目前為止，還沒有研究出滿意的替代sn—Pb體系焊料的無鉛焊料現(xiàn)有的無鉛焊料都存在有這樣或那樣的問題。Sn—Zn系合金蠕變性差，Zn極易氧化，且成本高；Sn—Sb系合金潤濕性較差，Sb同樣有毒，許多無鉛焊劑的配方還不是成熟的錫鉛低共熔焊劑的理想替代品，它們往往只適合于特定產(chǎn)品的工藝，而且成本較高、供貨</p><p

24、>　　相同或相近的性能，比如具備低熔點(diǎn)，能像純金屬那樣在單一溫度下熔融、凝固具有與Sn-Pb相同的熔融溫度范圍、良好的接合性能和浸潤性等。</p><p>　　第三章 無鉛焊料合金的可靠性</p><p>　　3.1 無鉛焊料的定義</p><p>　　無鉛的定義目前尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只能從歐、美、日中某些重要協(xié)會(huì)組織的定義而加以說明：</p>

25、<p>　　RolS <0.1 wt％ Pb；</p><p>　　JEIDA <0.1 wt％ Pb；</p><p>　　EUELVD <0.1 wt％ Pb；</p><p><b>　　應(yīng)注意的是：</b></p><p>　　1. 焊料組分中含有大于85％wt％Pb以上材料屬于赦免的

26、范圍；</p><p>　　2. 對于無鉛化的材料，并非100％絕對不含鉛；</p><p>　　3. 對于小于0.1wt％Pb的表述，請不要等同，描述為小于1000× 10.6 wtPb，因?yàn)閺臄?shù)理統(tǒng)計(jì)概念上，兩者存在本質(zhì)的區(qū)別。</p><p>　　3.2 無鉛焊料應(yīng)具備的條件</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境和提高產(chǎn)品質(zhì)量

27、，并考慮到電子組裝工藝條件的要求，新型的無鉛焊料應(yīng)具備以下幾個(gè)方面的特性：</p><p>　　1．合金及其成分必須無毒，對環(huán)境的影響較小，所選用的材料，在現(xiàn)在和將來都不污染環(huán)境。</p><p>　　2．合金的熔點(diǎn)要低，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、可焊性要好，力求熔點(diǎn)與63Sn一37Pb共</p><p>　　晶焊料的熔點(diǎn)183 C接近，盡量不超過225℃，并且有很好的潤濕性

28、。</p><p>　　3．新型的無鉛焊料能與鉛及現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備兼容，可在更換部分設(shè)備而不改變現(xiàn)行工藝條件下進(jìn)行焊接。</p><p>　　4．合金應(yīng)具有良好的物理特性(強(qiáng)度、拉伸度、疲勞度等)，合金必須能夠提供63Sn一37Pb所能達(dá)到的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性。</p><p>　　5．焊后對各焊點(diǎn)檢修容易，生產(chǎn)可重復(fù)性要好。</p><p>　

29、　6．成本要低且材料有充足的供應(yīng)來源。</p><p>　　表1中列出了美國國家制造科學(xué)中心提出的用于替代Sn—Pb合金的無鉛焊料的基本性能指標(biāo)。</p><p>　　表1 替代Sn—Pb合金的無鉛焊料的基本性能指標(biāo)</p><p>　　3.3 幾種常用的無鉛焊料及各自優(yōu)缺點(diǎn) </p><p>　　近幾年來有關(guān)無鉛焊料的研究工作發(fā)展很快。國內(nèi)

30、外已有的研究成果表明，最有可能替代Sn-Pb焊料的無毒臺(tái)金是Sn基合金，主要以Sn為主，添加Ag、Zn、</p><p>　　Cu、Sb、Bi、In 等金屬元素。通過焊料合金化來改善臺(tái)金性能，提高可焊性。由于 Sn-In系合金蠕變性差。In極易氧化。且成本太高,Sn-Sb系合金潤濕性差。Sb還稍有毒性，這兩種合金體系的開發(fā)和應(yīng)用較少。實(shí)際上二元系合金要做成能滿足各種特性的焊料是不完善的。目前最常見的無鉛焊料主要是

