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无铅工艺中的可焊性分析





无铅工艺中的可焊性分析

      概述:

      随着无铅工艺的到来,可焊性,尤其是全新焊接工艺下关键参数的可行性论证令业界关注,本文亟通过可焊性测试的原理做出一系列的测试,将相关可焊性数据及结果做一陈述。测试涉及20种元器件(包括表面贴装和通孔元器件),铜片样本,3种无铅锡膏,5种助焊剂,一些加热器和2种助焊气体,测试结果和传统使用的锡铅锡膏以基准做对比。

     测试显示在使用非活性松香助焊剂情况下惰性氮气对可焊性有提高,结合无铅焊料合金更低的,这将导致氮气在工业中的应用更为广泛。焊锡温度比使用免清洗助焊剂工艺对可焊性的影响更为明显。在已知的无铅合金中,SnAgCu是*为有效的,它具有*好的润湿性,并且所需的焊接温度*低,SnCu表现欠佳,在温度*高的情况下,也经常出现不可靠焊接。当然,我们所做的工作得出的结果为:对任何元器件,焊锡合金的选择是重要的,*好选择*适合的合金。本文就不同助焊剂,温度和锡膏对20种元器件的可焊性影响已做统计,相关数据,包括典型润湿力和润湿时间在附页中列出。

     目录:

1.介绍
2.试验
3.结果及讨论
      3.1 铜片样本
      3.2 表面贴装和通孔元器件
4.结论


1.介绍

     在法规和商业需求的推动下,无铅焊接凸显其重要性,寻找代替SnPb锡膏的应用需求被尤为强调。我们进行了一系列课题研究以推进对新焊接技术的进程。本文旨在强调在可焊性方面无铅焊锡合金对不同元器件类型(包括表面贴装和通孔元器件),一些焊锡合金和不同的助焊剂之间的变化。众所周知,温度是影响润湿行为的一个关键因素,因此,此研究中采用熔点温度,一些使用铜片做基本试验和测量的过程都在氮气环境下进行。

     已完成一些润湿平衡测试供研究用,以对大量元器件,合金和助焊剂的可焊性提供具体图片,润湿时间和润湿力数据是现有的。


2.试验

     铜片测试在A和D两种助焊剂,3种无铅合金,分别在空气和氮气中,在不同范围温度下进行,5片铜片在不同测试条件组合下进行测试,其中合金分别为:SnAg,SnCu和SnAgCu。铜片尺寸为:25x 25 x 0.1mm。测试分别在500PPM氮气环境和空气环境下进行。

     20种元器件类型在3种无铅合金,5种不同助焊剂和3个高温下进行。测试元器件包括表面贴装和通孔类型,SOIC元器件包括SnPb和PdNi2种引脚。测试参数经过矩阵计算后,需要900种不同测试环境,在采用DOE方法降低此数字到一个合适的水平后,900种测试组合降低为400种。每种元器件类型测试5个管脚。

     所有的元器件测试在实验室空气环境下进行。表1和表2给出了焊锡合金和助焊剂的技术数据以及测试参数。表1中的助焊剂合金和高温在测试过程中始终被用到。由DOE得出的测试矩阵总结于表2。根据代号可在表1查的测试参数。表3列出测试元器件。

      表1 测试用助焊剂,合金和温度的具体参数:


      表2 DOE测试:


      表3 测试元器件列表:


      表4 可焊性测试条件:



3.结论

3.1铜片样本

     空气环境下,4种不同锡膏合金和活性松香助焊剂下,铜片样本的润湿时间见图1,Superheat温度为焊锡温度和焊锡熔点之间的温差。此图显示,3种无铅锡膏和有铅锡膏在不同Superheat条件下润湿时间差异很小。在Superheat超过35摄氏度后,差异微乎其微。在使用活性松香助焊剂并在空气环境下,在温度角度上看,传统有铅焊膏的可焊性并不优于无铅焊锡合金。图2显示在与图1相同情况下,仅仅不同在于使用松香助焊剂,即使在Superheat超过35摄氏度的情况下,无铅焊锡合金可焊性明显逊于有铅锡膏。在任何Superheat和空气测试环境下的无铅焊锡合金的润湿时间明显长于有钱锡膏,其中尤以SnCu表现*差。

