热点问答|李宁成博士在线答疑(七)

1.是否有260℃左右的锡膏?如果有,合金主要成分是什么,焊点可靠性怎么样? 

答:有的。

不过焊锡合金的性质不是那么单纯一句熔点就可以描述了。铟泰开发了一款高温锡膏,它的开始熔点(solid temperature)是262°C-265°C,而它的完全熔融温度(liquidus temperature)到达360°C左右,将近有100°C的熔融糊状范围。

这个材料成分主要是Bi/Ag系统加上一点Sn,基本上是一种混合锡粉的合金,Bi/Ag粉加Bi/Sn粉,这两种加到一起,或是Ag/Sn。这种粉形成的焊点就属于高温焊点,使用的回流焊温度可以达到330°C-340°C。

此材料本身属于非常稀罕的高温无铅焊锡,在工业界具有特殊位置,其它同熔点的温度材料几乎没有无铅的,但它稍微有一些导电性不够好,因为有相当大的成分是含Bi,Bi的导电性、导热性都比较差,不过形成焊点后还是可以接受,但是若和其它传统的合金包括高铅的、锡银铜的比起来差一点。

除了这个其它如此高温的锡膏是不容易找的。


2.小间距元器件焊接需要注意什么问题?

答:首先要是用焊锡膏焊接的话,就要小心锡桥,小间距元件比较敏感,如贴片没贴精确或是贴片压力等,包括不理想的印刷都容易造成锡桥。

小间距还有另外一点要注意的,当元件要形成的焊点是小点状的,像是很小的flip chip类小间距元件,它的印刷的精确度就非常主要,因为这种网板特别容易塞孔,就容易产生印刷不完美,那么形成的焊点的可靠性就是一个大问题。总之是印刷和贴片是关键。


3. 对焊点的微观评价标准有哪些?

答:对焊点的评价标准这个其实是很好的问题。首先看一个焊点会好不好,要看它的润湿程度,润湿程度如果不够好的话就暗示即使已经形成的焊点里面恐怕含有很多的微小点没有真正形成润湿,也就是说有很多针孔。

在宏观上看这个焊点的润湿是不是看起来够好,若不够好,不是说其扩展出去不够,而是即使是已经润湿到的地方里面暗藏有针孔般大小的缺陷,所以润湿程度相当重要。

第二是在形成焊点以后有没有产生空洞。如之前回答的空洞问题所述,小量的空洞不是什么大问题,当然影响有好有坏。但大的空洞造成的影响就直接是害处。

第三是焊点的微观结构,由于整个焊点强度包括焊料与PCB焊盘和元器件连接处的界面,还有焊料本身,这些都是焊点的组成部分,任何一个地方出现弱点都会使可靠性下降。因为介金属是整个焊点比较弱的环节,所以当焊点形成的介金属层偏厚的话,焊点就容易产生弱化的情形,容易产生断裂现象,包括在TCT(温度循环)时都可能在介金属层产生断裂,而不只是在焊锡本体处,所以评价一个焊点主要看润湿、空洞、显微结构。

另外是晶粒的大小,其实这个是优点争议的议题,一般来讲晶粒越小可靠性越高,那么大家都朝着使晶粒越小的快速冷却的焊接曲线方向走,但是焊点即使具有小的晶粒,如果放在常温下长时间,其晶粒也会逐渐粗化。所以晶粒的持久效应现在是个疑问,晶粒大小所带来的可靠性的冲击现在还是在争议中。


4.  对于双排0.3mm密间距QFN的PCB焊盘设计SMD和NSMD哪个好?

答:双排0.3mm密间距QFN用SMD会好一点。如果很小的焊点用NSMD,焊锡会流到旁边,降低了焊点高度,从而使焊点减少了缓冲热膨胀差异所带来的应力。而SMD可给焊点位置带来更多的焊锡膏,从而让焊点有比较厚的焊锡在中间来承受尺寸差带来的应力。所以这里主要还是看焊点的尺寸,小尺寸用SMD,大尺寸用NSMD。


5.  1)锡膏实际使用过程中粘度高了无法印刷,有什么办法可改善?2)目前低温锡膏回流焊的顶点温度能降低到多少?

答:1) 无论新开封的锡膏还是使用过程中发生这种现象就换锡膏。不推荐回收,虽然成本节省,但带来的良率损失会使我们付出更大的代价。

2) 若果说要形成焊点,150°C可以,但在可靠性方面没有经过确切的认证,所以是不是有足够高的可靠性还没有足够的数据说它够好。在得到这方面数据之前呢,推荐把160°C当作需要的最低顶点温度。


6.低温锡膏的介金属层(IMC)的厚度有标准吗?

