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焊锡合金和焊膏的总体情况
  2020-09-28      265

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I-Connect007编辑团队的特约采访

I-Connect007编辑团队采访Ron Lasky博士,深入探讨电子行业为什么没有完全接受类似Indium这类公司研制的一些令人振奋的合金。他还向我们介绍各种焊锡合金的整体情况,包括在认证SAC305时遇到的难题。

Nolan JohnsonRon,非常感谢你抽出宝贵的时间来接受我们的采访。请问你在SMT行业中的角色是什么?

Dr. Ron Lasky我的日常工作是在Dartmouth学院工程系担任教授,同时,我还与Indium公司合作,担任高级技术专家。

Barry Matties你教什么课程?

Lasky我教的课程是工程统计学。我们在推行工程管理硕士(MEM)的计划。这是针对那些想进入管理领域的工程师专门开设的研究生课程。我教的大部分课程都属于这项计划。MEM课程一半是由Dartmouth学院Tuck商学院MBA来教授,另一半是由工程系来教授。我关注的课题是精益六西格玛课题,诸如工艺优化、实验设计和统计工艺控制,这是我在Dartmouth学院的附加计划。我还教授一个班的工程统计学课程和一个班的优化制造工艺课程。我的主要关注点集中在一项制造工艺,也就是电子组装,因为我最了解的是电子组装。我做的优化工作非常全面;它不是专门针对焊膏的。我在Dartmouth学院开发的精益六西格玛计划颇为成功,鉴于Dartmouth学院是常春藤大学联盟的一员,人们喜欢这项计划的真正原因是,他们将会获得由Dartmouth学院工程学院颁发的从黄带到黑带大师的证书,但它不是电子组装所特有的证书。

Matties在你考虑焊膏的性能时,你是否认为有一个关键的性能指标经常被忽视?

Lasky是的。焊膏中有一个被称为“暂停响应”的关键性能指标。由于你要把元件放在贴片机上或者要把元件放到执行其他任务的送料器上,这时需要关闭生产线一段时间,那么一些焊膏会变硬,而你不能使用这些焊膏进行暂停后的第一次印刷。你必须先印刷一次,刮擦电路板,然后再印刷一次,之所以要这么做是因为焊膏变硬了。这就是糟糕的暂停响应。有一种更好的焊膏,就是我在Indium公司的同事所掌握一种焊膏,具有很好的暂停响应表现。换句话说,你可以把焊膏留在模板上一个小时或更长时间,这时的焊膏和暂停前没有什么差别。

有一位客户把焊膏换成Indium公司的焊膏,当他们每隔几个小时停止生产线做一些事情后再启动,不再需要像过去那样刮擦电路板。在以前,焊膏在每一次暂停后都会变硬,因此“印刷-刮擦”的步骤必不可少。在每天收工时,在每8小时的切换过程中,至少要浪费20分钟或更多的时间;使用新的焊膏可以将生产率提升二至三个百分点,而利润率将因此提高8-9%。使用我开发的成本估算软件,我能够计算出所有这些变化,最后,我们就这个课题写了一篇论文。

Feinberg与波峰焊用的焊膏条相比,以百分比、不以重量或其他方式进行计算,你是否看到按照焊膏体积出现明显的变化?

Lasky焊膏的作用已经变得越来越重要,对我们的很多产品而言,我们只能用表面组装技术焊接。我不认为手机会使用波峰焊。

Lasky不过,不要忽视焊锡条。在25年前,就有人说,“波峰焊和穿孔会消失。我们甚至不应该关注这些东西,”这简直是胡说八道。它们可能永远都不会消失。

Feinberg与穿孔有关的一个问题是,在过去十年里,组装行业转向无铅焊锡,因而造成焊锡的柔韧性大幅度下降。穿孔安装的元件,再进行焊接,把它与放在焊盘上再进行焊接的元件相比,其可靠性明显要更好。

在可靠性要求提高之前,这种差别并没那么重要,在过去的36个月里,由于自动驾驶和在运输工具中大量使用电子产品,对可靠性的要求显著提高。这也许会放慢波峰焊减少的速度,尽管从经济角度来看,这毫无意义。我们现在正处在十字路口。

Lasky我必须在这个问题上稍稍做些让步。我认为波峰焊不会消失的一个原因是有些电子产品有很多插头。这种插头有些需要用穿孔来提高机械强度。

Feinberg确实如此。

Lasky许多对自动驾驶至关重要的元件只能采用表面贴装的方法,这是因为SMT的互相连接性是无法超越的。如果有人说,“我们想在一个英特尔微处理器中使用穿孔”,这是不可能的,因为微处理器中的互相连接太多,你不可能把穿孔做得那么小。我认可你关于穿孔的大多数看法,但是我们必须确保表面贴装足够可靠,才能应对这种情况。

Feinberg一些军工产品元件将重新使用含铅焊锡。这是暂时的措施,但在某些情况下这是一种有效的措施。

Lasky他们从未转向无铅,但是,就军工产品而言,有些元件一定要使用锡铅焊膏。

Matties你考察焊膏领域时,你认为人们今天必须了解的关键知识是什么?

