冷却速率对无铅再流焊焊点质量的影响
冷却速率对无铅再流焊焊点质量的影响(续完)
１ ｍ ｓ ｕ ｎ立 即转 化为Ａ Ｓ ４ ／，Ａ Ｓ ２ ｕ ｎ。接 着Ａ Ｓ ４ ｕ ｎ 晶粒开 始从 Ｎ 层底 部分离 出来落 到钎料 中 ，在Ａ Ｓ ｉ ｕ ｎ离开界 面后 ，Ｎ 层 与Ｓ 反 应生成 Ｎ Ｓ 化合 物 。Ａ Ｓ ｉ ｎ ｉｎ ｕ ｎ弥散分
次枝 晶及 间距 ，产 生相对 薄而平 坦 的 田一 ｕＳ 面 Ｃ ｎ界 相 （ 非较厚 的扇贝状 ）和细小 且成球 形 的Ａ ｎ 而 ｓ 和
叼一 ｕＳ 相 （ ｃ ｎ体 而非针 状或块 状 ），增加 了焊点 的 接合 强度 ，减少 了偏析现象 。 （ ）大应 变下位 错产生 滑移且 占主导 时 ，快速 １
第３卷第２ ３ 期
史建卫：冷却速率对无铅再流焊焊点质量的影响
１５ ２
快 冷细 化焊 点 内部 组织 ，提 高体 强 度 ，而且 使
焊点 内Ｉ 弥散 分布 ，进一步提 高体强度 。慢 冷时组 ＭＣ
装板 含有 质 量和 热容 相差 较大 组件 ，造 成相 同的冷 却 系统在 大 小元件 之 间形 成不 同的冷速 ，一 般相 差
Ｎ 层 与Ｎ 层 的Ｉ 相似 ，Ａ 在 回流时扩散到钎料 中。 ｉ ｉ ＭＣ ｕ Ｈｏ 人详 细 研 究 了这种 现 象 ，Ａｕ 与钎 料 快 速 反 等 层
应 形 成 Ａ Ｓ ４ Ａ Ｓ ２ ｕ ｎ和 Ａ Ｓ ２ 生 长 比率 为 ｕ ｎ和 ｕ ｎ ，Ａ Ｓ ４ ｕ ｎ的
快速 冷 却 导致 相对 细 小 的 一 ｎ 始 晶粒结 构 、二 Ｓ原
是无 铅钎 料强 度无 变化 ，断 裂主 要发 生在 钎料／ＭＣ Ｉ
冷却 速率 影 响着 焊点 的微 观组 织 及界 面化 合 物
形貌 和厚 度 ，从而 影 响到 焊点及 产 品 的综合性 能 。
PCBA之BGA虚焊原因及改善
PCBA之BGA焊点“虚焊”一、概念：电路板调试过程中，会出现“BGA器件外力按压有信号，否则没有信号的现象"，我们称之为“虚焊”。
二、原因分析：从焊点的形貌方面分析，BGA焊点的接收标准在IPC-A-610D中的定义为：优选的BGA经X光检测，焊点光滑、边界清晰、无空洞，所有焊点的直径、体积、灰度和对比度均一样，位置准确，无偏移或扭转，无焊锡球，如图1所示。
实际经验得出明显的虚焊焊点形状不规则或圆形四周不光滑或焊点尺寸小，如图2所示。
图1 图22.1焊球及焊盘表面氧化若器件焊球氧化或PCB板焊盘氧化，焊料很难与焊盘之间形成牢固的冶金结合，从而不能提供持续可靠的电气性能，即表现为“虚焊”现象。
2.2焊点裂纹若BGA焊点在界面处出现裂纹，从而导致机械及电气性能失效，我们也称之为“虚焊”。
BGA焊点裂纹主要是因为PCB基板和元器件的基膨胀系数不匹配（FR4的CTE为18ppm/℃，而硅芯片的CTE为2.8ppm/℃），焊点中存在残余应力而导致的。
BGA焊点（无论是SnPb还是SnAgCu焊点）裂纹绝大多数都是出现在焊球与器件的基板之间，即封装一侧，并且裂纹非常靠近封装一侧的金属间化合物。
软件模拟与试验结果是吻合的。
个人认为这种结论在一定程度上暴露了器件本身存在的质量问题。
如图3、4为BGA焊点的金相分析图及光学检测图，裂纹出现在器件上端。
IPC-A-610D中指出：只要裂纹底部不深入到焊点内部影响电气及力学性能就能判定为合格。
但如果焊点中有裂纹，可能暂时不会影响整机的电气性能，但是在高低温循环或冲击的载荷下裂纹进一步扩展使焊点断开，则会导致整机失效。
因此在实际生产中，尤其是军品，BGA焊点是不允许出现裂纹的。
2.3冷焊焊点在回流阶段，如果焊料在液相线以上温度时间过短，焊料与焊球还没有充分融合到一起随即进入冷却区，这样就会出现冷焊焊点，这种焊点表面粗糙，长期可靠性差，很容易引起焊点失效，形成“虚焊”。
单元-再流焊接技术
4．激光再流焊 加热方法： 激光再流焊是一种新型的再流焊技术，它是利用激光
光束直接照射焊接部位而产生热量使焊膏熔化, 而形成良 好的焊点。 激光焊是对其它再流焊方式的补充而不是替代，它主要应 用在一些特定的场合。
