無鉛焊接中高溫恒溫試驗、溫度沖擊試驗應用實例

來源：昆山宏展儀器有限公司 2011年03月29日 10:53

無鉛焊接中高溫恒溫試驗、溫度沖擊試驗應用實例

如一月份文章所述，無鉛工藝的應用給業界帶來了許多新問題。無鉛工藝取代傳統的錫鉛工藝，不僅會影響電子組裝中的材料、設備、工藝，而且還會影響產品的可靠性和質量檢測標準。可靠性測試在無鉛焊接的應用推廣中變得越來越重要。

高溫恒溫試驗、溫度沖擊試驗及濕熱試驗等作為有效的電子部品熱疲勞試驗，在很多方面都發揮著其重要的作用。

在研發、篩選無鉛焊料時的應用

對于大多數制造商來說，無鉛化的大變化無疑是焊料。目前的無鉛焊料種類繁多，適用范圍各不相同，包括有Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Zn等各種系列。如何從中挑選出真正匹配廠家生產工藝的合適焊料是其中關鍵的技術難題。如今在使用無鉛焊料和無鉛元器件之前，客戶大多會要求進行認定測試，進行溫度沖擊循環（TCT）和濕熱試驗（THT）等可靠性測試，以確認元器件的質量和可靠性，或者驗證焊料、元器件與現有有鉛工藝的兼容性。

試驗結果表明，傳統的Sn-37Pb焊料在試驗中會出現再結晶現象，金屬間化合物長大，這有可能導致開裂的發生。而試驗中用的3種無鉛焊料均無此種現象，其原因是因為無鉛焊料生成的Ag3Sn即使在高溫下也不會長粗，非常穩定，其在連接部位的彌散分布抑制了金屬間化合物的生長，使得連接部位結構穩定。此外，在部分無鉛樣品中，還出現了空洞（voids），這應該與焊料的潤濕性能不足，以及回流曲線的設定有關。

與此同時，我們還進行了驗證不同焊料和Sn-Pb鍍層QFP部件兼容性的試驗。結果表明，含Bi焊料與Sn-Pb鍍層的器件接觸時，回流焊后會生成Sn-Pb-Bi共晶合金，熔點只有99.6℃，極易導致fillet-lifting現象的發生。因此使用含Bi無鉛焊料時，需注意避免與Sn-Pb鍍層的器件混合。

在研究錫須生長中的應用

目前的無鉛器件基本均以Sn作為表面鍍層。含錫量增大的后果是容易產生錫須,由于錫須可以在電鍍之后，甚至在幾年之后才開始生長，因而其對產品可靠性造成的潛在危害非常大。許多組織已經對錫須展開了大量的研究。

現在普遍認為錫須的產生與內應力的釋放相關，是Sn層中存在的壓縮應力終導致了錫須的產生。目前對錫須生長測試使用的試驗方法很多，大多為溫濕度相關試驗，此處列出了其中的3種，如表一所示。表中還根據錫須產生機理及應力類型的不同，把錫須分成3類。

表一

種類	產生機理	測試方法
恒溫錫須	基材金屬（Cu）擴散至Sn而引起的內應力	高溫試驗（HTST）：50℃，1000小時
濕熱錫須	Sn氧化而產生的內應力	濕熱試驗（THT）：85℃，85%R.H.，1000小時
熱沖擊錫須	基材金屬（Cu）/過渡層金屬和Sn鍍層之間熱膨脹系數不同引起的內應力	溫度沖擊試驗（TCT）：-40℃～85℃，500循環

試驗表明，錫須增長主要取決于溫度和濕度。關鍵溫濕度是50℃以上，相對濕度50%。另外，錫含量也非常重要。錫純度越高，形成錫須的機會就越大。

為了避免錫須，目前有許多相應措施，比如預烘、Matte tin、在Cu和Sn鍍層間添加Ni過渡層等，另外還特別需要重視對材料供應的跟蹤。為了抑制錫須的生長，還必須注意降低焊接工藝引入的溫度應力，因此回流曲線的設定也必須更為謹慎。

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