刊物及廣告資料 > 刊物簡介 > 新電子工藝 > 第201003期 熱點技術
針對錫鉛焊點和無鉛焊點物理強度的研究
2010-06-08
胡志勇   近年來,業界持續地朝採用無鉛焊接方式的電子組裝方向發展。按照RoHS的要求開展無鉛工作並在PCB設計、製造和裝配領域佔據了重要地位。那麼,無鉛焊點在物理強度方面與以往所採用的錫鉛(SnPb)焊點有何區別呢?本文試圖根據Global Testing Services Inc 公司技術人員所開展的一項研究結果作一簡要介紹。

 

 

  隨無鉛焊接技術的深入和普及,人們在迎接這一新技術所帶來的挑戰的同時,也關心無鉛焊接技術所形成的焊點與以往錫鉛合金所形成的焊點在物理強度方面會有哪些區別?是否會影響到最終所形成的電子產品的可靠性?

 


1 無鉛焊接技術的引入


  鉛在電子工業中有非常廣泛的應用需求,這是因為它的價格比較低廉,同時具有良好的導電性和相對較低的熔點。然而,根據有關國際公約,特別是歐盟的規定,歐盟關於《電子、電氣設備中限制使用某些有害物質指令》RoHS幾經修改,於2003年2月13日開始正式生效,規定“自2006年7月1日起,在歐盟市場上銷售的全球任何地方生產的屬於規定類別內的電子產品中不得含鉛”。許多國家和電子產品用戶的技術標準都規定,在銷售的商品中要取消有害材料的使用。

 


  我國由於電子封裝業起步較晚,無鉛化進程相對落後,但己引起有關部門的注意。國家原信息產業部制定的《電子信息產品污染控制管理辦法》於2005年1月1日起實施。它明確指出,“自2006年7月1日起,列入電子信息產品污染重點防治目錄的電子信息產品中不得含有鉛及其他有毒有害物質”。

 


  無鉛的定義尚未有國際統一標準。一般認定的“無鉛”,是指電子產品中的鉛含量不超過0.1%。總體來講,無鉛封裝是一個系統工程,它不僅僅指無鉛焊料,還有相應的元器件引腳及其覆層、PCB塗層等都要求無鉛。同時,由於現有大量昂貴的電子產品生產設備與製造工藝大都適用于傳統的錫鉛焊料,所以,向無鉛化的轉變必然會帶來大量明顯和潛在的問題。

 


  近年來,業界己持續地朝適用於無鉛印制電路板的方向發展。按照RoHS的要求開展無鉛化工作己經在PCB設計、製造和裝配領域佔據了重要地位。下面試圖通過美國Global Testing Services Inc公司工程師所開展的一項研究工作,通過加速老化試驗的方法來評估兩種工藝所形成焊點在物理強度方面的區別和特點。

 


2 開展的試驗工作


  符合無鉛焊接的電子元件必須滿足與含鉛組裝件相同的嚴格性能和可靠性要求,以及相關規範的要求。因為無鉛化焊膏和焊料與以往常規採用的錫鉛合金焊接技術無論在應用方面還是在工藝方法方面均存在差別(如:較高的熔融溫度、較長的焊接時間等),通過採用加速老化測試來滿足這些標準的要求是非常重要的。

 


  美國Global Testing Services Inc公司工程師所開展的本項研究使用了錫鉛(SnPb)焊料作為控制參照物,無鉛焊料作為測試目標物。用手工焊接的方式將不同的元器件(6個電感器件、8個片式電阻和2個插座)焊接到一塊用於測試的電路板上(印製電路板所採用的表面處理方法為:無光澤的浸錫處理)。然後,再將裝配好的電路板用於一系列加速老化測試(熱衝擊、溫度和濕度的循環、振動,以及所有三個項目加後的綜合測試)。最後,對焊點進行缺陷、連接完整性、錫須、引腳的拉伸強度和剪切力方面的分析。表1列出了本項研究所用物料和數據的基本信息。圖1所示是裝配好的測試板,圖2為電路板上的引腳拉力測試。

