松下貼片機(jī)焊接材料
焊錫作為所有三種級(jí)別的連接：裸片(die)、包裝(package)和電路板裝配(board assembly)的連接材料。另外，錫/鉛(tin/lead)焊錫通常用于元件引腳和PCB的表面涂層?？紤]到鉛(Pb)在技術(shù)上已存在的作用與反作用，焊錫可以分類為含鉛或不含鉛?，F(xiàn)在，已經(jīng)在無(wú)鉛系統(tǒng)中找到可行的、代替錫/鉛材料的、元件和PCB的表面涂層材料?？墒菍?duì)連接材料，對(duì)實(shí)際的無(wú)鉛系統(tǒng)的尋找仍然進(jìn)行中。這里，總結(jié)一下錫/鉛焊接材料的基本知識(shí)，以及焊接點(diǎn)的性能因素，隨后簡(jiǎn)要討論一下無(wú)鉛焊錫。

　　焊錫通常定義為液化溫度在400°C(750°F)以下的可熔合金。裸片級(jí)的(特別是倒裝芯片)錫球的基本合金含有高溫、高鉛含量，比如Sn5/Pb95或Sn10/Pb90。共晶或臨共晶合金，如Sn60/Pb40，Sn62/Pb36/Ag2和Sn63/Pb37，也成功使用。例如，載體CSP/BGA板層底面的錫球可以是高溫、高鉛或共晶、臨共晶的錫/鉛或錫/鉛/銀材料。由于傳統(tǒng)板材料，如FR-4，的賴溫水平，用于附著元件和IC包裝的板級(jí)焊錫局限于共晶，臨共晶的錫/鉛或錫/鉛/銀焊錫。在某些情況，使用了錫/銀共晶和含有鉍(Bi)或銦(In)的低溫焊錫成分。

　　焊錫可以有各種物理形式使用，包括錫條、錫錠、錫線、錫粉、預(yù)制錠、錫球與柱、錫膏和熔化狀態(tài)。焊錫材料的固有特性可從三個(gè)方面考慮：物理、冶金和機(jī)械。

物理特性
對(duì)今天的包裝和裝配特別重要的有五個(gè)物理特性：

1.     冶金相化溫度(Metallurgical phase-transition temperature)有實(shí)際的暗示，液相線溫度可看作相當(dāng)于熔化溫度，固相線溫度相當(dāng)于軟化溫度。對(duì)給定的化學(xué)成分，液相線與固相線之間的范圍叫做塑性或粘滯階段。選作連接材料的焊錫合金必須適應(yīng)于*惡劣條件下的*終使用溫度。因此，希望合金具有比所希望的*高使用溫度至少高兩倍的液相線。當(dāng)使用溫度接近于液相線時(shí)，焊錫通常會(huì)變得機(jī)械上與冶金上“脆弱”。

2.     焊錫連接的導(dǎo)電性(electrical conductivity)描述了它們的電氣信號(hào)的傳送性能。從定義看，導(dǎo)電性是在電場(chǎng)的作用下充電離子(電子)從一個(gè)位置向另一個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)。電子導(dǎo)電性是指金屬的，離子導(dǎo)電性是指氧化物和非金屬的。焊錫的導(dǎo)電性主要是電子流產(chǎn)生的。
電阻 — 與導(dǎo)電性相反 — 隨著溫度的上升而增加。這是由于電子的移動(dòng)性減弱，它直接與溫度上升時(shí)電子運(yùn)動(dòng)的平均自由路線(mean-free-path)成比例。焊錫的電阻也可能受塑性變形的程度的影響(增加)。

3.     金屬的導(dǎo)熱性(thermal conductivity)通常與導(dǎo)電性直接相關(guān)，因?yàn)殡娮又饕菍?dǎo)電和導(dǎo)熱。(可是，對(duì)絕緣體，聲子的活動(dòng)占主要。) 焊錫的導(dǎo)熱性隨溫度的增加而減弱。