31、以Sn-Ag、Sn-ZnSn-Bi、Sn-Cu為基體。在其中添加適量的其它金屬元素所組成的三元合金和多元合金。</p><p>　　3.3.1 Sn—Ag系無鉛焊料</p><p>　　Sn-Ag系無鉛焊料是以96.5Sn-3SAg共晶焊料為基礎(chǔ)，添加適量的Cu和Bi、In等金屬元素組成的焊料合金，現(xiàn)有96Sn／3.5Ag／O.5Cu，95.5Sn／3.5Ag／lZn，93.6Sn／4.7

32、Ag／1.7Cu和97Sn／1Ag／2Bi等合金。Sn-Ag系焊料，作為高熔點(diǎn)焊料已開始以無鉛焊料角色進(jìn)入實(shí)用階段，特別是其固有的微細(xì)組織．優(yōu)良的機(jī)械特性和使用可靠性，成為明顯的替代合金焊料為用戶接受。該合金Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3.5％時(shí)形成共晶點(diǎn)。在這個(gè)Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成以下的成為亞共晶，以上的成為過共品。合金中隨著Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，合金強(qiáng)度逐步上升，至組成共晶時(shí)，也就是Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3.5％時(shí)強(qiáng)度可達(dá)到最高。但是Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4

33、％時(shí)形成過共晶狀，出現(xiàn)明顯的劣化。Sn-Ag系合金添加Cu時(shí)，共晶點(diǎn)的改變,Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為4．7％，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約在1.7％時(shí)產(chǎn)生共晶。這種合金添加In，將會(huì)造成在提高合金微細(xì)化強(qiáng)度和蠕變特性的同時(shí)，焊料表面易形成堅(jiān)固的氧化膜。使?jié)櫇裥源蟠蠼档汀?lt;/p><p>　　Sn-Ag系焊料的優(yōu)點(diǎn)為：(1)耐疲勞性，明顯地優(yōu)于Sn-Pb共晶焊料；</p><p>　　(2)抗伸強(qiáng)度，初期強(qiáng)度

34、和長期強(qiáng)度變化都比Sn-Pb 共晶優(yōu)越；</p><p>　　(3)蠕變特性，變形速度慢、至斷時(shí)間長；</p><p>　　(4)延展性．由于添加降低融點(diǎn)的金屬使延展性有所 下降，但不存在長期劣化問題。</p><p>　　存在的主要問題是熔點(diǎn)偏高。如95.

35、5Sn／3.5Ag合金的熔點(diǎn)是217～219℃；93.6Sn／4.7Ag／1.7Cu合金的熔點(diǎn)是217℃．即使把質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5％的Bi金屬添加到Sn-Ag-cu合金中．其熔點(diǎn)199～ 215℃也比Sn-Pb其晶融點(diǎn)高約30℃。這樣，若采用現(xiàn)行的再流加熱條件，該焊料是不能完全熔化,潤濕性也不會(huì)好。</p><p>　　3.3.2 Sn-Ag-Cu系無鉛焊料</p><p>　　當(dāng)前無鉛焊料

36、二元合金主要有Sn—Ag，Sn—Cu，Sn zn，Sn—Bi等4大類；而無鉛焊料的發(fā)展正朝著多元化方向發(fā)展，三元及多元合金現(xiàn)已存在，相比之下由于Sn—Ag—Cu焊料在原使用性較好的Sn—Ag焊料基礎(chǔ)上加入了Cu，在保證其良好機(jī)械性能的前提下使得熔點(diǎn)也有所降低，而且還可減少焊接材料中Cu的溶蝕，逐漸成為國際標(biāo)準(zhǔn)的無鉛焊料。</p><p>　　Sn—Ag—Cu的三元共晶熔點(diǎn)約217 oC，比Sn一Ag共晶低，可靠性