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优点： • 可焊接在其他焊接中易受热损伤或易开裂的元 器件； • 可以在元器件密集的电路上除去某些电路线条 和增添某些元件，而无须对整个电路板加热； • 焊接时整个电路板不承受热应力，因此不会使 电路板翘曲； • 焊接时间短，不会形成较厚的金属间化物层， 所以焊点质量可靠。
外观
加热系统
控制系统
回
动力系统
流
炉 助焊剂管理
冷却系统
氮气系统 其他
再流焊类型 再流焊由于采用不同的热源，再流焊机有：热
板再流焊机、热风再流焊机、红外再流焊机、红外 热风再流焊机、汽相再流焊机、激光再流焊机等。
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1.对流/红外再流焊（简称：IR） 加热方法:采用红外辐射及强制热风对流的复合 加热方式。 优点： 可弥补下列问题 色彩灵敏度：基板组成材料和元件的包封材料 对红外线的吸收比例不同； 阴影效应：辐射被遮挡而引起的升温不匀。
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空气中的潮气在其表面产生水分，另外焊膏中的水分也 会导致锡珠形成。在贴装前将印制板和元器件进行高温 烘干作驱潮处理，这样就会有效地抑制锡珠的形成。夏 天空气温度高湿度大，当把焊膏从冷藏处取出时，一定 要在室温下放置4～5小时再开后盖子。否则在焊膏的界 面上形成水珠，水汽的存在容易产生锡珠 。 若采用无铅焊料，因为无铅焊料的抗氧化性差，焊膏中 氧化物含量会影响焊接效果，因为氧化物含量越高，金 属粉末熔化后结合过程中所受阻力就越大，再流时就不 利于金属粉末相节炉温及传送带速度两个参数来实 现。
影响再流焊质量的原因
影响再流焊质量的原因(--)PCB焊盘设计SMT的组装质量与PCB焊盘设计有直接的、十分重要的关系。
如果PCB焊盘设计正确，贴装时少量的歪斜可以在再流焊时，由于熔融焊锡表面张力的作用而得到纠正(称为自定位或自校正效应)；相反，如果PCB焊盘设计不正确，即使贴装位置十分准确，再流焊后反而会出现元件位置偏移、吊桥等焊接缺陷。
根据各种元器件焊点结构分析，为了满足焊点的可靠性要求，PCB焊盘设计应掌握以下关键要素：1.对称性——两端焊盘必须对称，才能保证熔融焊锡表面张力平衡。
2.焊盘间距—确保元件端头或引脚与焊盘恰当的搭接尺寸。
焊盘间距过大或过小都会引起焊接缺陷。
3.焊盘剩余尺寸——元件端头或引脚与焊盘搭接后的剩余尺寸必须保证焊点能够形成弯月面。
4.焊盘宽度——应与元件端头或引脚的宽度基本一致。
以矩形片式元件为例，图5为焊盘结构示意图.如果违反了设计要求，再流焊时就会产生焊接缺陷，而且PCB焊盘设计的问题在生产工艺中是很难甚至是无法解决的。
例如：1.当焊盘间距G过大或过小时，再流焊时由于元件焊端不能与焊盘搭接交叠，会产生吊桥、移位。
2.当焊盘尺寸大小不对称．或两个元件的端头设计在同一个焊盘上时，由于表面张力不对称，也会产生吊桥、移位。
3.导通孔设计在焊盘上，焊料会从导通孔中流出，会造成焊膏量不足(二)焊膏质量及焊膏的正确使用焊膏中的金属微粉含量、金属粉末的含氧量、粘度、触变性都有一定要求。
如果焊膏金属微粉含量高，再流焊升温时金属微粉随着溶剂、气体蒸发而飞溅，如金属粉末的含氧量高，还会加剧飞溅，形成锡珠。
此外，如果焊膏粘度过低或焊膏的保形性(触变性)不好，印刷后焊膏图形会塌陷，甚至造成粘连，再流焊时也会形成锡珠、桥接等焊接缺陷。
焊膏使用不当，例如从低温柜取出焊膏直接使用，由于焊膏的温度比室温低，产生水汽凝结，即焊膏吸收空气中的水分，搅拌后使水汽混在焊膏中，再流焊升温时，水汽蒸发带出金属粉末，在高温下水汽会使金属粉末氧化，飞溅形成锡珠，还会产生润湿不良等问题。
表面贴装技术考核试卷
6.在SMT生产中，使用无铅焊料是为了满足环保要求。（）
