無鉛錫膏的評價與選擇

施紀紅

(健雄職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程學院，江蘇 太倉 215411)

無鉛錫膏并非要求100%不含鉛，而是要求錫膏內(nèi)鉛含量必須低于0.1%.但是新合金錫膏的研發(fā)不僅需要確保無鉛焊料的可焊性及焊后的可靠性，也要考慮到客戶所承受的成本等眾多問題.據(jù)目前非官方統(tǒng)計，市場上的合金類別(例如SnAg、SnCu、SnCuAg、SnBi等)超過50種，無鉛合金配方的專利超過390種，其中常用的配方也在50種以上.但這只是錫膏的合金配方部分，如果再考慮為了處理不同的工藝需求(例如清洗和免清洗、微間距和非微間距等)、配合器件的焊端鍍層金屬材料(例如純Sn、純Ag、Ni/Au、Ag/Pd等等)以及不同的PCB焊盤鍍層材料(例如ENIG、OSP、ImAg等)在錫膏中摻入的不同類型的助焊劑配方的數(shù)量，錫膏的種類可能超過1萬種[1].面對如此龐大的錫膏數(shù)量，錫膏使用者必須掌握一套具有很強操作性和可行性的錫膏評價和選擇方案.

1 錫膏初步選擇的要點

1.1 合金成分

錫膏的合金成分直接影響到焊接溫度、可焊性、焊點等機電性能.一般在錫膏的產(chǎn)品手冊中會注明產(chǎn)品規(guī)格、產(chǎn)品特性、BELLCORE AND J-STD 測試結(jié)果，可以據(jù)此先了解錫膏.目前最常用的錫膏合金成分及熔點見表1.

SAC(SnAgCu)合金是在SnAg的基礎上加入Cu而成.通過比較多種合金配方形成焊點的機電性能，SAC合金由于各方面性能表現(xiàn)較為平衡受到歐、美、日權(quán)威機構(gòu)的推薦，合金配方以Ag(3%～4%)Cu(0.5%～2%)為多，其中又以96.5%Sn、3%Ag、0.5%Cu和95.5%Sn、3.8%Ag、0.7%Cu最多.但是該配方的缺點是焊接的實際溫度需高達245 ℃左右，并且潤濕性不理想，需要采用特殊的焊劑配方.使用者需要根據(jù)焊劑配方的改變和特定產(chǎn)品的使用情況，評估錫膏的可印性和焊點的可靠性.

表1 常見合金成分及熔點

1.2 錫膏的粘度

錫膏的粘度可理解為錫膏的流動阻力(單位“Pa·s”)，它直接影響焊接的效果.粘度低，錫膏流動性好，利于滲錫、工具免洗刷、省時，但成型不好，易引起橋連;粘度高，流動阻力大，能維持良好的錫膏形狀，較適于細間距印刷，但容易堵塞網(wǎng)孔而引起少錫不良.而錫膏的粘度又隨著溫度、運動速度、暴露時間的變化而變化.因此需要綜合考慮，將錫膏的粘度控制在合適的的范圍內(nèi).

1) 錫膏的粘度隨溫度的降低而增大，反之減小.適宜的溫度為(25±2.5) ℃，為此需對錫膏使用環(huán)境的溫度進行管控.

2) 錫膏在鋼網(wǎng)上印刷時的截面直徑越大，粘度越大;反之，直徑越小，粘度越小.但考慮到錫膏暴露在空氣中時間過長會使其品質(zhì)劣化，通常都采用10～15 mm的錫膏滾動直徑.

3) 錫膏的粘度與其運動的角速度成反比.印刷速度越大，粘度越小，反之粘度越大.所以可通過適當調(diào)整刮刀速度來改善錫膏的粘度，從而改善錫膏的印刷狀態(tài).同樣粘度會隨著對錫膏的攪拌而改變，攪拌時粘度會有所降低，但略微靜置后，其粘度會回復原狀.

4) 刮刀角度也會影響錫膏的粘度.角度越大，粘度越大，反之粘度越小.通常采用45°或60°兩種型號的刮刀[2].

從表9的“假設方差相等”行讀取數(shù)值，t值是-0.9166，Sig.(雙側(cè))是雙尾T檢驗的顯著性概率0.4112，大于0.05。可以得出結(jié)論：直道與彎道的裂縫率無顯著差異，這表明路面裂縫率應該與道路的曲直沒有必然的聯(lián)系。

綜上所述，選用錫膏的粘度應與所使用工藝匹配，也可以通過工藝參數(shù)的調(diào)整改變其生產(chǎn)粘度.采用鋼網(wǎng)漏印時錫膏的粘度應該在800～1 300 Pa·s.目前在0.4PITCH中使用的粘度是1 600 Pa·s.

