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图4-8 Sn-3.5Ag/QFP焊点的断口形貌
图4-9,4-10分别为焊膏B在A曲线下和D曲线下焊点推剪断口的体式显微照片。由（a）到（b）到（c）依次局部放大。在A曲线下推剪断裂路径主要在钎料内部。在图4-9（a）中观察到清晰的断裂分界线，该分界线是由于爬升到元件焊端侧面的钎料在推剪过程中未受影响而形成。元件焊端底部和焊盘上之间是断裂的主要发生面。在快冷条件下，主要发生韧性断裂。
（a） （b） （c） 图4-9 A曲线下焊膏B电阻焊点推剪的断口形貌
对于慢冷下的无铅焊点，如图4-9（c），主要断裂路径在钎料和焊盘的界面。部分粗大尖锐的Cu6Sn5相在推剪过程中折断，进一步证明慢冷焊点界面粗大的IMC易于应力集中，在推剪过程中成为断裂通道。
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（a） （b） （c） 图4-10 D曲线下焊膏B电阻焊点推剪的断口形貌
4.4 本章小结
1. 2.
对于两种无铅焊点，冷却速率提高焊点的力学性能。而有铅焊点在冷速超过一定范围后，力学性能反而下降。
在QFP焊点拉脱过程中，焊点从内圆角起裂。对于有铅焊点，裂纹扩展路径在钎料内部较多。冷速小，界面IMC异常粗大时从界面断裂的趋势增大；对于无铅焊点，在冷速较小时裂纹沿着IMC和钎料的界面扩展，且可能拉断异常长大的界面IMC。此时3.
的力学值较小。
快冷曲线下的拉脱和推剪断口都明显存在韧窝，表明时韧性断裂。断裂路径在钎料内部的几率较高；而慢冷时断裂沿界面IMC发生的几率更高。冷速越小，IMC折断越多，宏观上的力学测试值也较小。
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第5章 无铅回流炉的冷却模块
5.1 引言
各设备商生产的回流炉在设计理念和结构安排上有差异，也就必然出现了各型炉子之间不一样的加热和冷却能力。设备商们正试图改进已有的冷却结构和冷却方式，提升设备的冷却能力以适应无铅制程。
5.2 回流炉结构
表面组装技术本身的特点决定了回流炉的隧道式结构，这种结构使各个相邻模块之间极容易窜温。这在回流区和冷却区之间尤其明显。在无铅焊接中，回流区模块温度通常设定在260℃左右，而紧邻的冷却区却要求温度尽量低。模块之间相互的传热容易导致回流区温度偏低而冷却区偏高。所以设备工程师以增加两模块之间的距离来降低窜温的风险。如图5-1，加热区和冷却区之间的距离D通常在20-200mm左右。D值的大小直接影响冷却的效果。因为PCB组件在这一段的运动使焊点温度在未进入冷却区以前已经接近其凝固点。则PCB组件进入冷却区后冷速对焊点组织的影响必然较小，进而不会对力学性能产生太大的影响。要提升设备的冷却能力，达到实际所需的冷却效果，设备商需要在这个问题上作出努力：以尽可能小的距离D达到最大的温度精度。
图5-1 回流炉基本结构示意图
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从近年各类型展会看来，目前世界一些主流回流炉的流炉冷却能力大致在同一个水平。如BTU、HELLER、REHM等冷却能力都在-4℃/S～-8℃/S以内。国产回流炉如日东等冷速也在该范围内。实际上一台回流炉的冷速究竟能达到多少，所测最大冷速是否作用在了焊点最需要冷却的区间，在衡量这些指标时必须通过实际组装板上的焊点来进行测量。尤其应该注意炉子在焊接尺寸大、组装密度高、大元件多的PCB板的表现能力。
当前主流炉子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，如图5-2冷却模块示意图。
图5-2 一种冷却模块示意图
如图5-3，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，可以实现设置第一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。
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图5-3 可控双冷却模块和外置水冷机
5.3 本章小节
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精确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。
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