7. SMT生产线的自动化程度越高，生产效率就越高。（）
8. X射线检测设备可以用来检测SMT焊接中的隐藏缺陷。（）
9.表面贴装技术中，所有的元件都是通过自动化设备放置的。（）
10. SMT技术的未来发展将不再依赖于新材料的开发。（）
A.视觉定位
B.机械定位
C.电磁定位
D.激光定位
14.下列哪种材料是SMT中常用的基板材料？（）
A.纸基板
B.陶瓷基板
C.铜基板
D.玻璃基板
15.在SMT生产中，以下哪项措施可以减少焊接缺陷？（）
A.提高焊膏的粘度
B.降低回流焊接温度
C.控制适当的印刷速度
D. A和C都是
16. SMT中的AOI（自动光学检测）主要检测以下哪类缺陷？（）
A. AOI
B. X射线检测仪
C.在线测试设备
D.离线测试设备
5. SMT生产中，哪些环节需要控制静电？（）
A.印刷焊膏
B.元件放置
C.回流焊接
D.检验环节
6.以下哪些因素会影响SMT贴片机的效率？（）
A.贴片速度
B.贴片精度
C.换线时间
D.故障率
7. SMT中使用的基板材料有哪些类型？（）
A.纸基板
1. SMT的全称是_______。（）
2.表面贴装技术中，焊膏的主要成分是_______和_______。（）
3. SMT生产中，用于防止焊接过程中氧化的化学物质称为_______。（）
4.在SMT中，回流焊接过程的最高温度通常称为_______。（）
(整理)SMT回流焊常见缺陷分析及处理
SMT回流焊常见缺陷分析及处理不润湿（Nonwetting）/润湿不良（Poor Wetting）通常润湿不良是指焊点焊锡合金没有很好的铺展开来，从而无法得到良好的焊点并直接影响到焊点的可靠性。
产生原因：1.焊盘或引脚表面的镀层被氧化，氧化层的存在阻挡了焊锡与镀层之间的接触；2.镀层厚度不够或是加工不良，很容易在组装过程中被破坏；3.焊接温度不够。
相对SnPb而言，常用无铅焊锡合金的熔点升高且润湿性大为下降，需要更高的焊接温度来保证焊接质量；4.预热温度偏低或是助焊剂活性不够，使得助焊剂未能有效去除焊盘以及引脚表面氧化膜；5.还有就是镀层与焊锡之间的不匹配业有可能产生润湿不良现象；6.越来越多的采用0201以及01005元件之后，由于印刷的锡膏量少，在原有的温度曲线下锡膏中的助焊剂快速的挥发掉从而影响了锡膏的润湿性能；7.钎料或助焊剂被污染。
防止措施：1.按要求储存板材以及元器件，不使用已变质的焊接材料；2.选用镀层质量达到要求的板材。
一般说来需要至少5μm 厚的镀层来保证材料12个月内不过期；3.焊接前黄铜引脚应该首先镀一层1～3μm的镀层，否则黄铜中的Zn将会影响到焊接质量；4.合理设置工艺参数，适量提高预热或是焊接温度，保证足够的焊接时间；5.氮气保护环境中各种焊锡的润湿行为都能得到明显改善；6.焊接0201以及01005元件时调整原有的工艺参数，减缓预热曲线爬伸斜率，锡膏印刷方面做出调整。
黑焊盘(Black Pad)黑焊盘：指焊盘表面化镍浸金（ENIG）镀层形态良好，但金层下的镍层已变质生成只要为镍的氧化物的脆性黑色物质，对焊点可靠性构成很大威胁。
产生原因：黑盘主要由Ni的氧化物组成，且黑盘面的P含量远高于正常Ni面，说明黑盘主要发生在槽液使用一段时间之后。
1.化镍层在进行浸金过程中镍的氧化速度大于金的沉积速度，所以产生的镍的氧化物在未完全溶解之前就被金层覆盖从而产生表面金层形态良好，实际镍层已发生变质的现象；2.沉积的金层原子之间比较疏松，金层下面的镍层得以有继续氧化的机会。
无铅焊接特点及工艺控制及过渡阶段应注意问题
60~90 sec 30 sec
无铅焊膏 （Sn -Ag -Cu）
25~110 0C 100~200 sec 要求缓慢升温 110~150 0C 40~70 sec 150~217 0C 50~70 sec
20 sec 0.96~1.34℃/sec
235~245 0C 240 0C
• ② 无铅焊点外观粗糙。传统的检验标准与AOI需要升级。 • ③ 无铅焊点中气孔较多，尤其有铅焊端与无铅焊料混用时，