1.3 目數(shù)

目數(shù)是指篩網(wǎng)每一平方英寸面積上的網(wǎng)孔數(shù).錫膏目數(shù)指標越大，該錫膏中錫粉的顆粒直徑就越小.反之當目數(shù)越小時，錫膏中錫粉的顆粒越大.數(shù)據(jù)關(guān)系見表2.

表2 目數(shù)與顆粒度對照表

選擇錫膏的時候應根據(jù)PCB上距離最小的焊點之間的間距來確定目數(shù)，大間距選擇目數(shù)較小的錫膏，反之選擇目數(shù)較大的錫膏.一般選擇顆粒度直徑約為模板開口的1/5以內(nèi).例如:0.4PITCH一般選擇目數(shù)325～500 MESH，顆粒度25～45 μm.

1.4 助焊劑

每種錫膏的助焊劑成分各不相同，此為各廠商的技術(shù)機密，但在選擇時并不需要知道具體的配方，只需考慮焊接的效力(潤濕能力、傳熱能力、清潔表面能力)和焊劑的腐蝕性.理想的焊劑應該是高效力、低腐蝕性的.但效力和腐蝕性是兩個對立的指標，焊劑的效力越高，它的腐蝕性就越大，反之焊劑的效力越低，它的腐蝕性也就越低.因此焊劑效力的選擇要與使用的元器件、基材、工藝、現(xiàn)有清洗設備能力的配合性進行綜合考慮.

2 錫膏評價體系

業(yè)內(nèi)經(jīng)典的錫膏評估驗證體系分成4部分，共需要179 d，包括“錫膏的基本數(shù)據(jù)認證17 d”(錫粉的合金成分、錫粉顆粒與形狀測試、助焊劑含有量成分、粘度測試、鹵素含有量成分、錫珠測試、擴散性試驗成分、潤濕性試驗、印刷性試驗、坍塌性試驗、銅鏡試驗、鉻酸銀試驗、銅板腐蝕試驗、表面絕緣阻抗測試、電子遷移測試)、“產(chǎn)線基本檢驗32 d”(印刷性驗證、錫膏有效零件貼裝時間驗證、焊點外觀檢查、助焊劑殘留物顏色和體積及干燥度確認、錫膏擴散性驗證、零件焊點檢查、氣泡確認、焊點切片驗證)、“可靠度測試工程116 d”(震動跌落試驗、紅墨水試驗、焊點切片驗證、高溫高濕紅墨水試驗、錫須及助焊劑殘留物變化檢查、焊點切片驗證、IMC層厚度變化及狀態(tài)觀察、冷熱沖擊試驗、焊點龜裂觀察、焊點切片驗證、推拉力試驗、BGA Type焊點斷裂面分布情形測定)、“RoHS指令驗證14 d”[3].這種評估方法得到的參數(shù)一般可以在錫膏供應商提供的產(chǎn)品說明書和質(zhì)量報告中找到.根據(jù)這些參數(shù)，使用者可以篩選出5種左右的錫膏，進行焊膏實際使用效果的評估，這一步將在生產(chǎn)組裝線上進行.

Indium公司開發(fā)了一套4步無鉛焊膏的實際使用效果評估方法，時間短、效率高、可操作性強.

步驟1:印刷機設置.雖然不同的焊膏有不同的優(yōu)化參數(shù)，但如果對所有的焊膏使用同一參數(shù)，就可以排除那些不適合該工藝設置的焊膏.該步驟需考量的參數(shù)是印刷體積.

步驟2:12板評估法.使用12塊單板模擬現(xiàn)實生產(chǎn)環(huán)境會遇到的印刷問題，據(jù)此檢驗焊膏的鋼網(wǎng)壽命、暫停響應性能、粘附力穩(wěn)定性和停工后的回流表現(xiàn)等，12板評估法的具體做法如下：第一步準備12塊待印刷的PCB板和12次印刷需要的錫膏;第二步印刷4塊單板，其中2塊停留2 h后貼片和測粘附(其中1塊板停留1 h后回流，1塊板停留3 h后回流，剩下的2塊板停留6 h后貼片與測粘附(其中1塊板停留1 h后回流，1塊板停留3 h后回流);第三步過1 h再印4塊單板，重復第二步;第四步再過1 h再印4塊單板，重復第二步.

步驟3:剪切力變化測試.方法是將新鮮焊膏放在鋼網(wǎng)上.設置印刷機進行30次空印，對鋼底紋部進行擦網(wǎng)，印刷一塊單板;設置印刷機進行50次空印，對鋼底紋部進行擦網(wǎng)，印刷一塊單板;設置印刷機進行100次空印，對鋼底紋部進行擦網(wǎng)，印刷一塊單板.測量每塊單板的參數(shù).

