SMT与焊接技术XXXX.doc
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1、SMT与焊接技术XXXXSMT 什么是SMT SMT就是表面组装技术(表面贴装技术)(Surface Mounted Technology的缩写),是目前电子组装行业里最流行的一种技术和工艺。 SMT有何特点 组装密度高、电子产品体积小、重量轻,贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右,一般采用SMT之后,电子产品体积缩小40%60%,重量减轻60%80%。 可靠性高、抗振能力强。焊点缺陷率低。 高频特性好。减少了电磁和射频干扰。 易于实现自动化,提高生产效率。降低成本达30%50%。 节省材料、能源、设备、人力、时间等。编辑本段为什么要用SMT 电子产品追求小型化,以前使用的穿孔插
2、件元件已无法缩小 电子产品功能更完整,所采用的集成电路(IC)已无穿孔元件,特别是大规模、高集成IC,不得不采用表面贴片元件 产品批量化,生产自动化,厂方要以低成本高产量,出产优质产品以迎合顾客需求及加强市场竞争力 电子元件的发展,集成电路(IC)的开发,半导体材料的多元应用 电子科技革命势在必行,追逐国际潮流编辑本段SMT 基本工艺构成要素 印刷(或点胶)- 贴装 - (固化) - 回流焊接 - 清洗 - 检测 - 返修 印刷:其作用是将焊膏或贴片胶漏印到PCB的焊盘上,为元器件的焊接做准备。所用设备为印刷机(锡膏印刷机),位于SMT生产线的最前端。 点胶:因现在所用的电路板大多是双面贴片,
3、为防止二次回炉时投入面的元件因锡膏再次熔化而脱落,故在投入面加装点胶机,它是将胶水滴到PCB的固定位置上,其主要作用是将元器件固定到PCB板上。所用设备为点胶机,位于SMT生产线的最前端或检测设备的后面。有时由于客户要求产出面也需要点胶, 而现在很多小工厂都不用点胶机,若投入面元件较大时用人工点胶。 贴装:其作用是将表面组装元器件准确安装到PCB的固定位置上。所用设备为贴片机,位于SMT生产线中印刷机的后面。 固化:其作用是将贴片胶融化,从而使表面组装元器件与PCB板牢固粘接在一起。所用设备为固化炉,位于SMT生产线中贴片机的后面。 回流焊接:其作用是将焊膏融化,使表面组装元器件与PCB板牢固
4、粘接在一起。所用设备为回流焊炉,位于SMT生产线中贴片机的后面。 清洗:其作用是将组装好的PCB板上面的对人体有害的焊接残留物如助焊剂等除去。所用设备为清洗机,位置可以不固定,可以在线,也可不在线。 检测:其作用是对组装好的PCB板进行焊接质量和装配质量的检测。所用设备有放大镜、显微镜、在线测试仪(ICT)、飞针测试仪、自动光学检测(AOI)、X-RAY检测系统、功能测试仪等。位置根据检测的需要,可以配置在生产线合适的地方。 返修:其作用是对检测出现故障的PCB板进行返工。所用工具为烙铁、返修工作站等。配置在生产线中任意位置。 SMT 之 IMC IMC系Intermetallic compo
5、und 之缩写,笔者将之译为”介面合金共化物”。广义上说是指某些金属相互紧密接触之介面间,会产生一种原子迁移互动的行为,组成一层类似合金的”化合物”,并可写出分子式。在焊接领域的狭义上是指铜锡、金锡、镍锡及银锡之间的共化物。其中尤以铜锡间之良性Cu6Sn5(Eta Phase)及恶性Cu3Sn(Epsilon Phase)最为常见,对焊锡性及焊点可靠度(即焊点强度)两者影响最大,特整理多篇论文之精华以诠释之 一、定义 能够被锡铅合金焊料(或称焊锡Solder)所焊接的金属,如铜、镍、金、银等,其焊锡与被焊底金属之间,在高温中会快速形成一薄层类似”锡合金”的化合物。此物起源于锡原子及被焊金属原子
6、之相互结合、渗入、迁移、及扩散等动作,而在冷却固化之后立即出现一层薄薄的”共化物”,且事后还会逐渐成长增厚。此类物质其老化程度受到锡原子与底金属原子互相渗入的多少,而又可分出好几道层次来。这种由焊锡与其被焊金属介面之间所形成的各种共合物,统称Intermetallic Compound 简称IMC,本文中仅讨论含锡的IMC,将不深入涉及其他的IMC。 二、一般性质 由于IMC曾是一种可以写出分子式的”准化合物”,故其性质与原来的金属已大不相同,对整体焊点强度也有不同程度的影响,首先将其特性简述于下: IMC在PCB高温焊接或锡铅重熔(即熔锡板或喷锡)时才会发生,有一定的组成及晶体结构,且其生长