焊端（球）上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘，助焊剂排不出 去，造成气孔。但气孔不影响机械强度。 • ④ 缺陷多——由于浸润性差，使自定位效应减弱。 • 浸润性差，要求助焊剂活性高。
无铅再流焊焊点
①用于波峰焊的焊料：Sn-Cu或 Sn-Cu-Ni，熔点227℃。少量 的Ni可增加流动性和延伸率，减少残渣量。
• 高可靠的产品可采用Sn/Ag/Cu焊料，但不推荐， 因为Ag 的成本高，同时也会腐蚀Sn锅。
• 对不锈钢腐蚀率：Sn3Ag0.5Cu> Sn0.7Cu> Sn0.7Cu0.05Ni • 对Cu 腐蚀率：Sn3Ag.5Cu> Sn37Pb> Sn0.7Cu0.05Ni
表面光滑、光亮
Lead Free Solder Paste Grainy Surface
表面粗糙
Wetting is Reduced with Lead Free
Standard Eutectic Solder Joint
Lead Free Solder Joint
Typical Good Wetting Visible Fillet
240-235= 5 0C 50~60 sec 10 sec
无铅波峰焊接质量分析DOE
无铅波峰焊接质量分析(DOE)摘要：达柯(Taguchi)试验设计(DOE, design-of-experiment)方法和统计过程控制(SPC, statistical process control)是评估波峰焊接中无铅工艺的有效方法，其目的是要为特定应用的最佳设置确定基本的控制参数。
本文通过分析无铅波峰焊接的各个工艺参数，运用DOE方法进行大量的试验，采用统计学原理分析产生各种缺陷的工艺因素，并确定优化的无铅波峰焊接工艺。
关键词：DOE；无铅波峰焊；工艺参数Lead-free wave soldering quality analyzingHU Qiang1，LI Zhong-suo1，ZHAO Zhi-li2，Li Da-le2（1．Lead-free soldering R&D Center of Sun East Electronic Co.Ltd，Shenzhen 518103，China 2．Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)Abstract: Taguchi DOE and SPC are availability methods of evaluating lead-free process in wave soldering, which makes basic controlling parameters for the best setup.In the paper all the processes of lead-free wave soldering were analyzed, a great deal of experiments were done by DOE, many of soldering defects due to process were analyzed by SPC and the best lead-free wave soldering processes were made.Key words：DOE；Lead-free wave soldering；Process parameters对于波峰焊接工艺，从有铅转变到无铅将影响大多数机器参数。
快速冷却对DP1000双相钢激光焊接接头性能的影响
快速冷却对DP1000双相钢激光焊接接头性能的影响0 序言汽车制造业的轻量化需求促进了先进高强钢的应用与发展，出现了多个新的钢种[1]，其中双相钢(DP钢)因具有较高的原始加工硬化速率、较低的屈强比、较高的变形能力等在减轻车重的同时能保证车辆良好的安全性能，从而成为汽车轻量化用钢的理想材料[2].但是该钢种在焊接热源的作用下热影响区会发生软化现象[3-5]，造成焊接接头力学性能和成形性能的降低[6-7]，影响了其在汽车中的使用.涡流的本质是电磁感应现象，它是指移动的金属导体在磁场中运动时，在移动金属中产生感应电动势，从而产生感应电流的现象。
