无铅焊及焊接点的可靠性实验

无铅焊及焊接点的可靠性实验

（1、株式会社力世科，东京都日野市日野本町1－15－17街191－0011；2、上海市虹桥路2328弄2号楼504室，200336）

摘要：随着电子装置的小型化的发展，欧盟（EU.）的WEEE和RoHS提出禁止使用Sn－Pb焊锡。这将导致一系列的工业革新，如部件体积和重量的减少，各种各样无铅产品的出现，改变现有的焊接生产线等。参照国际标准（IEC，ISO）和日本国家标准（JIS），并根据这些标准做了一系列的试验，通过试验对无铅焊润湿性、强度、耐久性等可靠性的评价方法进行说明。

关键词：无铅焊，润湿性，接触角，耐久性

中图分类号：T605 文献标识码：A 文章标码：1004－4507（2005）12－0051－05

手机、数字照相机、笔记本电脑等产品的小型化、轻量化发展的同时，欧盟出台了关于废弃电气电子仪器（WEEE：Waste El ectrical and Electronic Equipment）法案及特定有害物质的使用限制（RoHS：Restriction of the use of certain Hazardous Substances）之规定。即，2006年7月1日之后，对在电子仪器及封装业中，广泛使用的，不可缺的Sn－Pb系列焊锡将全面禁止。为此，在电子产业界，对封装部件的小型化，无铅焊锡的开发，生产线的变更等等技术改造和变革将迫在眉睫。

本文将依据国际标准IEC、ISO、JIS，通过实际测量结果，对无铅焊的润湿性、强度、耐久性等可靠性的评价方法进行说明。

1 各种标准（无铅焊相关的）

对Sn－Pb系列焊锡，我们有各种各样的标准。无铅焊从定义、种类、组成等也有其对应的IEC、ISO、JIS等国际标准，并正在进一步完善。如各标准对无铅的定义（铅的含量）、种类的一致性也还在进行调整，在日本国内使用的JIS标准，于2004年3月与IEC标准也进行了一致性的调整（例焊锡试验方法（平衡法）JIS C 0053→JIS C 60068－2－54）。

关于无铅焊标准，无铅焊试验方法第2部～第7部（JIS Z3198－1～3198－7）在2003年6月被制定。具体为：

无铅焊试验方法（JIS Z 3198－1～3198－7）

第1部熔融温度范围测定方法

第2部机械特性试验方法－拉力试验

第3部扩散试验

第4部采用wetting balance法及接触角法的润湿性试验方法

第5部焊接处的拉断及剪切试验方法

第6部QFP管脚焊接处45°拉断试验方法

第7部集成部件焊接处剪切试验

本文，在无铅焊润湿性试验中，采用的试验方法是第4部及第5、6、7部的强度试验测定方法。

2 wetting balance 法及测定实例

2.1 测定原理

在各个标准采用的试验法中，将试件浸入到焊锡中，试件周围就会受到润湿力F（见图1）的作用。通过测量这个力，就可以对润湿的速度、最大润湿力等可靠性指标进行评价。

F＝（γcosθ L－VρG）10－2 （1）

γ：表面张力V：浸入体积θ：接触角ρ：密度L：周围长度G：重力加速度

2.2 评价方法一

试件从焊锡上方任意位置浸入焊锡时，将会得到像图2所示的润湿性曲线。试件从液面浸入、将会受到方向向上的浮力（θ＞90°）作用，进一步润湿（θ＜90°），试件周围形成双曲线凹面。相对于润湿的速度而言，评价方法就是：测定试件与液面接触开始，到θ＝90°为止的时间（T0）及液面接触开始到达最大的润湿力的2/3处的时间（T1）。并且，求出试件从焊锡中拔出时的润湿力（Fend）和最大润湿力（Fmax）的比。当比值Fend/Fmax＞0.8时，就可以断定有润湿现象发生。

2.3 评价方法二

用wetting balance法进行试验时，根据测试对象或目的的不同有多种方法，图3是对表面封装部件（SMD）进行试验后的评价方法。焊锡小球法是根据标准IEC60068－2－69，JIS C 6068－2－69，JEI－TA7401而设计的试验方法。具体的，在铝块上制作焊锡小球，从而完成对浸入焊锡小球中的部件的测试。阶梯升温法及急速加热法是根据标准EIAJ ET 7404而设计的试验方法。以焊锡膏作为测试对象，对其润湿性进行评价。阶梯升温法是在试验板上，先涂上焊锡膏，SMD浸入其中，焊锡膏的温度变化和回流焊的温度变化一致的情况下，达到熔融状态时，对其润湿力进行测定；急速加热法则是焊锡膏温度在短时间内上升到熔融状态时，对其润湿力进行测定的方法。

