环氧低温焊料强度如何受残留物影响-深圳福英达
环氧低温焊料强度如何受残留物影响-深圳福英达
自从禁止在电子产品中使用铅以来，无铅焊料合金作为锡基Pb焊料的替代品受到了大力追捧。共晶锡铋合金的熔点非常低，润湿性好，热膨胀系数低，因此可以用于耐热性差的元器件封装和多次回流工艺。使用环氧树脂和共晶锡铋（Sn42Bi58）制备而成的环氧锡膏具有很大的应用潜力。与传统的锡膏不同，环氧树脂的添加在没有底部填充工艺的情况下，在芯片和PCB板之间带来了更强的物理连接，提高了焊点的机械性能。虽然环氧树脂固化是决定焊点强度的重要因素，但回流工艺同样不可忽视。
实验设计
针对回流工艺对环氧共晶锡铋锡膏的影响，Lee等人开展了一系列工作。Lee等人将环氧锡膏与ENIG焊盘焊接。回流是在空气条件下使用四区IR回流机进行，采取了不同峰值温度160°C，170°C，180°C，190?°C，和不同升温速率（1°C/s，2°C/s，3°C/s）。
图1. 实验回流曲线。
实验结果
残留物分析
图2显示了Sn42B58i环氧焊膏在回流过程中的状态变化。当温度升高到140°C时，没有观察到外观的显著变化?。在140°C到155°C的温度范围时，环氧焊膏中的溶剂和挥发性成分迅速蒸发，环氧树脂同时渗出并覆盖焊点表面。当温度超过160?°C时，焊点表面形成了黑色残留物区域，并在达到峰值温度后固化。此外，可以发现低峰值温度和高升温速率都会导致黑色残留物数量增多。当峰值温度从160?°C上升到190?°C时，黑色残留物的面积比从50.3%下降到18.0%。通过分析发现黑色残留物的组成包含了环氧树脂残留物，Sn，Bi和一些羧酸盐如Bi（RCOO）3和Sn（RCOO）2。这些羧酸盐的生成归因于有机酸与氧化物的反应。
图2. 不同温度下的Sn42B58i环氧焊膏状态。(a)140°C；(b)140-155℃；(c)160℃。
图3.不同温度下焊点黑色残留物数量。
焊点剪切强度
随着峰值温度从160°C升高至190°C，剪切强度增加31.3%?。随着回流温度的升高，焊料合金的断裂模式表现出更大的韧性。此外，将焊点剪切后，从焊点内部还可以发现存在黑色残留物。在160°C的较低温度下，焊点黑色残留物数量最多，且直径达到20μm。当峰值温度升到180?°C，残留物直径明显减小。在190℃时几乎观察不到残留物，表明在较低的峰值温度下，环氧树脂焊点内外都会形成黑色残留物。环氧树脂焊料中黑色残留物的形成降低了剪切强度。
图4. Sn42Bi58环氧焊点强度和断裂面。
参考文献
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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