摘要
采用无铅焊料95.5Sn-3.9Ag-0.6Cu (wt.%)和传统63Sn-37Pb焊料对浸银涂层进行可焊性评估。焊接温度分别为245℃和260℃。助焊剂采用松香基中等活性（RMA）材料。在认定标准条件下，对浸银涂层进行2项老化处理： 1.采用Battelle 2 级工业环境，模拟存放时间3、6、9、13、18、24、60和120个月，对浸银样件进行老化； 2.蒸汽老化8、16和24小时，老化条件88℃，90％RH相对湿度。上述老化后，对浸银涂层进行测试。
定量衡量可焊性的参数是接触角，它由新月仪/润湿平衡技术测量得到。与裸铜相比，浸银涂层提高了Sn-Ag-Cu的可焊性，在模拟存放时间不超过12个月时，浸银涂层能保持足够的可焊性。同样，模拟存放时间不超过24个月时，浸银涂层对Pb-Sn焊料也能保持足够的可焊性。浸银涂层和Sn-Ag-Cu焊料的可焊性通常不受蒸汽老化的影响。Pb-Sn合金稍稍受蒸汽老化的影响，当老化到16小时，可焊性会下降。
这些结果证实蒸汽老化不适合预测浸银涂层的存放寿命。殴杰电子光谱技术对浸银表面的分析，建立了从铜基材扩散到浸银表面的铜的浓度与可焊性降低之间的关系。浸银表面铜的浓度反映亚稳定平衡条件的一个数量级别，对于不同老化时间，铜浓度具有不同的、优先的级别。
Sandia是一个多功能实验室，由Sandia集团的Lockheed Martin 公司具体掌管运作,在DE-AC04-9合同下为美国能源部工作。
绪言
当无铅焊接在电子界不断地获得共识、扩大应用时，印制板铅基表面涂层的使用将被逐步淘汰。可替代的表面涂层包括：有机可焊性保护膜（OSP）、化学镀Ni/浸金（ENIG）、镍/钯/金（Ni/Pd/Au）、浸锡和浸银等。（这些表面涂层的性能、优点以及局限性都在参考资料1和2中有详细的描述）
目前，在印制板工业中，以上各种涂层中最令人感兴趣的是浸银。浸银的特点是：与金或钯相比其成本相对便宜；有良好的引线键合性；先天具有与锡基合金焊接的可焊性；在银和锡之间形成的金属间化合物（Ag3Sn）并没有明显的易碎性。而且，在射频（RF）电路中由于趋肤效应，银的高电导率特性正好发挥出来。
当然，浸银涂层也有一些局限性。如：当与空气中的硫（S）接触时，其表面会失去光泽发暗；银还和空气中降落的氯（Cl）反应在表面形成银-氯层；最后，几乎与所有的金属和合金一样，银和氧反应在表层形成氧化层（Ag2O）。这些反应中，每一种都会影响可焊性。然而，现在浸银涂层含有共沉淀抑制剂防止或有效地限制反应层扩散到表层。
严格地讲，浸银是一层保护层。在焊接过程中，熔化合金开始在银涂层表面润湿、扩散，接着，银被熔进熔化的焊料中。在焊接过程中，银涂层不能熔化，因为它有非常高的熔点温度962℃。在银被完全溶解后，熔融焊料对银下面的基材（典型材料为铜焊盘）润湿和扩散。因此，铜焊盘表面一定同样地可焊；否则，焊料的反润湿会发生。
浸银涂层的技术规范在IPC-4553文件（2004年8月草案）"印制板浸银电镀技术规范"中进行描述。有两个推荐厚度范围： 1.薄层0.07～0.15μm，用于通常目的应用；2.厚层0.2～0.3μm，也适合通常焊接，但当引线键合时一定采用厚的涂层。正如Underwriters实验室对银导体要求的那样，浸银涂层也不用进行电迁移测试。
目前，工业界对印制板表面浸银涂层的装配性能进行了大量研究。这些研究包括对印制线路组装测试板的装配和评估，并确立了大量浸银涂层的特性。例如，高温老化试验显示银层具有6个月的保存期要求（按J-STD-003 III 级硬件要求），但很有可能超过这个时间，可焊性达到12个月。对于双面板或更复杂PCB装配，浸银表面多次回流焊接后仍具有良好的可焊性。最后，更为长期的调查研究覆盖任何可焊性方面，这些方面可以归结于浸银层的使用。
