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浅析SMT加工无铅焊接金属间化合物的脆性

来源:   发布时间:2020-07-27   点击量:1875

    金属间化合物(IMC)通常是凝固时在贴片加工焊接点的界面析出,因此,IMC位于母材与钎料的界面。金属间化合物与母材以及料的结晶体、固溶体相比较,强度是最弱的。其原因是:金属间化合物是在热膨胀系数的脆性材料基板,衬垫,焊料侧部件,容易产生造成的开裂颜色失败之间有很大的区别。

    研究表明,无铅料与Sn-37Pb料最大的不同是:在再流焊和随后的热处理及热时效(老化)过程中,金属间 化合物会进一步长大,从而影响长期可靠性。
    图4所示是有铅焊接与无铅焊接温度曲线比较,图中下方(黑色)曲线是Sn-37Pb的温度曲线, Sn-37Pb的熔点为183℃,峰值温度为210~230℃,液相时间为60~90s;图中上方(红色)曲线是Sn-Ag-Cu的温度曲线,Sn-Ag-Cu的熔点约为220℃,峰值温度为235~245℃,液相时间为50~60s。图中显示了无铅焊接与有铅焊接的比较,无铅焊接的温度高、工艺窗口窄,金属间化合物(IMC)的厚度不容易控制。
    由于技术扩散的速度与温度变化成正比发展关系,扩散的量与峰值进行温度的持续工作时间和液相时间也成正比关系,焊接环境温度越来越高,时间越长,化合物层会增厚。而无铅焊料(Sn-Ag-Cu)恰恰熔点高,回流焊的温度比传统的Sn-37Pb高,因此,无铅焊接的高温会使IMC快速增长;从两条温度曲线的比较中还可以看到,无铅焊接从峰值温度至炉子出口的时间也比Sn-37Pb焊接的时间长,这相当于增加了热处理的时间,这也会使无铅焊点的IMC增多;另外,有研究表明,无铅料在热时效(老化)过程中金属间化合物会进一步长大,也就是说,电子产品在使用过程中由于环境温度变化以及加电发热(相当于老化)过程中金属间化合物还会进一步长大。由于IMC是脆性的,过厚的IMC也会影响无铅焊点的长期可靠性。  为了使金属间化合物的厚度不会太厚,在设置温度曲线时,应尽量考虑采用较低的峰值温度和较短的峰值温度持续时间,同时,还要缩短液相时间。因此,无铅焊接的工艺窗口很窄。
    总之,温度要求过低、润湿性差,影响进行扩散的发生,响焊点连接工作强度:温度不能过高,金属间化合物产生过多,也会响焊点连接一个弧度。
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