氮氣保護對無鉛焊接工藝溫度窗口的影響

趙文軍，史建衛(wèi)

(1.深圳市航盛電子股份有限公司，廣東 深圳 518103；2.日東電子科技（深圳）有限公司，廣東 深圳 518103)

無鉛化電子組裝中，無鉛焊料的高熔點、低潤濕性導(dǎo)致焊接峰值溫度升高，工藝窗口變窄，產(chǎn)品缺陷率增加，給生產(chǎn)制造帶來了很大困難。氮氣保護普遍應(yīng)用于無鉛焊接工藝中，目的在于改善焊料潤濕性、防止氧化，進而起到降低焊接峰值溫度、減少產(chǎn)品缺陷率的作用。

1 氮氣保護對波峰焊工藝溫度窗口的影響

潤濕是釬焊的前提條件，要獲得優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭必須保證良好的潤濕。業(yè)界普遍依據(jù)日本工業(yè)標準JIS-Z-3198(無鉛焊料試驗方法)，采用潤濕平衡測試法進行潤濕性測試。潤濕平衡測試儀是依據(jù)潤濕平衡法原理來測定不同材料 (合金，助焊劑，母材)組合條件下潤濕性的儀器，圖1為潤濕平衡測試法的評定標準。

Al Schneider等人研究表明：利用潤濕平衡測試法，271℃似乎是使用低固容、免清洗松香基助焊劑時無鉛焊料的錫槽溫度。對于干凈銅片、低固溶助焊劑組合，二元與三元合金隨著溫度的升高，潤濕時間普遍減少，潤濕力普遍增加，直到271℃后趨于平穩(wěn)或稍微減少。其中SnCu合金最低在260℃獲得正向的潤濕力，SnAg與SAC合金最低在232℃獲得正向的潤濕力，傳統(tǒng)共晶焊料最低在205℃、四元合金最低在249℃獲得正向的潤濕力。值得注意的是：錫鉛合金與四元合金氧化的銅片比干凈的銅片潤濕效果反而更好。

圖1 潤濕平衡測試法評定標準

表1為常見焊料合金推薦的焊接溫度。對于高的焊接溫度，會增加對PCB、元件的熱沖擊，且會增加焊料合金的氧化。氮氣保護可以減少氧化、增加浸潤性、優(yōu)化免清洗焊接工藝、改善焊點表面光潔度及成型、擴大工藝窗口，同時也可消除氧化渣、減少機器的維護保養(yǎng)。另外氮氣保護使得在選擇元件時有了更大的余地(尤其是超細間距器件)，并且使PCB及一些薄型材料不易褪色。圖2為Sn0.7Cu焊料的潤濕時間在空氣和氮氣環(huán)境下隨溫度的變化情況，結(jié)果顯示，氮氣環(huán)境中焊料的潤濕時間縮短，潤濕速度加快，且在氧濃度為500×10-6時，250℃采用氮氣保護與270℃空氣環(huán)境焊料潤濕性相當(dāng)。

為了更清楚的研究氮氣保護對波峰焊工藝焊接品質(zhì)的影響，在250℃時進行了實裝板測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氮氣環(huán)境下由于改善了焊料潤濕性，橋連缺陷大幅度減少，圖3為空氣和氮氣環(huán)境下橋連缺陷的對比。

表1 常見焊料合金推薦的焊接溫度

圖2 Sn0.7Cu焊料合金潤濕時間與溫度之間的關(guān)系

圖3 氮氣環(huán)境中大幅度減少橋連缺陷

2 氮氣保護對回流焊工藝溫度窗口的影響

為了通過可量化的實驗方法來研究氮氣保護對回流焊工藝溫度窗口的影響，分別采用潤濕平衡測試法、擴展面積法和實裝板測試法來進行測試。

2.1 潤濕平衡測試法

為了測試溫度和氧濃度對SAC305合金潤濕性的影響，實驗分別在225℃、230℃、240℃和250℃進行了測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)空氣環(huán)境下：225℃時出現(xiàn)潤濕不良現(xiàn)象；230℃時潤濕良好，但零交時間和潤濕時間變大；240℃以上潤濕良好，且潤濕速度較快。圖4為不同溫度及氧濃度下SAC305合金潤濕性對比。

圖4 不同溫度及氧濃度下SAC305合金潤濕性

值得注意的是，利用潤濕平衡測試法進行焊膏的潤濕性評估，所用日本Rhesca公司Solder Checker SAT-5100儀器無法準確測量，因為測試原理與焊膏回流鋪展過程不吻合，測試實驗數(shù)據(jù)無法反應(yīng)真實性。圖5為SAC305合金焊膏在240℃下的測試數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不同氧濃度下潤濕力沒有發(fā)生明顯變化，而潤濕時間的變化主要受氧濃度穩(wěn)定過程中助焊劑的揮發(fā)影響。本文所用潤濕平衡測試法并不適合焊膏潤濕性評估，必須采用其他實驗方法。