4.     自從表面貼裝技術(shù)的開始，溫度膨脹系數(shù)(CTE, coefficient of thermal expansion)問(wèn)題是經(jīng)常討論到的，它發(fā)生在SMT連接材料特性的溫度膨脹系數(shù)(CTE)通常相差較大的時(shí)候。
一個(gè)典型的裝配由FR-4板、焊錫和無(wú)引腳或有引腳的元件組成。它們各自的溫度膨脹系數(shù)(CTE)為，16.0 × 10-6/°C(FR-4); 23.0 × 10-6/°C(Sn63/Pb37); 16.5 × 10-6/°C(銅引腳); 和6.4 × 10-6/°C(氧化鋁Al2O3無(wú)引腳元件)。在溫度的波動(dòng)和電源的開關(guān)下，這些CTE的差別增加焊接點(diǎn)內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變，縮短使用壽命，導(dǎo)致早期失效。
兩個(gè)主要的材料特性決定CTE的大小，晶體結(jié)構(gòu)和熔點(diǎn)。當(dāng)材料具有類似的晶格結(jié)構(gòu)，它們的CTE與熔點(diǎn)是相反的聯(lián)系。

5.     熔化的焊錫的表面張力(surface tension)是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，與可熔濕性和其后的可焊接性相關(guān)。由于在表面的斷裂的結(jié)合，作用在表面分子之間的吸引力相對(duì)強(qiáng)度比焊錫內(nèi)部的分子力要弱。因此材料的自由表面比其內(nèi)部具有更高的能量。
對(duì)熔濕焊盤的已熔化的焊錫來(lái)說(shuō)，焊盤的表面必須具有比熔化的焊錫表面更高的能量。換句話說(shuō)，已熔化金屬的表面能量越低(或金屬焊盤的表面能量越高)，熔濕就更容易。

冶金特性
在焊錫連接使用期間暴露的環(huán)境條件下，通常發(fā)生的冶金現(xiàn)象包括七個(gè)不同的改變。

1.     塑性變形(plastic deformation)。當(dāng)焊錫受到外力，如機(jī)械或溫度應(yīng)力時(shí)，它會(huì)發(fā)生不可逆變的塑性變形。通常是從焊錫晶體結(jié)合的一些平行平面開始，它可能在全部或局部(焊錫點(diǎn)內(nèi))進(jìn)行，看應(yīng)力水平、應(yīng)變率、溫度和材料特性而定。連續(xù)的或周期性的塑性變形*終導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂。

2.     應(yīng)變硬化(strain-hardening)，是塑性變形的結(jié)果，通常在應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系中觀察得到。

3.     回復(fù)過(guò)程(recovery process)是應(yīng)變硬化的相反的現(xiàn)象，是軟化的現(xiàn)象，即，焊錫傾向于釋放儲(chǔ)存的應(yīng)變能量。該過(guò)程是熱動(dòng)力學(xué)過(guò)程，能量釋放過(guò)程開始時(shí)快速，其后過(guò)程則較慢。對(duì)焊接點(diǎn)失效敏感的物理特性傾向于恢復(fù)到其初始的值。僅管如此，這不會(huì)影響微結(jié)構(gòu)內(nèi)的可見(jiàn)的變化。

4.     再結(jié)晶(recrystallization)是經(jīng)常在使用期間觀察到的焊接點(diǎn)內(nèi)的另一個(gè)現(xiàn)象。它通常發(fā)生在相當(dāng)較高的溫度下，涉及比回復(fù)過(guò)程更大的從應(yīng)變材料內(nèi)釋放的能量。在再結(jié)晶期間，也形成一套新的基本無(wú)應(yīng)變的晶體結(jié)構(gòu)，明顯包括晶核形成和生長(zhǎng)過(guò)程。再結(jié)晶所要求的溫度通常在材料**熔點(diǎn)的三分之一到二分之一。

