氧浓度对焊接可靠性影响的研究

氧浓度对焊接可靠性影响的研究 摘要：SMT业内回焊炉中氧浓度的差异很大，从几百ppm到上万ppm不等。本实验针对回焊炉中在500ppm,1000ppm,3000ppm，4000ppm以及空气这五种不同的氧浓度下，分别对铜板进行润湿角,X光能量色散,红外实验，以及对组装印制电路板进行X-ray,推力，染色，金属间化合物，通孔填充量，爬锡高度等测试。研究结果显示氧浓度在4000ppm以下，元件的焊接可靠性并无明显差异，但空气状况下，焊接质量不佳。 关键词：氧浓度 焊接可靠性 铜板 切片 方差分析 中图分类号：TH183.3 文献标识码：A 目前SMT业内回流焊炉内气氛的控制差异很大，有些为了节约成本采用空气气氛；有些为了保障焊接的可靠性，采用氮气气氛，因而控制炉内氧气的浓度有很大差异，少则几百ppm，多则上万ppm，究竟炉内氧浓度控制在什么水平最佳，目前业内尚无定论。目前我厂生产制造中心内所有回焊炉氧浓度均控制在500ppm以下，氮气消耗巨大；为节约成本，在不影响焊接质量的前提下，适当减少氮气用量成为不错的选择；因此，我们做了一系列的研究，以寻求最佳氧浓度参数。 1 理论根据 1.1 回焊炉内反应的理论分析 就SMT回焊炉内的反应，分析气相的化学反应动力 学。对燃烧中有恒量元素的生成与排放的动力学模型而言，基元反应的反应速率常数是关键的输入参数。每种产物的净生成量包括了所有这种物质的反应，每个反应给出的速率参数是以正反应和逆反应的差值表 示的。逆反应速率根据正反应速率和平衡常数得到,平衡常数则根据热力学资料得到，Gibbs自由能函数采用Ebbinghaus[1]的公式。模型中也包含一些第三体反应，每个反应的正反应速率常数遵循改进的阿累尼乌斯公式： (1) 式中的活化能E，温度指数β和指前因子A是模型中所需要的参数。最初的反应条件包括温度，压力和混合物的组分，还有详尽的化学反应方程以及各物种的热力学参数。[2] 1.2 焊接过程中的化学反应 在回流焊中，存在以下两个直接影响焊接质量的反应： 锡的氧化：Sn + O2 SnO 助焊剂中松香对氧化物的还原： SnO + R-COOH Sn(R-COO)2+H2O 松香的几种主要组分包括：松香酸、 新松香酸、海松酸、异构海松酸、氢化松香酸以及脱氢松香酸。 在实际焊接过程中，第一个反应由于锡是大量存在的，因此，氧气的浓度决定了这个反应的速率以及生成物SnO的量；氧浓度越高，反应越快，生成SnO越多。第二个反应中，松香的量是由锡膏的量决定的，在完成锡膏印刷后，每个焊点上松香的量就确定了；在SnO少量存在的时候，松香可以完全去除氧化，保证焊接的顺利完成；在SnO的量到达一定水平时，将会耗尽松香中的活性物质，此时如果尚有氧气，第一反应将继续发生，且生成的氧化物无法去除；很有可能会影响焊接。 因此，理论上来说，回焊炉内可存在的最高氧浓度取决于所用锡膏的量以及活性。 1.3 单因素下的方差分析 由于本实验只考虑氮流量对焊接可靠性的影响，因此本实验引入单因素下的方差分析来检验不同氧浓度下的均数的差异是否有统计学意义，也就是探讨不同氧浓度下的焊接可靠性的差异是否明显。 在本实验中，K为不同氧浓度参数的个数，J为每种氧浓度下的样本数量，根据： MS (2) 　　 MS (3) 再通过F检验，判断不同氧浓度下的焊接可靠性差异是否显著。[3] 2 实验部分 本实验分两部分，分别考察不同氧浓度下，锡膏对铜板的润湿情况以及PCBA的焊接状况。 2.1 实验材料与设备 2.1.1 实验材料 润湿实验采用Ishikawa锡膏J3-8565-KF和无氧化纯铜板为实验材料。PCBA实验选用Hannstar的FR4材质，焊垫为OSP的PCB进行实验。 2.1.2 回流焊炉内温度与气流模型 本次实验采用的是TAMURA TNR50-6910PH型回焊炉，总共有10个温区，每个温区下部有一风扇，以增加气体流动，使气氛趋于均衡。氧气浓度在焊接关键部分，达到低谷。 