波峰焊无铅钎料的抗氧化研究进展

第23卷第1期2010年2月

常州工学院学报

Journa l o f Chang zhou I nstitute o f Techno l o g y

V o.l 23 No .1

Feb .2010

收稿日期:2010 02 09

作者简介:栗慧(1980 ),女,讲师。

波峰焊无铅钎料的抗氧化研究进展

栗 慧

(常州工学院机电工程学院,江苏常州213002)

摘要:电子封装波峰焊从有铅到无铅的转换过程中,由于无铅钎料中锡含量比传统Sn 37Pb 钎料高,导致波峰焊过程中氧化渣的产生量很大,不仅造成浪费,还影响焊接质量。控制氧化是当前无铅波峰焊技术必须要解决的一个重要问题。论文概述了国内外波峰焊无铅钎料抗氧化的发展现

状及所取得的研究成果,并展望了前景。

关键词:无铅;钎料;抗氧化性;波峰焊中图分类号:TG425 文献标识码:B

文章编号:1671-0436(2010)01-0020-04

A Study on the Oxi dati on R esistance of L ead free

Sol der U sed i n W ave Sol deri ng

LI Hui

(Schoo l of M ech an i ca l &E l ect rical Eng i neeri ng,Ch angzhou Instit u t e o f T echno l ogy ,C hangzhou 213002)

Abstract :Now aday s i n the e l e ctron ic asse m b ly pr o ce ss ,w ave so ldering is changed from lead con ta i n ed to l e ad free .W h ile the m o re ti n content i n the l e ad free so lder w ill lead to m o re dro ss duri n g so ldering pr o cess .Too m uch dro ss w ill no t only w a ste the so l d er a ll o y ,but a lso affect the so lderi n g qua lity .Therefo re ,a key pr ob le m fo r l e ad free w ave so l d ering is to contro l t h e ox ida ti o n o f the so l d er .The re searc h and dev elopm en t progra m s on the ox ida ti o n resistance o f lead free so lder used i n W av e So l d eri n g around t h e w orld are briefl y intr oduced ,and the future pr o spects o f applicati o n o f the o x i d a tion resistance of lead free so l d er are presented,too .

Key words :lead free ;so l d er ;anti ox ida ti o n;w ave so l d eri n g

0 前言

近年来,鉴于环保和健康的需要,无铅钎料的研究在全球范围内开始发展起来。无铅波峰焊接

转换过程中,一般选用Sn Zn 、Sn Cu 、Sn A g C u 等无铅焊锡条。人们已大量研究了这些无铅钎料的组织性能、界面金属间化合物生长和润湿性能。早

在20世纪80年代开始,就有学者[1]

开始注意到当锡铅钎料在液体状态和高温时氧化十分迅速,尤其是在波峰炉中,会很快形成新的锡渣氧化物,锡渣

的堆积会影响焊接质量,还造成了锡的浪费。目前,无铅钎料抗氧化性差是长久以来困扰行业发展的主要问题,仅有少量文献对其进行研究。

1 波峰焊钎料抗氧化的发展历程

波峰焊过程中,在液态钎料表面上最常见的氧化物为SnO 与SnO 2。锡炉液面形成氧化物残渣,过量的氧化物残渣不但影响焊接质量,还使无铅钎料的成本增加,尤其是对现在昂贵的无铅钎料。

过去,人们采用加入抗氧化油的方式来减少

第1期栗慧:波峰焊无铅钎料的抗氧化研究进展

波峰焊过程中氧化渣的产生[2]。抗氧化油一般为无色透明液体,具有优良的抗氧化、洗涤、均染等性能,可用于波峰炉助焊剂上,有抗氧化和清除氧化渣的作用。抗氧化油的抗氧化性效果虽好,但是会随着时间的延长而变质,进而污染印刷电路板,目前一般不建议使用抗氧化油。同时,人们对波峰焊设备的各项性能也进行了广泛的研究和改进,包括锡炉温度、波峰高度、浸锡时间。一般的无铅钎料合金,最适当的锡炉温度为275,此时,Sn A g、Sn Cu、Sn A g C u 合金一般存在最小的湿润时间和最大的湿润力。波峰高度通常控制在PCB板厚度的1/2~ 2/3,其焊点的外观和可靠性达到最好。被焊表面浸入和退出熔化焊料波峰的速度,对润湿质量、焊点的均匀性和厚度影响很大,接触时间越长,越不容易出现脱焊现象,单位时间内钎料氧化得越严重。此外,解决波峰焊氧化问题还能通过加氮气进行保护。首先,氮气保护可以减少氧化渣的形成,从而降低了氧化渣的产生量。马鑫等[3]就氧气浓度与出渣量之间的关系进行研究后发现:氧含量的减少,可以明显地降低氧化渣的产生量,但是氮气保护在工艺和焊接质量方面带来的并不都是优点,其最主要的缺点就是焊后印刷电路板表面锡珠增多。