Lasky在我看来,焊膏行业不接受新合金,这非常令人遗憾。我要告诉你们我所说的新合金是什么。现在,在整个焊膏行业中,75-80%的焊膏是无铅的,其中SAC305的比例相当高。我不想伤害任何人的感情,不过,我曾经有一个关于SAC305的一小时的演讲,之后就有人来问我SAC305未来会如何。

在SAC305中,30是表示在焊锡合金中银的比例是3.0%,5指的是0.5%的铜,剩下的96.5%是锡。其余的无铅合金大都是SAC105,其银含量较低,优势在于可以从银上节省一定的成本。SAC105主要用在BGA焊锡球中。在我看来,像Indium公司这样的公司在开发比SAC305中3%含银含量少很多的合金方面已经做了大量的工作。他们在合金中加入少量的其他元素,通过这种办法,得到一些在跌落撞击和热循环两方面都要比SAC305好的合金,能够在手机受到撞击时起到保护作用,同时避免电脑因热循环产生的机械应力反复变化而受到影响。但是,手机行业并没有接受这些合金。

如果你仔细思考这个问题,就会发现其原因合乎逻辑。检验一种新的焊锡合金的质量要花很多钱,如果你是一家以可靠性著称的公司,这一点尤为重要。而一些手机公司和PC公司,尤其是生产关键性产品的公司,他们必须使用可靠的焊锡。认证SAC305需要考虑的问题非常多,因此,即使新合金承诺在某些性能要比SAC305好,他们也不会考虑,因为SAC305已经足够好。他们认为(他们可能是对的),如果我们接受这种新的合金,它在很多方面可能会更好,但SAC305本身就是个麻烦。更新的合金可能会有一些潜在问题在测试中还测不出来。

电子行业还没有接受像Indium这类公司提出的一些令人振奋的合金。我相信有少量客户会购买其中某些产品,但SAC305还是主导的焊锡合金,我没有看到改变,因为它很好。在电子行业,没有哪种东西像合金这样一直在改变。再次强调,我并不是要让这听起来像是人们对其他很少使用的合金没有任何兴趣,但是,一直在改变的是开发全新的助焊剂载体来提高焊膏性能。这从未停止而且还在继续。

举个例子,过去十年在焊膏中发生的事情仍然在不断重复出现。在十年前,BGA封装的“枕头缺陷”就已经暴露出来了,人们在工艺中开发中进行各种改变,试图尽可能减少这种缺陷。生产焊膏的公司迅速加入这个浪潮,尝试去开发能够最大限度减少或彻底消除这种枕头效应缺陷的焊膏。在一个例子中,一家组装厂商的枕头效应缺陷是7%。通过改变焊膏的设计以最大限度减少枕头效应缺陷,结果是这种缺陷彻底消失了。

这同样也适用于“葡萄球”缺陷。在过去的五年里,人们最关注的问题是尽可能减少在焊点中形成孔洞。Indium公司已研制出可以大幅度减少孔洞的焊膏。当然,对焊膏的一个挑战是,没有哪一种通用的焊膏能够在所有方面做得很好。如果你的问题是在焊点里形成孔洞,那些在有效控制孔洞形成方面表现最好的焊膏,在防止出现枕头效应缺陷或消除葡萄球效应缺陷等类似的事情上,表现可能就不太好。在我看来,焊膏制造商在解决缺陷方面所做的努力令人惊叹,这要归功于致力于研究和改进焊膏的科学家和工程师。但我没有看到业内主流厂商有放弃SAC305合金的打算。

我要特别提到在SAC305合金之外的两种重要合金。无铅焊锡的一个问题在于银的成本,在SAC305中3%的银含量提高了焊锡的价格,特别是用于波峰焊的焊锡条。如果你有注意到波峰焊的焊锡罐,里面可能装有1000千克的焊锡,你如果使用的是SAC305,这么多焊锡的成本跟一辆汽车相当!一些冶金学家专门针对波峰焊开发出一种锡含量非常高的焊锡,其中锡占99.3%,铜占0.7%。在刚开始,它的效果并不好,但冶金学家发现如果在焊锡加入少量的镍(比如0.06%的镍),焊锡的性能就会大幅度提高。对波峰焊技术来说,这种合金(99.3%的锡和0.7%含微量镍的铜)是波峰焊市场的真正赢家。

我们正面临另一件事是,无铅焊锡存在一些缺点,例如成本比较高和熔融温度比较高。锡铅焊锡在183℃熔融,而无铅焊锡的熔融温度略低于220℃。熔融温度增加不少。iNEMI和其他的机构已经做了大量的工作,目的是研制出一种低温焊锡合金,主要的候选材料是锡铋合金。这种合金的熔融温度比锡铅焊锡的低,大约在138℃。

选择锡铋合金的主要原因是回流温度比较低,在回流电路板时,对元件的产生压力比较小。但是,铋锡合金有一个缺点,就是易碎。如果你把它用在大型计算机上,这可能没什么问题,因为它在热循环方面的表现还很不错。IBM已经使用这种合金很多年了。但是,如果你要把它用在手机上,必须提高它的跌落撞击的性能。这个iNEMI项目的大量的工作是尝试改进锡铋合金,使它在跌落撞击中表现更好,甚至考虑使用聚合物涂层等辅助手段来增强焊点。

Feinberg镍会消除这种脆性吗?

