航空电子产品无铅焊接工艺可靠性研究
发布时间：2021-08-11 15:50
当前相关法规,如欧盟的《废弃电子电气设备指令》（WEEE）和《关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》（ROHS）,以及中国的《电子信息产品污染控制管理办法》已经正式生效,与此对应,国际上各电子产品生产厂家正积极致力于自己的产品向无铅化生产的转变。目前国内外在无铅焊料的开发和研究方面做了大量工作,但是出于高可靠性的考虑,当前航空电子产品仍处于有铅焊接工艺。但随着发达国家的元器件供应商退出军品市场或禁运、过时淘汰,导致无法采购具有豁免权的有铅器件,无铅器件应用在军用类和航空类的电子产品的研制趋势已经不可阻挡。本文首先在QFN器件焊接试验中,摸索出无铅回流焊曲线的制程范围,并对比优选出了最佳锡膏（ALPHA CVP-390）;其次以优选后的锡膏进行BGA、QFP焊接试验,优化印刷试验,回流曲线的优化试验;最后对焊点进行X-ray检测,金相分析。利用Ansys软件对BGA无铅焊点进行力学仿真分析,对模型加载温度循环载荷,观察应力应变的分布情况,确定危险焊点的位置,并对焊点的热疲劳寿命进行了预测。本文研究成果对于无铅锡膏的选择、评价和对应用表面组装技术的无铅化生产有着广泛的指导意义。对电...
【文章来源】：北华航天工业学院河北省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
焊接温度曲线
面，此时焊料中的原子开始扩散到母材当中，母材中的少量原子也开始溶解到焊料当中，由于加热过程为母材和焊料原子提供了热能，当获得两者发生化学反应所需要的能量后，大量焊料原子与母材原子在焊料与母材界面上发生化学反应，生成新的合金，加热时间越长，参与发生反应的原子越多，生成的金属间化合物也越多，停止加热后，新生成的合金在母材与焊料界面上形成合金层，通常也称为金属间化合物（IntermetallicCompound，IMC）层，温度持续降低，当下降到焊料液相线温度以下时，焊料由液态变为固态，形成最终焊点。其大致过程如图2.2所示。图2.2焊接过程2.3IMC对焊点的可靠性2.3.1IMC的形成Cu-Sn界面IMC的生长，以SnPb焊料焊接Cu电极为例：在焊接过程中Pb不会参与IMC的冶金反应。因此，熔融的焊料和固相的Cu一接触就立即形成Cu6Sn5。随着温度的升高和回流时间的延长，Sn原子和Cu原子将通过IMC层中相互扩散，使IMC的厚度不停增加，同时的铜的含量也随着加重，由重量百分比40%增加到66%,形成新的合金组分Cu3Sn。只要界面IMC层的生长反应超过溶解反应，那么IMC的净生长就会发生。
点，但如果放在高温老化环境下，IMC厚度还会增加。IMC层的厚度随老化的时间的平方根呈线性增长，且金属间化合物和钎料之间的界面逐渐变为平面状。关于IMC厚度的最佳范围，研究表明，当金属合金层的厚度处于0.5um时，焊点的抗拉强度最佳，当厚度处于0.5～4um之间时，焊点的抗拉强度可以接受，当厚度小于0.5um时，由于金属合金层的太薄，导致焊点几乎没有强度，当厚度大于4um时，由于金属间合金层厚度太厚，与基板材料、焊盘、元器件焊端、焊料合金之间的热膨胀系数差别很大，并且结构疏松，呈现脆性，因此抗拉强度也变小，如图2.3所示。图2.3金属间合金层厚度与抗拉强度的关系2.4空洞2.4.1空洞的形成焊点中出现的空洞都是因为在焊接再流的熔化过程中，熔融焊点中的气体在焊点凝固之前没有及时排出去而导致的[13]。影响焊点空洞形成的因素有很多种，如锡膏、再流焊曲线的设置、焊接气氛气压、PCB的表面镀层等，下面将分别叙述。（1）锡膏对空洞形成的影响：锡膏中的助焊剂的沸点越低越容易形成空洞，因为易
【参考文献】：
期刊论文
[1]电路板标识喷印工艺技术研究[J]. 王辰宇,郭鹏飞,李山杉. 电子工艺技术. 2018(06)
[2]军用无铅BGA器件焊接工艺选择与实现[J]. 王文波,刘鹏程,陈凯. 电子工艺技术. 2014(03)
