SMT中无铅组装技术与可靠性

随着电子产品日益微小型化和"绿色"环保的要求，使电子组装和封装技术面临新的挑战。欧盟WEEE和RoHS两个“绿色”电子法规的发布和限期实施的要求，加速了电子产品无铅化的进程。

最早应用于混合电路中的片状元件和表面组装技术（SMT）早已广泛用于板级电子产品的组装中，SMT已成为主流的组装工艺。从“有铅”到“无铅”，显示了SMT工艺对不同材料的适应性。SMT等组装技术均涉及元器件、材料（包括焊接材料和基板等）、工艺设备和电路设计等诸多方面，涉及众多相关学科领域。

组装的目的是要按照设计的要求将各类电子元器件安装、焊接在基板上，完全规定的电气互连以达到组装件的各项性能要求。具体来说就是：完成元器件和焊盘的电气互连；在组装工艺全过程中均不允许对元器件的性能造成损伤；组装工艺能满足组装件各项性能，包括可靠性的要求，如焊点能承受热疲劳和机械疲劳试验不失效，在潮热、寿命试验中不产生特性变化和电迁移现象等。

当前电子产品“无铅”化已成必然趋势，且已有相当量的产品，特别是假定产品采用了"无铅"组装。目前"无铅"和有铅在工艺上表现的主要差异为：

1．焊接温度高：传统铅锡共晶焊料的熔点为183℃，而无铅焊料一般均在217℃以上；

2．自校正（Self alignment）能力及浸润性能差；

3．工艺窗口狭窄：这是由于无铅焊料熔点的提高和元器件对温度承受能力的限制造成的；

4．焊点外观差。

根据上述差异和组装的基本要求，以下我们将分别讨论焊料、焊接界面、工艺诸方面对产品质量的影响。

焊料包括合金焊料和焊膏，分别适用波峰焊和再流焊。合金焊料是基础材料。合金焊料除了导电性能、机械及热学性能（极限抗拉强度、延伸率、杨氏模量、热膨胀系数）等外，还具有以下几方面的特性：

（1）熔融特性

对于共晶组份的焊料合金有明确的熔点，对不具有共晶组份的焊料合金可以采用固相点、液相点和熔程来表征合金焊料的熔融特性。

（2）浸润特性

润湿特性是焊料最重要的特性，通常可用润湿称量法来测定。

温度对润湿性有很大的影响，通常温度越高润湿性越好，这和表面张力的减小及界面反应有关。无铅焊料的浸润特性比SnPb焊料差。

（3）界面层形态

它对连接的可靠性影响很大，特别是形成很厚反应层时，因为反应层是金属间化合物（IMC），比较脆且不易与被焊面热膨胀系数匹配。

焊膏是适用于印刷、再流焊工艺的专用焊料。它除需具有合金焊料的特性外还需具备可印刷性和助焊活性。

印刷、再流和波峰焊是目前在板极组装中使用最为普遍和成熟的工艺。然而随着电子产品的日趋微小型化和"绿色"环保的要求使组装工艺面临新的挑战，特别是

在“无铅化”的要求提出以后。再流焊和波峰焊都是采用焊料将元器件的引出端与基板上的焊盘进行电连接的。它不同于芯片/丝键合（Chip/Wire bonding）工艺和接插件的直接结触电连接。与焊料相连接的两个导体界面元器件引出端及焊盘材料必须满足可焊性、耐焊性、剥离强度和电阻率等性能。

考虑到无铅焊料与传统铅锡类焊料的差异，就需要从工艺控制上来弥补其不足，达到产品组装的要求。其主要因素有：焊膏印刷定位精度提高，以弥补无铅焊膏自校准能力差。工艺窗口的狭窄就要求设备的控温精度更高，并能具有氮气气氛控制，以改善浸润性能；同时要根据组装产品的不同特点合理设置温度曲线。典型升温速率为0．5℃～1．5℃，一般不超过2℃。停留在液相温度以上时间为45s～75s，允许为30s～90s，目标为45s～60s。在进入液相温度再流区前要完成的功能是：使焊膏中的有机成份及水气充分挥发；使被焊元器件预热，大、小元器件温度均衡；焊膏中的助焊剂充分发挥活性，清洁被焊面。具体再流焊温度曲线的设置，要根据焊膏的特性，如熔点或液相线温度、助焊剂活性对温度要求、组装产品的特点来决定。

总体而言，无铅化实施时间不长，还有许多不完善之处。我们应发挥工艺的主导作用，与材料、元器件、设备等行业共同推进组装工艺的完善与发展。

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