无铅分析报告
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分析报告
测试名称:焊点的可靠性分析
Testing Name:Solder joint reliability analyzing
测试机构:无铅焊接研发中心
Testing Organization:Lead-free Soldering R&D Center
报告分析人:胡强,李大乐
Report Analyzer:HU Qiang,LEE Da-le
测试日期:2004-11-6
Test Date:2004-11-6
测试板的工艺参数如表1所示
表1测试板的工艺参数
参数值
PCB材质
PCB厚度(mm) 1.6
引脚镀层
焊盘镀层
焊料牌号M705
焊料成分Sn-3.0Ag-0.5Cu
助焊剂牌号ESR-260S
助焊剂流量(ml/min)
波峰焊设备名称Suneast SAC-3JS
轨道传输速度(m/min) 1.2
预热温度(℃)130,135
锡炉温度(℃)265
冷却速度(℃/s) 5.7
通过体式显微镜对PCB焊点的表面进行观察,存在焊点表面裂纹等焊接缺陷,如图1所示。
图1焊点的表面裂纹
从图中可以看出,表面裂纹发生在焊点的弯月面位置,而且裂纹方向大部分平行于元器件引线。通过对PCB其它焊点表面裂纹的观察,基本上都存在这种方向性。通过对表面
裂纹的高倍观察,发现表面裂纹并没有延伸到焊点底部,终止于很浅的位置,如图1所示。为了更好的观察裂纹增长的长度和分析裂纹产生的原因,对焊点作截面分析,如图2所示。
图2裂纹的截面图
裂纹产生的原因是多方面的,PCB所用的材料、无铅焊料的特性、焊接工艺等因素不当都有可能产生裂纹这种焊接缺陷。
1.当PCB的线膨胀系数过大时,在冷却过程中容易产生较大的收缩量,从而容易在焊点凝固过程中产生内应力,导致裂纹的产生。
2.无铅焊料的特性是否满足要求,最好是共晶成分,特别不能受到铅的污染。另外如果无铅焊料中含有合金元素Bi,则更容易产生裂纹。
3.对于工艺因素来说,预热温度应当适中,避免波峰焊接时对PCB的热冲击,造成PCB的热变形,造成裂纹的产生,同时建议采用焊后快速冷却,可以避免裂纹的产生。
从图1和图2中分析可知,裂纹尖端比较圆滑,从而说明裂纹是在冷却过程中产生的液相裂纹,其原因是由于PCB的收缩产生向下的应力,靠近元器件引线的钎料收缩亦产生内应力,从而在焊点位置出现应力集中,当焊点局部冷却速率相对于其它位置较慢时,钎料之间的结合力相对较弱,很容易产生这种液相裂纹。
产生裂纹的最主要原因就是PCB材质,当PCB材质的线膨胀系数较大时,在焊接过程中产生较大的变形,从而很容易产生裂纹等焊接缺陷。特别是对于无铅焊接,由于预热稳定的升高和焊接温度的升高,对PCB材质的要求更高,要求更高Tg值的PCB材质,以满足无铅焊接的要求。
通过对热冲击试验板的分析,发现此种圆滑尖端的裂纹并没有扩展,从而更进一步说明了此种裂纹是在焊接过程种产生的液相裂纹。通过热冲击试验后在PCB焊点中出现了极少量的微裂纹,如图3所示。
图3热冲击中形成的微裂纹
从图中可知,此种裂纹终止于尖端,产生的原因是固态下由于内应力的作用产生的撕裂,明显不同于液相裂纹的圆滑尖端。
通过对PCB焊点的分析,无铅钎料对焊盘和元器件引线的润湿性以及通孔的填充性都
比较良好,如图4所示。
图4焊点的形貌
但在少量焊点内部存在夹杂和气孔,其主要原因是由于助焊剂的涂敷量过大或者是预热温度过低,造成过多的助焊剂溶剂在波峰焊接之前没有完全蒸发,在焊接过程中残留在通孔内形成夹杂或气孔,如图5所示。
图5焊点内部的气孔
通过对焊点的微观分析,无铅钎料于PCB焊盘和元器件引线之间的结合良好,形成金属间化合物的厚度适中,如图6所示。
图6IMC的形貌
通过对PCB试验板的分析,无铅钎料对于PCB焊盘的润湿性比较好,填充效果比较良好,而且经过150此热冲击后钎料与焊盘或元器件引线之间的连接基本上没有变化。焊接中出现的主要缺陷为裂纹,分析其主要原因是PCB所用材质的线膨胀系数过大,在焊接过程中造成变形,从而造成裂纹的产生。对于无铅焊接,特别是对于双面混装板,对于PCB 材质的要求更高,一般建议采用FR-4板或更高。
另外一个影响裂纹产生的重要原因就是无铅钎料的成分,特别注意Pb的混入,注意PCB镀层和元器件引脚镀层的成分。因为传统的镀层大部分采用Sn-Pb,当采用无铅焊接时,如果镀层仍为Sn-Pb镀层,则很容易在焊接过程中产生低熔点合金,造成液相裂纹的产生。
从无铅焊接工艺来说,预热温度过低或焊接温度过高,都容易造成对PCB的热冲击,从而造成PCB的热变形,容易产生裂纹等焊接缺陷。从提供的参数来看,对于设定的参数,预热温度130℃和135℃比较正常,但是从曲线上的预热温度来看不到100℃,说明预热温度偏低。对于预热温度,一般PCB板底控制在120-150℃之间是比较理想,具体的视助焊剂的特性决定。对于焊接温度,设备的温度为265℃可能偏高,对于Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅钎料,焊接温度一般控制在255-260℃之间比较适宜,以防止波峰对PCB的热冲击,但是从温度曲
线分析,峰值温度只有245℃左右,对于无铅焊接温度相对偏低,请确认具体的温度。