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SMT无铅工艺对无铅锡膏的几个要求

杨庆江 张辛郁

摘要：SMT无铅工艺的步伐越来越近，无铅锡膏作为无铅工艺的重要一环，它的性能表现也越来越多引起人们的关注。本文结合汉高乐泰公司的最新无铅锡膏产品Multicore(96SC LF320 AGS88分析无铅锡膏如何满足无铅工艺的几个要求。
关键词： SMT无铅工艺 Sn/Ag/Cu合金 低温回流 空洞水平

众所周知铅是有毒金属，如不加以控制，将会对人体和周围环境造成巨大而深远的影响。欧洲议会2003年底已经通过立法，要求从2006年7月开始，在欧洲销售的电气和电子设备不得含有铅和其它有害物质。中国等国家的相关法律也正在酝酿之中。由此可见，SMT的无铅工艺已经成为我们必然的选择。本文以无铅锡膏的研发为基础，针对无铅工艺带来的几个问题，如合金选择、印刷性、低温回流、空洞水平等展开讨论，同时，向大家介绍了最新一代无铅锡膏产品Multicore(96SC LF320 AGS88相应特性。

一、 无铅合金的选择

为了找到适合的无铅合金来替代传统的Sn-Pb合金，人们曾做过许多的尝试。这是因为无铅合金的选择需要考虑的因素很多，如熔点、机械强度、保质期、成本等。表1列举了三种主要无铅合金的比较结果。

合金类型
熔点（度）
主要问题

Tin Rich
209—227
熔点稍有升高

Tin Zinc (Bi)
190
容易氧化，保质困难

Tin Bi
137
强度很差

表1 三种无铅合金的比较结果

人们最终把目标锁定在富含Tin的合金上，在富含Tin的合金中，Sn/Ag/Cu 系列又成为选择的目标。而Sn，Ag，Cu三种合金成份比例的确定也经历了一段探索的过程，这主要是考虑到焊点的机电性能，如抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、塑性、导电率等等。最终两种具有相同熔点（217°C）且性能相似的合金成分：SnAg3Cu0.5(96.5%Sn,3%Ag,0.5%Cu)和SnAg3.8Cu0.7(95.5%Sn,3.8%Ag,0.7%Cu)成为无铅合金的主要选择。其中，SnAg3Cu0.5被日本、韩国厂商广泛采用，欧美企业更多选择 SnAg3.8Cu0.7合金。以上两种合金Multicore(均可以提供，代号分别为97SC和96SC。

二、 印刷性
由于Sn/Ag/Cu合金的密度(7.5 g/mm3)比Sn-Pb合金的密度 (8.5g/mm3) 低，使用该种合金的无铅焊锡膏的印刷性比有铅锡膏差一些,如容易粘刮刀等。尽管如此，由于保证锡膏的良好的印刷性对于提高SMT的生产效率、降低成本十分重要，在合金成分相同的情况下，只有通过助焊剂成分的调整来提高锡膏的印刷性，如填充网孔能力、湿强度、抗冷/热坍塌及潮湿环境能力等，并最终提高印刷速度、改善印刷效果。

图1为Multicore(96SC LF320 AGS88的印刷实验结果。由图1可知该产品的可印刷速度范围为25 mm/s - 175 mm/s（图中的绿色部分表示印刷效果好）。事实证明，通过调整助焊剂成分和比例，无铅锡膏可以具有与有铅锡膏同样的高速印刷操作窗口。

图1 Multicore(96SC LF320 AGS88 印刷结果

三、 低温回流的重要性
由于无铅合金的熔点升高（Sn/Ag/Cu合金的熔点为217°C，Sn-Pb合金熔点为183°C），无铅工艺面临的首要问题便是回流焊时峰值温度的提高。在图2中描述了无铅锡膏回流焊接时，在最坏情况假设下（线路板最复杂，系统误差和测量误差为正，以及满足充分浸润的条件），线路板上最热点温度可能达到的温度（265°C）。图中最冷点235°C是为保证充分浸润的建议条件。
值得注意的是：一方面，若无铅锡膏所要求的峰值温度较高，线路板最热点便容易达到265°C，而该温度已超过了目前所有元器件的耐温极限；另一方面，若系统误差和测量误差为负，同时锡膏的最低峰值温度较高，便会有冷焊问题的发生。因此为了保证元器件的安全性、以及焊点的可靠性，无铅锡膏的最低峰值温度应尽量低，即无铅锡膏低温回流特性在无铅焊接工艺中十分重要。

图2 无铅焊接时线路板上最热点温度最坏情况预估）

值得一提的是，Multicore(的领先技术、独特配方成功地解决了这一难题，无铅锡膏96SC LF320 AGS88的最低回流温度仅为229°C，这就意味着应用该款锡膏进行焊接时，可以仅比217°C 的合金熔点高出3°C（保证一定的回流时间）。这样不但可以很好地解决可靠性、冷焊等问题，更可以减少生产工艺方面的调整，以节约成本。图3为该款无铅锡膏的回流操作窗口。由图3可知，96SC LF320 AGS88 拥有很宽的操作窗口：从熔点以上时间60秒/峰值温度229°C，到熔点以上时间80秒/峰值温度245°C的范围内均可以获得极佳的焊接效果,较宽的回流窗口可以更好地满足生产方面的不同需求。

图3 Multicore(96SC LF320 AGS88 回流操作窗口

四、 空洞水平

空洞是回流焊接中常见的一种缺陷，尤其在BGA/CSP等元器件上的表现尤为突出。由于空洞的大小、位置、所占比例以及测量方面的差异性较大，至今对空洞水平的安全性评估仍未统一起来。有经验的工程师习惯将空洞比例低于15%-20%，无较大空洞，且不集中于连接处的有铅焊点认为是可接受的。
在无铅焊接中，空洞仍然是一个必需关注的问题。这是因为在熔融状态下，Sn/Ag/Cu合金比Sn-Pb合金的表面张力更大。如图4所示。表面张力的增加，势必会使气体在冷却阶段的外溢更加困难，使得空洞比例增加。这一点在无铅锡膏的研发过程中得到证实，早期无铅锡膏的主要问题之一便是空洞较多。作为新一代的无铅锡膏产品，Multicore(96SC LF320 AGS88增加了助焊剂在高温的活性，实现了技术上的长足飞跃，使得无铅焊点的空洞水平可降低到7.5%。

图4 Sn/Ag/Cu与Sn-Pb在熔融状态下的润湿角比较

五、 结论

1）Sn/Ag/Cu 系列合金成为无铅锡膏合金的主要选择；
2）助焊剂介质的合理调整，可使无铅锡膏的印刷性与有铅锡膏几乎相同；
3）无铅锡膏的低温回流特性对SMT无铅工艺意义重大；
4）新一代的无铅锡膏，使得空洞问题得到明显改善。

参考文献：
1． 无铅法案引起业界关注，各公司准备迎接欧洲新法规;国际电子商情，2003年3月
2． 低温回流焊接的无铅焊锡膏;中国电子商情，2003年11/12月
3． LF320 Introduction; Steve Dowds, August,2003