環(huán)氧低溫焊料強(qiáng)度如何受殘留物影響-深圳福英達(dá)
環(huán)氧低溫焊料強(qiáng)度如何受殘留物影響-深圳福英達(dá)
自從禁止在電子產(chǎn)品中使用鉛以來，無鉛焊料合金作為錫基Pb焊料的替代品受到了大力追捧。共晶錫鉍合金的熔點(diǎn)非常低，潤濕性好，熱膨脹系數(shù)低，因此可以用于耐熱性差的元器件封裝和多次回流工藝。使用環(huán)氧樹脂和共晶錫鉍（Sn42Bi58）制備而成的環(huán)氧錫膏具有很大的應(yīng)用潛力。與傳統(tǒng)的錫膏不同，環(huán)氧樹脂的添加在沒有底部填充工藝的情況下，在芯片和PCB板之間帶來了更強(qiáng)的物理連接，提高了焊點(diǎn)的機(jī)械性能。雖然環(huán)氧樹脂固化是決定焊點(diǎn)強(qiáng)度的重要因素，但回流工藝同樣不可忽視。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
針對(duì)回流工藝對(duì)環(huán)氧共晶錫鉍錫膏的影響，Lee等人開展了一系列工作。Lee等人將環(huán)氧錫膏與ENIG焊盤焊接?；亓魇窃诳諝鈼l件下使用四區(qū)IR回流機(jī)進(jìn)行，采取了不同峰值溫度160°C，170°C，180°C，190?°C，和不同升溫速率（1°C/s，2°C/s，3°C/s）。
圖1. 實(shí)驗(yàn)回流曲線。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
殘留物分析
圖2顯示了Sn42B58i環(huán)氧焊膏在回流過程中的狀態(tài)變化。當(dāng)溫度升高到140°C時(shí)，沒有觀察到外觀的顯著變化?。在140°C到155°C的溫度范圍時(shí)，環(huán)氧焊膏中的溶劑和揮發(fā)性成分迅速蒸發(fā)，環(huán)氧樹脂同時(shí)滲出并覆蓋焊點(diǎn)表面。當(dāng)溫度超過160?°C時(shí)，焊點(diǎn)表面形成了黑色殘留物區(qū)域，并在達(dá)到峰值溫度后固化。此外，可以發(fā)現(xiàn)低峰值溫度和高升溫速率都會(huì)導(dǎo)致黑色殘留物數(shù)量增多。當(dāng)峰值溫度從160?°C上升到190?°C時(shí)，黑色殘留物的面積比從50.3%下降到18.0%。通過分析發(fā)現(xiàn)黑色殘留物的組成包含了環(huán)氧樹脂殘留物，Sn，Bi和一些羧酸鹽如Bi（RCOO）3和Sn（RCOO）2。這些羧酸鹽的生成歸因于有機(jī)酸與氧化物的反應(yīng)。
圖2. 不同溫度下的Sn42B58i環(huán)氧焊膏狀態(tài)。(a)140°C；(b)140-155℃；(c)160℃。
圖3.不同溫度下焊點(diǎn)黑色殘留物數(shù)量。
焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度
隨著峰值溫度從160°C升高至190°C，剪切強(qiáng)度增加31.3%?。隨著回流溫度的升高，焊料合金的斷裂模式表現(xiàn)出更大的韌性。此外，將焊點(diǎn)剪切后，從焊點(diǎn)內(nèi)部還可以發(fā)現(xiàn)存在黑色殘留物。在160°C的較低溫度下，焊點(diǎn)黑色殘留物數(shù)量最多，且直徑達(dá)到20μm。當(dāng)峰值溫度升到180?°C，殘留物直徑明顯減小。在190℃時(shí)幾乎觀察不到殘留物，表明在較低的峰值溫度下，環(huán)氧樹脂焊點(diǎn)內(nèi)外都會(huì)形成黑色殘留物。環(huán)氧樹脂焊料中黑色殘留物的形成降低了剪切強(qiáng)度。
圖4. Sn42Bi58環(huán)氧焊點(diǎn)強(qiáng)度和斷裂面。
參考文獻(xiàn)
Lee, C.J., Bang, J.O. & Jung, S.B. Effect of black residue on the mechanical properties of Sn-58Bi epoxy solder joints. Microelectronic Engineering, vol. 216.
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