5.     溶液硬化(solution-hardening)，或固體溶液合金化過(guò)程，造成應(yīng)力增加。一個(gè)例子就是當(dāng)通過(guò)添加銻(Sb)來(lái)強(qiáng)化Sn/Pb成分。如圖一所示。

6.     沉淀硬化(precipitaion-hardening)包括來(lái)自有充分?jǐn)嚢璧奈⒊恋斫Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)化效果。

7.     焊錫的超塑性(superplasticity)出現(xiàn)在低應(yīng)力、高溫和低應(yīng)變率相結(jié)合的條件下。

　　機(jī)械特性
　　焊錫的三個(gè)基本的機(jī)械特性包括應(yīng)力對(duì)應(yīng)力特性、懦變阻抗和疲勞阻抗。

　　雖然應(yīng)力可通過(guò)張力、壓力或剪切力產(chǎn)生，大多數(shù)合金的剪切力比張力或壓力要弱。剪切強(qiáng)度是很重要的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)焊接點(diǎn)在使用中經(jīng)受剪切應(yīng)力。

　　懦變是當(dāng)溫度和應(yīng)力(負(fù)荷)都保持常數(shù)時(shí)的一種**塑性變形。這個(gè)依靠時(shí)間的變形可能在**零度以上的任何溫度下發(fā)生?？墒?，懦變只是在“活躍”溫度才變得重要。

　　疲勞是在交變應(yīng)力下的合金失效。在循環(huán)負(fù)荷下合金所能忍受的應(yīng)力比靜態(tài)負(fù)荷下小得多。因此，屈服強(qiáng)度，焊錫阻抗長(zhǎng)久變形的靜態(tài)應(yīng)力，經(jīng)常與疲勞強(qiáng)度無(wú)關(guān)。通常疲勞斷裂開始于幾個(gè)微小的裂紋，在重復(fù)應(yīng)力作用下增長(zhǎng)，造成焊接點(diǎn)截面的承載能力下降。

　　電子包裝與裝配應(yīng)用中等焊錫一般經(jīng)受低頻疲勞(疲勞壽命小于10,000周期)和高應(yīng)力。溫度機(jī)械疲勞是用來(lái)介定焊錫特性的另一個(gè)測(cè)試模式。材料受制于循環(huán)的溫度極限，即溫度疲勞測(cè)試模式。每個(gè)方法都有其獨(dú)特的特性和優(yōu)點(diǎn)，兩者都影響焊錫上的應(yīng)變循環(huán)。

　　性能與外部設(shè)計(jì)
　　人們都認(rèn)識(shí)到焊錫點(diǎn)的可靠性不僅依靠?jī)?nèi)在的特性，而且依靠設(shè)計(jì)、要裝配的元件與板、用以形成焊接點(diǎn)的過(guò)程和長(zhǎng)期使用的環(huán)境。還有，焊接點(diǎn)表現(xiàn)的特性是有別于散裝的焊錫材料。因此，一些已建立的散裝焊錫與焊接點(diǎn)之間的機(jī)械及溫度特性可能不完全相同。主要地，這是由于電路板層表面對(duì)焊錫量的高比率，在固化期間造成大量異相晶核座，以及當(dāng)焊錫點(diǎn)形成時(shí)元素或冶金成分的濃度變化。任何一種情況都可能導(dǎo)致反應(yīng)缺乏均勻性的結(jié)構(gòu)。隨著焊錫點(diǎn)厚度的減少，這種界面衰歇將更明顯。因此，焊接點(diǎn)的特性可能改變，失效機(jī)制可能與從散裝的焊錫得出的不一樣。

　　元件與板的設(shè)計(jì)也會(huì)對(duì)焊錫點(diǎn)特性有重要影響。例如，和焊盤有聯(lián)系的阻焊的設(shè)計(jì)(如限定的或非限定的阻焊)，將影響焊錫點(diǎn)的性能以及失效機(jī)制。