在相关测试应用中对浸银涂层的性能，前述的研究已经提供了有价值的信息。然而，工业界仍需要建立实验室可焊性数据原始资料，如在过程失效分析中，数据库资料能首先提供典型的着手思路。实验样件制作便宜且数据能够被迅速评定。另外，可焊性测试提供一个比较清楚的数据系列，它能识别涂层性能方面变化的重要趋势。例如，这样的测试可以决定助焊剂的类型对可焊性的作用，无论这种作用源于表面张力的影响还是清洁功效的结果。类似地，对于表面涂层成分和/或表面状况的恶化对焊料的润湿/扩展行为的影响，可焊性测试在这些方面提供了评估的手段。因此，在Sandia国际实验室，开始对浸银表面涂层的可焊性性能进行了调查研究。
评估可焊性的定量衡量参数首选接触角－θC。接触角θC越小，可焊性越好。在熔化焊料的物理状况下，三个界面张力的平衡决定接触角，由扬氏方程式表示如下：
图1表示在水平和垂直基板两种情况下表面张力和接触角的平衡示意图。在其他条件不变情况下，界面张力 较低，为保持方程式平衡，势必降低接触角，因此改善可焊性。从方程式还可以看出， 较大，接触角越低，而 的大小与基板的材料有关，或与基板表面涂层状况以及基板或涂层表面的清洁度有关。
Sandia实验室采用新月仪/润湿平衡技术对可焊性进行了测试。这种技术是通过测量焊料沿垂直焊盘上升所形成的新月形的高度（H）和重量（W）计算θC值，测量方法如图2所示。计算公式如方程式2。 液态焊料和助焊剂的界面张力也能独力地从实验数据和方程式3中计算得到。
 
除了与扬氏方程式1中的平衡参数进行比较外，润湿平衡测试也能提供润湿率和润湿时间数据。图3 显示通常的新月焊料重量与测试时间之间的函数关系。这一测试程序被用来决定95.5Sn-3.9Ag-0.6Cu焊料对Cu、Au-Ni（涂覆在Fe-Ni合金上）的可焊性，为此试用了几种焊剂和焊接温度组合。
为了提供一套原始资料数据，下面是对95.5Sn-3.9Ag-0.6Cu无铅焊料在铜基材浸银涂层上的可焊性能进行仔细调查研究，同时对63Sn-37Pb焊料在铜基材浸银涂层上的可焊性能也进行研究。同样，新月仪/润湿平衡技术用来决定接触角。
为了模拟长期存放，浸银涂层样件暴露在Battelle 2级加速老化环境中。当然，样件还放在蒸汽老化的环境中，因为我们还没有认识到蒸汽老化对浸银涂层的模拟存放降级是否具有有效的加速老化作用，测试的目的就是对蒸汽老化的适用性得出更多的证据。同样，除了蒸汽老化作为加速存放测试的适宜性，完成这些实验还可证明高温高湿对浸银表面可焊性能的影响。利用殴杰电子光谱技术中的表面和深度曲线分析来鉴别涂层化学性能的改变，这种涂层化学性能的改变将影响可焊性变化。
实验
基板的准备
测试基板是长宽厚为2.54×2.54×0.0254 cm的铜样件，样件从卷轴中剪切下来并整平，用于浸银电镀的样件最终尺寸在±0.013cm公差范围内。电镀工序在以抽签方式选定的PCB供应商处完成。浸银厚度按照IPC-4553的定义，选"薄"层范围，浸银厚度在0.08-0.16μm范围内。在浸银样件暴露于加速老化环境之前，用三氯乙烯（TCE）和异丙醇（IPOH）对其进行脱脂处理，然后放置在单个的塑料袋中等待测试实验。这段时间很短，保证塑料袋中的污染物最小。
环境暴露－老化实验
浸银涂层样件暴露到加速老化测试中，它模拟室内的工业环境，使用Battelle 2级技术规范。这种环境最初用于测试电接触材料（如铜和铜上的金），后来在Sandia 国家实验室转换成大气腐蚀测试设备（FACT），它具有目标环境为：10ppbH2S、200ppbNO2、10ppbCl2、70％相对湿度（RH）和30℃的温度。测试样件暴露于FACT环境中，模拟实际存放周期（保存期）的时间为3、6、9、12、18、24、60和120个月，假定在这些条件下，加速因子约为250。
第二组浸银样件暴露在蒸汽老化环境中，实验环境按照ANSI J-STD-002。暴露时间为8、16和24小时，温度88℃，90％相对湿度。
焊料和助焊剂
