SMT回流焊溫度曲線對焊點形狀的影響實驗研究

摘要: 通過SMT表面貼裝實驗研究了實際工況下焊點的形狀， 并分析回流焊接曲線對 Sn37Pb 和Sn3.0Ag0.5Cu 焊點形狀的影響。實驗設(shè)定錫鉛回流焊接曲線三條和無鉛回流焊接曲線兩條，對 PCB 板-焊料球-PCB 板組成的簡易封裝器件進行了回流焊接，并對焊接得到的焊點高度、直徑等形狀參數(shù)進行了統(tǒng)計分析。結(jié)果表明：回流焊接得到的焊點并非為大多數(shù)文獻中假設(shè)的規(guī)則形狀，由于重力和表面張力的影響，焊點的最大直徑處于焊點中部偏下的位置；回流曲線不同，焊接得到的焊點形狀也存在著較大的差異；回流曲線的加熱因子越小，焊接得到的焊點的高度越高，直徑越小。

關(guān)鍵詞: SMT表面貼裝實驗；回流焊接；溫度曲線；焊點形狀；加熱因子；接觸角

在電子封裝技術(shù)中，焊點既要起到機械支撐的作用，又要起到元器件與基板之間的電氣連接和信號傳遞的作用，焊點的可靠性很大程度上也就決定了整個封裝器件的可靠性 。 焊點可靠性的研究因素有很多，其中焊點的幾何形狀對焊點的可靠性起著重要的作用。Satoh 等研究表明高度較大的沙漏形焊點比高度較小的桶形焊點的疲勞壽命高出一個數(shù)量級，而且前者的裂紋移到焊點中心位置。焊點體積相同時，橫截面較小的焊點擁有較高的高度，在熱循環(huán)載荷作用下經(jīng)受的塑性應(yīng)變與應(yīng)力較低，擁有的熱疲勞壽命較長。焊點的高度是焊點形狀參數(shù)中一個重要的參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)焊點的疲勞壽命隨著焊點高度的增加而增加。上述這些研究中都表明了焊點的形狀參數(shù)對焊點的可靠性具有重要的影響，而上述的研究中所采取的焊點的形狀均為理想的圓柱狀等規(guī)則的形狀， 連鈉等關(guān)于實際焊點形狀的研究也只是給出了焊接過程中焊點形狀的動態(tài)變化檢測，并沒有統(tǒng)計分析給出焊接完成后焊點的實際形狀。關(guān)于實際工況下焊點的實際形狀研究的文獻很少，并且實際的表面貼裝工藝中，焊點的形狀是由回流焊接過程中設(shè)定的焊接曲線所決定的，因此研究實際工況下焊點的形狀，并研究不同回流焊接曲線對焊點形狀的影響是重要課題，研究結(jié)果將為以后分析形狀對焊點可靠性的影響，指導(dǎo)焊接曲線的設(shè)置更具有實際意義。

本文通過表面貼封裝實驗，研究實際工況下焊點的形狀，并研究回流焊接曲線對焊點形狀的影響。實驗中設(shè)定三條錫鉛回流焊接曲線和兩條無鉛回流焊接曲線，對 PCB 板-焊料球-PCB 板組成的簡易封裝器件進行了回流焊接，并對焊接得到的焊點形狀進行了統(tǒng)計分析。

1  表面貼裝實驗

實驗使用的設(shè)備主要包括：手動絲印臺、手動貼片臺、QHL360SMT 臺式無鉛回流焊機（紅外強制熱風(fēng)循環(huán)加熱方式） 。實驗材料主要有焊料球、焊錫膏、PCB 板三部分。焊料球包括錫鉛焊料球（成分63Sn37Pb，熔點 183 ℃）和無鉛焊料球（成分Sn3.0Ag0.5Cu， 熔點217 ℃） 兩種， 直徑均為0.76 mm，焊錫膏的主要成分與焊料球相同，PCB 板的尺寸為27 mm×27 mm×1.5 mm，板上焊盤的直徑為 0.6 mm，如圖 1 所示。

（a）焊料球 （b）PCB 板

圖 1 實驗材料

回流焊接溫度曲線的設(shè)定是SMT表面貼裝工藝過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是影響焊接完成后焊點形狀的直接因素。回流焊接溫度曲線一般分為預(yù)熱、保溫、回流、冷卻四個階段。預(yù)熱段是將封裝器件從周圍環(huán)境溫度提升到助焊劑所須的活性溫度，這一階段典型的升溫速率為2℃/s；保溫段主要目的是保證電路板上的全部元器件在進入焊接之前達到相同的溫度，盡量減少溫差。在這一階段焊錫膏中的樹脂或松香能在被焊接表面迅速擴散，溶解與其中的活性劑隨之流動，并與錫料粉末的表面氧化物進行反應(yīng)，以確保錫粉在焊接階段是清潔的。這一階段溫度上升比較緩慢，通常低于2 /s℃ ；回流段又稱焊接段，該階段溫度始終處于焊料球的熔點之上，焊料球開始溶化，流動擴展，并與Cu焊盤發(fā)生界面反應(yīng)。Tu等將溫度曲線超過焊錫熔點以上的部分覆蓋的面積定義為加熱因子，綜合表達了峰值溫度與回流時間對IMC的影響，本文用此定義來描述峰值溫度與回流時間對焊點形狀的綜合影響。冷卻段是焊點的成形階段，應(yīng)該用盡可能快的速度來進行冷卻，這樣連接表面將有助于得到明亮的焊點并有好的外形和低的接觸角度，這一階段的降溫速率一般為3~10 /s℃ 。