　　對(duì)每一種元件包裝類型，觀察和介定各自的焊接點(diǎn)失效模式。例如，翅形QFP的焊接點(diǎn)裂紋經(jīng)常從焊點(diǎn)圓角的腳跟部開始，**條裂紋在腳趾區(qū)域；BGA的焊點(diǎn)失效通常在焊錫球與包裝的界面或焊錫球與板的界面發(fā)現(xiàn)。

　　另一個(gè)重要因素是系統(tǒng)溫度管理。IC芯片的散熱要求在不斷增加。運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱量必須有效地從芯片帶出到包裝表面，然后到室溫。在出現(xiàn)由于過(guò)熱而引起的系統(tǒng)失效之前，IC的性能可能變得不穩(wěn)定，和前面所說(shuō)的溫度與導(dǎo)電性之間的關(guān)系一樣。元件的包裝與電路板的設(shè)計(jì)都會(huì)影響到散熱過(guò)程的效率。

　　焊錫節(jié)點(diǎn)比其替代品聚合膠的傳導(dǎo)熱量要有效得多。

　　當(dāng)焊錫點(diǎn)通過(guò)一個(gè)品質(zhì)過(guò)程適當(dāng)?shù)匦纬珊?，與其使用壽命相聯(lián)系的是懦變/疲勞的交互作用、金屬化合的發(fā)展和微結(jié)構(gòu)的進(jìn)化。失效模式隨系統(tǒng)的構(gòu)成而變化，比如包裝類型(PBGA、CSP、QFP 電容，等)、溫度和應(yīng)變水平、使用的材料、圓角體積焊錫點(diǎn)幾何形狀以及其它設(shè)計(jì)因素。更高功率的芯片和現(xiàn)在設(shè)計(jì)不斷增加密度的電路更加要求焊點(diǎn)的更好的溫度疲勞強(qiáng)度。

　　無(wú)鉛焊錫
　　對(duì)無(wú)鉛焊錫的興趣隨著時(shí)間發(fā)生變化，有激動(dòng)也有冷漠。雖然還沒(méi)有立法的影響，開發(fā)無(wú)鉛焊錫的另一個(gè)、可能更重要的目標(biāo)是把焊錫提高到一個(gè)新的性能水平。

　　典型的PCB裝配共晶錫/鉛(Sn63/Pb37)焊錫點(diǎn)通常遇到累積的退化，造成溫度疲勞。這個(gè)退化經(jīng)常與焊點(diǎn)界面的金相粗糙有關(guān)，如圖二所示，而它又與鉛(Pb)或富鉛(Pb-rich)金相更密切。

　　如果取消鉛，那無(wú)鉛焊錫經(jīng)受溫度循環(huán)的損害機(jī)制會(huì)改變嗎？在沒(méi)有其它主要失效(金屬間化合、粘合差、過(guò)多空洞，等)的條件下，溫度疲勞環(huán)境中無(wú)鉛焊錫點(diǎn)的失效機(jī)制很可能不會(huì)涉及與錫/鉛相同程度的金相粗糙。實(shí)際上應(yīng)該設(shè)計(jì)無(wú)鉛合金以防止金相粗糙，因而提供更高的疲勞阻抗，因?yàn)橛羞m當(dāng)?shù)奈⒔Y(jié)構(gòu)進(jìn)化。圖三比較受溫度疲勞的無(wú)錫焊錫點(diǎn)的強(qiáng)度，顯示兩種無(wú)鉛合金沒(méi)有金相粗糙。

　　已介紹各種無(wú)鉛成分。多數(shù)似乎至少在一個(gè)區(qū)域失效：例如，可能缺少本身的性能來(lái)顯示焊接期間即時(shí)流動(dòng)和良好的熔濕性能；熔化溫度可能太高，超出同用PCB的溫度忍耐水平；或者可能展示機(jī)械性能不足。只有那些結(jié)合所希望的物理和機(jī)械特性與滿足制造要求的能力的無(wú)鉛焊錫才被認(rèn)做可利用的材料。