甲酸氣氛制備凸點_無助焊劑焊接-福英達焊錫膏
甲酸氣氛制備凸點_無助焊劑焊接-福英達焊錫膏
眾所周知無鉛焊料需要借助助焊劑輔助才能實現更好的焊接效果。助焊劑可以去除焊料和焊盤表面氧化物和改善表面張力，使焊料能夠更好的潤濕焊盤。但是助焊劑分解不充分容易在焊點附近留下酸性殘留物，從而影響電子元件的可靠性。隨著業界對焊料認知的加深，一種不借助助焊劑的焊接方式呼之欲出。方法是在焊接時通入甲酸氣氛保護。加熱情況下甲酸氣氛可以起到還原氧化物，改善潤濕性的效果。
1. 甲酸還原氧化物原理
由于目前焊料以Sn為主，因此容易被氧化成為SnO和SnO2。甲酸能很好得與SnO和SnO2反應生成Sn(HCOO)2，并在150℃情況下將Sn(HCOO)2還原為Sn。
2. 甲酸氣氛焊接實驗
為了驗證在甲酸氣氛下不采用助焊劑焊接的可行性，He等人使用了Sn42Bi58，SAC305和Sn95Sb5焊料球分別在銅焊盤和鍍鎳銅焊盤上進行微凸點制備實驗。Sn42Bi58，SAC305和Sn95Sb5的峰值焊接溫度分別為200℃，250℃和275℃。微凸點隨后在150℃下進行老化。甲酸焊接示意圖如圖1所示。
圖1. 甲酸氣氛下焊接的示意圖。
表1. 實驗采用的五種焊接加熱條件。
3. 實驗結果
3.1 焊料和基板的接觸角
焊料與基板的接觸角越小意味著焊料潤濕性更優秀。Sn42Bi焊料在甲酸保護下焊接時的接觸角要比使用助焊劑焊接的接觸角更小。而SAC305和Sn95Sb5在助焊劑輔助下焊接時能得到更良好的接觸角。總體而言，甲酸氣氛下焊接和借助助焊劑焊接得到的接觸角相差不大。
圖2. 焊料采用甲酸氣氛/助焊劑焊接后的潤濕角 (升溫速度: 2.5℃/s，預熱時間1min), Sn42Bi58: 預熱溫度120℃；SAC305和Sn95Sb5: 預熱溫度160℃。
3.2 預熱對甲酸氣氛焊接的影響
如果加熱速度，峰值溫度和峰值時間均一致，SAC305在160℃下預熱10分鐘時，焊料與基板的接觸角最小。而在160℃下預熱1分鐘時接觸角最大。預熱時間長能讓甲酸有更充足時間與焊料和焊盤反應，更好得去除氧化物。此外，接觸角也與預熱溫度有關，更高的預熱溫度能加速甲酸與氧化物反應。
圖3. 預熱對甲酸氣氛焊接接觸角的影響。
3.3 金屬間化合物
為了研究甲酸氣氛焊接產生的金屬間化合物(IMC)成分，He等人觀察了SAC305焊點的微觀結構。He等人發現甲酸氣氛和助焊劑輔助焊接后生成的SAC305焊點的IMC都為Cu6Sn5，且焊點老化后也都形成了Cu3Sn。此外，總的IMC厚度相差不大。
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4. 參考文獻
He, S.L., Bi, Y.H., Shen, Y.A., Chen, Z.K., Gao, Y., Hu, C.A & Nishikawa, H. Contact angle analysis and intermetallic compounds formation between solders and substrates under formic acid atmosphere. Journal of Advanced Joining Processes, vol. 6.
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