錫膏基本知識(shí)，焊點(diǎn)性能因素及無(wú)鉛焊錫

　　焊接材料焊錫作為所有三種級(jí)別的連接：裸片(die)、包裝(package)和電路板裝配(board assembly)的連接材料。

 

　　另外，錫/鉛(tin/lead)焊錫通常用于元件引腳和PCB的表面涂層�？紤]到鉛(Pb)在技術(shù)上已存在的作用與反作用，焊錫可以分類為含鉛或不含鉛�，F(xiàn)在，已經(jīng)在無(wú)鉛系統(tǒng)中找到可行的、代替錫/鉛材料的、元件和PCB的表面涂層材料�？墒菍�(duì)連接材料，對(duì)實(shí)際的無(wú)鉛系統(tǒng)的尋找仍然進(jìn)行中。

 

　　這里，總結(jié)一下錫/鉛焊接材料的基本知識(shí)，以及焊接點(diǎn)的性能因素，隨后簡(jiǎn)要討論一下無(wú)鉛焊錫。

 

　　焊錫通常定義為液化溫度在400°C(750°F)以下的可熔合金。裸片級(jí)的(特別是倒裝芯片)錫球的基本合金含有高溫、高鉛含量，比如Sn5/Pb95或Sn10/Pb90。共晶或臨共晶合金，如Sn60/Pb40，Sn62/Pb36/Ag2和Sn63/Pb37，也成功使用。例如，載體CSP/BGA板層底面的錫球可以是高溫、高鉛或共晶、臨共晶的錫/鉛或錫/鉛/銀材料。由于傳統(tǒng)板材料，如FR-4，的賴溫水平，用于附著元件和IC包裝的板級(jí)焊錫局限于共晶，臨共晶的錫/鉛或錫/鉛/銀焊錫。在某些情況，使用了錫/銀共晶和含有鉍(Bi)或銦(In)的低溫焊錫成分。

 

　　焊錫可以有各種物理形式使用，包括錫條、錫錠、錫線、錫粉、預(yù)制錠、錫球與柱、錫膏和熔化狀態(tài)。

 

　　焊錫材料的固有特性可從三個(gè)方面考慮：物理、冶金和機(jī)械。

 

　　物理特性對(duì)今天的包裝和裝配特別重要的有五個(gè)物理特性： 冶金相化溫度(Metallurgical phase-transition temperature)有實(shí)際的暗示，液相線溫度可看作相當(dāng)于熔化溫度，固相線溫度相當(dāng)于軟化溫度。

 

　　對(duì)給定的化學(xué)成分，液相線與固相線之間的范圍叫做塑性或粘滯階段。選作連接材料的焊錫合金必須適應(yīng)于最惡劣條件下的最終使用溫度。因此，希望合金具有比所希望的最高使用溫度至少高兩倍的液相線。當(dāng)使用溫度接近于液相線時(shí)，焊錫通常會(huì)變得機(jī)械上與冶金上“脆弱”。 焊錫連接的導(dǎo)電性(electrical conductivity)描述了它們的電氣信號(hào)的傳送性能。從定義看，導(dǎo)電性是在電場(chǎng)的作用下充電離子(電子)從一個(gè)位置向另一個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)。

 

　　電子導(dǎo)電性是指金屬的，離子導(dǎo)電性是指氧化物和非金屬的。焊錫的導(dǎo)電性主要是電子流產(chǎn)生的。電阻 - 與導(dǎo)電性相反 - 隨著溫度的上升而增加。這是由于電子的移動(dòng)性減弱，它直接與溫度上升時(shí)電子運(yùn)動(dòng)的平均自由路線(mean-free-path)成比例。焊錫的電阻也可能受塑性變形的程度的影響(增加)。

 

　　金屬的導(dǎo)熱性(thermal conductivity)通常與導(dǎo)電性直接相關(guān)，因?yàn)殡娮又饕�是�?dǎo)電和導(dǎo)熱。(可是，對(duì)絕緣體，聲子的活動(dòng)占主要。) 焊錫的導(dǎo)熱性隨溫度的增加而減弱。

 

