半導(dǎo)體功率器件的無(wú)鉛回流焊

半導(dǎo)體器件與 PCB 的焊接歷來(lái)使用錫/鉛焊料，但根據(jù)環(huán)境法規(guī)的要求，越來(lái)越多地使用無(wú)鉛焊料來(lái)消除鉛。大多數(shù)適合這些應(yīng)用的無(wú)鉛焊料是具有較高熔點(diǎn)的錫/銀合金，相應(yīng)地具有較高的焊料回流溫度。

無(wú)鉛焊料通常是錫/銀 (Sn/Ag) 焊料，或 Sn/Ag 焊料的變體。影響焊接工藝的主要區(qū)別是 Sn/Ag 焊料比 Sn/Pb 焊料具有更高的熔點(diǎn)。Sn/Ag 共晶 (96.5Sn/3.5Ag) 的熔點(diǎn)比 Sn/Pb 共晶 (63Sn/37Pb) 高 37°C。Sn/Ag 焊料的標(biāo)稱共晶熔點(diǎn)為 220°C，Sn/Pb 焊料的標(biāo)稱共晶熔點(diǎn)為 183°C。

圖 1 無(wú)鉛 (Sn/Ag) 焊料的典型回流焊曲線

無(wú)鉛焊料的回流溫度
典型無(wú)鉛 (Sn/Ag) 焊料的熔點(diǎn)較高，需要在 240°C 以上進(jìn)行回流。推薦的焊接或回流焊曲線必須確保短時(shí)間高于 240°C，同時(shí)考慮到設(shè)備溫度容差以及不同的產(chǎn)品和組件尺寸和質(zhì)量。功率半導(dǎo)體元件可以包括更大、更重的元件以及標(biāo)準(zhǔn)的更小的元件。這使得優(yōu)化 PCB 上所有組件的回流工藝變得更加困難。
無(wú)鉛焊料的預(yù)熱和加熱速率
錫/鉛焊料和無(wú)鉛焊料的預(yù)熱周期和加熱速率沒(méi)有顯著差異，并且通常不依賴于焊料合金的類型。
預(yù)熱時(shí)間和溫度主要由助焊劑系統(tǒng)決定。助焊劑必須清潔并去除待焊接表面的氧化層，包括 PCB 和元件引線。焊膏通常包含助焊劑和揮發(fā)性有機(jī)填充材料。預(yù)熱會(huì)去除多余的揮發(fā)性物質(zhì)，而助焊劑則在那里工作。

圖 2 鉛錫 (Pb/Sn) 焊料的典型回流焊曲線

半導(dǎo)體器件與 PCB 的焊接歷來(lái)使用錫/鉛焊料，但根據(jù)環(huán)境法規(guī)的要求，越來(lái)越多地使用無(wú)鉛焊料來(lái)消除鉛。大多數(shù)適合這些應(yīng)用的無(wú)鉛焊料是具有較高熔點(diǎn)的錫/銀合金，相應(yīng)地具有較高的焊料回流溫度。
較高的回流溫度受到元件和助焊劑的允許溫度的限制。這為無(wú)鉛回流焊創(chuàng)造了一個(gè)狹窄的回流溫度窗口。因此，無(wú)鉛焊料回流曲線的優(yōu)化比錫/鉛焊料回流曲線更為重要。無(wú)鉛焊接對(duì)于功率元件和其他較大質(zhì)量的元件也更為重要，因?yàn)樗鼈冃枰L(zhǎng)的時(shí)間來(lái)加熱。
大多數(shù)無(wú)鉛焊料使用與錫/鉛焊料相同的助焊劑系統(tǒng)，因此使用類似的預(yù)熱和加熱速率循環(huán)。
理想情況下，無(wú)鉛焊料的冷卻速率與錫/鉛焊料相同，但有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)樗鼈儚妮^高的溫度冷卻。大型元件和具有極端 CTE 的元件容易受到影響。
無(wú)鉛焊料更加環(huán)保，并且適合通過(guò)適當(dāng)?shù)幕亓髑€變化和控制來(lái)焊接大多數(shù)半導(dǎo)體元件。