印制电路板铜面保护层对无铅焊点结构影响(上)

HEATS

　　随着2006年7月欧盟关于所有进入该市场的电子电器产品必须满足无铅化的法令期限的临近,电子产品的无铅制程受到生产厂家越来越多的关注。尽管许多的研究表明无铅组装是可行的,而且有某些有利的特点,但电子组装业在完全实行无铅化前,还有许多问题需要解决,其中重要的一点就是如何较好地保证印制线路板与无铅合金的有效兼容。从电子学特性来看, Sn - Ag - Cu被认为是很有希望取代共晶Sn - Pb的合金系,该合金在铜面上有较好的润湿性能,能形成良好的焊点,而且其热机性能也超过了共晶Sn - Pb合金。为保证与Sn - Ag- Cu在组装过程中保持较好的润湿特性,必需在组装前对印制线路板的铜面进行表面处理,处理的方式是添加保护层,如有机保护层(OSP)、浸银层( Im2mersion Ag, I - Ag)、浸金层( Immersion Au, I - Au)、化学镀Ni/Au层等,其中使用较多的是有机保护层与浸银层,而采用这两种保护层对无铅焊点结构影响的研究目前还未见报道。为此,结合实际生产中的无铅表面贴装技术制程,研究了印制电路板铜面保护层对无铅Sn - Ag - Cu焊点结构的影响。

　　1实验过程

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　　采用合金成分为Sn - 3. 0 %Ag - 0. 5 %Cu (质量百分比)、助焊剂为松香的无铅锡膏,把1. 2 mm厚的印制电路板与球栅列阵BGA元件,按照表面贴装技术工艺进行焊接处理,即真空包装的印制电路板开封、通过锡膏模板印刷、再过回流焊炉。印制电路板的铜面采用两种不同的保护层,即有机保护层和浸银层。回流焊过程中的保温区温度为218℃,峰值温度为235℃。经过回流焊处理后制成一系列无铅的BGA /Cu焊接样品。采用拉伸试验的方法把BGA与印制电路板分离,然后在扫描电镜下观察焊点断裂方式与断口的变化情况,以确定铜面保护层对焊点的断裂方式影响,拉伸速率为0. 5 mm /min。为确定铜面保护层对焊点结构的影响,在印刷电路板的相同位置处把BGA /Cu焊接样品切割,经过抛光后,采用φ(HNO3 ) 5 % +φ(HCl) 2 % +φ(H2O2 ) 0. 5 %混合酸溶液进行腐蚀处理,再用体积分数为25 %硝酸酒精溶液微蚀。对经过腐蚀处理后不同焊接样品,采用附带INCA EDS的JEOLJSM6360扫描电镜( SEM)进行观察与分析。

　　2试验结果与分析

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　　采用有机保护层保护的无铅焊点通过拉伸试验后,大量焊点在靠近铜面处断裂如图1 ( a)所示,显示出无铅焊点的强度低于铜面与印制电路板的结合强度;对断裂的焊点断口观察显示,焊点中出现较多的气孔如图1 ( b) ,这些气孔大小不一,而且气孔中有助焊剂残渣。而采用浸银层保护的无铅焊点通过拉伸试验后,多数铜面被拔出如图1 ( c) ,显示出焊点的强度高于铜面与印制电路板的结合强度;对断裂的焊点观察显示如图1 ( d) ,断口表现较为平整,出现的气孔比较少。

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　　有机保护层焊点中出现气孔的主要原因在于:有机保护层经过回流焊炉时发生分解产生气体,这些气体由于来不及排出而在界面附近形成气孔。当焊点受外力作用时,在气孔处产生应力集中并形成微裂纹,微裂纹然后发生扩展并长大,并最终导致焊点断裂,因此降低了焊点的强度。

 

　　图1拉伸试验后无铅焊点的断口扫描电镜分析