material and techniques for lead-free electronic assembly
j．reachen
伴隨歐洲電子電氣設(shè)備指導法令(weee directive)宣布到2006年部分含鉛電子設(shè)備的生產(chǎn)和進口在歐盟將屬非法，以及國外同業(yè)競爭者在全球不斷推廣無鉛電子裝配，相伴而生的對各種合金混合物的完好性和可靠性等問題的考慮越來越受到重視。簡言之，到底選用哪種合金，這一問題變得越來越緊要。本文將對sn/ag、sn/ag/cu和sn/cu等三種合金做深入考察，并對其可靠性試驗結(jié)果與工藝上的考慮進行比較。

sn/ag合金

sn/ag3.5-4.0合金在混合電路與電子組裝工業(yè)的使用時間較長。正因如此，部分業(yè)者對使用sn/ag作為一種無鉛替代合金感覺得心應手。但不巧的是這種合金存在幾方面的問題。首先這種合金的熔融溫度(221度)和峰值回流溫度(2400-260度)對于許多表面安裝部件和過程來說顯得偏高。此外，這種合金還含有3.5-4%的銀，對某些應用構(gòu)成成本制約。而最主要的問題是這種合金會產(chǎn)生銀相變問題從而造成可靠性試驗失效。

我們注意到，在進行疲勞試驗(結(jié)果如表1)時，sn96/ag4在其中一種循環(huán)設(shè)置上產(chǎn)生了失效。對此問題作進一步研究得出的結(jié)論是：失效起因于相變。相變的產(chǎn)生是因合金的不同區(qū)有著不同的冷卻速率而致。

為對此問題進行深入研究，用一根sn96/ag4焊條，從底部對其進行回流加熱及強制冷卻，以便對其暴露在不同冷卻速率下的合金的微結(jié)構(gòu)進行觀察。sn96/ag4合金按冷卻速率的不同產(chǎn)生三種不同的相。由此考慮同樣的脆性結(jié)構(gòu)會存在于焊接互連中，從而造成焊區(qū)失效。正是由于這種原因，大多數(shù)oem及工業(yè)財團反對把sn/ag作為主流無鉛合金來用。銀相變問題的存在也對高銀sn/ag/cu合金提出了質(zhì)問。

sn/ag/cu合金

盡管涉及專利保護方面的問題，世界大部分地區(qū)還是傾向選用sn/ag/cu合金。但到底選擇什么樣的合金配方？本文將重點討論兩種sn/ag/cu合金：受各種工業(yè)財團推崇的sn/ag/cu0.5合金和相應的用作低銀含量合金的sn/ag2.5/cu0.7/sb0.5。

兩種sn/ag/cu合金的比較

在討論兩種合金體系的可靠性試驗結(jié)果之前，先憑經(jīng)驗對兩種合金作一比較是有益的。大體上看兩種合金很相似：兩者都具有極好的抗疲勞特性、良好的整體焊點連接強度以及充足的基礎(chǔ)材料供應。但兩者之間確也存在一些細微的差異值得討論。

熔點

兩合金的熔點極為相似：sn/ag4/cu0.5熔點為218度，sn/ag2.5/cu0.7/sb0.5熔點為217度。業(yè)界對這種差異是否構(gòu)成對實際應用的影響存在爭議。但如能對回流過程嚴格控制，熔點溫度變低會因減少元件耐受高溫的時間而帶來益處。

潤濕

兩種合金比較，自然地會對選擇高銀含量合金的做法抱有疑問，因為銀含量變高會增加產(chǎn)品成本。有臆測認為高銀合金有助于改進潤濕。但潤濕試驗結(jié)果顯示，低銀含量合金實際上比高銀合金潤濕更強健和更迅速。

專利態(tài)勢

工業(yè)界渴望找到一種廣泛可獲的合金。因此，專利合金是不大受歡迎的。盡管sn/ag4/cu0.5合金沒有申請專利，而sn/ag2.5/cu0.7/sb0.5已申請了專利，但選擇時需要全面了解兩種合金的專利約束作用和實際供應源情況才好確定。

上面已談到，sn/ag2.5/cu0.7/sb0.5合金已獲專利。但它已授權(quán)給焊料制造商使用，對授權(quán)使用者無數(shù)量限制和無轉(zhuǎn)讓費用。目前，這一合金可通過北美、日本和歐洲的數(shù)家焊料廠商在全球范圍內(nèi)獲取。盡管sn/ag4/cu0.5合金沒有申請專利，但用這種合金制成的焊點連接是有專利的，而在美國具有這種產(chǎn)品銷售授權(quán)的電子級焊料廠商的數(shù)量極為有限。

盡管用sn/ag4/cu0.5制作的焊點有可能侵犯現(xiàn)有的專利權(quán)，但業(yè)界還是建議使用這種合金。人們曾假想地認為，通過給這種系統(tǒng)施加預先工藝可以避開專利糾紛。但這種想法是錯誤的，因為大多數(shù)的專利說明都會涉及合金成份和應用范圍(焊點)兩部分內(nèi)容。換句話說，如果預先工藝能夠得到證實，突破專利的合金成份限制是可能的。但如果專利說明做得很完善，那么還需向聲明了電子裝配焊接特定用法的應用部分進行挑戰(zhàn)�？偟膩碚f，這意味著即使制造商正在使用一種專利規(guī)定范圍(如sn/ag4/cu0.5)以外的合金，但如果在制造過程中，此合金"偶獲"基礎(chǔ)金屬成分(一般為銅)并因而形成一種含有專利規(guī)定范圍內(nèi)的成份構(gòu)成的金屬間化合物的話，那么該制造商就會因侵犯了專利權(quán)而受到法律的裁決。

金屬成本

專利載明的銀含量范圍為3.5%-7.7%。如此高的銀含量使得焊料的大量使用變得成本高昂；裝填波峰焊鍋時，每1%的銀大約使成本增加0.66美元/磅(見表2)。為控制成本，有人建議在波峰焊應用中使用不含銀的無鉛合金，在表面安裝應用中使用含銀合金。但正如下面所要討論的，使用這種方法會因sn/cu和雙合金工藝存在不足而造成失效。

sn/cu的工藝缺陷

遏制成本的想法雖說合情合理，但引用sn/cu需要考慮幾方面的因素。第一，此