摘要
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电子组装业有铅钎料禁用期限日益临近。行业内包括材料、设备、生产等各环节的厂商都在加快无铅制程导入的步伐。无铅化过程中，表面组装的焊接工艺至为重要，而随着熔点较高的新型钎料陆续应用，焊接过程的冷却速率也逐渐成为被关注点。
无铅钎料熔点较Sn-Pb共晶提高30-40℃，焊接温度相应提高。炉温的提高对元件和电路板构成挑战，焊接出炉温度也相应提高，钎料液相线上时间相对延长。较快的冷速可以控制出炉温度，从而一定程度的控制焊点内部组织以及界面化合物的厚度，提高焊点质量。本文基于实际的回流焊生产工艺，研究冷却速率对无铅焊点质量的影响。主要研究两种无铅焊膏在不同冷速下焊点微观组织和力学性能的变化。
实测冷速在-4℃/S ～ -6.5℃/S之间时形成的无铅焊点具有以下特点：微观组织细化，金属间化合物Ag3Sn和Cu6Sn5呈细颗粒状在钎料中弥散分布，使焊点断裂为韧窝断裂模式，可以起到类似复合材料的原位增强作用。在钎料和Cu盘的界面，化合物厚度较小，且呈大波浪形态，容易缓解应力集中的问题，焊点的力学拉脱载荷最大；当冷速小于-1.5℃/S时，组织粗化。内部Ag3Sn粗大而尖锐，界面的Cu6Sn5呈冰凌状，且厚度较大。焊点在推剪时这成为裂纹萌生点，焊点的力学拉脱载荷最小。
关键词 回流焊；冷却速率；拉脱载荷；推剪；焊点质量；
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
The legislation to ban the use of Pb-based solders will become effective im-mediately, which provide a driving force for enterprises to accelerate Pb-free process. It’s found that reflow soldring plays an important role in Surface Mount-ing Technology ,moreover, cooling rate in reflow soldering profile is getting more and more attention after the use of high-melting-point solders.
The melting point of Pb-free solders is 30℃~40℃ higher than Sn-Pb eutectic solder. The increase of temperature in reflower becomes a challenge of Print Circuit Board (PCB) and components. As a result, the Time Above Liquid (TAL) of solder joints becomes longer, therefore, fast cooling in reflow soldering is used for controlling the PCBA temperature , improving the microstructure of joints and decreasing the thickness of intermetallic compound , consequently, high quality products can be obtained.
How cooling rate affects the quality of soldering joints in lead-free process was studied in this paper. The experiments were based on practical industrial production and it focused on the effect of cooling rate on microstructure and mechanical properties.
When cooled at 4~6℃/S, the microstructure of joints were refined, the IMC of Ag3Sn and Cu6Sn5 phases disperse in eutectic network in joints which present spherical particles. The fracture of these joints after tensile failure presents dimple mode. Furthermore, the thickness of IMC was thin and it present gentle incline morphology. It
Keywords Rflow Soldring;Cooling Rate;Pulll；Push;
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Abstract 目录
摘要.............................................................................................................................. I Abstract ..................................................................................................................... II 第1章 绪论 ............................................................................................................... 1 1.1 课题背景.......................................................................................................... 1 1.2 研究现状.......................................................................................................... 2 1.2.1 电子组装工艺 .......................................................................................... 2 1.2.2 无铅回流焊工艺 ...................................................................................... 3 1.2.3 无铅回流焊中冷却速率研究现状 ......................................................... 5 1.3 本文主要研究内容 ....................................................................................... 10 第2章 不同冷速的无铅焊接工艺实验 ............................................................... 11 2.1 引言 ................................................................................................................ 11 2.2 试验条件........................................................................................................ 11 2.2.1 试验材料................................................................................................. 11 2.2.2 试验设备................................................................................................. 13 2.3 温度曲线调试 ............................................................................................... 14 2.4 焊接试验结果 ............................................................................................... 18 2.5 本章小结........................................................................................................ 19 第3章 冷速对无铅焊点微观组织的影响 ........................................................... 21 3.1 引言 ................................................................................................................ 21 3.2 无铅焊点微观组织 ....................................................................................... 21 3.3 冷速对焊点内部组织的影响 ...................................................................... 24 3.4 冷速对焊点界面组织的影响 ...................................................................... 28 3.5 不同冷速对时效过程界面IMC生长的影响 ............................................ 30 3.6 本章小结........................................................................................................ 33 第4章 冷速对无铅焊点力学行为的影响 ........................................................... 34 4.1 引言 ................................................................................................................ 34 4.2 冷速对无铅焊点力学性能的影响 .............................................................. 34 4.2.1 力学测试仪器 ........................................................................................ 34 4.2.2 QFP焊点的力学测试 ............................................................................ 35 4.3 冷速对无铅焊点断裂行为的影响 .............................................................. 38
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4.3.1 QFP焊点拉脱断裂模式 ........................................................................ 38 4.3.2 QFP焊点的断口特征 ............................................................................ 41 4.3.3 片式电阻焊点推剪的断口特征 ........................................................... 41 4.4 本章小结........................................................................................................ 43 第5章 无铅回流炉的冷却模块 ............................................................................ 44 5.1 引言 ................................................................................................................ 44 5.2 回流炉结构.................................................................................................... 44 5.3 本章小节........................................................................................................ 46 结论............................................................................................................................ 47 参考文献 ................................................................................................................... 48 附录............................................................................................................................ 49 攻读学位期间发表的学术论文 .............................................................................. 50 致谢............................................................................................................................ 51 索引............................................................................................................................ 52 个人简历 ................................................................................................................... 53
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第1章 绪论
1.1 课题背景
欧盟的WEEE和RoHS两指令规定从2006年7月1日起全面实现无铅化电子组装。中国顺时而动，也以此为有铅的禁用期限[1]。包括法令、市场竞争和客户要求等在内的诸多因素都促使国内企业必须加速导入适于自身产品的无铅制程。应对无铅运动挑战对企业而言可谓逆水行舟，不进则退。所以各企业必须从无铅SMT的特性包括材料、工艺、设备以及DFM（Design For Manufacture）等各方面着手，制定最适合自己产品的无铅制程。
通过几年来的努力,国内企业对于无铅回流焊已经积累了较为丰富的经验。在焊膏方面，Sn-Ag和Sn-Ag-Cu系合金已经广泛应用[2]，供应商们仍在努力研究，相信更优性能更低成本的助焊剂和焊膏将会陆续出现；在设备方面，无铅制程中受影响最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[3]；工艺方面，通过制程优化和精确的温度控制，缺陷已经大为减少，成品率和焊点可靠性逐渐得到提高。
但是，由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。各类缺陷问题在陆续出现，但客户对产品的质量要求却不断提高，这促使制造工艺尤其是焊接工艺愈来愈受人们关注。针对高可靠性要求的通讯设备、汽车电子等产品，设备商、材料商和制造商通常派出技术人员共同解决生产中出现的工艺缺陷。其中，在有铅电子组装工艺中并不受重视的冷却速率在无铅导入过程中逐渐引起人们的关注。因为[4、5]： 1）铅焊接温度升高，PCB组装板出炉温度高。高温时间过长必然造成对元件、焊盘镀层以及PCB板等的热冲击。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。
然而，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
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