1、无铅焊料的应用说明7.2 Sn-Ag-Bi 系（中温型）-日立公司应用事例无铅焊料的应用说明 7.2.1无铅焊料的应用说明日立公司对无铅焊料的应用目标，2000 年在各类产品中达到50 % , 2001 年将达到1 00 。目前己经开始应用的无铅焊料大致分为表7.3 中的三类，即作为高温系的Sn-Ag ，普通基板和耐热性差的元件不能使用该焊料。焊接温度偏低，可保证中度可靠性的中温系Sn-Ag-Bi 焊料和耐热性非常低的产品用的含Bi5及57 % ，回流、波峰焊用低温系焊料。表7.3 无铅焊料分类和川途无铅焊料实用化的优选顺序应根据产品的可靠性为首要因素，此外，回流焊场合，应以焊接温度、机械特性
2、、熔融特性、成本为重要因素。波峰焊场合，应将使用成本、使用长期性（耐氧化、不纯物等问题）作为考虑的重要因素。高温系Sn-Ag 无铅焊料因具耐高温性、耐热疲劳性、耐蠕变性优点，接合可靠性方面没有什么问题，也就是焊料本身没有问题，被接合体（元件、基板等）因受到强的应力，有时可能会产生损伤，增加无铅焊料使用时的缓冲作用是用户所期望的。在即将要进入无铅化时代之际，去除接合界面的破坏应力因素，实行非破坏组装设计要个重要课题。在无铅化的过渡时期，大部分电子元件仍电镀Sn-Pb，在使用无铅焊料时，对焊接好的产品有必要进行可靠度的认定。中温、低温系无铅焊料所对应的使用对象应该明确，作为生产企业，应该具备无铅焊
3、料的基础数据、制品可靠性数据、评价数据、使用界限、使用方法的规定等技术资料。7.2.2 在回流焊上的组装应用( l ）焊料组成与引线上的金属层及组装的接合强度关系当前的电子元件电极上电镀的（Sn-10Pb ) , Pb量约为10mass % , Sn-Ag-Bi 系无铅焊料对元件电极镀层的影响可通过接点的可靠性评价来表示。从前面所知，焊料中的Bi 会使接合强度降低，为确定这个因素，特对Sn-Ag-Bi 焊料的Bi 量在0-57mass范围内的变化进行了模拟试验，试验用引线宽3mm，厚0.15对试验基板执行90 度剥离测试，来测定接合强度，分析断面状况（见图7.9 ) 。试验用引线有二种，一种是
4、电镀Sn-Pb 的42 合金，另一种为Cu 引线，结果显示，Cu 引线对Sn-Ag 添加Bi 后不太敏感，在Bi量5mass基本无变化，但42合金引线在Bi 量2mass时，接合强度明显下降。从破坏剥离面的分析，引线侧、焊料侧的剥离面由图7.10 展示，破坏断面发生在引线与焊料的界面附近，按Bi量其破坏状态存在着差异。不含Bi的破坏断面、引线侧有残余焊料，说明是焊料中的破坏，与过去Sn-37Pb的破坏模式是相同的。Sn-Ag 在添加2mass% Bi后，引线侧的焊料开始减少，结论是42合金上生成的化合物层和焊料界面的破坏，而Bi 量的增加在焊料一侧是前的比例多，说明不参与反应的Bi 在界面析焊
5、接后Sn、Pb、Bi三元素的掺合，大约97Sn-Pb-Bi 三元共晶析出，将Sn-2.5Ag-15Bi + a与Sn-10Pb 金属层焊接组成的接合部进行DSC 测定结果见图7.11。97 吸收的峰值，并析出三元共晶，这种析出状态对实际使用时是否会造成可靠性影响，能否在高温环境中使用等问题都要加以预测。使用剥离试验方法测定比较容易，测定时的引线刚性可能比实物要强，同时这种测定方法与接合界面扁平部的大小所取得的数据，能否代表普遍性，还有待进一步探讨。除此之外，还有前几章介绍过的对QFP 封装进行45 度方向的剥离拉伸测试，这时接合点对应的是剪切方向、垂直方向力，引线的刚性比前者小，因焊料组成、镀
6、层的差错，会对敏感性表现不一，但属于实物性测试，这二种试验方法，各有长短，可以并用。Sn-3Ag-Cu 高温系、Sn-3Ag-SBi 中温系、Sn-2.SAg-15Bi 低温系与各种金属镀层的接合强度见图7.12 。图7.12 中的虚线表示是原来Sn-37Pb 焊料与42 合金的接合强度，弯月面强度12ksf ，扁平部强度1.5ksf 。Sn-3Ag-cu 焊料与Sn 、Sn-Bi 、Sn-Pb 镀层的弯月面强度比原来强，但在扁平部却显示不出长处，由于抗挠性等初始强度对弯月面部的作用，给扁平部带来的强度降低影响可能考虑不到，这是需要改善的。含Bi5mass%、15mass%焊料与Sn-3Ag-
7、Cu 比较，接合强度显著减少。 ( 2 ) Bi 浓度的变化与接合部的温度循环试验图7.13 是Sn-3Ag-0.7Cu 焊料中由Bi 量变化的示意，条件：42 合金引线电镀Sn-10Pb ，温度-5-125，1小时/循环，经样板封装温度循环的试验结果。样板封装的接合点是按照承受大的应力，应变作用设计的，剥离强度与前述相同，由Bi 量的增加而寿命下降。图示中，没有Bi 的场合，开裂沿着引线在焊料中进展，除去快速情况下的焊料开裂，焊料的破坏靠近在界面附近，由Bi 量变化的断裂寿命同初始剥离强度表示的破坏强度一致。在加入Bi 的焊料场合，把焊料镀层由Sn-10Pb 改为Sn 镀层，这时界面强度提高，且不易生成低温相，寿命可大幅提高。但是，目前元件电极的镀层不可能在短期内全部改成Sn 镀层，在这个过渡期可以对应使用没有Bi 的高温系焊料和加入少量Bi 的中温系焊料，想必是可行的。
