无铅焊接工艺中常见缺陷及防止措施

无铅焊接工艺中常见缺陷及防止措施

摘要:无铅化电子组装中,由于原材料的变化带来一系列工艺的变化,随之产生许多新的焊接缺陷。针对表面裂纹、表面发暗及二次回流等缺陷进行了机理分析,并给出了相应的解决措施。

关键词:无铅;焊点;表面裂纹;表面发暗;二次回流

无铅化制程导入过程中,钎料、PCB焊盘镀层及

元件镀层的无铅化工艺逐步得到广泛应用,随之产

生的各种焊接缺陷,比如表面裂纹、表面发暗及二次

回流问题等困扰着实际生产的顺利进行。本文主要

针对以上提到的几种主要缺陷进行原因分析并给出

相应解决措施。

1 表面裂纹(龟裂)

由于PCB基板材料及PCB上铜箔导线、铜过孔

壁及元件引脚之间的热膨胀系数存在差异,焊接过

程中PCB在Z轴方向出现的热膨胀远大于铜过孔

臂的热膨胀,从而引起焊点和焊盘变形,如图1所

示。即使PCB通过了波峰,但大量密集焊点固化热

量传导至板材而使PCB继续处于热膨胀状态。一

旦固化热能辐射结束,焊点就开始缓慢下降至环境

温度,PCB开始冷却恢复平板状,这就在焊点表面产

生很大的应力,引起焊盘起翘或焊点剥离(有Pb、Bi

污染时)或表面裂纹,如图2所示。

表面裂纹是无铅波峰焊工艺中通孔焊点上出现

的新缺陷,如图3所示。在接触波峰面焊点表面出

现一肉眼可观察到的裂纹。IPC-610-D指出:只

要裂纹底部可见,且没有深入内部接触引线和焊盘影响电气及力学性能就判定为合格,但实际生产中应尽量避免表面裂纹的产生。

1. 1 产生机理

PCB离开波峰焊点开始固化期间,焊点开始从

PCB顶部至底部逐渐固化,由表1可以看出引脚和焊盘比热容小、热导率大,冷却时近元件引脚的焊点顶部和焊盘边缘也最容易冷却先固化,其次是与低温空气接触的焊点表面同时形成一层表皮。在后续固化过程中,由于焊点内部热量要释放,其热量会流向引脚,导致大块钎料凝固过程期间元件引脚继续膨胀而PCB在Z向持续收缩。在这种情况下,再加上无铅钎料本身具有4%的体积收缩率和非共晶特性在近表面内部存在一定固液区,导致早先凝固表面强度降低。如果焊盘与PCB之间粘合力足够强, 那么焊点上产生的应变应力就会引起表面裂纹的产生。当实际发生的应变量超过材料本身所具有的塑性变形能力时,材料就会发生开裂,因此裂纹一般从高应力应变位置产生,由图3可见主要位于焊点表

面中部一定区域内。

值得注意的是,一般在共晶钎料中是不宜出现

表面裂纹,而非共晶钎料中较多,原因可能是非共晶钎料存在固液共存的低塑性区,并且产生60% ~ 80%的枝状晶,此时在不大的应力作用下就可被拉开;PCB下表面焊点更易出现表面裂纹,原因可能是钎料波向上的冲击和回落使PCB上下焊点的热分布不同,导致PCB下方焊点的凝固延迟时间更长, 即处于固液共存温度区间时间更长。焊点结构材料的热物理参数见表1。

表1 焊点结构材料的热物理参数

密度

ρ/(kg·m-3)

比热容Cp/

(J·kg-1·K-1)

热膨胀系数

γ/(×10-6℃-1)

FR-4

基板1 500 1 000XY∶16Z∶60

焊盘/

Cu引脚8 800 385 16. 8

SAC305

钎料7 560 245 21. 3

热导率λ/

(W·m-1·K-1)

熔化潜热

Lf/(J·kg-1)

熔点范围

ΔT/℃

FR-4

基板0. 301 - -

焊盘/

Cu引脚389 - -

SAC305

钎料29 59 400 217~221

1. 2 冷却速率的影响

从产生机理分析来看,慢速冷却使凝固等温线

移动速度慢,有效应力通过两相区收缩变形得以释放,形成的通道空间被液态钎料填充,如果通道空间靠近表面,凝固后就以表面裂纹的形式保存下来。空冷焊点钎焊圆角温度及等效应力分布如图4所示。空冷焊点钎焊圆角表面各节点应力分布如图5 所示。可以看出在焊点表面中部区域存在较大应力应变,导致焊点在固化时收缩开裂以消除应力。

快速冷却使凝固等温线移动速度快,没有足够

的时间产生应变,如果产生的有效应力低于金属自身强度,焊点虽然没有发生应变,但残余应力会保留在其内部。若冷却速率太快则会产生更大的应力, 水冷焊点温度分布及等效应力分布如图6所示。水冷焊点钎焊圆角表面各节点应力分布如图7所示。可以看出水冷焊点的应力应变同样位于焊点表面中部一定区域内,焊点内部应力应变分布极不均匀,应变量较空冷焊点有所增加,更容易产生开裂。所以在实际生产中应尽可能采用快速冷却,但不能太快, 一般要求控制在10℃/s左右。

1. 3 解决措施

(1)控制合适的焊接温度和浸锡时间,减少变

形量; (2)控制焊点冷却凝固之前变形量,比如提高预热温度; (3)控制适当冷速:一般冷速控制在6

℃/s~10℃/s,冷速对晶粒大小形态及结晶速率影

响很大,避免形成方向性明显的枝晶影响钎料基体性能; (4)控制材料工艺性:采用高Tg、Z方向膨胀系数小PCB,防止大量变形产生板级应力;选用共晶钎料或含对无铅合金裂纹收缩有显著影响的元素(添加Ni)的钎料,同时防止Pb及Bi的污染等;保

持印刷电路板清洁,防止元器件引线氧化,同时评估

板面和元件镀层的影响(推荐I-Ag/I-Au),评估

焊剂化学物质对裂纹是否有作用。

图5 空冷焊点钎焊圆角表面各节点分布

2 表面粗糙

大部分无铅焊点呈灰暗或者灰白色,这和锡铅

图6 0. 01 s水冷焊点温度分布及

等效应变应力分布

图7 空冷焊点钎焊圆角表面各节点应力分布

焊点光滑、明亮、有光泽的表面有所不同。这一现象产生有许多原因,其中包括多种合金元素不同共晶

晶核的形成,凝固时焊料的收缩及焊膏未完全凝固

时元件移动或焊料流动。其中合金形核中SAC合

金最为典型, SAC合金相图及多晶粒焊点形态如图

8所示。

焊料是由两种或多种合金组成,它的熔化和凝

固取决于在焊料不同共晶可能凝固的区域。在焊料中含有铜和银时就会出现这种情形, CuSn(227℃)

和AgSn(221℃)二元共晶部分或初晶晶粒,焊点凝

固时再次形成SnAgCu(217℃)三元共晶,从而形成

多种结晶共存现象。同时对于富锡合金,锡晶体可

能会在焊点冷却到232℃时凝结在合金层的外面。

如果元件引脚镀了锡铅合金,从锡铅镀层中熔解出