半導體功率器件的無鉛回流焊

半導體器件與 PCB 的焊接歷來使用錫/鉛焊料，但根據環境法規的要求，越來越多地使用無鉛焊料來消除鉛。大多數適合這些應用的無鉛焊料是具有較高熔點的錫/銀合金，相應地具有較高的焊料回流溫度。

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

圖 1 無鉛 (Sn/Ag) 焊料的典型回流焊曲線

無鉛焊料的回流溫度
典型無鉛 (Sn/Ag) 焊料的熔點較高，需要在 240°C 以上進行回流。推薦的焊接或回流焊曲線必須確保短時間高于 240°C，同時考慮到設備溫度容差以及不同的產品和組件尺寸和質量。功率半導體元件可以包括更大、更重的元件以及標準的更小的元件。這使得優化 PCB 上所有組件的回流工藝變得更加困難。
無鉛焊料的預熱和加熱速率
錫/鉛焊料和無鉛焊料的預熱周期和加熱速率沒有顯著差異，并且通常不依賴于焊料合金的類型。
預熱時間和溫度主要由助焊劑系統決定。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性有機填充材料。預熱會去除多余的揮發性物質，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

半導體器件與 PCB 的焊接歷來使用錫/鉛焊料，但根據環境法規的要求，越來越多地使用無鉛焊料來消除鉛。大多數適合這些應用的無鉛焊料是具有較高熔點的錫/銀合金，相應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。這為無鉛回流焊創造了一個狹窄的回流溫度窗口。因此，無鉛焊料回流曲線的優化比錫/鉛焊料回流曲線更為重要。無鉛焊接對于功率元件和其他較大質量的元件也更為重要，因為它們需要更長的時間來加熱。
大多數無鉛焊料使用與錫/鉛焊料相同的助焊劑系統，因此使用類似的預熱和加熱速率循環。
理想情況下，無鉛焊料的冷卻速率與錫/鉛焊料相同，但有時可能會出現問題，因為它們從較高的溫度冷卻。大型元件和具有極端 CTE 的元件容易受到影響。
無鉛焊料更加環保，并且適合通過適當的回流曲線變化和控制來焊接大多數半導體元件。