其产生的基本条件有两个：一个是不断变化的磁场，不断变化磁场会带来磁通量的变化，另一个是金属体本身可自行构成闭合回路，因此，感应电动势才能最终在闭合回路中形成感应电流。
．当金属导体回路的电阻很小时，会在闭合回路中产生很大的感应电流，就像水中的旋涡，因此简称涡流。
从以上原理分析可以发现：在电磁炉上使用的锅必须满足一个条件，那就是锅的材质必须是具有磁性的。
所以电磁炉使用的锅应该是铁系(搪瓷、铸锅、不锈铁)锅，不锈钢锅，复合底锅必须是电磁炉专用。
对于双相先进高强钢的激光焊接接头软化问题，专家和学者进行了大量的研究工作，研究发现双相钢焊接热影响区的软化不仅与焊接热输入等焊接过程有关[8]，还与钢材本身的化学成分、强度级别等有关[9]；而对于软化原因和软化现象也有了统一的认识，即双相钢的制造工艺特点(通过连续冷却、控制轧制获得的)决定了焊接过程中的重新加热不可避免的会使原始组织中的马氏体发生变化，从而造成其热影响区的软化现象；但是对于双相钢激光焊接热影响区的软化还没有提出更好的解决途径.为了达到改善热影响区软化程度的目的，通过在激光热源后方5 mm处通入冷却水的方式使焊件达到强制快速冷却，并在焊接试板上下表面通入氩气来保护焊缝不受水流污染，从而来探讨DP1000双相先进高强钢快速冷却对激光焊接头软化的影响.1 试验方法试验材料选用某钢铁公司生产的DP1000连续冷轧双相钢板，厚度为1.5 mm，其微观组织如图1所示，主要化学成分及力学性能见表1和表2所示.双相钢由铁素体和马氏体组成，马氏体呈岛状分布在铁素体基体上，这种双相的组织特点保证了该钢在强度提高的同时，仍具有足够的塑性和韧性.通过分析以上前馈串级投运前后的温度控制误差，投运后温度误差明显可控制在±10%内，前馈串级炭黑温度控制调节精度相当好。
(上)冷却速率对无铅再流焊焊点质量的影响
冷却速率对无铅再流焊焊点质量的影响史建卫，江留学，梁永君，杨建民，柴勇（日东电子科技（深圳）有限公司）摘要：无铅再流焊中冷却速率影响焊点力学性能及可靠性。
快速冷却可以细化组织，间接控制金属间化合物厚度和形态，影响焊点断裂模式，提高焊点综合性能。
但由于元件与PCB等材料的热不匹配性而造成的较大应力，易造成元件或焊点失效等。
本文通过对文献中研究结果的总结，设计了炉冷、空冷和水冷等几种再流焊冷却方式，并对焊点进行了强度测试和组织成分分析，建议工业用最佳冷却斜率控制在3〜6C/s。
关键词：冷却速率；无铅再流焊；金属间化合物；焊点质量；应变速率Effect of Cooling Rate on Solder Joint QualityIn Lead-free Reflow Soldering1Shi Jianwei , Jiang Liuxue, Liang Yongjun, Yang Jianming, Chai Yong(Sun East Electronic Technology Company Lt.d )Abstract: Cooling rate affects mechanic property and reliability of solder joint markedly in lead-free reflow soldering. Rapid cooling rate can fine structure, control indirectly thickness and modality of intermetallic compound, affect failure style and reinforce performance of solder joint, but stress induced by mismatching between