如何優化中溫無鉛錫膏的回流時間
如何優化中溫無鉛錫膏的回流時間
中溫無鉛錫膏的熔點介于低溫無鉛錫膏和高溫無鉛錫膏之間。對于需要多次回流封裝的廠家，中溫錫膏的熔點在210多攝氏度左右，能夠適用于多次回流中的第一次回流。錫銀銅305 (SAC305)無鉛錫膏的熔點為217℃，在不極端的條件下比SnPb具有更好的抗熱疲勞性能，因此得到了廣泛使用。但是SAC錫膏在回流過程會生成金屬間化合物并影響焊點機械強度，因此為了保證良好的可靠性，需要對SAC錫膏回流做出優化。
為了找出最合適的回流時間，需要完成一系列的實驗。比如Gong等人(2021)使用SAC305錫膏采取不同回流時間對銅片進行焊接后，將焊點機械強度進行對比。并與SnZn9Bi2.5In1.5進行了比較。下表羅列了回流實驗的參數。機械強度實驗以100μm/s的推力速度在基板上方150μm的高度水平移動，直到銅片剝落。
表1. 回流實驗參數。
結論
SAC305無鉛錫膏回流焊接會出現持續的Cu6n5生長。隨著回流時間(熔點之上)的增加到50s，焊點開始出現Cu3Sn層并且不斷的長大，并且后續都出現不同程度的空洞(紅色圓圈)。金屬間化合物生成的機制主要是金屬成分擴散和界面反應。在回流過程中，Cu向焊料的溶解并發生界面反應。由于高生長速率，Cu6Sn5晶粒呈不規則扇形生長。隨著回流時間的增加和Cu原子沿晶界擴散，Cu6Sn5晶粒不斷生長。Cu6Sn5又會和Cu反應生成Cu3Sn。焊料層中的Ag3Sn對可靠性基本沒有影響，反而其微小顆粒能夠起到細化晶粒的作用并增強可靠性。
圖1. 無鉛焊點金屬化合物層的變化。回流時間: (a)5s, (b)50s, (c)80s, (d)120s, (e)900s, (f)1800s。
如圖2所示，當回流時間(熔點之上)控制在50-120秒的時候，SAC305焊點的剪切強度較高。盡管回流時間為180s的時候剪切強度略有上升，但隨著回流時間進一步增加，強度斷崖式下跌。因此，SAC305錫膏推薦的回流時間大致在50-120秒左右。SnZn9Bi2.5In1.5錫膏具有比SAC305錫膏更優秀的剪切強度，但是仍未普及使用，僅作為對照組。
圖2. 剪切強度對比。
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參考文獻
Gong, S.L., Chen, G.Q., Qu, S.T., Ren, A.S., Duk, V., Shi, Q.Y. & Zhang, G. (2021). “Shear strength and fracture analysis of Sn-9Zn-2.5Bi-1.5In and Sn-3.0Ag-0.5Cu pastes with Cu-substrate joints under different reflow times”, Microelectronics Reliability, vol.127.
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