鉛電子范文

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Sn/Ag3.5-4.0合金在混合電路與電子組裝工業(yè)的使用時(shí)間較長(zhǎng)。正因如此，部分業(yè)者對(duì)使用Sn/Ag作為一種無(wú)鉛替代合金感覺(jué)得心應(yīng)手。但不巧的是這種合金存在幾方面的問(wèn)題。首先這種合金的熔融溫度(221度)和峰值回流溫度(2400-260度)對(duì)于許多表面安裝部件和過(guò)程來(lái)說(shuō)顯得偏高。此外，這種合金還含有3.5-4%的銀，對(duì)某些應(yīng)用構(gòu)成成本制約。而最主要的問(wèn)題是這種合金會(huì)產(chǎn)生銀相變問(wèn)題從而造成可靠性試驗(yàn)失效。

我們注意到，在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)(結(jié)果如表1)時(shí)，Sn96/Ag4在其中一種循環(huán)設(shè)置上產(chǎn)生了失效。對(duì)此問(wèn)題作進(jìn)一步研究得出的結(jié)論是：失效起因于相變。相變的產(chǎn)生是因合金的不同區(qū)有著不同的冷卻速率而致。

為對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行深入研究，用一根Sn96/Ag4焊條，從底部對(duì)其進(jìn)行回流加熱及強(qiáng)制冷卻，以便對(duì)其暴露在不同冷卻速率下的合金的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。Sn96/Ag4合金按冷卻速率的不同產(chǎn)生三種不同的相。由此考慮同樣的脆性結(jié)構(gòu)會(huì)存在于焊接互連中，從而造成焊區(qū)失效。正是由于這種原因，大多數(shù)OEM及工業(yè)財(cái)團(tuán)反對(duì)把Sn/Ag作為主流無(wú)鉛合金來(lái)用。銀相變問(wèn)題的存在也對(duì)高銀Sn/Ag/Cu合金提出了質(zhì)問(wèn)。

Sn/Ag/Cu合金

盡管涉及專利保護(hù)方面的問(wèn)題，世界大部分地區(qū)還是傾向選用Sn/Ag/Cu合金。但到底選擇什么樣的合金配方？本文將重點(diǎn)討論兩種Sn/Ag/Cu合金：受各種工業(yè)財(cái)團(tuán)推崇的Sn/Ag/Cu0.5合金和相應(yīng)的用作低銀含量合金的Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5。

兩種Sn/Ag/Cu合金的比較

在討論兩種合金體系的可靠性試驗(yàn)結(jié)果之前，先憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)兩種合金作一比較是有益的。大體上看兩種合金很相似：兩者都具有極好的抗疲勞特性、良好的整體焊點(diǎn)連接強(qiáng)度以及充足的基礎(chǔ)材料供應(yīng)。但兩者之間確也存在一些細(xì)微的差異值得討論。

熔點(diǎn)

兩合金的熔點(diǎn)極為相似：Sn/Ag4/Cu0.5熔點(diǎn)為218度，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5熔點(diǎn)為217度。業(yè)界對(duì)這種差異是否構(gòu)成對(duì)實(shí)際應(yīng)用的影響存在爭(zhēng)議。但如能對(duì)回流過(guò)程嚴(yán)格控制，熔點(diǎn)溫度變低會(huì)因減少元件耐受高溫的時(shí)間而帶來(lái)益處。

潤(rùn)濕

兩種合金比較，自然地會(huì)對(duì)選擇高銀含量合金的做法抱有疑問(wèn)，因?yàn)殂y含量變高會(huì)增加產(chǎn)品成本。有臆測(cè)認(rèn)為高銀合金有助于改進(jìn)潤(rùn)濕。但潤(rùn)濕試驗(yàn)結(jié)果顯示，低銀含量合金實(shí)際上比高銀合金潤(rùn)濕更強(qiáng)健和更迅速。

專利態(tài)勢(shì)

工業(yè)界渴望找到一種廣泛可獲的合金。因此，專利合金是不大受歡迎的。盡管Sn/Ag4/Cu0.5合金沒(méi)有申請(qǐng)專利，而Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5已申請(qǐng)了專利，但選擇時(shí)需要全面了解兩種合金的專利約束作用和實(shí)際供應(yīng)源情況才好確定。

