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降低波峰焊和选择性焊接组装应用中所用焊料合金的成本
  2021-12-07      283

美元持续贬值和白银的工业供需平衡提高了焊料合金所用银的价格。MacDermid Alpha Electronics Solutions公司开发出许多低银和无银焊料合金,以抵消全球银成本持续增长的趋势。这些合金适用于大多数应用,但并非所有应用。本文将简述不同组件上低银焊料和无银焊料合金的可靠性、焊接性能潜力,并量化与使用低含银合金相关的成本节约。

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图1:最近5年银价走势(由Kitco.com提供)

如图1所示,银价在过去一年翻了一番。Alpha Electronics Solutions有一项严格的政策,即永远不要对用于制造无铅合金所用锡、银或铜的未来价格进行推测,但目前美国政府利用赤字支出刺激经济的趋势,已导致经济学家预测通货膨胀会加剧,美元会贬值。

伦敦金属交易所(London Metals Exchange,简称LME)和纽约商品交易所(New York Commodities Exchange,简称COMEX)交易的银以美元计算。美元贬值通常会增加这些交易所的金属交易成本。

然而,对于需要无铅工艺的电路板组装商来说,含银量较低的无铅合金应继续是一种成本较低的替代品。截至6月,银占用于制造最常见无铅合金SAC305的金属成本的44%。采用无银SnCX Plus合金(一种高阶SnCu0.7合金)可以消除由于银而导致的成本上升,或者使用SACX Plus 0807合金可使成本降低26%(图2)。

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图2:银在合金成本的占比(银价为每金衡盎司28美元)

无铅焊料中的银已经被证明可以提高严苛应用中的热循环性能,如发动机罩下的汽车组件(-40℃至140℃,但用于白色家电、手持式、遥控器和家用视听设备的典型消费类组件时,不需要相同的耐热循环(0℃至100℃)性能。低银/无银焊接合金在这些应用中是完全可以接受的。事实上,数据显示,减少的银含量增加了这些器件的抗跌落冲击性[1]。

低银/无银合金的附加价值包括:生成的锡渣更少,尤其是在波峰焊工艺中(废料需要回收),以及通过减少OSP涂层基板的铜溶解而延长工艺寿命。

本文将详细介绍之前在波峰焊孔填充、铜溶解速率、锡渣生成方面的研究结果,详情如图2所示,金属的较低成本有助于告知焊料棒用户可利用在波峰或选择性焊接工艺中使用SACX Plus 0807(0.8%Ag)或SnCX Plus(无有意添加银)的成本节约机会。

孔填充

采用SACX0807合金将PTH连接器组装到20层、120mil厚的测试载体上,其主要连接孔填充结果与采用SAC305组装测试载体的孔填充结果基本类似,标准设计连接器的良率达到了99.7%(图3)。

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图3:孔填充与合金对比((Craig Hamilton, P.Eng., PMP, Black Belt, Process Engineering Consultant, Celestica提供)

铜溶解

当熔融无铅焊料与铜镀层接触时,会导致铜溶解。无铅合金存在锡含量高和无铅焊接温度较高的问题。最快的溶解速度发生在电镀通孔接头的拐点处。

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图4:与无铅合金对比铜溶解

为了评估铜的溶解,采用了在270°C、5s标称条件下组装的多块PCB上多个引脚的平均测量值(图4)。焊盘和孔拐点处的测量结果如图所示。从图中可以明显看出,与SAC 305相比,SACX Plus和SnCX Plus合金可使铜溶解水平降低。有明显的趋势表明,银含量越高,铜溶解速度越快,尤其是在PTH焊点的孔拐点处(图5)。

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图5:镀通孔接头孔拐点处的铜溶解

锡渣生成

Alpha进行的几项研究证实,随着波峰焊焊料棒中银含量的降低,锡渣的生成速度也会随之降低。虽然SAC锡渣可以回收利用,但对电路组装商来说,回收利用是有成本的。回收的锡渣需要将金属氧化物加工成贱金属,因此当锡渣作为回收物销售时,其售价约为LME金属价格的50%。

同样,金属价格会波动,且从波峰焊槽中清除锡渣时,必须补充新的焊料棒。新焊料的成本至少是锡渣销售价格的两倍,所以很明显,减少焊渣的产生会降低PTH工艺中使用的焊料的总成本(图6)。

使用的加工变量:焊料槽温度为240℃、255℃、270℃、285℃和300℃,接触时间分别为3秒、5秒和7秒。将热电偶放置在预定位置,以确定测试载体上的温度。

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图6:锡渣生成与a)时间和b)合金的关系

This data was confirmed by a large consumer electronics manufacturer who converted their wave soldering alloy from SAC 305 to SACX Plus 0807 and SnCX Plus 07. They reported a 50% reduction in dross generation.

这组数据得到了一家大型消费电子产品制造商的证实,该制造商将其波峰焊合金从SAC 305转换为SACX Plus 0807和SnCX Plus 07。他们报告说,锡渣生成量减少了50%。

结论

采用SACX Plus 0807合金将PTH连接器组装到20层120mil厚的测试载体上时,主要连接孔填充结果与采用SAC305组装的测试载体孔填充结果相当,标准设计连接器的良率达到99.7%。根据3级孔填充要求,这种焊接性能使SACX Plus 0807能够在适合的焊接工艺参数下,对120mil或更厚的板进行良好的孔填充。SnCX Plus的2级孔填充要求应适用于厚度不超过2.4mm的PCB,接触时间为5至7秒。

低银/无银合金可显著减少波峰焊和选择焊槽中的铜溶解,降低焊料槽维护或更换焊料的频率。

减少锡渣生成的速度也降低了焊料的购买量,降低了总成本。

最重要的是,降低所用合金中银的百分比可显著降低焊料采购成本。

References

1.Pandher, R. et al., “Drop Shock Reliability of Lead-Free Alloys—Effect of Micro-Additives,” Proceedings of 57th Electronic Components and Technology Conference, Reno, NV, May 2007.

Mitch Holtzer是MacDermid Alpha Electronics Solutions公司全球研发技术知识领导者。

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