components and PCB materials brings about invalidation of produce. The paper summarizes the work of documents and projects a experiment of oven cooling, air cooling and water cooling for reflow soldering, tests solder joints strength and analyzes metallograph of interface compound as well. The optimums cooling rate is 3 to 6 Celsius per seconds in electronic industry.Key words: Cooling Rate; Lead-free Reflow Soldering; Intermetallic Compound (IMC); Solder JointQuality; Strain Rate1引言无铅化电子组装给传统组装工艺带来了一次变革，包括材料、设备及工艺各个方面，设计、生产及检测等各个阶段，均岀现了新的要求与规范。
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史建卫1，江留学，梁永君，杨建民，柴勇 日东电子科技（深圳）有限公司，广东，深圳，518103
摘 要：无铅再流焊中冷却速率影响焊点力学性能及可靠性。快速冷却可以细化组织， 间接控制金属间化合物厚度和形态，影响焊点断裂模式，提高焊点综合性能。但由于元件与 PCB等材料的热不匹配性而造成的较大应力，易造成元件或焊点失效等。本文通过对文献中 研究结果的总结，设计了炉冷、空冷和水冷等几种再流焊冷却方式，并对焊点进行了强度测 试和组织成分分析，建议工业用最佳冷却斜率控制在3～6℃/s。
的细小Ag3Sn等颗粒使焊点抗断裂强度提高，从而改善抗蠕变性能；慢速冷却形 成粗大的晶粒，在焊点基体内和界面层出现Ag3Sn、Cu6Sn5或Ni3Sn4等块状金属 间化合物（如图1），容易产生裂纹并快速扩展，导致可靠性下降。
图 1 SnAg/Cu 焊点内出现的各种金属间化合物
S.K.Kang等人试验发现：快速冷却（3℃/s）增加极限拉伸强度和 0.2%应力， 提高焊点剪切强度 20%之多，有的甚至高达 50%左右；增强Sn0.7Cu、Sn3.5Ag、 Sn3.5Ag0.7Cu及Sn4.0Ag0.5Cu无铅钎料可靠性。观察Sn3.5Ag和Sn4.0Ag0.5Cu微 观结构和应力值变化，发现Sn3.5Ag钎料中晶界滑移机制在变形过程中并不明显， 抗蠕变性能的提高主要是弥散分布的Ag3Sn颗粒起到了强化作用。值得注意的 是，慢速冷却降低了Sn0.7Cu、Sn3.5Ag无铅钎料和纯锡的剪切强度，但会轻微增 加Sn37Pb钎料的剪切强度，这一现象要联系合金的变形机理来分析。小应变下 晶界产生划移，大应变下位错产生划移。当位错产生划移占主导时，细颗粒结构
界面反应和原子扩散增强，IMC厚度增加。试验还发现冷速越小，IMC形状起伏 越大，对于无铅钎料/Cu界面，再流焊时间超过 40s就会产生扇贝状Cu6Sn5，对SMT 焊点起到劣化作用。
水冷106℃/s
风冷5.4℃/s
炉冷0.5℃/s
图6 不同冷却速率下SnAg/Cu界焊点内部空洞和偏析等缺陷，其主要出现在含有
图2 不同冷却速率下Sn3.5Ag0.7Cu工程应力-应变曲线
图3 不同钎料成分极限拉伸强度和0.2%应力随应变速率变化关系
2.3 冷却速率对焊点热循环寿命的影响 焊点热循环寿命受蠕变、疲劳、高温氧化及钎料的冶金性能等多种因素影响。
热循环失效是指焊点在温度循环或功率循环过程中，由于芯片载体材料和基板材 料存在明显的热膨胀系数（CTE）差异所导致的蠕变－疲劳失效。通常SMT中芯 片载体材料为Al2O3陶瓷，CTE为6.0ppm/℃，基板材料为环氧树脂/玻璃纤维FR4