本次实验采用无铅焊料95.5Sn-3.9Ag-0.6Cu（wt.%）合金，熔点温度217℃。同时完成对63Sn-37Pb焊料（熔点温度183℃）的测试。测试的焊接温度分别为245℃和260℃。所有测试采用松香基中等活性（RMA）助焊剂，并用一定量的异丙醇（IPOH）一比一地冲淡。
可焊性测试
样件边缘浸到熔化的焊料槽中，焊料沿着样件的表面垂直向上润湿形成新月形，新月仪测量焊料的垂直运动，测得新月高度H。测试程序如下：在样件上涂覆助焊剂，干燥10分钟，接着将测试样件放在熔化焊料槽的上方预热20秒，浸入焊料槽，20秒时测量新月高度。进行5次实验，由这些实验得出高度的平均值和标准偏差。
焊料的新月重量用润湿平衡测试仪测量。对于润湿平衡样件也要经历和新月仪测试程序类似的一系列步骤-施涂助焊剂－干燥等。也进行5次单独测试，测试持续时间20秒，由这5次实验得出新月焊料的重量平均值和标准偏差。
除了新月重量外，润湿平衡测试还能测得润湿率。从图3可知，新月重量与时间的变化是一函数关系。当新月重量达到最大值之前，测量润湿曲线的斜率就是润湿率。同样，从润湿曲线上记录了达到最大新月重量的时间。在每一种实验情况下，5次测量用平均值和标准偏差值来描述。
衡量可焊性的主要参数是接触角θC，通过方程式2计算。θC的平均值根据H和W的平均值计算。θC的误差项根据H和W的最大、最小值来计算，H和W的最大、最小值由每个数据系列的平均值和标准偏差值来定义。表1定性地给出可焊性指导。通常讲，这种可焊性测试所测出的接触角小于50°，就能断定无铅（和有铅）焊料成功地应用在印制线路装配中。
欧杰电子光谱术（Auger Electron Spectroscopy）
在样件老化后，用欧杰电子光谱术来检测浸银层表面和表层附近的化学成分的改变。对表层或表层附近进行全面的元素测量确定化学种类。元素铜、银、硫、碳、氧和氯是分析中测量的明确目标。反应贱射法用来获得浸银涂层附近深层元素分布。这种表层分析的目的是将浸银层的可焊性与浸银表面的状况联系起来。
结果和讨论
在Battelle 2级老化环境中Sn-Ag-Cu焊料的可焊性
Sn-Ag-Cu在浸银表面的接触角θC与模拟存放（老化）时间的函数如图4所示。值得注意的是，与裸铜基板相比，浸银表面确实改善了Sn-Ag-Cu合金的可焊性。在使用相同助焊剂、焊接温度为245℃和260℃时，无铅合金在裸铜上的接触角分别为39±1°和 40±1°；而在相同条件下，Sn-Ag-Cu焊料在浸银涂层上的接触角分别为30±4°（245℃）和 23±2°（260℃），看来浸银涂层在较高焊接温度下可焊性具有优势。因此，与裸铜表面相比，浸银涂层能够提供一种改善Sn-Ag-Cu焊料可焊性的手段。
随老化时间达到60个月，θC值逐渐增加，但是很清楚地看到，两种焊接温度情况下，并不是呈单调方式增加。接触角与老化时间是一个函数关系，在两种老化温度间，两者的关系被再现出来。
考虑这样一个实际情况，当实验中得出的接触角数据变化大大地超过了实验的误差时，这种观察显示出数据波动实际反映浸银涂层状况的变化。假定，浸银层的变化与接触角的波动相关，在老化过程中，在整个浸银层表面发生一系列反应层的化学性能和/或厚度的演变，直接影响到可焊性。从图4看出，在较高温度焊接时接触角的值通常较低；当模拟老化时间从12个月到60个月时，这种差异最值得注意。在这段期间，可焊性与较低焊接温度关系较大，如245℃，其可焊性明显恶化。图4还显示，当老化120个月时，接触角在两种焊接温度下又达到可接受值，因此，更进一步加强了上述假定，因为发生在环境和浸银表面间反应的复杂性，老化对可焊性的影响不能准确地预测。