 

 

 

表1 開展研究使用的物料及相關數據的基本信息

 

 

   

 

圖1 裝配有元器件的測試電路板

 

 

 

圖2 在測試電路板上進行引腳拉伸試驗

 


  在實施手工焊接操作以前,在所有的試驗板上貼上標籤,其中A-1到A-8的試驗板採用標準的錫鉛焊料,而B-1到B-8的試驗板採用無鉛焊料。根據在手工焊接操作期間和以後兩種焊料所呈現出來的不同現象,對所採用的兩種技術進行探討。所討論的內容包括:

 


在無鉛焊料髮生熔融現象以前,所花的加熱時間較長。


無鉛焊料的流動性沒有錫鉛焊料好。


無鉛焊料無法實現像錫鉛焊料一樣好的“浸濕”現象。


無鉛焊料與錫鉛焊料相比較,引腳與焊盤的焊接有很大的差別。
 

無鉛焊料的焊接點呈現出灰暗的色澤和較多的粒狀物。


人們普遍擔心無鉛焊料所形成的焊點相對較差。


隨大量無鉛焊料的使用,給了人們獲得良好焊點的信心。


使用標準的錫鉛焊料可以獲得更好的性能。


  接下來對試驗板進行電裝,針對加速老化試驗,將它們分為兩組,分別為階段I試驗(一般程度)和階段II(條件較為苛刻)。有關這種狀態的詳細說明見表2和表3所列。

 

 

 

 

表2 階段I時的測試狀態

 

 

表3 階段II時的測試狀態


  圖3和圖5所示是在兩塊試驗板A-7和B-7上,一個片式電阻上焊點的顯微照片(放大倍數為45X),這是試驗板在進入加速老化試驗以前拍的。圖4和圖6是在試驗板A-7和B-7上相同位置的焊點照片,它們是在加速老化試驗(熱衝擊、潮熱和振動試驗)以後拍攝下來的。

 

 

   
 

 

圖3 在開始加速老化試驗以前,在A-7印製電路板上的錫鉛焊點。

 

 

 

 

圖4 在經歷了熱衝擊、潮熱試驗和振動試驗以後,在A-7印製電路板上的錫鉛焊點。

 

 

  

 

圖5 在開始加速老化試驗以前,在B-7印製電路板上的無鉛焊點。

 

 

 

 

圖6 在經歷了熱衝擊、潮熱試驗和振動試驗以後,在B-7印製電路板上的無鉛焊點。

 

 


  圖7和圖8所示是試驗板A-7和A-8在經歷了階段II老化試驗後的高放大倍率照片。同樣在進入老化試驗以前,對試驗板A-7和B-7上的電感進行了有關剪切力的測試,以及對試驗板A-8和B-8進行了引腳拉力強度方面的測試。表4列出了所進行引腳拉力測試和剪力測試的資料,包含了在進行老化試驗(熱衝擊、潮熱和振動試驗)以後所獲取的相關數據。圖9顯示了對電感器件實施的剪切力試驗。表5列出了在本項研究中所採用的加速老化試驗設備和儀器裝置。

 

 

 

圖7 在加速老化試驗以後,用100倍的放大倍數看到的在A-7印製電路板上面的錫鉛焊點的情況。

 

 

 

表4 引腳拉力和剪力試驗結果(1)

 

 

圖8 在加速老化試驗以後,用100倍的放大倍數看到的在B-7印製電路板上面的無鉛焊點的情況。

 

 

 

圖9 針對電感器件的垂直作用力試驗


 

成為會員可瀏覽更詳細的網上月刊內容,按此註冊成會員
內容眾多,未能盡錄,歡迎訂閱或補購
按此了解訂閱服務。
刊物內容 :