環氧低溫焊料強度如何受殘留物影響-深圳福英達
環氧低溫焊料強度如何受殘留物影響-深圳福英達
自從禁止在電子產品中使用鉛以來，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非常低，潤濕性好，熱膨脹系數低，因此可以用于耐熱性差的元器件封裝和多次回流工藝。使用環氧樹脂和共晶錫鉍（Sn42Bi58）制備而成的環氧錫膏具有很大的應用潛力。與傳統的錫膏不同，環氧樹脂的添加在沒有底部填充工藝的情況下，在芯片和PCB板之間帶來了更強的物理連接，提高了焊點的機械性能。雖然環氧樹脂固化是決定焊點強度的重要因素，但回流工藝同樣不可忽視。
實驗設計
針對回流工藝對環氧共晶錫鉍錫膏的影響，Lee等人開展了一系列工作。Lee等人將環氧錫膏與ENIG焊盤焊接。回流是在空氣條件下使用四區IR回流機進行，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. 實驗回流曲線。
實驗結果
殘留物分析
圖2顯示了Sn42B58i環氧焊膏在回流過程中的狀態變化。當溫度升高到140°C時，沒有觀察到外觀的顯著變化?。在140°C到155°C的溫度范圍時，環氧焊膏中的溶劑和揮發性成分迅速蒸發，環氧樹脂同時滲出并覆蓋焊點表面。當溫度超過160?°C時，焊點表面形成了黑色殘留物區域，并在達到峰值溫度后固化。此外，可以發現低峰值溫度和高升溫速率都會導致黑色殘留物數量增多。當峰值溫度從160?°C上升到190?°C時，黑色殘留物的面積比從50.3%下降到18.0%。通過分析發現黑色殘留物的組成包含了環氧樹脂殘留物，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酸與氧化物的反應。
圖2. 不同溫度下的Sn42B58i環氧焊膏狀態。(a)140°C；(b)140-155℃；(c)160℃。
圖3.不同溫度下焊點黑色殘留物數量。
焊點剪切強度
隨著峰值溫度從160°C升高至190°C，剪切強度增加31.3%?。隨著回流溫度的升高，焊料合金的斷裂模式表現出更大的韌性。此外，將焊點剪切后，從焊點內部還可以發現存在黑色殘留物。在160°C的較低溫度下，焊點黑色殘留物數量最多，且直徑達到20μm。當峰值溫度升到180?°C，殘留物直徑明顯減小。在190℃時幾乎觀察不到殘留物，表明在較低的峰值溫度下，環氧樹脂焊點內外都會形成黑色殘留物。環氧樹脂焊料中黑色殘留物的形成降低了剪切強度。
圖4. Sn42Bi58環氧焊點強度和斷裂面。
參考文獻
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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