步驟4:回流情況.錫膏回流后對不同錫膏的效果進行定性和定量的比較.定性的如焊點的光澤度/光滑、元器件潤濕、焊盤鋪展、焊球數(shù)量等，定量所測量的參數(shù)如短路數(shù)量、墓碑數(shù)量、面數(shù)組焊點空洞百分比等，這些可以通過統(tǒng)計方法來分析[4].

Indium公司的錫膏4步評估法特別適用于對5種左右錫膏的評估.但當確定了唯一的替代錫膏后，大多還會通過小批量的真實生產(chǎn)進行最后的實際生產(chǎn)性的測試評估.

此時要注意的是:①新錫膏應和現(xiàn)有錫膏選擇相同條件和方法進行測試.②選擇生產(chǎn)的產(chǎn)品應具有更密的腳距或更復雜的元件，這樣可以更好地對比新老錫膏的性能.③選擇一個適合的批量，一般大于50但小于500.④以下參數(shù)的測試是必須的:可印刷性、塌落形態(tài)、粘性、粘性壽命、可焊接性、殘留水平和可清潔性等.并且，為了精確評估材料變化的效果，必須詳細記錄測試的環(huán)境和所有發(fā)生的缺陷，如:測試時的工廠情況(溫度、濕度、操作員、板的批號、錫膏等)、產(chǎn)品的缺陷及返工的特殊原因(如焊錫不足、開路、錫橋、墓碑、熔濕差、引腳不共面、元件沒放準和元件丟失等).根據(jù)以上的測試數(shù)據(jù)、環(huán)境記錄、合格率分析，就可以得出一個詳細的評估報告.

3 SAC105MN錫膏替代SAC305錫膏的評估舉例

根據(jù)以上4步，某公司近期完成了SAC105MN錫膏替代SAC305錫膏的評估.現(xiàn)公司使用的是SP601T4無鉛錫膏，合金為SAC305(Sn-3Ag-0.5Cu)，該錫膏合金中Ag是貴金屬，占總成本的1/2.近年隨著金屬成本的上升，SAC305價格也隨之上漲，為降低成本，公司準備選用低銀焊料SAC105MN，為此，公司對SP601T4和它的升級版SP601+T4(合金為SAC105Mn (Sn-1Ag-0.5Cu))進行了評估測試.

根據(jù)SP601T4和SP601+T4的產(chǎn)品手冊描述，兩種錫膏均根據(jù)J-STD-005(IPC-TM-650)和J-STD-004A (IPC-TM-650)進行了助焊劑類型、誘導腐蝕性、鹵化物含量、塌陷、錫球、潤濕性等測試，測試結(jié)果均合格.并且Indium公司提供了SAC305、SAC105+Mn的跌落、動態(tài)彎曲、熱循環(huán)、循環(huán)彎曲等試驗的研究數(shù)據(jù).在此基礎上，公司使用同樣的印刷參數(shù)和爐溫曲線設置，分別生產(chǎn)了500片手機板，接著經(jīng)過相同的其他工藝流程完成了手機全部組裝后，對手機成品進行了功能測試，數(shù)據(jù)對比如表3所示.

綜合以上各項指標，可以看出SP601+T4在各方面的性能均略優(yōu)于SP601T4，公司可使用SP601+T4代替SP601T4，但是首批大批量生產(chǎn)時需要重點關(guān)注.

表3 SP601T4與SP601+T4綜合性能對比表

4 結(jié) 論

本文對無鉛錫膏從初步選擇到重點評估，直至最終確定使用進行了詳細分析.特別注重各種評估方法的系統(tǒng)性和實際操作性.根據(jù)這個有效而又簡練的方法可以完整地評估焊膏的各種性能，保證選到最好的焊膏.由于焊后缺陷中有50%～70%是與鋼網(wǎng)印刷工藝相關(guān)的，所以絕大多數(shù)的錫膏評估應當放在印刷工藝上.選擇最好的焊膏將確保最高的直通率，并為電子產(chǎn)品的高質(zhì)量提供最好的保障.

[1] 薛競成. 無鉛技術(shù)系列文章四:無鉛合金和焊料[EB/OL]. (2005-03-01)[2011-08-18]. http://www.cqvip.com/Main/Detail. aspx?id=15863899.

[2] 車固勇. 關(guān)于錫膏粘度特性與印刷工藝參數(shù)的關(guān)系實驗報告[EB/OL]. (2005-06-01)[2011-08-18]. http://www.cqvip.com/QK/ 85517X/200506/20830789.html.

[3] SMTHome Discussion Group. 錫膏評估驗證流程[EB/OL]. (2007-02-07)[2011-08-18]. http://www.smthome.net/bbs/readhtm-tid-122480.html.

[4] TIMOTHY J. 簡化無鉛切換的焊膏評估方法[EB/OL]. (2005-12-29)[2011-08-18]. http://www.smthome.net/bbs/read-htmtid-62679.html.