主流無鉛焊接實(shí)踐

2022-05-11

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主流無鉛焊接實(shí)踐

福英達(dá)——研發(fā)中心——俞建文

摘要

鉛不僅對水污染，而且對土壤、空氣均可產(chǎn)生污染。電子制造業(yè)中大量使用的錫鉛合金焊料( Sn/Pb)是污染人類生存環(huán)境的重要根源之一。因此，無鉛焊接技術(shù)的應(yīng)用是必然趨勢。實(shí)現(xiàn)電子制造的全面無鉛化，以減少環(huán)境污染，以適應(yīng)國內(nèi)外市場對綠色電子產(chǎn)品的需求，是電子制造業(yè)勢在必行的舉措。本文將從無鉛合金和PCB板表面處理兩方面介紹。

一．主流無鉛合金

目前世界上無鉛焊料主要有：SnCu（摻雜Ni，Co，Ce）、SnAg (+Cu，+Bi，+Sb，+摻雜，例如Mn，Ti，Al，Ni，Zn，Co，Pt，P，Ce)、SnZn (+Bi)。目前最流行的無鉛合金是SnAgCu，其中Ag為1%-5%；而SnBi (+Ag) (熔點(diǎn)為140℃) 也越來越普遍。

在Sn-0.7Cu中加入Ni可以減輕銅腐蝕和不銹鋼腐蝕，304型不銹鋼腐蝕速率SAC305 > Sn-0.7Cu > Sn-0.7Cu-0.05Ni；銅腐蝕速率SAC305 > Sn63 > Sn-0.7Cu-0.05Ni^[1]。在SAC中加入（Mn,Ti,Ce,Bi），在跌落測試中，耐沖擊性SAC105+0.05Mn/Ce≈SnPb >105 >305；在熱循環(huán)后耐沖擊性SAC105+Ce > SAC105+Mn > 305 >105 >SnPb^[2]。

如下圖，隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，無鉛合金裂紋比SnPb36Ag2更長，SnAg3.5，SnAg3.8Cu0.7 和SnAg2.6Cu0.8Sb0.5沒有明顯的差別，SnZn9的裂紋最長^[3]。

89Sn-8Zn3Bi焊點(diǎn)強(qiáng)度損失分析，是由于IMC層的生長和空洞的形成^[4]，如下圖。

二．主流無鉛PCB表面處理

主要分為OSP、鍍Ni/Au（ENIG）、鍍Ag、鍍Bi、鍍Pd、鍍Ni/Pd、鍍Ni/Pd/Au (ENEPIG)、鍍Ni/Pd(X)、鍍Sn（SnAg、SnBi、SnCu、SnNi）。

1.OSP

OSP就是在潔凈的裸銅表面上，以化學(xué)的方法長出一層有機(jī)薄膜。因?yàn)槭怯袡C(jī)物不是金屬，所以比噴錫工藝還要便宜。

這層有機(jī)物薄膜的唯一作用是，在焊接之前保證內(nèi)層銅箔不會(huì)被氧化。焊接的時(shí)候一加熱，這層膜就揮發(fā)掉了。焊錫就能夠把銅線和元器件焊接在一起。但是這層有機(jī)膜很不耐腐蝕，一塊OSP的電路板，暴露在空氣中十來天，就不能焊接元器件了。

1.1 OSP的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：具有裸銅板焊接的所有優(yōu)點(diǎn)，過期的板子也可以重新做一次表面處理。

缺點(diǎn)：OSP透明無色，所以檢查起來比較困難，很難辨別是否經(jīng)過OSP處理。OSP本身是絕緣的，不導(dǎo)電，會(huì)影響電氣測試。所以測試點(diǎn)必須開鋼網(wǎng)加印錫膏以去除原來的OSP層才能接觸針點(diǎn)作電性測試。OSP更無法用來作為處理電氣接觸表面，比如按鍵的鍵盤表面。OSP容易受到酸及溫度影響。使用于二次回流焊時(shí)，需在一定時(shí)間內(nèi)完成，通常第二次回流焊的效果會(huì)比較差。存放時(shí)間如果超過三個(gè)月就必須重新表面處理。打開包裝后需在24小時(shí)內(nèi)用完。