接下来考察Sn-Ag-Cu焊料在浸银表面的润湿率。达到最大润湿力的时间表现出相似的趋势，受篇幅的限制下面不再讨论。润湿率数据如图5 所示。在没有老化条件下与裸铜比较，浸银涂层润湿率增加3～4倍。润湿率作为老化时间的函数，在图5中其惊人的特性是具有大的变化。这些变化意味着润湿率对老化过的浸银涂层表面状况相当敏感，比接触角（图4）的敏感程度要大。在两种焊接温度之间，波动被再现。260℃的高温导致较高的润湿率。当老化时间在6～9个月，润湿率有一个大的跌落，这一点和裸铜上观察到的情况类似。在模拟老化时间12个月后，润湿率回弹，然后从18～24个月又跌落，随着老化时间的延长，润湿率仅缓慢上升。
图4中的接触角和图5中的润湿率进行比较。除润湿率比老化过的浸银表面状况更敏感的事实外，他们之间有很强的关联性。即，接触角的最小值出现在0、12、120个月，而这些时间点具有良好的可焊性，与润湿率的最大值相一致。
图4和图5结合起来预测Sn-Ag-Cu无铅焊料对浸银涂层可焊性的影响。在回流焊工艺中，优先选用最小焊接温度245℃。这种目标温度将允许工艺窗口到最大值260℃。因此，在焊料保存期不超过12个月，焊接温度范围在245～260℃时，图4中接触角的数据指出浸银涂层和Sn-Ag-Cu无铅焊料结合将保持足够的可焊性。当然，如果涂层存放到120个月，足够的可焊性"又回来"了。
不幸的是，介入12～120个月之间存放时，可以预期得到差的可焊性。总而言之，工艺控制感兴趣的是，应该避免存放老化时间超过12个月。对于回流焊接而言，图5中润湿率数据也证实这种方案。然而，老化时间介于6～9个月时，润湿率有一个跌落，尽管对回流焊接工艺并不是一个灾难性的，但造成人们对快速装配工艺：如波峰焊、手工焊以及返修等获得完全焊点形式的关注。
在Battelle 2级老化环境中Sn-Pb焊料的可焊性
Sn-Pb焊料的接触角数据与模拟存放（老化）时间的函数如图6所示。首先，正如预期的一样，Sn-Pb焊料的接触角低于Sn-Ag-Cu焊料的接触角。在相同焊剂和温度的条件下，对未老化的浸银涂层与裸铜表面接触角进行比较：温度为245℃和 260℃时，裸铜接触角分别为13±3°和17±4°，而未老化的浸银涂层接触角分别为17±6°和13±3°。因此，Sn-Pb焊料在浸银涂层上的可焊性与裸铜表面相比仅有一点点改善。
第二，当老化时间达到24个月时，接触角θC并没有显示出较大的变化趋势。另外，在这段老化期间接触角并不对焊接温度敏感，至少对任何一条连续的曲线都如此。当老化时间超过24个月后，可以观察到245℃焊接温度上不润湿性。在老化60个月后，尽管260℃可以看到润湿性，但也是一个不可接受的值，这表明可焊性接近丧失；接着在120个月没有润湿性。总之，图6中的接触角数据表示：老化时间达到24个月时，Sn-Pb焊料在浸银涂层上将保持可接受的可焊性，这几乎是Sn-Ag-Cu无铅焊料可焊性的2倍。
Sn-Pb焊料的润湿率变化情况如图7所示。焊接温度为245℃时，在未老化浸银涂层上Sn-Pb焊料的润湿率非常类似于裸铜表面。然而，与裸铜相比，浸银涂层在260℃焊接温度上的润湿率有一个相当大的增加。正如和Sn-Ag-Cu无铅焊料情况一样，有铅焊料的润湿率对浸银涂层表面的老化状况很敏感。事实上，Sn-Pb焊料的润湿率和Sn-Ag-Cu焊料润湿率曲线非常类似，即润湿率取决于老化时间，只不过稍有区别的是老化时间向后延长了3个月。例如，Sn-Pb焊料的润湿率在9～12个月达到最小，而Sn-Ag-Cu合金是在6～9个月。随后，Sn-Pb焊料的润湿率在18个月达到最大，而Sn-Ag-Cu合金是在12个月达到最大润湿率（图5）。这些趋势在2种焊接温度条件下再现；通常温度越高，润湿率稍微加快，但不总是如此。
将接触角数据图6和润湿率数据图7结合起来分析比较。与Sn-Ag-Cu焊料不同，由于Sn-Pb焊料的接触角没有大的波动，不可能将接触角和润湿率的变化趋势相关联起来。图6中的接触角变化显示：浸银涂层的存放时间不超过24个月时，它能保持足够的可焊性。在9～12个月时，润湿率下降，但对回流焊将不会产生不良影响，因此24个月的保存期将用于这种情况。然而，润湿率的最小值可能导致形成的焊缝或通孔的填充量比最佳值要小，比如在返修、波峰焊和手工装配等快速焊接操作中。在这方面，增加焊接温度并不能显著改善可焊性。