37、和可焊性更好，具有浸潤性好、抗熱疲勞等優(yōu)點(diǎn)，而且減緩了基板Cu的溶解。已完成的研究工作都表明：這種合金的表現(xiàn)非常穩(wěn)定，而且Sn、Ag、Cu都是電子封裝行業(yè)中使用最為普遍的元素。因此，Sn-Ag-Cu合金逐漸成為無鉛焊料的主流標(biāo)準(zhǔn)焊料。但歐洲日本和美國推薦的Sn-Ag-Cu焊料在成分上又有一些差別，如表2所示:</p><p>　　表2 不同國家Sn-Ag-Cu焊料在成分上的對比</p><p

38、>　　近年來，Sn—Ag—Cu焊料被作為實(shí)現(xiàn)無鉛的標(biāo)準(zhǔn)合金，并達(dá)成共識(shí)，然而，由于這種合金熔點(diǎn)仍偏高，即使提高元器件的耐熱性，但多層．薄形的印制板耐熱性仍存在問題，因此，在錫銀合金基礎(chǔ)上添加鉍 銦以降低熔點(diǎn)以及開發(fā)錫鋅系無鉛化焊料將成為今后發(fā)展方向。除了存在耐熱性問題外，還存在著對銅的潤濕性差的問題。從擴(kuò)散率來看，錫鉛焊料擴(kuò)散率超過90％，而錫銀銅焊料在80％左右。不過，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,目前,錫銀銅無鉛焊膏的潤濕性已得到了明

39、顯提高，幾乎達(dá)到錫鉛焊膏的水平。</p><p>　　3.3.3Sn-Zn系合金</p><p>　　Sn-Zn系無鉛焊料是以91Sn-9Zn共晶焊料(融點(diǎn)199℃)為基礎(chǔ)，添加適量的Bi和In、Ag等金屬元素組成的焊料合金?，F(xiàn)有86Sn／9Zn／5In,82Sn／8Zn／10Bi-86.9Sn／8Zn／5In／0.1Ag和88.5Sn／5.5Zn／5In／1Bi等合金。</p>

40、;<p>　　Sn-Zn 系焊料各合金元素所起的作用如下,Zn可降低Sn的熔點(diǎn),但Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于9％后，熔點(diǎn)重新提高。Ag可提高Sn一Zn焊料的抗腐蝕性．在Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高的情況下，對焊料的熔化特性的影響不大。In可降低Sn 合金的液相線和固相線。 也可降低Sn 合金的液相線和固相線，但隨著Hi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，焊料的熔化間隔。即固液相間隔增大。此外。Hi也會(huì)使合金的脆陛增大；sb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大將使焊料的熔化溫度升高

41、。</p><p>　　Sn-Zn 系焊料的優(yōu)點(diǎn)為：(1)熔點(diǎn)：接近Sn—Pb共晶焊料的熔點(diǎn)，如86.9Sn／8Zn／5In／0.1Ag合金的熔點(diǎn)185～199℃ ．82Sn／8Zn／10 Bi合金的熔點(diǎn)186～188℃ ；(2)延展性：大體與Sn-Pb共晶焊料相同；(3)抗忡強(qiáng)度和蠕變性：比Sn-Pb共晶焊料優(yōu)越；(4)成本低,毒性小。存在的主要問題是焊料的潤濕性、粒晶蝕和焊膏的保存穩(wěn)定性等。</p>

42、;<p>　　3.3.4 Sn-Bi系合金</p><p>　　Sn—Bi系無鉛焊料主要以Sn—Ag(Cu)系焊料合金為基礎(chǔ)，添加適量的Bi金屬元素組成的焊料合金。目的是使Sn Ag(cu)系焊料的熔點(diǎn)降下來?，F(xiàn)有94Sn／5Bi／lAg．90Sn／7.5Bi／2Ag／O.5Cu和90Sn／9.5Bi／0.5Cu等合金。</p><p>　　Sn-Bi系無鉛焊料的優(yōu)點(diǎn)是：(1