1.2 OSP的機(jī)理

OSP工藝，在銅表面加苯并咪唑的涂層，可以降低板子表面的氧化，如下圖^[5]。

下圖分別為主流的OSP工藝表面涂層有機(jī)物分子和新型OSP工藝表面涂層有機(jī)物分子的TG-DTA曲線，新型的化合物分解溫度比原始的高100℃^[6]。

2.鍍Ni/沉Au（ENIG）

ENIG是通過化學(xué)方法在銅面上包裹一層厚厚的，電性能良好的鎳金合金并可以長期保護(hù)PCB。內(nèi)層鎳的沉積厚度一般為3-6μm，外層的金的沉積厚度一般為0.05-0.1μm。不像OSP那樣僅作為防銹阻隔層，其能夠在PCB長期使用過程中有用并實(shí)現(xiàn)良好的電性能。另外它也具有其它表面處理工藝所不具備的對環(huán)境的忍耐性。

2.1化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

（1）鍍Ni過程

3NaH₂PO₂+3H₂O+NiSO₄→3NaH₂PO₃+H₂SO₄+H₂+Ni⁰或

Ni⁺⁺+H₂PO₂^-+H₂O→Ni⁰+H₂PO₃^-+2H⁺

2R₂NH·BH₃+3Ni⁺⁺+2H₂O→NiB+2Ni+2R₂NH+HBO₂+6H⁺+3/2H₂

（2）P和Ni一樣也會(huì)發(fā)生共沉積，化學(xué)反應(yīng)如下

2H₂PO₂^-+H_ads→H₂PO₃^-+H₂O+OH^-+P

3H₂PO₂^-→H₂PO₃^-+H₂O+2OH^-+2P

（3）沉Au過程

Ni⁰+2Au⁺→Ni⁺⁺+2Au^O

Ni+2Au(CN)₂^-→Ni⁺⁺+2Au+4CN^-

2.2 ENIG的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：ENIG處理過的PCB表面非常平整，共面性很好，適合用于按鍵接觸面。ENIG可焊性極佳，金會(huì)迅速融入融化的焊錫里面，焊錫與Ni形成Ni/Sn金屬化合物。

缺點(diǎn)：工藝流程復(fù)雜，而且想要達(dá)到很好的效果需要嚴(yán)格控制工藝參數(shù)。最麻煩的是，EING處理過的PCB表面在ENIG或焊接過程中很容易產(chǎn)生黑盤效益。黑盤的直接表現(xiàn)為Ni過度氧化，金過多，會(huì)使焊點(diǎn)脆化，影響可靠性。

3.化學(xué)鍍鎳鈀浸金工藝（ENEPIG）

ENEPIG在鎳和金之間多了一層鈀，在置換金的沉積反應(yīng)中，化學(xué)鍍鈀層會(huì)保護(hù)鎳層防止它被交置換金過度腐蝕，鈀在防止出現(xiàn)置換反應(yīng)導(dǎo)致的腐蝕現(xiàn)象的同時(shí)，為浸金作好充分準(zhǔn)備。鎳的沉積厚度一般為3-6μm，鈀的厚度為0.1-0.5μm。金的沉積厚度一般為0.02-0.1μm。