[3]BGA焊点空洞问题分析[J]. 吴军. 电子工艺技术. 2013(04)
[4]无铅BGA焊接工艺方法研究[J]. 杜爽,徐伟玲. 宇航材料工艺. 2012(06)
[5]军用电子组件（PCBA）失效分析技术与案例[J]. 邱宝军,罗道军,汪洋,聂昕. 环境技术. 2010(05)
[6]有铅和无铅混装工艺的探讨[J]. 付鑫,章能华,宋嘉宁. 电子工艺技术. 2010(02)
[7]过渡阶段有铅、无铅混用制程分析[J]. 顾霭云. 中国电子商情(基础电子). 2009(06)
[8]用田口方法优化SMT无铅焊膏印刷质量[J]. 罗兵. 电子质量. 2008(08)
[9]BGA封装器件焊点抗剪强度的试验[J]. 薛松柏,胡永芳,禹胜林. 焊接学报. 2005(10)
[10]再流焊接的一般要求及温度曲线测试方法[J]. 郝应征,王彩云. 电子工艺技术. 1999(04)
博士论文
[1]KDP晶体开裂的实验与模拟研究[D]. 黄萍萍.山东大学 2019
[2]BGA封装焊点可靠性及疲劳寿命分析[D]. 陈轶龙.西安电子科技大学 2016
[3]温度冲击条件下PCB无铅焊点可靠性研究[D]. 毛书勤.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[4]表面贴装工艺生产线上回流焊曲线的优化与控制[D]. 高金刚.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]SMT环保无铅焊膏的制备及其性能研究[D]. 黎璇.湖北工业大学 2018
[2]管道焊接件电磁热强化技术研究[D]. 李彪.燕山大学 2018
[3]LGA封装器件焊接工艺技术研究[D]. 徐婷婷.北华航天工业学院 2018
[4]绿色无铅钎料SnAgCu界面反应及焊点可靠性研究[D]. 成军.北方工业大学 2017
[5]热振耦合载荷下PBGA电子封装焊点可靠性实验研究[D]. 李怀成.北京工业大学 2017
[6]大温变条件下QFP器件组装焊点可靠性研究[D]. 郭英男.哈尔滨工业大学 2016
[7]Sn3.0Ag0.5Cu材料的细观损伤力学特性研究[D]. 胡楠.浙江工业大学 2016
[8]典型封装器件热应力分析及焊点疲劳寿命预测[D]. 赵新新.西安电子科技大学 2015
[9]微观组织和晶粒取向对无铅钎料焊点可靠性的影响[D]. 梁轩领.哈尔滨工业大学 2015
[10]无铅焊料压入应变率敏感性及PBGA焊点热疲劳可靠性研究[D]. 贾春楠.太原理工大学 2015
本文编号：3336442
【文章来源】：北华航天工业学院河北省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
焊接温度曲线
面，此时焊料中的原子开始扩散到母材当中，母材中的少量原子也开始溶解到焊料当中，由于加热过程为母材和焊料原子提供了热能，当获得两者发生化学反应所需要的能量后，大量焊料原子与母材原子在焊料与母材界面上发生化学反应，生成新的合金，加热时间越长，参与发生反应的原子越多，生成的金属间化合物也越多，停止加热后，新生成的合金在母材与焊料界面上形成合金层，通常也称为金属间化合物（IntermetallicCompound，IMC）层，温度持续降低，当下降到焊料液相线温度以下时，焊料由液态变为固态，形成最终焊点。其大致过程如图2.2所示。图2.2焊接过程2.3IMC对焊点的可靠性2.3.1IMC的形成Cu-Sn界面IMC的生长，以SnPb焊料焊接Cu电极为例：在焊接过程中Pb不会参与IMC的冶金反应。因此，熔融的焊料和固相的Cu一接触就立即形成Cu6Sn5。随着温度的升高和回流时间的延长，Sn原子和Cu原子将通过IMC层中相互扩散，使IMC的厚度不停增加，同时的铜的含量也随着加重，由重量百分比40%增加到66%,形成新的合金组分Cu3Sn。只要界面IMC层的生长反应超过溶解反应，那么IMC的净生长就会发生。