2.4 润湿性试验举例

图4是各种焊锡润湿性试验的结果。在试件（脱磷酸铜10×30×0.3）、助焊剂、试验条件一定的情况下，根据焊锡种类的不同，将得到不同的试验结果。可以看到，各结果的润湿力几乎都一样，但过零时间（T0）的差别比较大。具体的，Sn－37Pb T0＝1s，S n－0.7Cu T0＝3s，Sn－3.5Ag T0＝1.6s，Sn－3Ag－2Bi T0＝1.4s。很明显Sn－37Pb的润湿性最好。Sn－0.7Cu的过零时间大约是它的3倍，润湿性也就最差。Sn－3.5Ag和Sn－3Ag－2Bi相比较，过零时间大体一样，润湿性也相近。因此，润湿性优劣的顺序依次是Sn－37Pb Sn－3Ag－2Bi，Sn－3.5Ag，Sn－0.7Cu。

在以下的条件下，用焊锡小球法对部件0603C的润湿性的测试结果见图5

测定部件：0603C

焊锡：Sn－3Ag－0.5Cu

温度：245℃

焊锡球：φ1（5mg）

浸入深度：0.05mm

浸入速度：0.1mm/s

对微小的SND部件，比如像尺寸在0603以下，管脚很小的部件，在测试时，一般浸入深度设定在0.2mm以下，试件和小球的距离也要很好的控制。测定的润湿力为0.25～0.35mN。另外，在现有的各标准中，SND部件的尺寸最小到1005C，1005R，而06 03以下的部件尚未被标准化。

图6为根据标准JIS Z3198－4中规定的试验方法，对各种无铅焊锡接触角的测试结果举例。具体的测试方法是，试件浸入焊锡中后，对其周围形成的内圆角表面的反射进行测量。试验的试件、焊锡的种类、测量条件等与图4一样。（浸入时间为8s）测定结果分别是Sn－37Pb 39.6°，Sn－0.7Cu 52.3°Sn－3.5Ag－0.5Cu 49.7°，Sn－3Ag－2Bi 49.6°。其顺位与图4润湿力测定结果的顺位是一致的。即，Sn－0.7Cu的接触角最大，Sn－3.5Ag，Sn－3Ag－2Bi的接触角大体一样。另外，需要说明的是图6所用的助焊剂分别是非活性A和活性化的B。

3 焊接处强度试验

3.1 45°拉断试验

图7及图8所示，是根据标准JIS Z 3198－6的规定而设计的45°拉断试验方法。QFP试验要求测试的项目是，最大拉断力、破断位置（管脚处、焊锡处、局部）。图9表示的是试验中力的变化曲线，图10是QFP、SOP等的测定结果。

3.2 集成部件焊接处强度试验

图11所示是根据标准JIS Z 3198－7而设计的对集成部件焊接处强度进行剪切试验的说明。焊接在基板上的集成部件，被先端半径为R0.25的推具推断，从而得到了最大推断力和破断时的位置（焊锡部、界面、部件部）。

3.3 耐久试验

基板的耐久试验是分别根据标准①JIS C60068－2－21 EIAJRCX－0104/101中所规定：在一定的条件下，基板弯曲时，对其电气、机械性能的试验方法；②标准EIAJ ET－7407中所规定：对CSP BGA封装状态下，多次弯曲时，对其电气、机械性能的试验方法。图12和图13是管脚接合部的强度试验举例。具体的是确定有无破断的地方；焊接种类不同结果有无影响；与形状有关否等。图14是在试验条件为：弯曲距离1mm，速度1mm/sec，弯曲次数5 000次的情况下，试验结果的照片，很明显看到的是，焊锡种类不同，破断的地方亦不同。

3.4 BGA接合强度试验

图15是BGA接合强度试验方法，图16是测量中的照片。同前所述耐久试验相同的试验方法有两种。第一种，极限弯曲试验，测定弯曲的距离和破断个数。第二种，多次弯曲试验，测定弯曲的次数和破断个数。

3.5 其他测定例

图17是手机按键的耐久试验，图18是连接器拔插耐久试验。手机、数字照相机等使用的与外部相连的连接器、插口以及SD 存储器，微型识字卡，PC卡等，这些接插部分必须保证几万次的耐久次数。图19是连接器端子部焊接合面的强度试验，实验条件：速度1mm/s，作用力5.5kg，作用时间2s，试验次数10 000次，观察焊锡接合面及对产生破断或剥离的位置进行确定。

4 总结

随着电子仪器的小型化和轻量化的发展，使用的电子部件越来越微型化。电子部件与焊锡之间接合的可靠性评价，将是对各种电子产品质量保证及满足用户要求所必须解决的重要课题。

本文中，介绍了目前与可靠性相关的主要国际标准和日本国家标准，同时，列举了用弊公司生产的试验检查仪器所进行的一些试验实例。希望能为今后的可靠性评价提供一点帮助。