Battelle 2 级老化环境下欧杰电子光谱技术的表面分析
由于加速老化，浸银涂层表面化学性能会发生变化，采用欧杰电子光谱技术对浸银涂层表面化学性能进行分析，以建立浸银涂层表面可焊性行为与这种化学性能改变之间的关系；然后采用离子贱射法对涂层厚度深1/3处进行电子光谱检查，图8就是浸银涂层在认定的标准状态下电子光谱深度曲线。
上面提到，浸银层最薄处是0.08μm，所以曲线深度不会到达底层铜基材。在表面，主要元素是银和C，碳主要来源于两处，一是环境，二是浸银时共同沉积于表面的、为了限制浸银表面发暗和氧化的抑制剂。由图8可知，从表层往里面延伸一点，碳的浓度很快降到零。表面也有少量的铜元素，铜的来源是基材的铜穿过非常薄的银层扩散到表面。在表面还发现少量的氯，氯和铜或银结合生成氯化物，然而，反应大多数情况很可能是和铜发生，因为铜和氯的浓度相匹配都较低。最后，在浸银表面没有发现硫（S），这表明抑制剂成功地防止了银表面发暗的状况发生。
图9显示，浸银涂层暴露在Battelle 2 级环境条件下，模拟存放老化9个月后的欧杰光谱深度图。从图5和图7润湿数据可知，无论是Sn-Ag-Cu焊料还是Sn-Pb焊料，9个月的老化时间将引起润湿率的下降。由图9可知，这时碳的水平大约与认定的标准条件相同。然而，在表面大量的银成分被铜取代。如铜浓度增加一样，氯元素同样朝表面增加与银浓度相对，可以推断，氯和铜结合形成后来的氯化物。在表面也有少量硫元素的增加。不过，由光谱分析画出图8和图9显示，硫的比例表明润湿率的减少（Sn-Ag-Cu焊料情况下，接触角增加）可能不是银-硫形成的结果（即表面发暗）。而应该是铜扩散到整个涂层，达到浸银表面，形成独一无二的铜-氯化合物或氧化物，导致可焊性的降低。浸银涂层老化模拟时间60～120个月期后，观察类似图9的欧杰光谱曲线。这些曲线和在图4－7中观察到的这段期间具有差的可焊性相一致。
最后，为了确认铜的扩散和氯化物（和/或氧化物）对可焊性降级的影响，将老化12～18个月的样件进行检查。由图5和图7可知，Sn-Ag-Cu和Sn-Pb焊料的润湿率分别回弹到较高水平。事实上，在这些样件的表面，大量的铜和氯元素不见了。因此，这些观察提供了在浸银涂层表面铜的浓度和可焊性之间的直接关系。而且，铜浓度的波动（即可焊性的波动）意味着铜的表面浓度随着整个老化过程中的亚稳定平衡条件的变化而变化。这些亚稳定平衡直接影响了浸银表面铜浓度的增加或减少，同样影响如图4～7所示的可焊性的改变。
蒸汽老化环境后Sn-Ag-Cu焊料的可焊性
图10是Sn-Ag-Cu焊料的接触角与蒸汽老化时间的函数关系。统计学上，使用误差条（error bars）和标准偏差作为定义，由图10可知，无论是焊接温度还是蒸汽老化处理对Sn-Ag-Cu合金可焊性没有重大影响。（虽然，一般特性是焊接温度越高，平均接触角越低）。
作为蒸汽老化的函数，也对润湿率数据进行评估，这些结果如图11所示。在焊接温度260℃时，蒸汽老化对润湿率并没有重大的影响。平均润湿率的减少完全在误差条的统计学范围内。然而，在245℃蒸汽老化时确实影响Sn-Ag-Cu焊料测试的润湿率，从统计学意义上的看，蒸汽老化16小时后润湿率达到最小值。
24小时蒸汽老化后，润湿率回弹，该值非常类似没有老化样件的润湿率。总之，图10和图11中的接触角和润湿率分别显示，Sn-Ag-Cu合金在浸银涂层上的可焊性对蒸汽老化处理一点都不敏感。一个例外是在16小时蒸汽老化后，润湿率有较大的下降。
蒸汽老化环境后Sn-Pb焊料的可焊性
对Sn-Pb合金在浸银涂层蒸汽老化后的可焊性进行考察，图12是接触角和蒸汽老化的函数关系。蒸汽老化对245℃产生的接触角没有统计意义上的影响。然而，当焊接温度上升到260℃时，接触角由认定标准状况5°升到17°。浸银表面蒸汽老化16小时以后，可以看到，认定标准润湿值与记录值之间的差异最大。正如早期观测到的一样，润湿率比接触角更敏感于浸银表面可焊性状况，数值常常达几倍之多。
