无铅回流焊冷却速率研究应用现状

摘要：阐述了冷却速率对无铅再流焊质量影响的研究现状，总结了冷速对无铅钎料以及SMT焊点可靠性的影响。研究现状表明快速冷却有助于减少焊接缺陷，提高焊点可靠性。

关键词：冷却速率，无铅钎料，回流炉，快速冷却，焊点可靠性

中图分类号：TG454 文献标识码：B 文章编号：1004－4507（2005）12－0034－06

随着电子行业有铅钎料禁用期限日益临近，国内的制造企业包括原始设备厂商和电子制造厂商都已开始着手导入适于自身产品的无铅制程。通过几年来的努力，国内企业已经积累了较为丰富的经验，在焊膏方面，Sn－Ag和Sn－Ag－Cu系已经广为应用，供应商们仍在努力研究，相信更优性能更低成本地助焊剂和焊膏将会陆续出现；在设备方面，无铅制程中受影响多的回流焊机通过在加热模块、氮气保护、助焊剂回收管理、智能控制等方面的开发逐渐适应了无铅；工艺方面，通过制程优化和的温度控制，缺陷已经大为减少，成品率和焊点可靠性逐渐得到提高。

由于无铅焊膏自身特性带来的一些新问题如竖碑、表面裂纹、锡须等等仍未能彻底解决。与此同时，无铅焊接工艺中的冷却速率也逐渐引起人们的关注。因为：

（1）无铅焊接温度升高，PCB组装板出炉温度高。需要可靠的冷却手段降低出炉温度。
（2）焊点钎料液相线以上时间必须加以控制，以减少钎料和焊盘的反应时间，防止脆性的金属间化合物生长过厚，影响接头强度。

（3）无铅焊点表面发黑，改变冷速可以改变焊点光亮。

但是，冷却速率并非越快越好，过大的冷速又会导致应力集中，出现元件破裂和PCB翘屈等缺陷。且焊点在钎料、PCB组件密度和尺寸、焊盘材料等诸因素时对冷速率要求也不尽相同，工艺人员制定温度曲线时多凭经验，没有较为深刻的认识。本文从无铅钎料、焊接工艺、回流炉冷却模块等方面阐述冷却速率在SMT组装中的应用现状。

1 冷却对无铅钎料的影响

当前无铅钎料市场主流是Sn－Ag、Sn－Cu以及Sn－Ag－Cu系合金。对于无铅再流焊用钎料，日本JEITIA推荐Sn－3Ag－0.5Cu和Sn－3.5Ag－0.7Cu，美国NEMI推荐Sn－3.9Ag－0.6Cu，欧洲机构则倾向于Sn－3.8Ag－0.7Cu。

Sn－Ag－Cu系无铅焊料具有固有的微观组织、优良的机械特性和焊点使用可靠性，其在共晶点附近的组织为Sn＋Ag3Sn＋Cu6Sn5。从合金的金相照片可以看出，照片中白色基体为β－Sn，黑色粒子为Ag3Sn和Cu6Sn5相。Sn和Ag大致上不固溶，Ag3Sn很稳定，一旦形成，高温放置时也不易粗化，是一种耐热性好的焊料。在反应界面会形成扇贝状Cu6Sn5金属间化合物。随着反应的进行，由于Cu6Sn5与铜板接触，开始和Cu反应，生产Cu3Sn层状金属间化合物。

在机械性能方面，由可以看到，Sn－Ag和Sn－Ag－Cu系合金在低温和室温两种条件下的拉伸强度和延伸率都达到或超过Sn－Pb共晶钎料。

1.1 冷却对微观组织的影响

F.Ochoa等人研究了冷速对Sn－3.5Ag的作用，冷却速度测量区间为峰值温度到150℃，他认为对于Sn－3.5Ag，该温度以下，微观结构较少变化，不必要继续冷却，所得微观组织如所示，（a）冷水淬火，冷速24℃/s。该冷速为快冷，导致非平衡相固化，生长出较细的富锡枝状晶，周围是富Sn基体中的球状颗粒Ag3Sn；（b）为0.5℃/s冷却，也会导致非平衡固化，但微观结构为较粗大的富锡枝状晶，共晶的富Sn基体中的球状颗粒Ag3Sn也相对较大。富锡相和共晶带的颗粒尺寸都随冷速增加而减小。这表明：快冷可以减小原子扩散时间，细化微观组织。

此外，冷速还影响金属间化合物Ag3Sn的尺寸和形态。快速冷却提高形核率但是抑制了Ag3Sn的生长，使Ag3Sn呈球状颗粒并且在富锡相基体中弥散分布形成共晶带。

对于Sn－Ag－Cu系铸造态合金，冷却速率的影响与Sn－Ag系类似。K.S.Kim[3]等人研究表明， β－Sn颗粒被细小的共晶网络状结构所包围，共晶网络快冷时较慢冷时细小，所有的慢冷件都出现粗大共晶微观结构。用XRD分析可以确定合金中出现的相为Ag3Sn和Cu6Sn5。深度腐蚀的Sn－3.5Ag－0.7Cu慢冷件微观可以较为清晰地看到Ag3Sn沉积物呈片状，Ag3Sn为在冷却过程中率先形核，是初始相。大块片状初始相Ag3Sn沉淀物应该被避免，因为它较脆，当钎料接头在低应力或者循环应力条件下工作时导致缺陷。