上面已談到，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金已獲專利。但它已授權(quán)給焊料制造商使用，對(duì)授權(quán)使用者無(wú)數(shù)量限制和無(wú)轉(zhuǎn)讓費(fèi)用。目前，這一合金可通過(guò)北美、日本和歐洲的數(shù)家焊料廠商在全球范圍內(nèi)獲取。盡管Sn/Ag4/Cu0.5合金沒(méi)有申請(qǐng)專利，但用這種合金制成的焊點(diǎn)連接是有專利的，而在美國(guó)具有這種產(chǎn)品銷售授權(quán)的電子級(jí)焊料廠商的數(shù)量極為有限。

盡管用Sn/Ag4/Cu0.5制作的焊點(diǎn)有可能侵犯現(xiàn)有的專利權(quán)，但業(yè)界還是建議使用這種合金。人們?cè)傧氲卣J(rèn)為，通過(guò)給這種系統(tǒng)施加預(yù)先工藝可以避開(kāi)專利糾紛。但這種想法是錯(cuò)誤的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的專利說(shuō)明都會(huì)涉及合金成份和應(yīng)用范圍(焊點(diǎn))兩部分內(nèi)容。換句話說(shuō)，如果預(yù)先工藝能夠得到證實(shí)，突破專利的合金成份限制是可能的。但如果專利說(shuō)明做得很完善，那么還需向聲明了電子裝配焊接特定用法的應(yīng)用部分進(jìn)行挑戰(zhàn)。總的來(lái)說(shuō)，這意味著即使制造商正在使用一種專利規(guī)定范圍(如Sn/Ag4/Cu0.5)以外的合金，但如果在制造過(guò)程中，此合金"偶獲"基礎(chǔ)金屬成分(一般為銅)并因而形成一種含有專利規(guī)定范圍內(nèi)的成份構(gòu)成的金屬間化合物的話，那么該制造商就會(huì)因侵犯了專利權(quán)而受到法律的裁決。

金屬成本

專利載明的銀含量范圍為3.5%-7.7%。如此高的銀含量使得焊料的大量使用變得成本高昂；裝填波峰焊鍋時(shí)，每1%的銀大約使成本增加0.66美元/磅(見(jiàn)表2)。為控制成本，有人建議在波峰焊應(yīng)用中使用不含銀的無(wú)鉛合金，在表面安裝應(yīng)用中使用含銀合金。但正如下面所要討論的，使用這種方法會(huì)因Sn/Cu和雙合金工藝存在不足而造成失效。

Sn/Cu的工藝缺陷

遏制成本的想法雖說(shuō)合情合理，但引用Sn/Cu需要考慮幾方面的因素。第一，此合金的熔融溫度為227度，使其在許多溫度敏感應(yīng)用上受限。此外，它比其它無(wú)鉛焊料的濕潤(rùn)性差，在許多應(yīng)用中需引入氮和強(qiáng)活性助焊劑并可造成與潤(rùn)濕相關(guān)的缺陷，這點(diǎn)已得到廣泛證明。還有，一般來(lái)講Sn/Cu表面張力作用較低，在實(shí)施PTH技術(shù)時(shí)容易進(jìn)入套孔(barrel)中，且缺乏表面安裝裝配過(guò)程所要求的耐疲勞強(qiáng)度。最后一點(diǎn)，該合金的耐疲勞特性差，可導(dǎo)致焊區(qū)失效，從而抵銷了節(jié)省成本的初衷。

伴隨歐洲電子電氣設(shè)備指導(dǎo)法令(WEEEDirective)宣布到2006年部分含鉛電子設(shè)備的生產(chǎn)和進(jìn)口在歐盟將屬非法，以及國(guó)外同業(yè)競(jìng)爭(zhēng)者在全球不斷推廣無(wú)鉛電子裝配，相伴而生的對(duì)各種合金混合物的完好性和可靠性等問(wèn)題的考慮越來(lái)越受到重視。簡(jiǎn)言之，到底選用哪種合金，這一問(wèn)題變得越來(lái)越緊要。本文將對(duì)Sn/Ag、Sn/Ag/Cu和Sn/Cu等三種合金做深入考察，并對(duì)其可靠性試驗(yàn)結(jié)果與工藝上的考慮進(jìn)行比較。