答:低温锡膏焊点形成的IMC基本也是锡铜介金属,其厚度和锡银铜焊料形成的合金IMC厚度差不了多少,另外一点我想提出来,其实IMC厚度其实是没有标准的,原则上形成焊点要求的是要有良好的润湿,而IMC是证明已形成了良好润湿。

IMC厚度太厚的话并不好,我们举个例子,比如波峰焊焊接工艺的焊点,做切片是看IMC根本就测量不到IMC厚度,但它的焊点强度非常好,可靠性也非常好。

主要是因为经过波峰的时间不过3到5秒左右,形成的IMC层相当薄,但是它的润湿很好,就是因为助焊剂已经把氧化物都去掉了,焊接时间很短,形成IMC很薄,但可靠性非常好,没有不良润湿的顾虑。其原理是先用助焊剂先把焊接表面清干净然后才来形成焊点。

但对于SMT印刷锡膏、回流焊组装工艺就不太一样了,是用焊锡膏,焊锡膏若是要形成良好的焊点的时候,需要在接触面每一点的氧化物都要清干净,通常需要有足够多的时间,而焊锡膏中的助焊剂要清掉这些氧化物,包括焊锡膏本身的锡粉的氧化物,和形成比较理想的焊点几何形状,都需要时间,时间越长IMC层就长的更厚,这个厚不是我们需要它厚而是因为在高温条件下的时间过长。一个厚的IMC反应的是我们在焊接的时候用了更长的时间来解决这些去除氧化物的清除,同时也需要时间把助焊剂从熔融焊点中排挤出去。

对于IMC标准,实际上没有标准,只要保证焊接界面有完美的润湿的话,越薄越好,但是一般SMT没有那么完美的情况,其IMC厚度一般锡铜为2um左右,在镍上面可能约0.9-1um左右。


7.黑盘现象的机理是什么?


答:黑盘是在ENIG上面时不时会发生的现象,由于在镍金层(immersion gold)下面的镍没有镀得非常好,有很多镍的晶粒之间存在细缝,形成间隙,在下一步镀金时金会进入到镍晶粒间隙中去。

当SMT回流焊接的时候,金会迅速溶解到焊锡里面,本来镍和锡要反应形成介金属,但是镍层有间隙(就像本来需要一个平整的大岩石一样的平面,而实际是有像峡谷一样的沟壑),焊锡对于这些间隙很难润湿下去,从而焊点的润湿强度造成了相当大的妥协,当产生这种“峡谷”越多的时候,那么润湿的面积就变得更少,焊点就变得非常弱。

另外一个原因之所以外观看着是黑盘的,还主要是因为当镀金的时候,线路板上的solder mask(阻焊油)溶解到镀金溶液中,被包裹到镍层上,呈现黑色,所以黑色来源是来自于solder mask,当然这个是对润湿没有帮助。

总之,黑盘问题产生原因是在镀镍层和镀金层时候制程没有处理好,造成了形成的妥协性的焊点,有些焊点强度非常弱,甚至刚出了回流焊炉焊点就掉下来,有些好一点的到售后使用2周左右就掉下来。



8.低温焊料应用在什么产品上?


答:低温焊料事实上现在用的还不广泛,工业界在尝试低温带来的好处,但是它另外带来的局限性也是相当大。当前在SMT板子组装使用低温焊料,其焊点的可靠性就有问题。如果说低温焊料主要用在什么地方,现在低温用的不多但是已经有一些PCB组装使用,同时也承受着它所带来的副作用。其它的低温还不算广泛



9.请问一般一罐锡膏开封后使用寿命是多久?一般锡膏厂家规格书为什么不标明这个参数?


答:这个使用寿命跟环境有关系,所以要表参数的话要准备一个大大的表格,把各种参数统统详细注明,否则只给出一个时间,很可能使用者在不同环境下达不到,就会提出异议。

这就是相当多的参数都会影响到开封后锡膏的寿命,保活温度、湿度等,这些是最长碰到的造成锡膏开始变坏的因素,还有就是锡膏受周围气流情况的影响,如果周围空气流通比较强也会把锡膏表面上的溶剂吹干,加快对锡膏的氧化。

还有另外一个相当大的影响就是有些锡膏助焊剂设计会在室温下仍然会去掉锡粉上面的氧化物,去掉氧化物后锡粉表面就失去保护层,当进行印刷时,锡粉与锡粉之间摩擦,这时软的锡粉就会形成冷焊现象,结成一块,看起来就像是变干了一样,事实上是因为冷焊现象,是由于助焊剂在室温下活性太高,把锡粉的氧化膜去掉了让它里面的焊锡形成冷焊,这也可以看上去像是变坏了,这会影响对锡膏使用寿命的判断。事实上是一个比较复杂的情况,有相当多的参数都会影响到锡膏开封后使用寿命。



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