是笔者对千住Sn－3Ag－0.5Cu焊膏在铜焊盘上加热熔化后用不同冷速得到的金相照片，空冷条件下的枝状晶尺寸差异很大，少数富锡相枝状晶呈长条状，比周围其它富锡相大好几倍。（b）水冷，冷却速率近100℃/s，其钎料微观组织明显细化，晶粒尺寸减小，且枝状晶之间的间距也减小，晶粒形状和尺寸都趋于均匀一致。当然这样的冷速在实际生产中是不现实的，这只反应了快速冷却对微观组织的作用。
1.2 冷却对金属间化合物的影响
IMC（主要是η－Cu6Sn5）的初始形态也和冷速大有关系。显示水冷和空冷的IMC相对炉冷件要薄，而且生长面较平坦。炉冷件η相较厚，呈扇贝状。X.DENG等人认为：IMC厚度变之所以受冷速变化的影响，是因为冷速减小时钎料液态滞留时间增加，相当于再流时间延长，反应和扩散也增强，所以冷速降低出现IMC厚度增加，同时冷速越小IMC形状起伏越大。这样的形状也会对SMT焊点有劣化作用。

1.3 冷却对强度性质的影响
如表1，J.Madeni测得几种无铅钎料在不同冷速下的拉伸和屈服强度。水冷同时提高了钎料的拉伸强度和屈服强度，而且屈服强度提高尤其明显。

Yang[6]等人的研究结果也表明冷速的增加提高屈服强度、剪切强度。Kim等人的实验也表明Sn－Ag－Cu系钎料合金冷速增加时拉伸强度增加。
强度随冷速的增加而增加可以由微观结构的细化来解释，由尺寸和强度关系函数Hall－Petch公式可知冷速细化微观组织，从而提高强度。而且枝状晶尺寸减小则界面面积增加也使抗断裂能力增加，起到强化作用。Yang等人认为弥散分布颗粒越细钎料接头的强度越高。在水冷时接头工作淬硬速率是由于细化和弥散分布的Ag3Sn硬度高于锡基体（锡基体使断裂性能提高）。冷速减小微观尺寸增加，因此炉冷条件下获得的较粗的微观结构将导致断裂性能变差。

1.4 冷却对抗蠕变性能的影响
蠕变行为是温度性能的一个指标，而冷却速度对无铅钎料的蠕变行为有重要的影响，冷速的增加使试件抗蠕变性能增加，这是因为快冷改变微观组织结构[7]。快冷形成的细小富锡枝状晶和锡基体中细小弥散的Ag3Sn颗粒使接头抗断裂性能提高从而提高蠕变性能。相反，慢冷时粗大的晶体容易导致裂纹并扩展。Sn－Ag系的蠕变性能提高主要是弥散分布颗粒起到了增强作用。而通过研究微观结构和应力值变化，结果表明变形过程的主导机制并非晶界滑移。
对比63Sn－37Pb钎料，冷却速率对其拉伸和蠕变性能的影响都和SAC合金相反。快冷时共晶的Pb成球状，同时是在冷速增加的条件下所有的相都细化，但差别在于Pb硬度比富锡基体弱而且含量远大于Ag在Sn－Ag和SAC合金中的含量。所以快冷导致的Sn－Pb钎料微观细化，反而使其在变形过程中更有利于晶界滑移。快冷Sn－Pb合金的100抗蠕变性能也降低。
可以说Pb和Ag3Sn本身的性质决定了合金的主导变形机制，使冷却速率有不同的表现。这也是冷却速率在无铅焊接中较受关注的一个原因。
除了以上冷却速率的一些影响以外，快速冷却还可以获得比慢冷更为光亮的外观。是AIM公司对不同焊膏加热熔化后采用不同冷速冷却获得的外观图片，快速冷却的外观明显比慢冷的亮，所以快冷可以解决实际生产中焊点金属光泽差的问题。

2 冷却在生产中的应用
以钎料合金SAC系和Sn－Ag系为对象对冷却进行的研究结论如前文所述。可以说快速冷却对其各方面性质都存在有利影响。但是很少有学者以PCB板和元器件焊接为研究对象进行实际表面组装来研究冷速的影响，所以当前人们对快速冷却对于无铅焊接工艺的意义尚不明确。加之快冷导致的应力问题，冷速宜快宜慢，尚无定论。关键在于找到平衡点，确定无铅钎料焊点的冷却速率。
美国的Amkor公司对SnAgCu系列的钎料BGA焊接进行了全面的可靠性研究。在快速冷却的情况下，Sn－Cu、Sn－3.4Ag－0.7Cu及Sn－4.0Ag－0.5Cu焊点可靠性提高了超过20％。