2.冷却速率对焊点质量的影响
2.1冷却速率对焊点强度的影响 Denis Barbini等人对不同冷速下焊点组织结构进行研究发现：由快速冷却
作者介绍：史建卫（1979-），男，毕业于哈尔滨工业大学，主要从事 SMT 工艺与设备方面的研究
（2.5℃/s）过渡到慢速冷却（0.5℃/s），焊点组织由均质向离散变化，金属间化 合物由薄变厚、由平滑变粗糙。对冷速为2.5℃/s下有铅样品和无铅样品进行热循 环后强度测试，发现剪切强度中位数分别降低23％和17％，无铅钎料抗蠕变性能 优于有铅钎料。对于无铅焊点，快速冷却形成的细小富锡枝状晶和锡基体中弥散
关键词：冷却速率，无铅再流焊，金属间化合物，焊点质量，应变速率
Effect of Cooling Rate on Solder Joint Quality In Lead-free Reflow Soldering
Shi Jianwei1, Jiang Liuxue, Liang Yongjun, Yang Jianming, Chai Yong Sun East Electronic Technology Company Lt.d, Shenzhen, 518103 China
冷却速率对焊点热循环疲劳寿命和高温蠕变断裂寿命的影响趋势不尽相同。 疲劳辉纹是疲劳断裂的主要特征，沿晶断口是蠕变断裂的主要特征，高温下有时 也出现穿晶。金属抗疲劳性随着晶粒的细化而增加，快速冷却有利于提高应变抗 力，改善焊点抗疲劳性能。金属抗蠕变性与晶粒的大小有关，冷却速率越大，晶 界数目越多，沿晶裂纹的数目就增加，焊点的抗蠕变能力就降低。Young-Sun Kim 等人对不同冷速下钎料断口进行SEM观察，结果发现炉冷断面断口较平坦，空洞 较少，沿晶裂纹细小，滑移线细密；而水冷断面空洞、韧窝较多，有明显的剪切 滑移痕迹，如图5所示。空洞的变化可能是由于炉冷冷却速率低，气体容易逸出， 而水冷冷却速率快，焊剂和水分等产生的气体来不及逃逸而保存下来形成气孔或 空洞，同时也产生了许多微小空位。朱颖等人试验发现水冷焊点在热循环过程中， 空位会不断聚集形成较多空洞、韧窝、不平整的断面，降低了焊点的热循环寿命， 但不呈现线形关系。实际焊接过程中，要求优化工艺流程，调整温度曲线，降低 焊剂残留量，使快速冷却的优势得以发挥。
Abstract: Cooling rate affects mechanic property and reliability of solder joint markedly in lead-free reflow soldering. Rapid cooling rate can fine structure, control indirectly thickness and modality of intermetallic compound, affect failure style and reinforce performance of solder joint, but stress induced by mismatching between components and PCB materials brings about invalidation of produce. The paper summarizes the work of documents and projects a experiment of oven cooling, air cooling and water cooling for reflow soldering, tests solder joints strength and analyzes metallograph of interface compound as well. The optimums cooling rate is 3 to 6 Celsius per seconds in electronic industry.