43、)該合金以Sn- Ag(Cu)系合金為基礎(chǔ)。其焊料合金的抗伸強(qiáng)度和蠕變性能都優(yōu)于Sn-Pb共晶焊料；(2)配制成焊膏后，具有良好的潤濕性和保存穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是：(1)該合金的融點(diǎn)還是偏高，94Sn／5Bi／1Ag合金的熔點(diǎn)是197～205℃，90Sn／7.5Bi／2Ag／0.5Cu合金的熔點(diǎn)是187～221℃，90Sn／9.5Bi／0.5Cu合金的熔點(diǎn)是198℃ ；(2)隨著合金中Bi金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，合金的耐熱疲勞陛和延展性下降。

44、合金變脆．加工性差；(3)金屬Bi資源有限；(4)潤濕性受雜質(zhì)影響很大，特別是磷的影響。而目前電子行業(yè)中使用酶的制程又很多，因此從一定程度上限制了其使用。</p><p>　　3.3.5 Sn-Cu 系合金</p><p>　　Sn-Cu系合金中典型的無鉛焊料如Sn-0．7Cu合金，這種合金成本相對其它合金的成本最低，價(jià)格上容易被接受，但該合金的熔融溫度為227℃，也使其在許多溫度敏感器件

45、的應(yīng)用上受限。此外，它相對其它無鉛焊料的濕潤性差，通常加入Ni、Ag、Sb等元素來改善性能;耐疲勞特性也較差，可能導(dǎo)致焊接區(qū)的失效。Sn-0.7Cu合金焊料從使用角度可用于波峰焊，也可以用于350℃左右的烙鐵頭的焊接。</p><p>　　Sn-Pb焊料的替代問題，除了在無鉛焊料本身上下功夫外，還有待于助焊劑、焊接工藝、檢驗(yàn)、焊接標(biāo)準(zhǔn)等多方面的配合，才能比較圓滿地得到解決。</p><p>

46、;　　第四章 無鉛焊料性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　有關(guān)無鉛焊接性能的綜合評(píng)價(jià)通常分為兩類：一類是焊料的物理化學(xué)性能，包括融化溫度、黏度/表面張力、潤濕/鋪展性、導(dǎo)電/導(dǎo)熱性、抗氧化及腐蝕性和熱膨脹系數(shù)；另一類是焊料的機(jī)械性能，包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、疲勞性能蠕變性能以及彈性模量等。</p><p>　　4.1 無鉛焊點(diǎn)焊接界面的組織結(jié)構(gòu)</p><p>　　研

47、究表明，SnAg系和SnBi系焊接時(shí)，其過程與SnPb焊料焊接時(shí)相同，形成金屬間化合物Cu6Sn5 ,Ag、Bi仍以Ag3Sn以及Bi粒子形式存在焊料組織內(nèi)；對于SnZn系無鉛焊料，在與Cu的焊接界面反應(yīng)時(shí)，結(jié)合部形成形成SnZn/Cu組織（包括Cu5Zn8和CuZn結(jié)構(gòu)），該結(jié)構(gòu)在常溫下不會(huì)影響焊接部位的強(qiáng)度，但當(dāng)在高溫下（150℃),會(huì)使焊點(diǎn)強(qiáng)度下降；對于SnNi,由于大部分焊盤表面的涂覆層是CuNiAu,即鍍金板，焊接時(shí)會(huì)形成金屬

48、間化合物Ni3Sn4,它類似Cu6Sn5，起到?jīng)Q定焊點(diǎn)強(qiáng)度的作用，此外還會(huì)形成復(fù)雜的（AuNi)Sn4結(jié)構(gòu)，但它類似Cu3Sn故有害于焊點(diǎn)的強(qiáng)度；對于Sn3.0Ag0.5Cu應(yīng)注意其中Ag的加入會(huì)使焊點(diǎn)的硬度和強(qiáng)度增加，但也會(huì)在焊點(diǎn)中形成長條狀A(yù)g3Sn，它對焊點(diǎn)長期可靠性有不良的影響。</p><p>　　4.2 無鉛焊料的可焊性</p><p>　　焊料的可焊性檢驗(yàn)通?？捎娩佌姑娣e、擴(kuò)