图13显示的是Sn-Pb焊料的润湿率。 由图13可以清楚看到，与蒸汽老化16小时相关的润湿率大幅度下降；事实上，在两个焊接温度上的下降是相当大的。然而，正如Sn-Ag-Cu无铅焊料情况一样，在24小时蒸汽老化后，润湿率提高到与认定标准条件相当的值。总之，与Sn-Ag-Cu合金相比，Sn-Pb合金的可焊性稍微对蒸汽老化敏感。这一点从图12、图13可以看出，当16小时蒸汽老化后，260℃上的接触角有一个统计意义上的增加，润湿率在两个焊接温度上都保持最小。
图10～13中的数据显示：无论使用Sn-Pb焊料还是Sn-Ag-Cu无铅焊料焊接，蒸汽老化不适合预测浸银涂层的可焊性存放寿命。首先，整体来讲，可焊性对蒸汽老化时间的范围相对不敏感，而这个时间被认定是从应用观点得到的实际经验。这种不敏感性造成区别可焊与不可焊表面很困难。第二，增加蒸汽老化时间不能引起可焊性（接触角或润湿率）上的简单（monotonic）变化，这一事实在建立筛选或条件测试方面增加了额外的不确定因素。这种情况不仅要求蒸汽老化限定在一定条件范围内（如16±0.5小时），而且这种范围和相关的误差也必须定义清楚，由于要定义两个边界，因此要求花费两倍的投入。
蒸汽老化环境下的欧杰光谱表面分析
采用欧杰电子光谱术对蒸汽老化后的浸银涂层表面进行分析。样件老化8小时，其表面的铜浓度6 at.%，氯浓度3 at.%。这个数量级对Sn-Ag-Cu或Sn-Pb焊料的可焊性都不能造成严重下降。然而，16小时蒸汽老化导致样件表面铜浓度达到24 at.%，这个数值与图9（9个月模拟存放、Battelle 2 级环境）中的铜浓度非常接近，而且，与后面情况一样，浸银表面的可焊性有一个退化，这时氯浓度保持相对较低。实际情况是，在浸银表面铜的氧化物很可能是降低可焊性的特殊原因。最后，蒸汽老化24小时后的样件，其表面的铜浓度较低只有5 at.%，这和图11～13观察到的可焊性又回到良好值相一致。
蒸汽老化处理会导致浸银可焊性的变化，虽然这种变化程度要比模拟（Battelle 2 级）存放暴露产生的变化小得多。在后来的系列测试中，这些波动和浸银表面铜（铜-氯、铜-氧或两种）的出现有关。这样，在两种情况下，浸银层中铜的出现是在老化过程的特殊点上建立的平衡条件的结果。根据单一增加浸银表面铜浓度判断，铜扩散到浸银涂层的过程似乎不是不能更改。同样地，可以推断在24小时蒸汽老化后建立了一个平衡状态，这种平衡实际使浸银表面的铜浓度从16小时蒸汽老化时的较高值降低到某一个程度。
总结
1．采用无铅焊料95.5Sn-3.9Ag-0.6Cu (wt.%)和传统63Sn-37Pb焊料对铜样件浸银镀层进行可焊性评估。焊接温度分别为245℃和260℃。助焊剂采用松香基中等活性（RMA）溶液。在认定标准条件以及下列两项老化处理之后对浸银涂层进行测试：（1）在Battelle 2 级工业环境下，模拟3、6、9、13、18、24、60和120个月的存放时间；（2）8、16和24小时的蒸汽老化，老化条件88℃，90％RH相对湿度。衡量可焊性的定量参数是接触角，它由新月仪/润湿平衡技术决定。欧杰光谱表面分析用来追踪老化过的浸银涂层表面的化学性能。
2．接触角数据指出：与裸铜相比，浸银涂层提高了Sn-Ag-Cu焊料的可焊性。当模拟存放不超过12个月时，浸银涂层能对Sn-Ag-Cu焊料保持足够的可焊性。老化时间在6－9个月时，可以观察到润湿率有一个大的降低，而对回流焊并不是灾难性的，这会引起对快速装配工艺的关注，如波峰焊、手工焊以及一些返修行为。
3．接触角数据指出：浸银涂层与Sn-Pb合金的可焊性与裸铜比较没有重大的改变。当存放时间不超过24个月时，浸银涂层能对Sn-Pb焊料保持足够的可焊性。在9－12个月存放时间期间，下降的润湿率对回流焊接工艺不造成有害的影响。
