隨著各國(guó)政府無(wú)鉛法案的陸續(xù)推出,電子組裝業(yè)中錫膏的無(wú)鉛化已成為一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。
在業(yè)界目前公認(rèn)的四種類型的無(wú)鉛錫膏中,Sn-Ag系和Sn-Cu系錫膏因熔點(diǎn)比錫鉛錫膏高出34℃以上,導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量變差,焊接設(shè)備、印制板基材以及元器件都因無(wú)法承受高溫而需更新?lián)Q代;Sn-Zn錫膏熔點(diǎn)為198℃,與Sn-37Pb的183℃非常接近,且具有良好的力學(xué)性能和低廉的價(jià)格,但Zn易氧化,使得Sn-Zn焊料在使用中也產(chǎn)生了很多問(wèn)題;Sn-Bi低溫錫膏共晶錫膏因熔點(diǎn)只有138℃,只能應(yīng)用于對(duì)可靠性要求不高的低溫場(chǎng)合。目前尚未見(jiàn)到熔點(diǎn)在180℃～190℃之間的無(wú)鉛焊料應(yīng)用于實(shí)踐的報(bào)道。Sn-Bi系錫膏的熔點(diǎn)可以通過(guò)調(diào)整Bi的含量來(lái)控制,使其接近于錫鉛焊料,但該焊料在焊接過(guò)程中的產(chǎn)生的Bi偏析以及焊點(diǎn)脆性問(wèn)題一直未能解決。作者通過(guò)在Sn-20Bi合金中加入一系列能夠優(yōu)化焊料性能的微量元素,首次采用快速凝固技術(shù)制備出了一種新型的Sn-Bi-X無(wú)鉛錫膏。該焊料的熔點(diǎn)、力學(xué)性能、焊接性能均與Sn-37Pb的接近,可以在不改變現(xiàn)有裝焊設(shè)備和生產(chǎn)工藝的條件下進(jìn)行波峰焊接和回流焊接。論文研究了Sn-Bi-X錫膏的微觀組織、性能特點(diǎn)、焊接界面問(wèn)題、焊接工藝問(wèn)題,并探討了無(wú)鉛焊接過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題及解決方案。
有關(guān)錫鉍合金論文得到如下結(jié)論:
(1)系統(tǒng)研究了微量元素對(duì)Sn-20Bi焊料熔化特性、微觀組織及性能的影響。結(jié)果表明,當(dāng)添加0.7%的Ag,0.3%的Ga,0.1%的In,0.5%的Sb,0.5%的Ge和0.5%的Ce時(shí),所得到的無(wú)鉛焊料微觀組織均勻、微細(xì),Bi的偏析程度明顯減小,其力學(xué)性能與傳統(tǒng)的Sn-37Pb焊料的相當(dāng)。
(2)采用單輥甩帶法制備焊料時(shí),冷速越快抑制Bi偏析的效果越好,當(dāng)輥速為1000r/min時(shí)效果最佳,所制作出的Sn-20Bi-0.7Ag-0.1In-0.5Ge-0.5Ce-0.5Sb-0.3Ga無(wú)鉛焊料,其熔點(diǎn)為186.1℃,微觀組織均勻,沒(méi)有偏析相形成。
(3)研究了擴(kuò)散退火對(duì)無(wú)鉛焊料及焊點(diǎn)微觀組織及性能的影響。結(jié)果表明,在125℃退火16h可消除Sn-Bi系焊料中的粗大結(jié)晶,使組織均勻,并提高了焊料的力學(xué)性能。退火后的焊料在100℃長(zhǎng)時(shí)間放置,組織穩(wěn)定。作者首次提出可將此工藝作為表面貼裝生產(chǎn)工藝中焊接完成后的一道工序。
(4)通過(guò)對(duì)焊接界面中金屬間化合物(IMC)的微觀組織進(jìn)行分析,首次發(fā)現(xiàn)焊盤鍍層金屬的消融對(duì)界面組織和性能的影響規(guī)律并通過(guò)試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。此外還對(duì)錫鉛焊料及無(wú)鉛焊料合金的微觀斷裂行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,綜合考察了裂紋與晶界、第二相顆粒、應(yīng)變速率及顯微組織的關(guān)系,闡述了Sn基合金內(nèi)部納米級(jí)裂紋的演化情況。
(5)采用有機(jī)可焊性防護(hù)劑(OSP)處理印制電路板(PCB)表面焊盤,通過(guò)調(diào)整不同工藝參數(shù),進(jìn)行了大量無(wú)鉛條件下的回流焊和汽相焊工藝試驗(yàn),并對(duì)所出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究,提出了相應(yīng)的解決方案,得出了最佳溫度曲線和工藝窗口,對(duì)層數(shù)高達(dá)20層的高梯度熱容量印制板實(shí)現(xiàn)了成功的焊接。
(6)通過(guò)有針對(duì)性地設(shè)計(jì)的幾種無(wú)鉛焊料的波峰焊試驗(yàn),總結(jié)出了焊盤剝離現(xiàn)象產(chǎn)生的真正機(jī)理─“三要素法”:焊盤剝離與否取決于焊料熔融溫度區(qū)域的寬窄、伸長(zhǎng)率的大小以及熱膨脹系數(shù)的高低,而不是“Bi-偏析”失效機(jī)理所認(rèn)為的焊盤剝離與否取決于焊料是否含Bi。“三要素法”可解釋各種情況下焊盤剝離產(chǎn)生的原因,并由此找出了抑制焊盤剝離的對(duì)策,必將對(duì)無(wú)鉛焊接的推廣產(chǎn)生重要影響。
(7)研究了無(wú)鉛焊接帶來(lái)的設(shè)備、板材、元器件、錫須以及焊點(diǎn)質(zhì)量等一系列新問(wèn)題并提出解決這些問(wèn)題的最佳方法就是采用新型作者研制的Sn-Bi-X焊料。
(8)新焊料已在我國(guó)最新一代高性能計(jì)算機(jī)NC芯片的BGA植球工藝中得到成功的應(yīng)用。