49、展率、浸潤角、浸潤時(shí)間/潤濕力來表示。無鉛焊料的可焊性不及Sn-Pb焊料，對溫度的依賴性很大，就是Ag、Cu和Sn均可形成結(jié)晶化合物，并導(dǎo)致焊料中Sn的活性降低從而導(dǎo)致液固界面表面張力的增大，引起浸潤角增大和鋪展率降低。通常測量焊料的潤濕時(shí)間和潤濕力（參見SJ/T10669-1995電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）來評(píng)估焊料的可焊性。</p><p>　　4.3 無鉛焊料的表面張力</p><p>　　不同

50、無鉛焊料的潤濕性能還與其在融化狀態(tài)下的表面張力有關(guān)。通常焊料的表面張力低時(shí)，有好的潤濕性，提高焊接溫度和添加微量金屬成分都有可能降低焊料的表面張力。但對無鉛焊料來說由于焊接溫度已接近元器件以及PCB所能承受的耐溫能力，故很難再繼續(xù)通過升高溫度的方法來降低表面張力，而只能通過添加稀有元素或改進(jìn)助焊劑的方法來降低焊接溫度。</p><p>　　4.4 導(dǎo)電/導(dǎo)熱性能</p><p>　　部分無

51、鉛焊料的導(dǎo)電/導(dǎo)熱性能如下表3所示：</p><p>　　表3 部分無鉛焊料的導(dǎo)電/導(dǎo)熱性能</p><p>　　從表中可知Sn3.5Ag合金中由于加入Ag而使導(dǎo)電性能與導(dǎo)熱性能均得到提高，這意味它形成的焊點(diǎn)使用性能比Sn37Pb焊料好。</p><p>　　4.5 無鉛焊料的力學(xué)性能</p><p>　　在評(píng)估焊接材料的力學(xué)性能中，最常用

52、的是拉伸/抗張、剪切、蠕變、疲勞，即常說的拉伸/抗張強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、蠕變特性、疲勞特性，此外表征焊料的拉絲性能時(shí)還有“延伸率”。</p><p>　　第五章 無鉛焊接給焊點(diǎn)可靠性帶來的新問題</p><p>　　5.1 影響無鉛焊點(diǎn)可靠性的因素</p><p>　　與傳統(tǒng)的含鉛工藝相比，無鉛化焊接由于焊料的差異和工藝參數(shù)的調(diào)整，必不可少的會(huì)給焊點(diǎn)可靠性帶來一定的影響

53、。首先是目前無鉛焊料的熔點(diǎn)較高，一般都在217℃左右，而傳統(tǒng)的Sn—Pb共晶焊料熔點(diǎn)是183℃，溫度曲線的提升隨之會(huì)帶來的是焊料易氧化及金屬間化合物生長迅速等問題。其次是由于焊料不含Pb，焊料的潤濕性能較差，容易導(dǎo)致產(chǎn)品焊點(diǎn)的自校準(zhǔn)能力、拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等不能滿足要求。</p><p>　　無鉛焊點(diǎn)的可靠性問題主要來源于：焊點(diǎn)的剪切疲勞與蠕變裂紋 、電遷移、焊料與基體界面金屬間化合物形成裂紋、Sn晶須生長引起短

54、路，電腐蝕和化學(xué)腐蝕問題等。焊料的選擇極為重要，目前，大多采用錫銀銅合金系列，液相溫度是217℃-221℃ ，這就要求再流焊具有較高的峰值溫度，如前所述會(huì)帶來焊料及導(dǎo)體材料(如Cu箔)易高溫氧化，金屬間化合物生長迅速等問題。因?yàn)樵诤附舆^程中，熔融的釬料與焊接襯底接觸時(shí)，由于高溫在界面會(huì)形成一層金屬間化合物(IMC)。其形成不但受回流焊溫度、時(shí)間的控制，而且在后期使用過程中其厚度會(huì)隨時(shí)間增加。研究表明界面上的金屬間化合物是影響焊點(diǎn)可靠性的