3.1電鍍鈀的化學(xué)機(jī)理

Pd²⁺+NaH₂PO₂+H₂O→Pd^O+NaH₂PO₃+2H⁺

3NaH₂PO₂→2P+NaH₂PO₃+2NaOH+H₂

3.2 ENEPIG的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：防止“黑鎳問題”的發(fā)生-沒有置換金攻擊鎳的表面做成晶粒邊界腐蝕現(xiàn)象?；瘜W(xué)鍍鈀會(huì)作為阻擋層，不會(huì)有銅遷移至金層的問題出現(xiàn)而引起焊錫性焊錫差?；瘜W(xué)鍍鈀層會(huì)完全溶解在焊料之中，在合金界面上不會(huì)有高磷層的出現(xiàn)。同時(shí)當(dāng)化學(xué)鍍鈀溶解后會(huì)露出一層新的化學(xué)鍍鎳層用來生成良好的鎳錫合金。能抵擋多次無鉛再流焊循環(huán)。有優(yōu)良的打金線（邦定）結(jié)合性。非常適合SSOP、TSOP、QFP、TQFP、PBGA等封裝元件。

缺點(diǎn)：沒有廣泛應(yīng)用，鈀的價(jià)格昂貴，是一種短缺資源。同時(shí)與化鎳金一樣，其工藝控制要求嚴(yán)格。

福英達(dá)專注于微電子與半導(dǎo)體封裝焊料領(lǐng)域20余年，福英達(dá)工業(yè)科技有限公司是一家全球領(lǐng)先的微電子與半導(dǎo)體封裝材料方案提供商，國家高新技術(shù)企業(yè)，深耕于微電子與半導(dǎo)體封裝材料行業(yè)，從合金焊粉到應(yīng)用產(chǎn)品線完整，是目前全球唯一可制造T2-T10全尺寸超微合金焊粉的電子級封裝材料制造商。福英達(dá)公司錫膏、錫膠及合金焊粉等產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于微電子與半導(dǎo)體封裝的各個(gè)領(lǐng)域。得到全球SMT電子化學(xué)品制造商、微光電制造商和半導(dǎo)體封裝測試商的普遍認(rèn)可。但微電子與半導(dǎo)體封裝材料問題廣泛，在此我們僅就常見問題展開了敘述。因工藝過程不同，其過程中所涉及到的問題也可能不盡相同。歡迎您就具體問題與我們的專業(yè)人員進(jìn)行溝通討論。我們希望同合作伙伴共同與時(shí)俱進(jìn)，共同探究新問題、新技術(shù)以及復(fù)雜工藝，努力為合作伙伴提供專業(yè)、周到的微電子與半導(dǎo)體封裝焊接材料服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1].   Keith Sweatman, Shoichi Suenaga, Masaaki Yoshimura and Tetsuro Nishimura (Nihon Superior), Masahiko Ikeda (Kansai University), “Erosion 5 of Copper and Stainless Steels by Lead-Free-Solders”, Apex, S27-4, Anaheim, CA, Feb, 2004.

[2].   Liu etc, SMTAI, p.920-934, October 4-8, 2009, San Diego, CA.

[3].   Günter Grossmann, Giovanni Nicoletti, Ursin Solèr , “Results of Comparative Reliability Tests on Lead-free Solder Alloys”, 52nd ECTC, S30-P1, San Diego, CA, May 28-31, 2002.

[4].   Hirokazu Tanaka, Yuuichi Aoki, Makoto Kitagawa and Yoshiki Saito (ESPEC CORP.), “Reliability Testing and Failure Analysis of Lead-Free 8 Solder Joints under Thermo-Mechanical Stress”, Apex, S28-1, Anaheim, CA, Feb, 2004.

[5].   Joseph D. DeBiase, “Organic Solderability Preservatives: Benzotriazoles and Substituted Benzimidazoles”, SMI 96, San Jose, CA, September 10-12, 1996.

[6].   Koji Saeki, (Shikoku Chemicals Corporation) and Michael Carano,

(Electrochemicals, Inc.), “Next Generation Organic Solderability Preservatives (OSP) for Lead-free soldering and Mixed Metal Finish PWB’s and BGA Substrates”, Apex, S10-2, Anaheim, CA, Feb, 2004.  

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