2.2 不同氧浓度下，锡膏对铜板的润湿情况 一般情况下，回焊炉内可存在的氧浓度取决于锡膏的量及活性，至于确定一款锡膏可接受的氧浓度范围，本实验采用对比在不同氧浓度下，铜板表面的氧化情况，锡膏对铜板的润湿情况，焊锡表面以及红外分析来初步确定氧浓度的可接受范围。 2.2.1 实验步骤[4] 用0.2mm厚的钢网在铜板上印刷4处直径6.5mm的锡膏，圆心距离10mm。将回焊炉内的氧浓度分别调至500ppm以下、1000ppm、3000ppm、4000ppm以及空气状态，各回焊完成2片印好锡膏的铜片。在锡膏直径部位做Cross Section 测量润湿角；对焊锡表面、铜板表面做EDX分析氧化程度。对各种参数下完成回焊的铜片，在残留的松香部分做FTIR分析。 2.2.2 外观 图1 不同氧浓度下铜箔外观图 Fig.1 Copper foil surface in different O2 concentration 从图1可以看出，4000ppm以下过炉后较未过炉的铜板色泽差异不大，空气状态过炉则明显被氧化。 2.2.3 润湿角 在锡膏直径部位做Cross Section 测量润湿角，实验结果如表1。 表1 不同氧浓度下的铜箔润湿角 Tab.1 Copper foil contact angle in diverse O2 concentration 氧浓度（ppm） 500 1000 3000 4000 空气中 润湿角（°） 8.28 8.40 8.12 8.72 10.12 从表1可以看出，4000ppm以下过炉后锡膏的润湿角差异不大，空气状态下过炉则变化明显。 2.2.4 EDS分析 分别对焊锡表面、铜板表面做EDS分析氧化程度。表2为分析结果： 表2 不同氧浓度下的EDS分析结果 Tab.2 EDS analysis result in dissimilar O2 concentration 氧浓度 位置 EDS结果（O原子百分比） 500ppm 铜面 2.05 焊锡面 0 1000ppm 铜面 2.10 焊锡面 0 3000ppm 铜面 2.41 焊锡面 0 4000ppm 铜面 2.37 焊锡面 0 空气中 铜面 5.49 焊锡面 32.38 EDS分析显示，空气状态下焊锡面氧化严重。 2.2.5 FTIR分析 对松香残留物做FTIR分析[5], 如图2所示。 图2 不同氧浓度下的FTIR分析 Fig.2 FTIR analysis in different O2 concentration 松香残留物FTIR分析结果显示，4000ppm以下没有明显区别（因此仅取4000ppm和500ppm两曲线代表），空气状态回流的在1000波数以下与其它几个有明显差别；波数在1000以下存在很多胺类物质（多数锡膏会以胺类为活性剂），空气状态回流会因氧化的作用而消耗大量活性物质。 2.3 不同氧浓度下，对PCBA的实验结果 2.3.1 选定实验参数及水平 实验组件包括一块南桥的BGA组件，一块QFP组件，一个I/O Connector组件，一颗0603与一颗0805的电容组件。组件含氧量实验中考虑4个实验组，分别为500ppm,1000ppm,3000ppm和4000ppm,每个实验组执行10片样本，回焊完成后进行焊点光泽比较，以X-ray对10片PCBA进行气泡，再对1片样品做切片以及用拉力机对其余9片PCBA准备推力实验，并对其中2片做Dye pry实验。 2.3.2 焊点表面光泽检测 观察焊点表面显示，较光亮之焊点，即表面呈现平滑之亮银色，其结晶颗粒具有细致且较小的组织。反之，较昏暗之焊点，表面粗糙且不均匀，呈现不反光之白灰色，其结晶颗粒较大且明显。 图3 不同氧浓度下焊点外观照 Fig.3 Solder surface in different O2 concentration 观察本实验不同含氧量下之焊点，如图3，发现光泽、粗糙区面积随含氧量增加并无明显变化。 2.3.3 焊点气泡测试[6] 针对本实验10片PCBA上的BGA,QFP组件进行气泡检测。使用X-ray检测，如图4，5所示，气泡率统计如图6、7，方差分析见表3，4。 