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焊接中的缺陷与可靠性
录入时间:2020/1/7 12:12:54

专栏作者:Michael Gouldsmith and Zen LeeTHERMALTRONICS公司

 缺陷的定义是“正在做或完成某件事情时做得不成功,特别是这件事和某一特定的活动有关”。如果这个活动涉及焊接工艺,这种缺陷对下游产生的影响可能会远远超出实际焊点缺陷的范围。在这个方面,首先必须了解好的焊点是怎样构成的,因为人们往往根据焊点的外观来认定焊接是否成功。

这些关于焊点可靠性的难题在20067RoHS指令生效时就出现了,无铅焊锡的热要求比较高,这迫使所有的烙铁制造商致力于改善焊接工具中的热传递。由于元件的尺寸不断缩小,以及许多PCB由于有许多层和其他因素,变得越来越像散热器,这使无铅焊锡的热传递变得越来越复杂。因此,对于用来焊接的烙铁,最重要的是要具备以下能力:

•快速响应(传热速度)

•最高温度不会超过规定的温度(控制)

当然,现有的大多数系统在传递热能方面能够提供良好甚至是极佳的性能,但是,在那些使用传统的陶瓷加热器技术的系统中出现了各种难题,特别是以下问题:

•烙铁尖端的接地电阻(难以维护)

•烙铁尖端接地漏电(难以维护)

•热传递的效率

•焊锡可能飞溅(由于温度过高)

•对热电偶的校准要求

我们将在本文中探讨要实现良好焊点必须考虑的各个因素,提供关于实现良好焊点的一些实用的准则,以及如何才能可靠地实现这些目标。我们还将讨论其他需要注意的与热相关的因素。

要实现良好的焊点,需要考虑以下因素(图1)

•金属间化合物层的形成

•焊点的结构

•焊点的温度(军用标准)

•烙铁尖端的温度和焊点的温度的关系

•保持焊接的温度曲线(和回流炉中发现的情况类似)

图1:元件的良好的焊点和在焊点形成过程中它们的相对放置位置。

 

在铜和熔融焊锡接触时,铜和焊锡中的锡之间形成两种不同的金属间化合物(图2):

•紧挨着铜的“e相”层(Cu3Sn)

•上面比较厚“h相”层(Cu6Sn5)

图2:焊点的横截面揭示铜和锡之间形成两种不同的金属间化合物。

锡随着金属间化合物的形成而减少,因此在锡铅焊锡的焊点中会生成富铅区域。

一层薄薄的金属间化合物层对产生润湿是必要的;但是,比较厚的金属间化合物层可能会改变焊点的外观,对焊点的完整性产生不利影响。其中一些原因包括:

•金属间化合物通常是脆的,金属间化合物和焊锡之间的热膨胀系数(CTE)存在差异会在焊点内部产生应力

•表面上一种元素的减少可能会损害可焊性

但是,没有金属间化合物层,就不会形成有效的焊点,而且一旦形成,金属间化合物层在任何温度下都会生长,而且随着温度的上升呈指数级速度加速生长。这种生长一直持续到整个焊点的基本金属都成为金属间化合物或焊锡耗尽为止。

形成良好焊点的准则是:

•要尽可能快地焊接

•使用能产生可接受焊点的最低焊接温度

•避免为了改善焊点的外观而重复焊接,因为增加在高温下暴露的时间只会增加金属间化合物层。焊点可能看起来很漂亮,但比较脆,或者有应力

•要记住的是,金属间化合物层在任何温度下都会生长,但在高温下将以指数级的速度加速生长。各种金属的熔解速率也随着温度的上升而加快(图3和图4)

图3:活化能增大与金属间化合物厚度的关系。

图4:熔解速率。

可靠的焊接技术

确定形成可靠的焊点需要考虑的因素后,下一步是掌握怎样才能得到可靠的焊点的方法和应当遵循哪些步骤。尽管在焊接时都非常重视烙铁尖端在焊盘上的停顿温度,但是焊点的温度要比“空载”的铬铁尖端的停顿温度更重要。(图5)。

常见的做法

焊点的温度是焊锡熔融温度加40℃

烙铁尖端接触焊点——通常是2-5秒


图5:追踪焊点温度比烙铁尖端的温度更重要。

如图5所示,推荐的可靠焊接方法是关注焊点的温度,而不只是关心烙铁尖端的温度,因为焊点的正确形成特别依赖于使用正确的热能数量。在这些情况下,提供更好的热传递的烙铁可以用比较低的尖端温度提供足够的热能来形成可靠的焊点。

导热性能比较差的烙铁通常需要比较高的温度才能达到相同的效果。但是,风险是会形成比较厚的金属间化合物层,这可能会被强调而且可能会对元件和焊盘造成潜在的损害。

使用回流炉是无铅焊锡温度曲线的典型例子,从图6和图7中可以看出,这个工艺涉及预热-温度倾斜上升-回流,以及冷却几个阶段,实际的回流时间在5-10秒内。

图6:能够得到正确的热能数量的回流炉温度曲线.