无论是改善波峰设备,还是用氮气保护,对防止氧化的作用是有限的,且本身都有各自的缺陷。只有生产出具有抗氧化性的无铅钎料才能从根本上减少波峰焊过程中的氧化渣产生量,降低生产成本,提高焊接质量。

2 不同波峰焊钎料的抗氧化研究

2 1 波峰焊Sn Pb系钎料的抗氧化研究

早在上世纪70年代人们就发现熔态的Sn Pb共晶合金在空气中迅速氧化,表面不断生成黑色的氧化渣,其成分Sn多于Pb,这在电子钎焊生产线中引起了Sn的大量损耗和操作上的不方便等问题。从70年代起,就有多篇文献报道了在Sn Pb共晶合金中加入某些微量元素可以提高熔态Sn Pb共晶合金抗氧化的能力。H a m aguch iH 等提出通过加入0 005w%t~0 2w%t的A l和14ppm的P[4~5]或者加入300~5000ppm的In 或10~100ppm的G a[6]可以提高钎料的抗氧化能力。邱小明等[7]研究了Sb对锡铅钎料抗氧化能力的影响,他提出Sb的加入,可以提高钎料的抗氧化能力。

张启运[8]教授全面探索了不同微量元素对Sn Pb共晶钎料抗氧化能力的影响,研究发现能够有效提高Sn Pb抗氧化能力的添加元素为G a、P、G e、A s、Z r和M g,其中突出有效的元素为G a、P、G e和A s。In只有含量较高,超过0 05%时才有明显的效果。A l的效果不突出,含量稍高又会引起氧化物与合金润湿变差的问题。明显起恶化作用的元素为硫族、铁系和碱金属。由于A s的氧化物有剧毒,难于实用。张启运教授在这个基础上集中对比了G a、P、G e对钎料抗氧化性的影响。随着添加元素的增加,出渣量显著减少,其中以G a最突出,但是到达某一含量后,出渣量即不再减少而维持一定值,G a为0 0008%,P为0 003%,G e为0 004%。

2 2 无铅波峰焊Sn Zn系钎料的抗氧化研究

由于Zn的高活性而造成合金钎料易氧化,润湿性差。而从已有的文献来看[9~10],合金在钎焊温度下被氧化是造成润湿性变差的主要原因。

为了减少钎料中Zn的氧化,可以在钎料中加入还原性强的元素,如加入P可以在钎料熔化时在钎料表面形成薄膜,从而阻碍Z n被氧化[11]。松下电器公司据此开发了加P的Sn Zn Ag基钎料专利。L i n K L等[12~13]也对A l和Ga的抗氧化性进行了研究,发现加入A l之后能够提高钎料的抗氧化性,且在界面处获得的一层化合物能够有效阻止Sn和C u过量反应。

任晓雪等[14]学者研究了A l、C r、T i、La、Y等微量元素对Sn Zn基无铅钎料高温抗氧化性能的影响。发现A l、C r元素的加入明显提高了Sn 9Zn的抗氧化性能,T i、Y也可以提高Sn 9Z n的抗氧化性能,而La的加入则加速了Sn 9Zn焊料的氧化。

L i n K L等[15]在Sn Zn钎料的基础上研制出一种新的可以代替Sn Pb的Sn Zn A g A l G a钎料。该钎料在250时,抗氧化性比Sn Pb更好。Sn Zn A g A I G a钎料的氧化行为通过在250

时空气中热重对比实验测定,并在同条件下测定

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