表 1 不同冷却速率下焊点剪切强度的提高程度
条件
应变速率：10-1/s
Sn Sn0.7Cu Sn37Pb Sn3.5Ag
快冷 29%
30%
52%
69%
慢冷 19%
24%
52%
49%
K.S. Kim等人对8.3℃/s、0.43℃/s和0.012℃/s三种冷却速率下的SAC合金进行 剪切强度测试。图2为Sn3.5Ag0.7Cu在不同冷速下工程应力-应变曲线，应变速率 在10-1/s～10-2/s之间时，快冷比慢冷强度增加了近50%。图3为不同钎料成分极限 拉伸强度和0.2%应力随应变速率变化关系图，可以看出Sn3.5Ag0.7Cu钎料抗拉强 度和0.2%应力最高，这主要是因为β-Sn+Ag3Sn共晶组织的面积份数小和Ag3Sn化 合物程小颗粒均匀分布的缘故，如图4所示。此外，随着冷却速率的降低和银含 量的增加，共晶组织变的粗糙，弥散纤维状Ag3Sn化合物减少，块状Ag3Sn成为 主要化合物相，在低应力或温度循环条件下易碎特性容易产生缺陷。试验还发现 热循环后SAC305组织没有明显的粗化，热稳定性好。因此可以通过减少Ag含量 来减少块状Ag3Sn化合物，因为低Ag含量合金对冷却速率依赖性较小。
Key words: Cooling Rate; Lead-free Reflow Soldering; Intermetallic Compound (IMC); Solder Joint Quality; Strain Rate
1.引言
无铅化电子组装给传统组装工艺带来了一次变革，包括材料、设备及工艺各 个方面，设计、生产及检测等各个阶段，均出现了新的要求与规范。就焊接工艺 而言，无铅再流焊后的冷却速率问题引起了业界的广泛关注。众多研究表明，快 的冷却速率有利于焊点力学性能和可靠性的改善与提高。但在实际生产中，一方 面考虑焊接设备结构设计所能达到的冷却能力，另一方面考虑快速冷却产生的负 面影响，比如元件爆裂和分层失效等。最佳冷却速率的研究迫在眉睫，值得注意 的是，本文所述冷却速率是指焊点冷却到钎料熔点以下30℃或更多这一区间的平 均斜率，无铅焊接中常以180℃为基准，也有以150℃为基准的，一般认为温度低 于此值后焊点组织结构不再发生明显变化。
图7 慢速冷却下焊点内部出现的空洞与偏析
Sn9Zn
Sn8Zn3Bi
Sn8Zn6Bi
图8 不同成分钎料在快速冷速下的焊点组织
图 9 Sn25Bi/Cu 界面出现的剥离现象（SEM）
3.不同再流焊冷却速率研究
实际工业生产中，焊接设备的冷却能力达不到上述快速冷却要求。对于无铅 再流焊工艺，冷却速率在小范围内变化是否会影响焊点质量，周惠玲和徐波等研 究人员选用不同种类焊膏，取峰值温度 240～245℃，对 QFP 和片式阻容元件进 行了焊后质量分析。
3.1 冷却速率对焊点强度的影响 首先对不同冷速下QFP引脚焊点进行 45 度拉脱试验，之所以选择 45 度是原
因这个角度可以有力的结合加载在焊点上的剪切和拉伸两种力而得到较为精确 的测定值。徐波等人选用Sn3.5Ag、SAC305 和Sn37Pb三种焊膏，制定四种冷却 速率，拉脱试验结果见表 2。周惠玲等人选用水冷机制冷、循环水冷却和随炉冷 却三种方式对SAC305 焊点进行作业，同时为了反映冷速对焊点强度的影响程度， 进行了冷速为 2.5℃/s时不同氧含量对Sn3.5Ag和SAC305 焊点强度的影响，表 3 为不同条件下焊点的拉脱载荷值。从试验结果可以看出：快速冷却和低氧含量有 助于提高焊点拉脱强度；当冷速大于 2.8℃/s后焊点拉脱强度提高程度不大，而 低氧含量条件下促进润湿而改善焊点几何形状，对强度影响较大；各种实验条件 下，Sn3.5Ag焊点拉脱强度都低于SAC305 焊点，可能原因是SAC305 中更细小的 Cu6Sn5和Ag3Sn颗粒强化作用更大。