     图1使用活性松香助焊剂并在空气环境下4种合金的润湿时间 


      图2使用松香助焊剂并在空气环境下4种合金的润湿时间 


     图3和图4分别为不同助焊剂下,3种无铅焊锡合金和SnPb焊膏在氮气环境下相同高温下的润湿时间。
      图3使用活性松香助焊剂并在氮气环境下4种合金的润湿时间


      图4使用松香助焊剂并在氮气环境下4种合金的润湿时间


     值得注意的是,所有合金在使用活性松香助焊剂并在氮气情况下,其润湿时间和在空气环境测试下的结果相差不大,在使用活性松香助焊剂并且Superheat温度大于30摄氏度情况下,氮气对可焊性并无显著提升,但对Superheat温度小于30摄氏度,有些许改善。与之相反地,在使用松香助焊剂情况下,氮气和一般空气环境下的测试结果差异明显,图2和图4所示。相对于SnPb焊膏,所有无铅焊锡合金在氮气环境下润湿时间显著改善。氮气环境可提高可焊性至使用活性助焊剂水平,在Superheat温度超过35摄氏度情况下,无铅焊锡合金的可焊性与SnPb焊膏相差无几,只有SnCu表现稍差些许。


3.2 表面贴装和通孔元器件

     测试样本和条件如表3和表4所示。测试具体如表2所示。DOE方法如附录1所示。DOE分析,润湿力和时间中所涉及的系数在附录2和附录3中列出。

     图5不同Superheat温度,助焊剂A下19个元器件的平均润湿力。


     大量数据显示了合金在润湿力和时间上的效果。为方便起见,此数据仅列出助焊剂A下的数据,其他助焊剂下效果与之类似或仅仅稍差于它。使用助焊剂A下的评价润湿力和时间在以下两图中可见。图5列出了所有单引脚测试元器件的平均预测润湿力和时间(20种元器件中的19种被列出,唯有DIP元器件被排除,因为同时浸润多脚)。明显地,Superheat温度越高,润湿力提升越明显。润湿时间效果显示如图6,温度效果更加明显。仅在使用助焊剂A,Superheat温度达到40摄氏度时,SnAgCu合金润湿时间小于2秒。很重要的一点是,从图6连续高温的温度曲线中可以看出,哪怕与SnAg合金相比较,SuAgCu合金对可焊性提升效果明显。对目前波峰焊中倾向使用SnAg焊膏,此结论有重要的指导意义。特别是波峰焊温度在260摄氏度时,使用SnCuAg合金效果明显。

     图6 为不同的温度使用助焊剂A下19种元器件的平均润湿时间


     图7 19种元器件(除DIP外)平均系数


     图7显示不同环境下润湿时间远比润湿力敏感,同时显示合金和温度的影响远比助焊剂大。这说明合金的选择很关键。SnAgCu和SnAg合金之间的细微熔点差也有一定益处。其他关键因素包括温度和任何能降低系数强度的因素例如氮气等。温度比助焊剂选择更占主导地位。因此,在焊接时一块存在比较大温差的板子,目前的免洗助焊剂对温度较低区域的润湿作用起不到很大作用。需要更强作用的助焊剂补偿温度不足的影响,但此将增加清洗方面的费用增加。


4.结论

1)在使用现有典型免清洗助焊剂情况下,氮气被证明能对无铅合金的可焊性提供很大的帮助。伴随着无铅合金使用中相
      对较低的温度,氮气的使用将愈加广泛。

2) 结果显示对大多数活性助焊剂来说,只有SnAgCu(*高Superheat温度为40摄氏度时)能达到润湿时间小于2秒,
      SnAg在此情况下处于临界点。

3) SnAgCu同时具有*低的液化温度,即比SnAg和SnCu更低的焊接温度。平均来说,SnCu即使在*高Superheat
      温度下也表现*差,达到2/3理论润湿力的润湿时间大于2秒,其润湿性时不可接受的。

4) 对可焊性具有影响性的因素(助焊剂,温度和合金),通过对20种元器件的测试结果计算后,结论呈现在附录2中。

5) 20种元器件分别的润湿力和时间在附录3中给出。

6) 结合2个附录形成极有价值的数据以评估无铅合金对元器件的可焊性。

7) 附录2的系数根据元器件类型范围给出,因此,可通过对单独元器件类型的计算,给出一个焊锡,温度和助焊剂相结合
      的*好的一个组合实现可焊性的*佳化。




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