图4 BGA组件气泡检测位置 图5 QFP组件气泡检测位置 Fig.4 BGA void test location Fig.5 QFP void test location 图6 BGA组件在不同氧浓度下的气泡值（单位：%） Fig.6 BGA void percentage in diverse O2 concentration (unit: %) 由图6可见，不同氧浓度下的BGA组件的气泡率曾无规律变化。 表3 BGA组件气泡值方差分析表 Tab.3 BGA void percentage ANOVA table 平方和 自由度 平均平方和 F值 临界值 显著性 组间 6.97 3 2.32 0.66 F0.05=2.88 N 组内 127.39 36 3.54 F0.01=4.41 总和 134.36 39 F0.01>F0.05>F，所以BGA组件在4种不同氧浓度下的气泡率变化不明显。 图7 QFP组件在不同氧浓度下的气泡值（单位：%） Fig.7 QFP void percentage in dissimilar O2 concentration (unit: %) 由图7可见，不同氧浓度下的QFP组件的气泡率曾无规律性变化。 表4 QFP组件气泡值方差分析表 Tab.4 QFP void percentage ANOVA table 平方和 自由度 平均平方和 F值 临界值 显著性 组间 103.83 3 34.61 1.43 F0.05=2.88 N 组内 873.47 36 24.26 F0.01=4.41 总和 977.3 39 F0.01>F0.05>F，所以QFP组件在4种不同氧浓度下的气泡率变化不明显。[7] 2.3.4 组件推力测试[8] 在Side View立体显微镜下观察元件破坏模式，结果显示南桥BGA元件破坏模式皆属于元件掉pad，QFP元件破坏模式属于pin脚断裂或pin脚与与元件端断开。观察0805与0603电容元件则发现破坏模式皆属于焊点位置断裂，故意对电容元件推力强度进行分析。在不同氧浓度下，0805与0603电容元件的推力值分别见图8、9，0805与0603电容元件的方差分析表分别见表5，6。 图8 0805电容在不同氧浓度下的推力值（单位：N） Fig.8 0805 capacitor push strength in diverse O2 concentration (unit: N) 由图8可见，不同氧浓度下的0805电容组件的推力值变化并无规律性。 表5 0805电容组件方差分析表 Tab.5 0805 capacitor ANOVA table 平方和 自由度 平均平方和 F值 临界值 显著性 组间 482.30 3 160.77 1.23 F0.05=2.88 N 组内 4175.07 32 130.47 F0.01=4.41 总和 4657.38 35 F0.01>F0.05>F，所以0805电容组件在4种不同氧浓度下的推力值变化不明显。 图9 0603电容在不同氧浓度下的推力值（单位：N） Fig.9 0603 capacitor push strength in dissimilar O2 concentration (unit: N) 由图9可见，不同氧浓度下的0603电容组件的推力值变化并无规律。 表6 0603电容组件方差分析表 Tab.6 0603 capacitor ANOVA table 平方和 自由度 平均平方和 F值 临界值 显著性 组间 94.32 3 31.44 1.46 F0.05=2.88 N 组内 687.97 32 21.50 F0.01=4.41 总和 782.28 35 F0.01>F0.05>F，所以0603电容组件在4种不同氧浓度下的推力值变化不明显。[9] 2.3.5 染色实验[10] 针对不同氧浓度下的各两个BGA组件进行染色测试，PCB与组件的分离面均无异常。如图10所示。 PCB面 零件面 图10 染色测试结果 Fig.10 Dye pry test result 2.3.6 切片实验[11] 2.3.6.1 对BGA组件测量IMC 对不同氧浓度下的BGA进行IMC测量。测量结果见表7。 