圖5 不同氧濃度下SAC305合金焊膏的潤濕平衡測試曲線

2.2 擴展面積法

再流焊時焊膏預(yù)先印刷在焊盤上，理想情況下，焊膏熔化后助焊劑形成一層保護膜覆蓋液態(tài)合金，氮氣保護對于液態(tài)合金沒有起到作用，結(jié)果吻合上述測試結(jié)果。但實際生產(chǎn)中，助焊劑并不能形成致密的保護膜來阻礙外界氣氛的影響。

圖6 空氣環(huán)境下再流焊后焊膏鋪展試樣

圖7 氮氣環(huán)境下再流焊后焊膏鋪展試樣

圖6和圖7為SAC305合金焊膏在空氣與氮氣下的焊膏擴展面積，可以看出氮氣環(huán)境中擴展直徑較大，且助焊劑殘余呈透白色，然而空氣中擴展直徑較小，助焊劑殘余氧化為黃褐色。圖8為焊膏擴展直徑與液相線以上停留時間的關(guān)系，可以看出，當(dāng)峰值溫度不變時，焊膏擴展直徑隨液相線以上時間的延長而變大，且相同時間里氮氣環(huán)境下擴展直徑更大。圖9為不同焊膏擴展直徑與過熱溫度之間的關(guān)系，可以看出，部分焊膏擴展直徑與過熱度關(guān)系不是非常明顯，部分焊膏擴展直徑反而隨過熱度增加而減少，不過氮氣環(huán)境中都有明顯改善。

圖8 SAC305合金焊膏擴展直徑與液相線以上時間關(guān)系

圖9 不同SAC305合金焊膏擴展直徑與過熱溫度之間關(guān)系

圖10為氮氣環(huán)境中焊膏擴展直徑與過熱度之間的變化關(guān)系，可以看出較低的焊接溫度(220℃)仍有很好的潤濕性，這意味氮氣保護時的焊接溫度可以比推薦值低，這就可以降低溫度對元器件和PCB的沖擊，提高可靠性。值得注意的是：隨過熱度增加潤濕擴展性反而變差，可能與焊膏助焊劑活性范圍、焊材氧化程度等有關(guān)，但液相線以上的時間對產(chǎn)品質(zhì)量起到很大的作用。

圖10 氮氣環(huán)境中SAC305合金焊膏擴展直徑與過熱度之間關(guān)系

2.3 實裝板測試法

工作人員測試了兩種典型板：高熱密度板(柔性基板連接一個鋁盤，并帶有一個高密度連接器，元件從0603到大QFP)和手機板 (帶有6個小部分，元件從0201到QFP和BGA)，這兩種板型代表熱密度和元件尺寸及密度兩方面很大的不同，目的是證明在無鉛電子組裝工藝窗口減小的情況下再流焊的能力。

第一階段基本目標是證明峰值溫度略高于240℃的無鉛焊膏回流焊接，基線測試為略低于260℃的極限高溫。第二階段基本目標是決定工藝的再流界限溫度能否從240℃減少更低。兩階段均通過計算焊點質(zhì)量和缺陷作為評定標準。第一階段實驗，剪切測試和切片實驗被用來決定手機板組裝不同曲線下的焊點質(zhì)量。0201元件剪切測試被用于決定無鉛焊點強度，并與共晶焊膏對比。掃描電鏡SEM和能量分散分光鏡EDS也被用來估算不同元器件的潤濕角。圖11顯示SEM的0201圖形在242℃和257℃下潤濕情況，結(jié)果顯示在兩種峰值溫度下，潤濕結(jié)果沒有明顯的不同。圖12顯示SOIC引腳和TSOP引腳SEM的潤濕情況，結(jié)果顯示潤濕性上面沒有什么區(qū)別，金屬間化合物區(qū)也沒有什么區(qū)別。

圖11 240～260℃不同溫度下0201焊點潤濕情況

圖12 240～260℃區(qū)間不同溫度下SOIC和TSOP焊點潤濕情況

第二階段實驗，峰值溫度從242℃降到推薦峰值溫度235℃下，并在228℃、224℃、220℃分別測試，以發(fā)現(xiàn)不充分的潤濕，目的就是決定形成焊點的最小峰值溫度。結(jié)果顯示在228℃和232℃兩個溫度下沒有明顯的焊接缺陷發(fā)生，但在224℃時有些較小的潤濕缺陷出現(xiàn)，220℃時有了極大的焊接缺陷，小焊球被發(fā)現(xiàn)連接到焊點上，暗示印刷錫膏不溶化，即對于SAC合金來說高于217℃僅3℃是不可接受的。