Lasky不会。我们讨论的是锡铋焊锡。添加镍对这种焊锡没有好处。含99.3%锡和0.7%铜的焊锡只要添加少量的镍就能起作用。这种焊锡的主要缺点是需要相当高的温度,最高到227℃才熔融。它在冷却时焊点中会出现结霜现象。这不仅看起上去很糟糕,还可能影响可靠性。你加入很少量的镍,结霜现象就会消失。

Feinberg说到无铅焊锡时,多数人都没有意识到它确实有些不利的地方。

Lasky说到无铅时,最大的问题是很多人认为它的负面影响太多;从可靠性的角度看,也许这个问题不成立。研究人员花费了数亿美元,试图找到一种能够取代锡铅的合金,可以在几乎相同的温度下熔融,但他们没有实现这个目标。Indium公司和其他企业已经开发出能够在183℃下熔融的合金,但由于某些原因,这些合金最终没有被广泛接受。因此,在全世界在研究合金上投入数亿美元后,SAC合金成为几乎在各个方面都合理的唯一选择。

一旦尘埃落定,如果没有无铅焊锡,我们就不会有现在的手机,因为无铅焊锡的润湿性不像锡铅焊锡那样好。最初这被当成无铅焊锡的缺点,这却能够使焊盘之间的距离能够更接近,而不会像锡铅合金那样造成短路。换句话说,锡铅合金的润湿性非常好,这会使焊盘间的距离变小。这意味着,无铅焊锡原本润湿不如锡铅焊锡的缺点,最终却变成了优点。电子产品设计师可以在手机里的电路板上让焊盘靠得更近并塞入更多的元件。不过,这完全是个意想不到的好处,即使在今天,认识到这一点的人也很少。

Feinberg让我回到关于镍的问题。组装行业的最大成本是回收利用废弃的焊锡浮渣,许多组装人员只有到有人当面用笔写给他们看时才会意识到这个问题。镍对减少浮渣的形成有什么作用?

Lasky是的,确实如此。我要声明的是,我在这方面并不像我在焊膏方面那么内行,但我相信他们也在焊锡中加入少量其他元素,比如锗。我们只是说大概加入某种东西,大约0.05%;它甚至不会接近1%。如果你没有加入正确的数量,而且量加太多,它就不会起作用。它必须非常精确。对于波峰焊,我相信这些含有像镍和锗这类微量金属的合金已得到广泛应用。再次声明,我的专长是焊膏。

Johnson我觉得在在开发专用的焊膏配方解决特定问题时,配方是多元化的。Lasky要特别要指出的是,它在金属合金中不是什么问题;我们只是在制造焊膏时尝试着用它来解决不同的组装问题。我想说的是,你当然希望能用一种焊膏来解决所有不同组装的问题,但这是不可能的。举个例子,也许会研制出一种可以很好地解决在QFN上形成孔洞问题的焊膏。可能会开发出来这样的东西,这样它就能在其他的方面有相当好的表现,但如果有一家公司,他们的主要问题是在BGA中的枕头效应缺陷,可能有另一种焊膏在这方面的表面会好一些,但在孔洞形成方面可能不是那么好。但是,有枕头效应问题的这家公司没有遇到孔洞形成的问题。无法改变的事实是,不管是哪一种制造工艺都需要有工艺优化的过程。要想生产出一种能够任何应用下都是最好的焊膏实在是太难了。

Johnson让我们回到你前面提到的认证问题。如果有各种不同的焊膏配方,针对你的制造难题选择正确的焊膏配方是印刷工艺的一部分,你是如何做到这一点的?

Lasky拥有技术服务工程师的焊锡供应商对用户来说是件幸事。如果用户遇到问题,他们应当做的第一件事就是打电话给焊膏供应商的工程师,因为他们每天都在解决这些问题。如果你说,“我有一个枕头效应缺陷的问题” ,技术服务人员就会问你,“您使用我们的哪一种焊膏”?如果你说,“我用的是D配方”,他们就会告诉你,“这是一种会形成比较多孔洞的配方,而B配方是解决枕头效应缺陷的最佳配方”。事情往往就是这样,在通常情况下,一个电话就可以解决问题,不需要去做大量的实验。

我总是建议人们在遇到组装问题时,先打电话咨询材料供应商或设备供应商的技术专家。如果你的问题是贴片问题或钢网印刷问题,打电话给你的贴片设备公司或钢网印刷公司,因为做这些工作的人每天都在和世界各地的客户打交道,他们能够看到关于这些设备的所有问题。你在自己的公司里只能看到一个问题。不管是设备还是材料问题,要善用供应商和技术专家。

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