表7 BGA的金属间化合物值 Tab.7 BGA Intermetallic Compound thickness 含氧量（ppm） 500 1000 3000 4000 IMC Average Thickness(um) 4.66 4.26 4.95 3.60 从表7可看出随着氧浓度的增加，锡球的IMC的平均值呈现无规律的变化 2.3.6.2 金相观察 2.3.6.2.1 PTH的填锡量比较 对不同氧含量下的I/O Connector做切片，再通过金相观察。 图11不同氧浓度下的通孔金相图 Fig.11 Plated-Through-Hole metalloscope photos in diverse O2 concentration 从图11可看出不同氧浓度下I/O Connector组件PTH之填锡量并无明显差异。 2.3.6.2.2 QFP组件的爬锡高度 在不同氧浓度下QFP组件引脚的切面，爬锡高度见表8。 表8 QFP组件引脚的爬锡高度 Tab.8 QFP pin tin ring 含氧量(ppm) 500 1000 3000 4000 引脚爬锡高度 前端平均值(um) 109.7 60.0 101.6 65.0 引脚爬锡高度 后端平均值(um) 271.2 270.0 269.6 315.0 从表8可看出QFP组件之爬锡高度随氧浓度的变化并不明显。 2.3.6.2.3 0805及0603电容组件的爬锡高度 在不同氧浓度下电容组件引脚的爬锡高度见表9，10。 表9 0805电容组件的爬锡高度 Tab.9 0805 capacitor pin tin ring 含氧量(ppm) 500 1000 3000 4000 爬锡高度平均值(um) 745 820 780 730 表10 0603电容组件的爬锡高度 Tab.10 0603 capacitor pin tin ring 含氧量(ppm) 500 1000 3000 4000 爬锡高度平均值(um) 388.7 400.4 430.2 305.7 从表9，10可看出，在不同的氧浓度下，电容两侧的爬锡高度的变化呈现无规律性。 3 结论 根据以上实验结果可知： （1）从铜镜实验与焊接质量来分析，通过Cross section，EDS，FTIR，X-ray，推力，Dye pry等实验结果，可知氧浓度不仅在1000ppm的状况可以接受，即使4000ppm亦可。 （2）在实际生产过程中，建议采用阶段性的调整，试调氧浓度在1000ppm一段时间后，再进一步试调至3000ppm，最后在4000ppm的环境条件下生产； (3) 温度还是主要影响焊接成败的主因，如何去实现控制优质的温度曲线是主要努力方向； （4）对锡膏来料必须进行严格的质量指标监控。后续的研究工作中，将针对目前锡膏厂所推出的“无 充氮气SMT炉”专用锡膏在空气中焊接质量进行研究。 参考数据： [1] Ebbinghaus B B. 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The experiments data show that these is not obvious variation under the O2 concentration of 4000ppm, but the solder reliability is no good when it expose directly in the air. Key words: O2 concentration; solder reliability; copper foil; cross section; analysis of variance (ANOVA) 1000ppm 500ppm 500ppm 1000ppm 3000ppm 4000ppm 4000ppm 3000ppm 1 2 3 1 500ppm 2 4000ppm 3 Air _1304421532.unknown _1304421551.unknown _1304182051.unknown