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無鉛焊點脆性的解決方法

2019-10-30

   由于近實施的有害物質限制法規(RoHS),出現了各種無鉛焊料供電子裝配業使用。SnAgCu(SAC)合金因具有出色的物理、機械和疲勞特性以及可接受的的焊接方式與成本而成為是常見的選擇。然而,正如跌落試驗結果所示,此類合金的應用因為焊點的脆性較高(相對于63Sn37Pb)而顯得美中不足。對于采用陣列封裝(如BGA和CSP)的便攜式產品來說,此點尤為重要。
    SAC 焊點斷裂主要出現在焊膏與焊墊之間的界面處。顯而易見,任何發生在界面的問題均可能通過在界面一側或雙側采取措施(如焊墊金屬化和焊料合金)而得到解決,也可以通過減少對焊點的沖擊而予以改進。其它提高焊點可靠性的途徑還有:
(1) 改進表面處理
(2) 改進焊料合金
(3) 加強連接力
(4) 改進包裝  
表面處理
    表面處理的成份直接影響IMC形成的類型。已知在某些情況下,鎳金焊墊的跌落試驗性能比OSP差。這一情況似乎與鎳上的粗粒IMC 扇形物(scallop)形成有關。如果鍍層厚度不控制在0.2微米范圍內,沉浸銀的跌落試驗結果也會因小空洞而受到影響。  
    表面處理的質量可影響潤濕性和金屬間化合物的結構。根據IBM的觀察,SAC焊點的脆性可能與各批之間OSP表面處理的變化有關,雖然變化的確切性質尚不清楚。  
焊料合金
    減少SAC合金的Ag含量(如SAC 105)固然有所助益,但性能仍然遜于共晶錫-鉛。在這一方面,開發和研究了一類以少量添加劑加以改良的SnAgCu 合金。這種合金解決方案常被稱為SAC+X,其中X是添加的一種或幾種元素。這一改進減少了焊料合金的硬度,從而也降低其脆性。對這個方法的一種擔心是可能會影響熱疲勞可靠性。銦泰公司近一份關于各種合金(包括SAC+Mn)的報告提及其跌落試驗的性能優于Sn63。此外,這種金屬的蠕變率也低于Sn63,因此跌落試驗和熱疲勞性能評價的結果提供了很有希望的結果。
加強連接力
    脆性焊點的脆弱可通過使用粘膠劑來補償。粘膠劑可增大BGA和PCB之間的連接強度。常用的方法有毛細管底部充膠和拐角加強點。底部充膠的缺點是步驟較多,而且助焊劑殘留物會影響粘著性,但其優點是粘結強度較大。拐角加強點則在改進連接強度方面作用有限。有一種新的方法引起了業界極大的興趣,稱之為“非流動性底部充膠”。這種方法與SMT工藝完全兼容并對提高成品可靠性效果佳。

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