實驗中依據(jù) JEDEC J-STD-020C 標(biāo)準(zhǔn)， 參考一些學(xué)者的工作 [8-10] 設(shè)定了兩條無鉛回流焊接溫度曲線（Lead-Free Reflow Profile，簡稱 LFRP）和三條錫鉛回流焊接溫度曲線（Sn-Pb Reflow Profile，簡稱SPRP），如圖2所示，各曲線的加熱因子Qη為圖中陰影部分的面積，具體數(shù)值列于表 1，根據(jù)上述加熱因子的定義，其單位為 s·℃。

            圖 2 回流焊接溫度曲線

表 1 回流曲線的加熱因子

回流曲線  SPRPⅠ  SPRPⅡ  SPRPⅢ  LFRPⅠ  LFRPⅡ

SMT表面貼裝工藝的基本步驟分為：施加焊錫膏、貼裝元器件、 回流焊接。 實驗中以PCB代替元器件，

按照工藝的基本步驟，對PCB板-焊料球-PCB板組成的簡易封裝器件進行了回流焊接，每條溫度曲線焊接5個封裝器件，5 條溫度曲線共焊接了 25個封裝器件。

2  實驗結(jié)果分析

2.1 焊點的斷面輪廓圖

為了獲得焊點的斷面輪廓圖，對焊接得到的封裝器件進行機械拋光處理。由于焊點在機械拋光過程中會因為摩擦力的作用，發(fā)生變形，甚至位移，所以在拋光之前把封裝件鑲嵌在環(huán)氧樹脂內(nèi)，機械

拋光后，根據(jù)電子顯微鏡拍得焊點的斷面照片，以1mm為間距取點繪出焊點的輪廓圖，

如圖3所示（單位mm）。

與回流曲線相對應(yīng)，焊接得到的焊點分別記為SPⅠ、SPⅡ、SPⅢ、LFⅠ、LFⅡ。

圖 3 焊點輪廓圖

從圖 3 可見，焊點并非是文獻中數(shù)值模擬經(jīng)常假設(shè)的對稱的桶形和球形體，在重力與表面張力的

作用，焊點呈現(xiàn)上部較窄，下部略寬的罐狀體，焊點的最大直徑處于焊點中部偏下的位置。三種錫鉛回流焊接曲線中，SPRPⅢ的加熱因子最小，焊接得到的 SPⅢ焊點與其上部 Cu 焊盤的焊接面積明顯小于其下部 Cu焊盤的焊接面積，而另外兩種錫鉛焊點與其上下銅焊盤的焊接面積相差不大，這可能是由于SPRPⅢ的加熱因子較小， 在回流階段焊點溶化流動擴展較慢引起的。兩種無鉛焊點與其上下焊盤的焊接面積相差不大。同時可以看出不同的回流焊接曲線焊接得到的焊點的輪廓也存在著較大的差異。這說明了將焊點的形狀簡化為對稱的桶形、柱形和沙漏形來研究焊點的可靠性得到的結(jié)果將是不準(zhǔn)確的。這就需要對實際焊接得到的焊點形狀進行研究。

2.2 焊點形狀參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果

焊點的形狀參數(shù)能夠表征回流焊接得到的焊點的形狀特點，主要包括焊點的直徑、高度以及焊點與其下部Cu焊盤的接觸角，表2列出了焊點形狀參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果。

表 2 焊點形狀參數(shù)的均值比較

從表2 可見，在錫鉛回流焊接溫度曲線中，SPRPⅢ曲線的加熱因子最小，為1072，焊接得到的SPⅢ焊點的高度最高，直徑和接觸角最小；對于無鉛回流焊接也有同樣的結(jié)果，加熱因子較小的LFRPⅡ曲線（1 358）焊接得到的 LFⅡ焊點的高度較大，而直徑與接觸角較小。對比結(jié)果表明：無論是錫鉛還是無鉛回流焊接溫度曲線，曲線上液相線以上部分的面積越小，即加熱因子越小，焊接得到的焊點高度越高，直徑與接觸角越小。

3 結(jié)論

實驗結(jié)果給出了實際工況下焊點的形狀為上部較窄，下部略寬的罐狀體。研究發(fā)現(xiàn)溫度曲線的不同引起了焊點高度、直徑、接觸角以及輪廓的較大差異。無論是錫鉛還是無鉛焊點，回流焊接溫度曲線的加熱因子越小，焊接得到的焊點高度越高，直徑與接觸角越小。采取實際工況下焊點形狀為模型進行焊點可靠性研究，綜合評價焊點的高度、直徑、接觸角、輪廓等因素對焊點可靠性的影響，這對優(yōu)化回流曲線，提高焊點可靠性具有重要的指導(dǎo)意義。