圖13 235℃下不同峰值溫度時0201和TSOP焊點潤濕情況

結(jié)果還顯示在232℃時元件的潤濕良好，但從232℃降低時潤濕性逐漸變差。228℃時不能完全潤濕到焊盤，但可潤濕元件焊端；220℃時潤濕性很差，如圖13所示，左上邊圖形0201焊點底部有個尖角，這個角將影響焊點可靠性；而下邊圖形分別顯示了TSOP引腳不同峰值溫度下的SEM圖片。圖14為氮氣環(huán)境下過熱度為3℃和8℃時TSOP焊點潤濕情況，可以看出，在220℃時焊料合金呈液態(tài)但是未聚合成一個焊點，225℃時焊點潤濕良好。

圖14 SAC305合金焊膏在220℃、225℃下TSOP焊點潤濕情況

2.4 氮氣保護降低表面張力

再流焊中焊膏潤濕模型如圖15，楊氏方程可寫為：

圖15 再流焊中焊膏潤濕模型

氮氣環(huán)境中，γLV(N2)>γLV(Air)，γSV(N2)>>γVG(Air)，導(dǎo)致cosθ值變大，潤濕角θ值變小，從而在有更好的潤濕性[7]。

從化學(xué)熱力學(xué)的角度考慮，潤濕就是指由固－液相界面來取代固－氣相界面，從而使體系的自由能降低的過程。在不同相存在的界面上，由于相界面分子與相內(nèi)分子之間作用力的不同，相界面能量總是趨于最小。釬料與母材金屬接觸時，釬料是否能將母材表面的氣體排開，并沿母材表面鋪展，取決于釬料對母材表面的附著功和由釬料粒子間接合力產(chǎn)生的內(nèi)聚功大小關(guān)系。

附著功是由液體潤濕固體時釋放的表面自由能確定的：

內(nèi)聚功由形成兩種新的液體表面所必須的功估算：

當(dāng)釬料對基體金屬的附著功大于釬料的內(nèi)聚功，釬料就會在基體金屬上鋪展?jié)櫇瘢簿褪钱?dāng)γSG－γLG－γSL≥0 時。因此 γSG、γLG和 γSL的大小決定了釬料在母材上的潤濕和鋪展行為。

與傳統(tǒng)焊接工藝相比，無鉛焊接工藝中焊盤和釬料表面將會有更多的氧化膜形成，而氧化膜的存在會使界面張力發(fā)生變化：

X－焊盤上面氧化物所占面積百分比。

在氮氣保護下(相同的焊劑)，隨著氮氣濃度的增加，氣氛中氧分壓降低，也就越接近臨界氧分壓，氧化作用減小，式(4)中X值減小，使γSL減小，γSG和γLG同時增加，結(jié)果是使cosθ值增大，因此在氮氣保護下潤濕更易發(fā)生，這就是氮氣保護下潤濕性大大改善的原因。

3 結(jié)論

(1)波峰焊工藝中，潤濕平衡測試法可用來評估實際生產(chǎn)中焊料合金的潤濕性，可定量給出實驗數(shù)據(jù)。

(2)波峰焊工藝中，PCB焊盤及通孔一般為鍍裸銅(元件引線一般有可焊鍍層保護)，潤濕性相比可焊鍍層較差，過熱度相對較高。從潤濕平衡測試結(jié)果來看，SAC合金在空氣環(huán)境中230℃時潤濕性良好，滿足潤濕結(jié)果評定工業(yè)標準(表2)，氮氣環(huán)境中不同殘余氧含量下潤濕性改善不同。

(3)波峰焊工藝中，通孔填充率和連錫等是主要焊接缺陷，而助焊劑涂覆、元件引腳溫度、焊點脫錫位置、運輸角度等都是主要的影響因素，所以用潤濕平衡測試法無法得到最低焊接溫度。根據(jù)實際生產(chǎn)調(diào)試經(jīng)驗，最低焊接溫度一般選擇過熱度25℃，氮氣環(huán)境中可適當(dāng)下調(diào)。

(4)回流焊工藝中，潤濕平衡測試法和擴展面積法可做定性潤濕性評定，不可定量給出實驗數(shù)據(jù)，建議采用實裝板測試法。

表2 試驗結(jié)果評定工業(yè)標準[12-14]

(5)回流焊工藝實裝板測試結(jié)果顯示，對于SAC305合金空氣環(huán)境中最低推薦峰值溫度為228℃，而氮氣環(huán)境中最低推薦溫度為225℃，兩種環(huán)境下最高推薦溫度為240℃元件敏感溫度即可。值得注意的是，最低推薦峰值溫度受焊材潤濕性、助焊劑活性等因素的干擾，若焊材不良則最低推薦溫度可提升至232℃。

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