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电子产品可靠性培训BL201610171
电子产品装联可靠性
撰写:白浪
时间:2016 -
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4、使用PIHR工艺时PTH通孔及PAD的设计要求
;
,以便拉住熔融焊膏,不形成锡珠;
元件离板间隙(Stand-off);
-;
;
-;
(中间不能有丝印油墨,测试点,via等);
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二、IMC对焊点可靠性的影响
正是由于的存在,才能将元器件与PCB焊牢。显然,在焊接过程中,温度是一个关键因素,焊料首先要熔化,铺展并完全润湿被焊金属。如果温度低于190 ℃,即使焊料处于熔融状态也形成不了或者说形成的不够厚,在较低温度下形成的焊点称为冷焊,此焊点没有足够的机械强度。
通常在230 ℃~250 ℃,1 ~3s时间内,便可生产锡铜合金层。初期锡铜合金的结构为。此化合物中Cu含量约为40%。若温度进一步升高,或时间延长,化合物中的Cu含量由40%上升至66%, 会转换为
分子式
形成
位置
颜色
性质
焊料润湿到Cu是立即生成
Sn与Cu之间的界面
白色
良性,强度较高
温度高,焊接时间长引起
Cu与之间
灰色
恶性,强度差,脆性
与两种金属间化合物比较
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1、IMC的形成
以SnPb焊料为例,当两种被连接的母材金属均为Cu时,要达到持久牢固的机械连接目的,就必须将焊点的温度加热到钎焊熔点以上约15度,时间为2-15s,这是钎料才有可能在焊盘和元器件引脚之间形成一种新的化学物质,而达到持久地将两者牢固地连接起来的目的。
显然金属间的化合物的形成过程与温度和时间关系密切,特别是受温度的影响更为明显。下图为化合物在生长过程中,在不同温度下,金属间化合物生成厚度及其对焊点强度的影响。
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2、焊接温度对焊点可靠性的影响
Cu与Sn的化学亲和力很强,因此,在焊接界面上Cu和Sn间的金属化合物生长得很快,具体过程如下图所示。
焊接之前
通常母材金属在焊接之前都涂覆有可焊性涂层,如Sn涂层。它们经过一段贮存期后,由于扩散作用在镀层和母材表面之间的界面上都会不同程度地生成一层的IMC层。如图下图
接触
当两种被连接的母材金属接触在一起时,他们之间接触界面中间上是一层Sn层,如图b所示。
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焊盘涂覆层
钎料成份
250℃的T(min)
合金层厚度
机械强度
HASL
Sn63Pb37
1

54
10

56
60

12
加热结合
当将两个接触的母材金属加热使Sn熔融时,由于温度作用,在两母材金属表面将发生明显的冶金反应而使两母材金属连接起来。此时在两母材表面之间的接缝中将同时存在和两种金属间化合物,贴近Cu表面生成的是,而原来中间的纯Sn层为生成的金属间化合物取代,此时的界面构造如图c所示。
金属件化合物加速生长
按照连接的可靠性来说,图c的状态时比较理想的。若此时对结合部继续加热,Cu原子将继续快速向界面层扩散快速生长,其结果是整个焊缝均被填充。由于金属间化合物是一种硬度高而脆性大的合金,如果温度过高,生成的金属间化合物太厚,焊点的机械强度就会降低。研究表明,生成的金属间化合物厚度在4um以下时,对焊点强度影响不大。正常状态下,合金层厚度在2-4um之间。
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据有关资料,纯Sn在265 ℃液态下与Cu生成的金属间化合物层,,与上相反,如果温度过低,会导致焊点过冷,因此生成的金属间化合物过薄,焊点机械强度不够,形成冷焊点。
熔融Sn和固体Cu反应形成的合金层的厚度和加热时间关系
由上分析得知,控制好回流焊炉温曲线,严格管控焊接峰值温度及钎料回流时间对焊点强度的可靠性提升非常关键。
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三、回流焊冷却速率对焊点强度的影响
1、 IMC层的形貌
界面粗糙的胞状层,其形状与圆柱状晶粒相似,但横截面表现为树枝晶,树枝间有大量空隙。故这种IMC层不致密,与焊料的接触面粗糙。
扇贝状界面的致密层,其形状类似胞状晶粒,但IMC层是致密的。与焊料的接触面类似与扇贝状。如下图