日立公司在便携式信息产品"Mopailegea"上的应用Sn－3.5Ag－0.75Cu焊料，冷速为4℃/s。该产品基板装有1.27mm间距的BGA、0.5mm间距的QFP，0.5间距的连接器，1.0mm×0.5mm的片式元件。焊后焊点外观漂亮，很少外观缺陷，可靠性测试结果十分好，产品进入批量化生产。
IBM公司的技术人员采用两种冷速对SAC钎料的BGA焊点冷却固化：（a）在一种油介质中快冷（接近100℃/s）；（b）在炉中慢冷（0.02℃/s）。如（a）所示，形成很细的β－Sn枝状晶并在其间形成较细的共晶带。快冷形成较大的温度梯度，使枝状晶生长尺寸细化，且形成弥散强化的Ag3Sn或Cu6Sn5，使接头的拉伸强度和抗蠕变性能都大为提高。（b），慢冷形成的微观组织粗大，又Ag3Sn或Cu6Sn5呈共晶相出现，生长形态不规则且尺寸偏大，失去了弥散强化效果，这大大降低了接头的质量。在实际生产中，采用1.5℃/s或稍大的冷速对接头冷却可以有效抑制大片状Ag3Sn或Cu6Sn5，起到弥散强化作用，提高钎料接头质量。
Vitronics Soltec公司的Ursula Marquez[8]认为：良好可控的再流工艺曲线影响再流焊接的质量，而冷却速率是工艺曲线中的重要组成部分，影响焊料在液态的滞留时间从而影响焊接质量和成品率。如表2，快速冷却实现了对钎料液相线以上时间（TAL）的控制，从而获得良好的焊点质量。

Ursula Marquez实验采用的冷速2.5℃/s，慢0.5℃/s焊接BGA器件。典型的SAC系合金在慢冷（0.5℃/s）下的BGA焊点枝状晶异常粗大，IMC尺寸也较大，由于无铅本身工艺窗口窄，所以2.5℃/s已经属于快冷之列。如（b）所示，快冷时化合物厚度明显减小，且没有如（a）中Ag3Sn和Cu6Sn5像冰凌一样的形状。

Y.QI[9]等人研究了冷速对无铅的Sn－3.8Ag－0.7Cu钎料焊接无引脚片式电阻（LCR）的影响。用3种冷速进行冷却：1.6℃/s、3.8℃/s和6.8℃/s，并进行了加速热循环试验，测试结果也表现，快速冷却的SAC钎料焊点的力学性能尤其是抗蠕变失效性能较慢冷的焊点好。

3 回流炉的冷却系统

在前不久结束得NEPCON展会上，各大焊膏生产厂商的无铅焊膏即使是同一成分，推荐冷速却大不一样。由表3推荐的几种品牌钎料工艺参数来看，SENJU要求冷速达到5℃，ALPHAMAL没有给出冷速限制，GENMA的冷速却达到10℃。而IPC标准认为出于元器件的安全性能考虑，冷速一般不宜超过4℃/s。

在NEPCON华南展会上，世界上一些主要设备制造商展出的再流炉冷却能力大致在同一水平。如BTU、SENJIU、REHM等冷却能力都在4－8℃/s以内。国内生产的再流炉如日东等冷速也在该范围内。在设备的冷却能力这个指标上，国内外都趋于一致。当前再流炉的冷却模块总趋势是强制冷却＋冷速可控。冷却手段多为循环水冷＋风冷，为冷却模块示意图。

如，为了进一步提高无铅焊接质量，各设备厂商应客户要求已经开发出冷却区与焊剂管理相互结合的双模块冷却区。且各冷却模块独立可控，冷却区温度显示及可调。循环水来自于外置的冷水机，可以满足各种无铅速率要求。双模块冷却由于各模块独立控制，可以实现设置个模块和第二模块不同温度，这样既可以较好的控制焊点高温时间，又能够适当减小快冷造成的应力集中。

4 小结

冷却速率的确定对无铅再流焊工艺至关重要。对于无铅钎料合金冷却增加可以细化微观组织，改变IMC的形态和分布，提高钎料合金的力学性能。对于实际生产中的无铅焊接，在不对元器件产生不利影响的情况下，冷却速率的提高通常也能减少缺陷提高可靠性。如果冷速过快，将会造成对元件的冲击，造成应力集中，使产品的焊点在使用过程中过早失效，但就目前国内外的再流炉的冷却能力来看，对于PCB板和元器件尺寸都比较小的情况，一般的再流炉都可以满足要求，对于大尺寸、高密度元件的PCB板，焊接的实测冷却速率通常较小，即PCB组件的出炉温度不够低，尤其液相线以上时间控制很难。目前各设备厂都逐渐开发出冷却速率可控、冷却区温度实时监控的冷却模块。进一步提高再流炉的冷却能力和冷却区间的控制是设备厂商今后将要关注的一个问题。当然，也可能随着无铅钎料本身的发展，比如可焊性和抗氧化性等性能的提高，对于焊接工艺和设备的要求反而会宽松一些。