点，但如果放在高温老化环境下，IMC厚度还会增加。IMC层的厚度随老化的时间的平方根呈线性增长，且金属间化合物和钎料之间的界面逐渐变为平面状。关于IMC厚度的最佳范围，研究表明，当金属合金层的厚度处于0.5um时，焊点的抗拉强度最佳，当厚度处于0.5～4um之间时，焊点的抗拉强度可以接受，当厚度小于0.5um时，由于金属合金层的太薄，导致焊点几乎没有强度，当厚度大于4um时，由于金属间合金层厚度太厚，与基板材料、焊盘、元器件焊端、焊料合金之间的热膨胀系数差别很大，并且结构疏松，呈现脆性，因此抗拉强度也变小，如图2.3所示。图2.3金属间合金层厚度与抗拉强度的关系2.4空洞2.4.1空洞的形成焊点中出现的空洞都是因为在焊接再流的熔化过程中，熔融焊点中的气体在焊点凝固之前没有及时排出去而导致的[13]。影响焊点空洞形成的因素有很多种，如锡膏、再流焊曲线的设置、焊接气氛气压、PCB的表面镀层等，下面将分别叙述。（1）锡膏对空洞形成的影响：锡膏中的助焊剂的沸点越低越容易形成空洞，因为易
【参考文献】：
期刊论文
[1]电路板标识喷印工艺技术研究[J]. 王辰宇,郭鹏飞,李山杉. 电子工艺技术. 2018(06)
[2]军用无铅BGA器件焊接工艺选择与实现[J]. 王文波,刘鹏程,陈凯. 电子工艺技术. 2014(03)
[3]BGA焊点空洞问题分析[J]. 吴军. 电子工艺技术. 2013(04)
[4]无铅BGA焊接工艺方法研究[J]. 杜爽,徐伟玲. 宇航材料工艺. 2012(06)
[5]军用电子组件（PCBA）失效分析技术与案例[J]. 邱宝军,罗道军,汪洋,聂昕. 环境技术. 2010(05)
[6]有铅和无铅混装工艺的探讨[J]. 付鑫,章能华,宋嘉宁. 电子工艺技术. 2010(02)
[7]过渡阶段有铅、无铅混用制程分析[J]. 顾霭云. 中国电子商情(基础电子). 2009(06)
[8]用田口方法优化SMT无铅焊膏印刷质量[J]. 罗兵. 电子质量. 2008(08)
[9]BGA封装器件焊点抗剪强度的试验[J]. 薛松柏,胡永芳,禹胜林. 焊接学报. 2005(10)
[10]再流焊接的一般要求及温度曲线测试方法[J]. 郝应征,王彩云. 电子工艺技术. 1999(04)
博士论文
[1]KDP晶体开裂的实验与模拟研究[D]. 黄萍萍.山东大学 2019
[2]BGA封装焊点可靠性及疲劳寿命分析[D]. 陈轶龙.西安电子科技大学 2016
[3]温度冲击条件下PCB无铅焊点可靠性研究[D]. 毛书勤.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[4]表面贴装工艺生产线上回流焊曲线的优化与控制[D]. 高金刚.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]SMT环保无铅焊膏的制备及其性能研究[D]. 黎璇.湖北工业大学 2018
[2]管道焊接件电磁热强化技术研究[D]. 李彪.燕山大学 2018
[3]LGA封装器件焊接工艺技术研究[D]. 徐婷婷.北华航天工业学院 2018
[4]绿色无铅钎料SnAgCu界面反应及焊点可靠性研究[D]. 成军.北方工业大学 2017
[5]热振耦合载荷下PBGA电子封装焊点可靠性实验研究[D]. 李怀成.北京工业大学 2017
[6]大温变条件下QFP器件组装焊点可靠性研究[D]. 郭英男.哈尔滨工业大学 2016
[7]Sn3.0Ag0.5Cu材料的细观损伤力学特性研究[D]. 胡楠.浙江工业大学 2016
[8]典型封装器件热应力分析及焊点疲劳寿命预测[D]. 赵新新.西安电子科技大学 2015
[9]微观组织和晶粒取向对无铅钎料焊点可靠性的影响[D]. 梁轩领.哈尔滨工业大学 2015
[10]无铅焊料压入应变率敏感性及PBGA焊点热疲劳可靠性研究[D]. 贾春楠.太原理工大学 2015
本文编号：3336442
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