55、一個(gè)關(guān)鍵因數(shù)。過厚的金屬間化合物層的存在會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂，韌性和抗低周疲勞能力下降，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)的可靠性降低。就當(dāng)前最為成熟的Sn—Ag系無鉛焊料而言，由于熔點(diǎn)更高，因此相應(yīng)的再流焊溫度也將提高，且無鉛焊料中Sn含量都比Sn—Pb焊料高，這兩者都增大了焊點(diǎn)和基體間界面上形成金屬間化合物的速率，導(dǎo)致焊點(diǎn)提前失效。另外，由于無鉛焊料和傳統(tǒng)Sn-Pb焊料成分不相同因此，它們和焊盤材料，如Cu 、Ni、AgPd等的反應(yīng)速率及反應(yīng)產(chǎn)物可能不相&

56、lt;/p><p>　　此外PCB的設(shè)計(jì)是否合理以及焊接工藝、焊接部件的質(zhì)量等因素都會(huì)影響無鉛焊點(diǎn)的可靠性。</p><p>　　5.2 無鉛焊點(diǎn)可靠性的測試方法</p><p>　　無鉛焊點(diǎn)可靠性測試，主要是對電子組裝產(chǎn)品進(jìn)行熱負(fù)荷試驗(yàn)(溫度沖擊或溫度循環(huán)試驗(yàn))；按照疲勞壽命試驗(yàn)條件對電子器件結(jié)合部進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力測試；使用模型進(jìn)行壽命評(píng)估，目前比較著名模型有低循環(huán)疲勞的

57、Coffin—Manson模型，一般在考慮平均溫度與頻率的影響時(shí)使用修正Coffin—Man~n模型，而在考慮材料的溫度特性及蠕變關(guān)系時(shí)采用Coffin—Manson模型。</p><p>　　無鉛焊點(diǎn)可靠性測試方法主要有：外觀檢查、X射線檢查、金相切片分析、強(qiáng)度(抗拉、剪切)、疲勞壽命、高溫高濕、跌落實(shí)驗(yàn)、隨機(jī)震動(dòng)、可靠性檢測方法等。</p><p>　　外觀檢查：無鉛和有鉛焊接的焊點(diǎn)從

58、外表看是有差別的，并影響AOI系統(tǒng)的正確性。無鉛焊點(diǎn)的條紋更明顯，并且比相應(yīng)的有鉛焊點(diǎn)粗糙，這是由于從液態(tài)到固態(tài)的相變造成的。因此，這類焊點(diǎn)看起來顯得更粗糙、不平整。另外，由于無鉛焊料的表面張力較高，不像有鉛焊料那么容易流動(dòng)，形成的圓角形狀也不盡相同。因此檢測一起必須做一些參數(shù)或程序調(diào)整，自動(dòng)光學(xué)檢測儀(AOI)制造商已經(jīng)推出了相應(yīng)的解決方案，其中包括歐姆龍采用三色光源和不同的照射角度將焊點(diǎn)的三維形狀用二維圖像表示出來，而安捷倫也在最

59、近推出了采用固態(tài)建模(KSM)技術(shù)的3維自動(dòng)光學(xué)檢測設(shè)備等。</p><p>　　X射線檢查：無鉛焊的球形焊點(diǎn)中虛焊增多。無鉛焊的焊接密度較高，可以檢測出焊接中出現(xiàn)的裂縫和虛焊。銅、錫和銀應(yīng)屬于“高密度”材料，因此，像鉛這類材料阻礙x射線的照射。所以，為了進(jìn)行優(yōu)良焊接的特性表征、監(jiān)控組裝工藝，以及進(jìn)行最重要的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)完整性分析，有必要對x射線系統(tǒng)進(jìn)行重新校準(zhǔn)，對檢測設(shè)備有較高要求。準(zhǔn)自動(dòng)焊點(diǎn)可靠性檢測技術(shù)是利用光