4．浸银涂层与Sn-Ag-Cu合金的可焊性通常对蒸汽老化不敏感。一个例外是蒸汽老化16小时后润湿率大幅度下降。
5．与Sn-Ag-Cu合金相比，Sn-Pb合金的可焊性似乎对蒸汽老化更敏感些。16小时的蒸汽老化造成260℃的接触角统计学上的重大增加，润湿率在两个温度下都最小。无论是Sn-Ag-Cu还是Sn-Pb测试数据证实：蒸汽老化是不适合预测浸银涂层的可焊性存放寿命的加速老化体系。
6．欧杰电子光谱术分析建立了从铜基材扩散到浸银表面的铜的浓度和可焊性降低之间的关系。铜浓度的波动（这样，可焊性的波动）意味着铜的表面浓度是亚稳定平衡条件的级数水平，作为老化时间的函数，这种平衡级数驱动了浸银表面铜浓度的增加和减少。
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11. A. Jackson, I. Artaki, and P.Vianco, "Manufacturing Feasibility of Several Lead Free Solders for Electronic Assembly," Proc. 7th Inter. SAMPE Electronics Conf. (Parsippany, NJ; June 21, 1994), p. 381.
12. I. Artaki, A. Jackson, and P. Vianco, "Fine Pitch Surface Mount Assembly with Lead-Free, Low Residue Solder Paste," Proc. Surface Mount Inter., (San Jose, CA Aug. 28, 1994), p. 495.
13. P. Vianco, J. Rejent, I. Artaki, and U. Ray, "An Evaluation of Prototype Circuit Boards Assembled with a Sn-Ag-Bi Solder," Proc. IPC Works '99 (IPC, Northbrook, IL; 1999), p. S-03-3-1.
14. P. Vianco and A. Claghorn, "Effect of Substrate Preheating on Solderability Performance as a Guideline for Assembly Development - Part I: Baseline Analysis," Soldering and Surface Mount
Technology No. 24 (1996) p. 12.
ACKNOWLEDGEMENTS
The authors wish to thank Sam Lucero and Wayne Buttry of Sandia National Laboratories for the accelerated aging tests and Auger spectroscopy analysis. The authors are also grateful to Don Susan for his careful review of the manuscript.
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Edwin Lopez, Paul Vianco, R. Wayne Buttry, Samuel Lucero, and Jerome Rejent Sandia 国家实验室,Joseph Martin Orion 国际技术有限公司<|||>
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2005-5-20 |