　　自從表面貼裝技術(shù)的開始，溫度膨脹系數(shù)(CTE, coefficient of thermal expansion)問題是經(jīng)常討論到的，它發(fā)生在SMT連接材料特性的溫度膨脹系數(shù)(CTE)通常相差較大的時(shí)候。一個(gè)典型的裝配由FR-4板、焊錫和無(wú)引腳或有引腳的元件組成。它們各自的溫度膨脹系數(shù)(CTE)為，16.0 × 10-6/°C(FR-4); 23.0 × 10-6/°C(Sn63/Pb37); 16.5 × 10-6/°C(銅引腳); 和6.4 ×10-6/°C(氧化鋁Al2O3無(wú)引腳元件)。在溫度的波動(dòng)和電源的開關(guān)下，這些CTE的差別增加焊接點(diǎn)內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變，縮短使用壽命，導(dǎo)致早期失效。兩個(gè)主要的材料特性決定CTE的大小，晶體結(jié)構(gòu)和熔點(diǎn)。當(dāng)材料具有類似的晶格結(jié)構(gòu)，它們的CTE與熔點(diǎn)是相反的聯(lián)系。

 

　　熔化的焊錫的表面張力(surface tension)是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，與可熔濕性和其后的可焊接性相關(guān)。由于在表面的斷裂的結(jié)合，作用在表面分子之間的吸引力相對(duì)強(qiáng)度比焊錫內(nèi)部的分子力要弱。因此材料的自由表面比其內(nèi)部具有更高的能量。對(duì)熔濕焊盤的已熔化的焊錫來(lái)說(shuō)，焊盤的表面必須具有比熔化的焊錫表面更高的能量。換句話說(shuō)，已熔化金屬的表面能量越低(或金屬焊盤的表面能量越高)，熔濕就更容易。

 

　　冶金特性在焊錫連接使用期間暴露的環(huán)境條件下，通常發(fā)生的冶金現(xiàn)象包括七個(gè)不同的改變。

 

　　1. 塑性變形(plastic deformation)。當(dāng)焊錫受到外力，如機(jī)械或溫度應(yīng)力時(shí)，它會(huì)發(fā)生不可逆變的塑性變形。通常是從焊錫晶體結(jié)合的一些平行平面開始，它可能在全部或局部(焊錫點(diǎn)內(nèi))進(jìn)行，看應(yīng)力水平、應(yīng)變率、溫度和材料特性而定。

 

　　2. 連續(xù)的或周期性的塑性變形最終導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂。

 

　　3. 應(yīng)變硬化(strain-hardening)，是塑性變形的結(jié)果，通常在應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系中觀察得到。 回復(fù)過(guò)程(recovery process)是應(yīng)變硬化的相反的現(xiàn)象，是軟化的現(xiàn)象，即，焊錫傾向于釋放儲(chǔ)存的應(yīng)變能量。該過(guò)程是熱動(dòng)力學(xué)過(guò)程，能量釋放過(guò)程開始時(shí)快速，其后過(guò)程則較慢。對(duì)焊接點(diǎn)失效敏感的物理特性傾向于恢復(fù)到其初始的值。僅管如此，這不會(huì)影響微結(jié)構(gòu)內(nèi)的可見的變化。

 

　　4. 再結(jié)晶(recrystallization)是經(jīng)常在使用期間觀察到的焊接點(diǎn)內(nèi)的另一個(gè)現(xiàn)象。它通常發(fā)生在相當(dāng)較高的溫度下，涉及比回復(fù)過(guò)程更大的從應(yīng)變材料內(nèi)釋放的能量。在再結(jié)晶期間，也形成一套新的基本無(wú)應(yīng)變的晶體結(jié)構(gòu)，明顯包括晶核形成和生長(zhǎng)過(guò)程。再結(jié)晶所要求的溫度通常在材料絕對(duì)熔點(diǎn)的三分之一到二分之一。

 

　　5. 溶液硬化(solution-hardening)，或固體溶液合金化過(guò)程，造成應(yīng)力增加。一個(gè)例子就是當(dāng)通過(guò)添加銻(Sb)來(lái)強(qiáng)化Sn/Pb成分。

 

　　6. 沉淀硬化(precipitaion-hardening)包括來(lái)自有充分?jǐn)嚢璧奈⒊恋斫Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)化效果。

 

　　7. 焊錫的超塑性(superplasticity)出現(xiàn)在低應(yīng)力、高溫和低應(yīng)變率相結(jié)合的條件下。

 

　　機(jī)械特性　

 

