SMT回流焊温度曲线对焊点形状的影响实验研究

                                                                                                   

摘要: 通过表面贴装实验研究了实际工况下焊点的形状， 并分析回流焊接曲线对 Sn37Pb 和Sn3.0Ag0.5Cu 焊点形状的影响。实验设定锡铅回流焊接曲线三条和无铅回流焊接曲线两条，对 PCB 板-焊料球-PCB 板组成的简易封装器件进行了回流焊接，并对焊接得到的焊点高度、直径等形状参数进行了统计分析。结果表明：回流焊接得到的焊点并非为大多数文献中假设的规则形状，由于重力和表面张力的影响，焊点的最大直径处于焊点中部偏下的位置；回流曲线不同，焊接得到的焊点形状也存在着较大的差异；回流曲线的加热因子越小，焊接得到的焊点的高度越高，直径越小。关键词: 表面贴装实验；回流焊接；温度曲线；焊点形状；加热因子；接触角在电子封装技术中，焊点既要起到机械支撑的作用，又要起到元器件与基板之间的电气连接和信号传递的作用，焊点的可靠性很大程度上也就决定了整个封装器件的可靠性 。 焊点可靠性的研究因素有很多，其中焊点的几何形状对焊点的可靠性起着重要的作用。Satoh 等研究表明高度较大的沙漏形焊点比高度较小的桶形焊点的疲劳寿命高出一个数量级，而且前者的裂纹移到焊点中心位置。焊点体积相同时，横截面较小的焊点拥有较高的高度，在热循环载荷作用下经受的塑性应变与应力较低，拥有的热疲劳寿命较长。焊点的高度是焊点形状参数中一个重要的参数，研究发现焊点的疲劳寿命随着焊点高度的增加而增加。上述这些研究中都表明了焊点的形状参数对焊点的可靠性具有重要的影响，而上述的研究中所采取的焊点的形状均为理想的圆柱状等规则的形状， 连钠等关于实际焊点形状的研究也只是给出了焊接过程中焊点形状的动态变化检测，并没有统计分析给出焊接完成后焊点的实际形状。关于实际工况下焊点的实际形状研究的文献很少，并且实际的表面贴装工艺中，焊点的形状是由回流焊接过程中设定的焊接曲线所决定的，因此研究实际工况下焊点的形状，并研究不同回流焊接曲线对焊点形状的影响是重要课题，研究结果将为以后分析形状对焊点可靠性的影响，指导焊接曲线的设置更具有实际意义。本文通过表面贴封装实验，研究实际工况下焊点的形状，并研究回流焊接曲线对焊点形状的影响。实验中设定三条锡铅回流焊接曲线和两条无铅回流焊接曲线，对 PCB 板-焊料球-PCB 板组成的简易封装器件进行了回流焊接，并对焊接得到的焊点形状进行了统计分析。1  表面贴装实验实验使用的设备主要包括：手动丝印台、手动贴片台、QHL360SMT 台式无铅回流焊机（红外强制热风循环加热方式） 。实验材料主要有焊料球、焊锡膏、PCB 板三部分。焊料球包括锡铅焊料球（成分63Sn37Pb，熔点 183 ℃）和无铅焊料球（成分Sn3.0Ag0.5Cu， 熔点217 ℃） 两种， 直径均为0.76 mm，焊锡膏的主要成分与焊料球相同，PCB 板的尺寸为27 mm×27 mm×1.5 mm，板上焊盘的直径为 0.6 mm，如图 1 所示。
（a）焊料球 （b）PCB 板图 1 实验材料回流焊接温度曲线的设定是表面贴装工艺过程的关键环节，是影响焊接完成后焊点形状的直接因素。回流焊接温度曲线一般分为预热、保温、回流、冷却四个阶段。预热段是将封装器件从周围环境温度提升到助焊剂所须的活性温度，这一阶段典型的升温速率为2℃/s；保温段主要目的是保证电路板上的全部元器件在进入焊接之前达到相同的温度，尽量减少温差。在这一阶段焊锡膏中的树脂或松香能在被焊接表面迅速扩散，溶解与其中的活性剂随之流动，并与锡料粉末的表面氧化物进行反应，以确保锡粉在焊接阶段是清洁的。这一阶段温度上升比较缓慢，通常低于2 /s℃ ；回流段又称焊接段，该阶段温度始终处于焊料球的熔点之上，焊料球开始溶化，流动扩展，并与Cu焊盘发生界面反应。Tu等将温度曲线超过焊锡熔点以上的部分覆盖的面积定义为加热因子，综合表达了峰值温度与回流时间对IMC的影响，本文用此定义来描述峰值温度与回流时间对焊点形状的综合影响。冷却段是焊点的成形阶段，应该用尽可能快的速度来进行冷却，这样连接表面将有助于得到明亮的焊点并有好的外形和低的接触角度，这一阶段的降温速率一般为3~10 /s℃ 。实验中依据 JEDEC J-STD-020C 标准， 参考一些学者的工作 [8-10] 设定了两条无铅回流焊接温度曲线（Lead-Free Reflow Profile，简称 LFRP）和三条锡铅回流焊接温度曲线（Sn-Pb Reflow Profile，简称SPRP），如图2所示，各曲线的加热因子Qη为图中阴影部分的面积，具体数值列于表 1，根据上述加热因子的定义，其单位为 s·℃。





