錫膏基本知識，焊點性能因素及無鉛焊錫

　　焊接材料焊錫作為所有三種級別的連接：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。考慮到鉛(Pb)在技術上已存在的作用與反作用，焊錫可以分類為含鉛或不含鉛。現在，已經在無鉛系統中找到可行的、代替錫/鉛材料的、元件和PCB的表面涂層材料。可是對連接材料，對實際的無鉛系統的尋找仍然進行中。

 

　　這里，總結一下錫/鉛焊接材料的基本知識，以及焊接點的性能因素，隨后簡要討論一下無鉛焊錫。

 

　　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。由于傳統板材料，如FR-4，的賴溫水平，用于附著元件和IC包裝的板級焊錫局限于共晶，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、預制錠、錫球與柱、錫膏和熔化狀態。

 

　　焊錫材料的固有特性可從三個方面考慮：物理、冶金和機械。

 

　　物理特性對今天的包裝和裝配特別重要的有五個物理特性： 冶金相化溫度(Metallurgical phase-transition temperature)有實際的暗示，液相線溫度可看作相當于熔化溫度，固相線溫度相當于軟化溫度。

 

　　對給定的化學成分，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于最惡劣條件下的最終使用溫度。因此，希望合金具有比所希望的最高使用溫度至少高兩倍的液相線。當使用溫度接近于液相線時，焊錫通常會變得機械上與冶金上“脆弱”。 焊錫連接的導電性(electrical conductivity)描述了它們的電氣信號的傳送性能。從定義看，導電性是在電場的作用下充電離子(電子)從一個位置向另一個位置的運動。

 

　　電子導電性是指金屬的，離子導電性是指氧化物和非金屬的。焊錫的導電性主要是電子流產生的。電阻 - 與導電性相反 - 隨著溫度的上升而增加。這是由于電子的移動性減弱，它直接與溫度上升時電子運動的平均自由路線(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)。

 

　　金屬的導熱性(thermal conductivity)通常與導電性直接相關，因為電子主要是導電和導熱。(可是，對絕緣體，聲子的活動占主要。) 焊錫的導熱性隨溫度的增加而減弱。

 

　　自從表面貼裝技術的開始，溫度膨脹系數(CTE, coefficient of thermal expansion)問題是經常討論到的，它發生在SMT連接材料特性的溫度膨脹系數(CTE)通常相差較大的時候。一個典型的裝配由FR-4板、焊錫和無引腳或有引腳的元件組成。它們各自的溫度膨脹系數(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無引腳元件)。在溫度的波動和電源的開關下，這些CTE的差別增加焊接點內的應力和應變，縮短使用壽命，導致早期失效。兩個主要的材料特性決定CTE的大小，晶體結構和熔點。當材料具有類似的晶格結構，它們的CTE與熔點是相反的聯系。

 

　　熔化的焊錫的表面張力(surface tension)是一個關鍵參數，與可熔濕性和其后的可焊接性相關。由于在表面的斷裂的結合，作用在表面分子之間的吸引力相對強度比焊錫內部的分子力要弱。因此材料的自由表面比其內部具有更高的能量。對熔濕焊盤的已熔化的焊錫來說，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，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境條件下，通常發生的冶金現象包括七個不同的改變。

 

　　1. 塑性變形(plastic deformation)。當焊錫受到外力，如機械或溫度應力時，它會發生不可逆變的塑性變形。通常是從焊錫晶體結合的一些平行平面開始，它可能在全部或局部(焊錫點內)進行，看應力水平、應變率、溫度和材料特性而定。

 

　　2. 連續的或周期性的塑性變形最終導致焊點斷裂。

 

　　3. 應變硬化(strain-hardening)，是塑性變形的結果，通常在應力與應變的關系中觀察得到。 回復過程(recovery process)是應變硬化的相反的現象，是軟化的現象，即，焊錫傾向于釋放儲存的應變能量。該過程是熱動力學過程，能量釋放過程開始時快速，其后過程則較慢。對焊接點失效敏感的物理特性傾向于恢復到其初始的值。僅管如此，這不會影響微結構內的可見的變化。

 

　　4. 再結晶(recrystallization)是經常在使用期間觀察到的焊接點內的另一個現象。它通常發生在相當較高的溫度下，涉及比回復過程更大的從應變材料內釋放的能量。在再結晶期間，也形成一套新的基本無應變的晶體結構，明顯包括晶核形成和生長過程。再結晶所要求的溫度通常在材料絕對熔點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程，造成應力增加。一個例子就是當通過添加銻(Sb)來強化Sn/Pb成分。

 

　　6. 沉淀硬化(precipitaion-hardening)包括來自有充分攪拌的微沉淀結構的強化效果。

 

　　7. 焊錫的超塑性(superplasticity)出現在低應力、高溫和低應變率相結合的條件下。

 

　　機械特性　

 

　　錫的三個基本的機械特性包括應力對應力特性、懦變阻抗和疲勞阻抗。

 

　　然應力可通過張力、壓力或剪切力產生，大多數合金的剪切力比張力或壓力要弱。剪切強度是很重要的，因為大多數焊接點在使用中經受剪切應力。

 

　　懦變是當溫度和應力(負荷)都保持常數時的一種全面塑性變形。

 

　　這個依靠時間的變形可能在絕對零度以上的任何溫度下發生。可是，懦變只是在“活躍”溫度才變得重要。

 

　　疲勞是在交變應力下的合金失效。在循環負荷下合金所能忍受的應力比靜態負荷下小得多。因此，屈服強度，焊錫阻抗永久變形的靜態應力，經常與疲勞強度無關。通常疲勞斷裂開始于幾個微小的裂紋，在重復應力作用下增長，造成焊接點截面的承載能力下降。

 

　　電子包裝與裝配應用中等焊錫一般經受低頻疲勞(疲勞壽命小于10,000周期)和高應力。溫度機械疲勞是用來介定焊錫特性的另一個測試模式。材料受制于循環的溫度極限，即溫度疲勞測試模式。每個方法都有其獨特的特性和優點，兩者都影響焊錫上的應變循環。

 

　　性能與外部設計　

 

　　人們都認識到焊錫點的可靠性不僅依靠內在的特性，而且依靠設計、要裝配的元件與板、用以形成焊接點的過程和長期使用的環境。還有，焊接點表現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之間的機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焊錫量的高比率，在固化期間造成大量異相晶核座，以及當焊錫點形成時元素或冶金成分的濃度變化。任何一種情況都可能導致反應缺乏均勻性的結構。隨著焊錫點厚度的減少，這種界面衰歇將更明顯。因此，焊接點的特性可能改變，失效機制可能與從散裝的焊錫得出的不一樣。

 

　　元件與板的設計也會對焊錫點特性有重要影響。例如，和焊盤有聯系的阻焊的設計(如限定的或非限定的阻焊)，將影響焊錫點的性能以及失效機制。  

　　對每一種元件包裝類型，觀察和介定各自的焊接點失效模式。例如，翅形QFP的焊接點裂紋經常從焊點圓角的腳跟部開始，第二條裂紋在腳趾區域；BGA的焊點失效通常在焊錫球與包裝的界面或焊錫球與板的界面發現。

 

　　另一個重要因素是系統溫度管理。IC芯片的散熱要求在不斷增加。運行期間產生的熱量必須有效地從芯片帶出到包裝表面，然后到室溫。在出現由于過熱而引起的系統失效之前，IC的性能可能變得不穩定，和前面所說的溫度與導電性之間的關系一樣。元件的包裝與電路板的設計都會影響到散熱過程的效率。