　　錫的三個(gè)基本的機(jī)械特性包括應(yīng)力對(duì)應(yīng)力特性、懦變阻抗和疲勞阻抗。

 

　　然應(yīng)力可通過(guò)張力、壓力或剪切力產(chǎn)生，大多數(shù)合金的剪切力比張力或壓力要弱。剪切強(qiáng)度是很重要的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)焊接點(diǎn)在使用中經(jīng)受剪切應(yīng)力。

 

　　懦變是當(dāng)溫度和應(yīng)力(負(fù)荷)都保持常數(shù)時(shí)的一種全面塑性變形。

 

　　這個(gè)依靠時(shí)間的變形可能在絕對(duì)零度以上的任何溫度下發(fā)生�？墒�，懦變只是在“活躍”溫度才變得重要。

 

　　疲勞是在交變應(yīng)力下的合金失效。在循環(huán)負(fù)荷下合金所能忍受的應(yīng)力比靜態(tài)負(fù)荷下小得多。因此，屈服強(qiáng)度，焊錫阻抗永久變形的靜態(tài)應(yīng)力，經(jīng)常與疲勞強(qiáng)度無(wú)關(guān)。通常疲勞斷裂開始于幾個(gè)微小的裂紋，在重復(fù)應(yīng)力作用下增長(zhǎng)，造成焊接點(diǎn)截面的承載能力下降。

 

　　電子包裝與裝配應(yīng)用中等焊錫一般經(jīng)受低頻疲勞(疲勞壽命小于10,000周期)和高應(yīng)力。溫度機(jī)械疲勞是用來(lái)介定焊錫特性的另一個(gè)測(cè)試模式。材料受制于循環(huán)的溫度極限，即溫度疲勞測(cè)試模式。每個(gè)方法都有其獨(dú)特的特性和優(yōu)點(diǎn)，兩者都影響焊錫上的應(yīng)變循環(huán)。

 

　　性能與外部設(shè)計(jì)　

 

　　人們都認(rèn)識(shí)到焊錫點(diǎn)的可靠性不僅依靠?jī)?nèi)在的特性，而且依靠設(shè)計(jì)、要裝配的元件與板、用以形成焊接點(diǎn)的過(guò)程和長(zhǎng)期使用的環(huán)境。還有，焊接點(diǎn)表現(xiàn)的特性是有別于散裝的焊錫材料。因此，一些已建立的散裝焊錫與焊接點(diǎn)之間的機(jī)械及溫度特性可能不完全相同。主要地，這是由于電路板層表面對(duì)焊錫量的高比率，在固化期間造成大量異相晶核座，以及當(dāng)焊錫點(diǎn)形成時(shí)元素或冶金成分的濃度變化。任何一種情況都可能導(dǎo)致反應(yīng)缺乏均勻性的結(jié)構(gòu)。隨著焊錫點(diǎn)厚度的減少，這種界面衰歇將更明顯。因此，焊接點(diǎn)的特性可能改變，失效機(jī)制可能與從散裝的焊錫得出的不一樣。

 

　　元件與板的設(shè)計(jì)也會(huì)對(duì)焊錫點(diǎn)特性有重要影響。例如，和焊盤有聯(lián)系的阻焊的設(shè)計(jì)(如限定的或非限定的阻焊)，將影響焊錫點(diǎn)的性能以及失效機(jī)制。  

　　對(duì)每一種元件包裝類型，觀察和介定各自的焊接點(diǎn)失效模式。例如，翅形QFP的焊接點(diǎn)裂紋經(jīng)常從焊點(diǎn)圓角的腳跟部開始，第二條裂紋在腳趾區(qū)域；BGA的焊點(diǎn)失效通常在焊錫球與包裝的界面或焊錫球與板的界面發(fā)現(xiàn)。

 

　　另一個(gè)重要因素是系統(tǒng)溫度管理。IC芯片的散熱要求在不斷增加。運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱量必須有效地從芯片帶出到包裝表面，然后到室溫。在出現(xiàn)由于過(guò)熱而引起的系統(tǒng)失效之前，IC的性能可能變得不穩(wěn)定，和前面所說(shuō)的溫度與導(dǎo)電性之間的關(guān)系一樣。元件的包裝與電路板的設(shè)計(jì)都會(huì)影響到散熱過(guò)程的效率。