7、速度与温度成正比,常温中较慢。一直到出现全铅的阻绝层(Barrier)才会停止(见图六)。 IMC本身具有不良的脆性,将会损及焊点之机械强度及寿命,其中尤其对抗劳强度(Fatigue Strength)危害最烈,且其熔点也较金属要高。 由于焊锡在介面附近得锡原子会逐渐移走,而与被焊金属组成IMC,使得该处的锡量减少,相对的使得铅量之比例增加,以致使焊点展性增大(Ductillity)及固着强度降低,久之甚至带来整个焊锡体的松弛。 一旦焊垫商原有的熔锡层或喷锡层,其与底铜之间已出现”较厚”间距过小的IMC后,对该焊垫以后再续作焊接时会有很大的妨碍;也就是在焊锡性(Solderability)或沾
8、锡性(Wettability)上都将会出现劣化的情形。 焊点中由于锡铜结晶或锡银结晶的渗入,使得该焊锡本身的硬度也随之增加,久之会有脆化的麻烦。 IMC会随时老化而逐渐增厚,通常其已长成的厚度,与时间大约形成抛物线的关系,即: k t, kk exp(Q/RT) 表示t时间后IMC已成长的厚度。 K表示在某一温度下IMC 的生长常数。 T表示绝对温度。 R表示气体常数, 即8.32 J/mole。 Q表示IMC生长的活化能。 KIMC对时间的生长常数, 以nm / 秒或m / 日( 1m / 日3.4nm / 秒。 现将四种常见含锡的IMC在不同温度下,其生长速度比较在下表的数字中: 表1 各
9、种IMC在不同温度中之生长速度(nm / s) 金属介面 20 100 135 150 170 1. 锡 / 金 40 2. 锡 / 银 0.08 17-35 3. 锡 / 镍 0.08 1 5 4. 锡 / 铜 0.26 1.4 3.8 10 注 在170高温中铜面上,各种含锡合金IMC层的生长速率,也有所不同;如热浸锡铅为 5nm/s,雾状纯锡镀层为7.7(以下单位相同),锡铅比30/70的皮膜为11.2,锡铅比70/30的皮膜为12.0,光泽镀纯锡为3.7,其中以最后之光泽镀锡情况较好。 三、焊锡性与表面能 若纯就可被焊接之底金属而言,影响其焊锡性(Solderability)好坏的机理
10、作用甚多,其中要点之一就是”表面自由能”(Surface Free Energy,简称时可省掉Free)的大小。也就是说可焊与否将取决于: (1) 被焊底金属表面之表面能(Surface Energy), (2) 焊锡焊料本身的”表面能”等二者而定。 凡底金属之表面能大于焊锡本身之表面能时,则其沾锡性会非常好,反之则沾锡性会变差。也就是说当底金属之表面能减掉焊锡表面能而得到负值时,将出现缩锡(Dewetting),负值愈大则焊锡愈差,甚至造成不沾锡(Non-Wetting)的恶劣地步。 新鲜的铜面在真空中测到的”表面能”约为1265达因/公分,63/37的焊锡加热到共熔点(Eutectic P
11、oint 183)并在助焊剂的协助下,其表面能只得380达因/公分,若将二者焊一起时,其沾锡性将非常良好。然而若将上述新鲜洁净的铜面刻意放在空气中经历2小时后,其表面能将会遽降到25达因/公分,与380相减不但是负值(-355),而且相去甚远,焊锡自然不会好。因此必须要靠强力的助焊剂除去铜面的氧化物,使之再活化及表面能之再次提高,并超过焊锡本身的表面能时,焊锡性才会有良好的成绩。 四、锡铜介面合金共化物的生成与老化 当熔融态的焊锡落在洁铜面的瞬间,将会立即发生沾锡(Wetting俗称吃锡)的焊接动作。此时也立即会有锡原子扩散(Diffuse)到铜层中去,而铜原子也同时会扩散进入焊锡中,二者在交
12、接口上形成良性且必须者Cu6Sn5的IMC,称为-phase(读做Eta相),此种新生”准化合物”中含锡之重量比约占60%。若以少量的铜面与多量焊锡遭遇时,只需3-5秒钟其IMC即可成长到平衡状态的原度,如240的0.5m到340的0.9m。然而在此交会互熔的同时,底铜也会有一部份熔进液锡的主体锡池中,形成负面的污染。 (a) 最初状态:当焊锡着落在清洁的铜面上将立即有-phase Cu6Sn5生成,即图中之(2)部分。 (b) 锡份渗耗期:焊锡层中的锡份会不断的流失而渗向IMC去组新的Cu6Sn5,而同时铜份也会逐渐渗向原有的-phase层次中而去组成新的Cu3Sn,即图中之(5)。此时焊锡
13、中之锡量将减少,使得铅量在比例上有所增加,若于其外表欲再行焊接时将会发生缩锡。 (c) 多铅之阻绝层:当焊锡层中的锡份不断渗走再去组成更厚的IMC时,逐渐使得本身的含铅比例增加,最后终于在全铅层的挡路下阻绝了锡份的渗移。 (d) IMC的曝露:由于锡份的流失,造成焊锡层的松散不堪而露出IMC底层,而终致到达不沾锡的下场(Non-wetting)。 高温作业后经长时老化的过程中,在Eta-phase良性IMC与铜底材之间,又会因铜量的不断渗入Cu6Sn5中,而逐渐使其局部组成改变为Cu3Sn的恶性-phase(又读做Epsilon相)。其中铜量将由早先-phase的40%增加到-phase的66
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