              图 2 回流焊接温度曲线表 1 回流曲线的加热因子 回流曲线  SPRPⅠ  SPRPⅡ  SPRPⅢ  LFRPⅠ  LFRPⅡ
表面贴装工艺的基本步骤分为：施加焊锡膏、贴装元器件、 回流焊接。 实验中以PCB代替元器件，按照工艺的基本步骤，对PCB板-焊料球-PCB板组成的简易封装器件进行了回流焊接，每条温度曲线焊接5个封装器件，5 条温度曲线共焊接了 25个封装器件。2  实验结果分析2.1 焊点的断面轮廓图为了获得焊点的断面轮廓图，对焊接得到的封装器件进行机械抛光处理。由于焊点在机械抛光过程中会因为摩擦力的作用，发生变形，甚至位移，所以在抛光之前把封装件镶嵌在环氧树脂内，机械抛光后，根据电子显微镜拍得焊点的断面照片，以1mm为间距取点绘出焊点的轮廓图，如图3所示（单位mm）。与回流曲线相对应，焊接得到的焊点分别记为SPⅠ、SPⅡ、SPⅢ、LFⅠ、LFⅡ。


图 3 焊点轮廓图从图 3 可见，焊点并非是文献中数值模拟经常假设的对称的桶形和球形体，在重力与表面张力的作用，焊点呈现上部较窄，下部略宽的罐状体，焊点的最大直径处于焊点中部偏下的位置。三种锡铅回流焊接曲线中，SPRPⅢ的加热因子最小，焊接得到的 SPⅢ焊点与其上部 Cu 焊盘的焊接面积明显小于其下部 Cu焊盘的焊接面积，而另外两种锡铅焊点与其上下铜焊盘的焊接面积相差不大，这可能是由于SPRPⅢ的加热因子较小， 在回流阶段焊点溶化流动扩展较慢引起的。两种无铅焊点与其上下焊盘的焊接面积相差不大。同时可以看出不同的回流焊接曲线焊接得到的焊点的轮廓也存在着较大的差异。这说明了将焊点的形状简化为对称的桶形、柱形和沙漏形来研究焊点的可靠性得到的结果将是不准确的。这就需要对实际焊接得到的焊点形状进行研究。2.2 焊点形状参数的统计结果焊点的形状参数能够表征回流焊接得到的焊点的形状特点，主要包括焊点的直径、高度以及焊点与其下部Cu焊盘的接触角，表2列出了焊点形状参数的统计结果。表 2 焊点形状参数的均值比较
从表2 可见，在锡铅回流焊接温度曲线中，SPRPⅢ曲线的加热因子最小，为1072，焊接得到的SPⅢ焊点的高度最高，直径和接触角最小；对于无铅回流焊接也有同样的结果，加热因子较小的LFRPⅡ曲线（1 358）焊接得到的 LFⅡ焊点的高度较大，而直径与接触角较小。对比结果表明：无论是锡铅还是无铅回流焊接温度曲线，曲线上液相线以上部分的面积越小，即加热因子越小，焊接得到的焊点高度越高，直径与接触角越小。3 结论实验结果给出了实际工况下焊点的形状为上部较窄，下部略宽的罐状体。研究发现温度曲线的不同引起了焊点高度、直径、接触角以及轮廓的较大差异。无论是锡铅还是无铅焊点，回流焊接温度曲线的加热因子越小，焊接得到的焊点高度越高，直径与接触角越小。采取实际工况下焊点形状为模型进行焊点可靠性研究，综合评价焊点的高度、直径、接触角、轮廓等因素对焊点可靠性的影响，这对优化回流曲线，提高焊点可靠性具有重要的指导意义。

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