无铅焊接中高温恒温试验、温度冲击试验应用实例

来源：昆山宏展仪器有限公司 2011年03月29日 10:53

无铅焊接中高温恒温试验、温度冲击试验应用实例

如一月份文章所述，无铅工艺的应用给业界带来了许多新问题。无铅工艺取代传统的锡铅工艺，不仅会影响电子组装中的材料、设备、工艺，而且还会影响产品的可靠性和质量检测标准。可靠性测试在无铅焊接的应用推广中变得越来越重要。

高温恒温试验、温度冲击试验及湿热试验等作为有效的电子部品热疲劳试验，在很多方面都发挥着其重要的作用。

在研发、筛选无铅焊料时的应用

对于大多数制造商来说，无铅化的大变化无疑是焊料。目前的无铅焊料种类繁多，适用范围各不相同，包括有Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Zn等各种系列。如何从中挑选出真正匹配厂家生产工艺的合适焊料是其中关键的技术难题。如今在使用无铅焊料和无铅元器件之前，客户大多会要求进行认定测试，进行温度冲击循环（TCT）和湿热试验（THT）等可靠性测试，以确认元器件的质量和可靠性，或者验证焊料、元器件与现有有铅工艺的兼容性。

试验结果表明，传统的Sn-37Pb焊料在试验中会出现再结晶现象，金属间化合物长大，这有可能导致开裂的发生。而试验中用的3种无铅焊料均无此种现象，其原因是因为无铅焊料生成的Ag3Sn即使在高温下也不会长粗，非常稳定，其在连接部位的弥散分布抑制了金属间化合物的生长，使得连接部位结构稳定。此外，在部分无铅样品中，还出现了空洞（voids），这应该与焊料的润湿性能不足，以及回流曲线的设定有关。

与此同时，我们还进行了验证不同焊料和Sn-Pb镀层QFP部件兼容性的试验。结果表明，含Bi焊料与Sn-Pb镀层的器件接触时，回流焊后会生成Sn-Pb-Bi共晶合金，熔点只有99.6℃，极易导致fillet-lifting现象的发生。因此使用含Bi无铅焊料时，需注意避免与Sn-Pb镀层的器件混合。

在研究锡须生长中的应用

目前的无铅器件基本均以Sn作为表面镀层。含锡量增大的后果是容易产生锡须,由于锡须可以在电镀之后，甚至在几年之后才开始生长，因而其对产品可靠性造成的潜在危害非常大。许多组织已经对锡须展开了大量的研究。

现在普遍认为锡须的产生与内应力的释放相关，是Sn层中存在的压缩应力终导致了锡须的产生。目前对锡须生长测试使用的试验方法很多，大多为温湿度相关试验，此处列出了其中的3种，如表一所示。表中还根据锡须产生机理及应力类型的不同，把锡须分成3类。

表一

种类	产生机理	测试方法
恒温锡须	基材金属（Cu）扩散至Sn而引起的内应力	高温试验（HTST）：50℃，1000小时
湿热锡须	Sn氧化而产生的内应力	湿热试验（THT）：85℃，85%R.H.，1000小时
热冲击锡须	基材金属（Cu）/过渡层金属和Sn镀层之间热膨胀系数不同引起的内应力	温度冲击试验（TCT）：-40℃～85℃，500循环

试验表明，锡须增长主要取决于温度和湿度。关键温湿度是50℃以上，相对湿度50%。另外，锡含量也非常重要。锡纯度越高，形成锡须的机会就越大。

为了避免锡须，目前有许多相应措施，比如预烘、Matte tin、在Cu和Sn镀层间添加Ni过渡层等，另外还特别需要重视对材料供应的跟踪。为了抑制锡须的生长，还必须注意降低焊接工艺引入的温度应力，因此回流曲线的设定也必须更为谨慎。

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