图7:输送正确热能数量的波峰焊温度曲线。

在手工焊接中,相同的回流温度曲线应当是显而异见的,这是热能从加热器通过烙铁尖端转移到焊点的过程。这就会表现为以下过程(图8):

图8:手工焊接的温度曲线揭示能量的各个阶段与传输情况。

1.当烙铁尖端用焊锡和焊盘接触时,在铜尖端中储存的能量将转移到焊点(注意,一旦尖端接触焊点,储存的能量是不可控制的)。

2. 通过烙铁尖端、焊盘和焊点的热能激活助焊剂,把氧化作用从焊盘和焊点上消除掉(在这个阶段的热能混合了储存的热能和加热器的能量)。

3.由焊点造成的任何热能损失都由加热器的能量来补偿,加热器提供的能量形成可靠焊点所需要的回流焊。理想的焊点温度应当是焊锡熔融温度加上40℃,以形成良好的金属间化合物连接。在这个阶段中,加热器提供正确的响应水平并且使焊点的温度不超过规定的温度至关重要。

4. 最后的阶段是冷却时间,在焊点形成后2-5秒内开始冷却。

还需要注意的是,虽然通常用烙铁尖端的停顿温度来衡量焊点的潜在可靠性,它只能表明烙铁尖端的温度是在一个范围之内(例如±5℃)。它不能说明在尖端和负载(焊点)接触时发生了什么。基本上,它只是作为(焊接)标准的一部分,在没有合适的焊点测试时,检查尖端温度是判断焊点是否可靠的一种简单方法。那么,哪种方法是实现可靠的焊点的最佳方法?

其他的热能因素

实现可靠的焊点不仅取决于烙铁尖端的停顿温度,还要考虑其他的热能因素:

1.烙铁尖端热质量的大小(热质量决定储存在尖端中的热能)

2.加热器功率与控制

3.烙铁尖端和焊盘的接触面积

4.热能桥

(热能从加热器到铜尖端到焊点)

5. 尖端的几何形状

6. 尖端上的镀层厚度

7. 尖端的停顿温度

8. 操作技能

为了克服与传统加热技术有关的潜在问题(图9),确保焊锡连接更加可靠,建议尽可能使用居里加热技术(Curie Heat Technology- CHT)原理的焊接系统*。使用CHT可以保证(图10):

•保持烙铁尖端的接地电阻不变

•不会发生尖端接地电压泄漏

•热传导是有效的

•不必校准

•尖端的温度不会超过规定的温度

图9:传统的烙铁尖端加热器技术。

图10:CHT的烙铁尖端/底座。

 

结论

总的来说,有几个可以保证焊点可靠性的因素:

•根据烙铁尖端接触的焊盘区域选择正确的尖端形状

•电源系统能提供足够的热能来满足温度需求,而又不会超过规定的温度

•加热器和尖端之间在规定时间内形成高效能量桥的能力

•优质的焊锡丝

•操作者的技术技能

不管怎么样,操作人员的技术技能是最关键的因素,因为即使是最好用的工具,在没有技能的人或没有受过良好训练的人手中也无法很好地发挥它的作用。

 

参考文献

 

1. P. Roubaud, G. Ng, G. Henshall, R. Bulwith, R. Herber, S. Prasad, F. Carson, S. Kamath, A. Garcia, “Impact of Intermetallic Growth on the Mechanical Strength of Pb-Free BGA Assemblies,” IPC APEX EXPO Technical Proceedings, 2001.

2. T. An, F. Qin, G. Xia, “Analytical Solutions and a Numerical Approach for Diffusion-Induced Stresses in Intermetallic Compound Layers of Solder joints,” Journal of Electronic Packaging 136(1), 011001, March 2014.

3. J. Servin, “Method to Measure Intermetallic Layer Thickness and Its Application to Develop a New Equation to Predict Its Growth,” IPC APEX EXPO Technical Proceedings, 2013.

4. D. Hillman, R. Wilcoxon, T. Pearson, P. McKenna, “Dissolution Rate of Specific Elements in SAC305 Solder,” SMTA International Technical Proceedings, 2018.

5. Soldering recommendation by Halo Electronics Inc. USA.

*在物理学和材料科学中,居里温度或居里点是指一些磁性材料对应的温度,高于这个温度时,材料就会失去它的永磁性,变成感应磁性材料。居里温度以皮埃尔·居里的名字命名,他发现磁性在临界温度下消失。


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