60、熱法逐點(diǎn)檢測電路板焊點(diǎn)質(zhì)量的一種先進(jìn)技術(shù)。具有檢測精度高、可靠性好、檢測時(shí)不須接觸或破壞被測焊點(diǎn)等特點(diǎn)。檢測時(shí)對印制電路板的焊點(diǎn)逐點(diǎn)注人確定的激光能量，同時(shí)用紅外探測器監(jiān)測焊點(diǎn)在受到激光照射后產(chǎn)生的熱輻射，由于熱輻射特性與焊點(diǎn)的質(zhì)量狀況有關(guān)，故可據(jù)此判定焊點(diǎn)的質(zhì)量好壞。激光與焊點(diǎn)的對準(zhǔn)和注人以及焊點(diǎn)質(zhì)量差別均由計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的軟件完成測試裝置包括YJLG激光系統(tǒng)、紅外探測系統(tǒng)、X—Y掃描工作平臺(tái)以及由計(jì)算機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)

61、、判讀軟件等五部分組成。此技術(shù)的焊點(diǎn)重缺陷檢出率為100％，其它缺陷檢出率遠(yuǎn)高于人工檢測。檢測速度滿足小批量生產(chǎn)需要，特別適用于可靠性要求高、批量小的產(chǎn)品檢測。</p><p>　　在無鉛工藝焊點(diǎn)可靠性測試中，比較重要的是針對焊點(diǎn)與連接元器件熱膨脹系數(shù)不同進(jìn)行的溫度相關(guān)疲勞測試。包括等溫機(jī)械疲勞測試，熱疲勞測試及耐腐蝕測試等。其中根據(jù)測試結(jié)果可以確認(rèn)相同溫度下不同無鉛材料的抗機(jī)械應(yīng)力能力不同，同時(shí)有研究表明不同無

62、鉛材料顯示出不同的失效機(jī)理，失效形態(tài)也各不相同。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　目前，無鉛化正日益成熟，但是到目前為止，滿意的替代傳統(tǒng)Sn-Pb焊料的無鉛焊料還沒找到，已出現(xiàn)的無鉛焊料都存在這樣或那樣的問題。無鉛焊料還需研究改進(jìn)，逐步提高性能，以滿足電子產(chǎn)品可靠性要求。但有一點(diǎn)可以肯定，隨著研究的進(jìn)一步深入以及以及對環(huán)保的要求，無鉛焊料

63、必將替代Sn-Pb焊料。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在論文完成之際，感謝老師對我論文的悉心指導(dǎo)，從論文選題到論文的寫作過程給予我真誠的鼓勵(lì)、中肯的建議和指導(dǎo)；此外，感謝在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)的車間的師傅們，使我得以學(xué)會(huì)使用一些設(shè)備；然后，我還要感謝大學(xué)里所有的老師，為我們打下SMT專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)；同時(shí)我還要感謝所有的同學(xué)們。正是因?yàn)橛辛四?/p>

64、們的支持和鼓勵(lì)，此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)得以順利完成。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　張文典.電子表面組裝技術(shù)---SMT》.第二版.北京:電子工業(yè)出版社，2002</p><p>　　南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源網(wǎng)--維普網(wǎng)</p><p>　　黃惠珍，魏秀琴，周浪.無鉛焊料及可靠性的研究進(jìn)展,

65、2003 </p><p>　　鮮飛．無鉛焊錫的研究．新技術(shù)新工藝,2001</p><p>　　5.張虹，白書欣．無鉛釬料的研究與開發(fā)．材料導(dǎo)報(bào)，1998</p><p>　　6.蔡積慶．表面技術(shù)，2000</p><p>　　7.李曉延，嚴(yán)永長．電子封裝焊點(diǎn)可靠性及壽命預(yù)測方法，2005</p><p>　　8.

66、梁凱，姚高尚，簡虎，等．徽電子封裝無鉛釬焊的可靠性研究 ，2006</p><p>　　9.王懷興．當(dāng)今最熱門的話題：無鉛焊料．國外錫工業(yè)，1999</p><p>　　10.喬芝郁，等．無鉛焊料研究進(jìn)展和若干前沿問題，1996</p><p>　　11.楊寧，等．對無鉛焊料的研究、立法和機(jī)遇．國外錫工業(yè)，1998</p><p>　　12.