半导体功率器件的无铅回流焊

无铅焊料通常是锡/银 (Sn/Ag) 焊料，或 Sn/Ag 焊料的变体。影响焊接工艺的主要区别是 Sn/Ag 焊料比 Sn/Pb 焊料具有更高的熔点。Sn/Ag 共晶 (96.5Sn/3.5Ag) 的熔点比 Sn/Pb 共晶 (63Sn/37Pb) 高 37°C。Sn/Ag 焊料的标称共晶熔点为 220°C，Sn/Pb 焊料的标称共晶熔点为 183°C。

图 1 无铅 (Sn/Ag) 焊料的典型回流焊曲线

无铅焊料的回流温度

典型无铅 (Sn/Ag) 焊料的熔点较高，需要在 240°C 以上进行回流。推荐的焊接或回流焊曲线必须确保短时间高于 240°C，同时考虑到设备温度容差以及不同的产品和组件尺寸和质量。功率半导体元件可以包括更大、更重的元件以及标准的更小的元件。这使得优化 PCB 上所有组件的回流工艺变得更加困难。

无铅焊料的预热和加热速率

锡/铅焊料和无铅焊料的预热周期和加热速率没有显着差异，并且通常不依赖于焊料合金的类型。

预热时间和温度主要由助焊剂系统决定。助焊剂必须清洁并去除待焊接表面的氧化层，包括 PCB 和元件引线。焊膏通常包含助焊剂和挥发性有机填充材料。预热会去除多余的挥发性物质，而助焊剂则在那里工作。

图 2 铅锡 (Pb/Sn) 焊料的典型回流焊曲线

半导体器件与 PCB 的焊接历来使用锡/铅焊料，但根据环境法规的要求，越来越多地使用无铅焊料来消除铅。大多数适合这些应用的无铅焊料是具有较高熔点的锡/银合金，相应地具有较高的焊料回流温度。

较高的回流温度受到元件和助焊剂的允许温度的限制。这为无铅回流焊创造了一个狭窄的回流温度窗口。因此，无铅焊料回流曲线的优化比锡/铅焊料回流曲线更为重要。无铅焊接对于功率元件和其他较大质量的元件也更为重要，因为它们需要更长的时间来加热。

大多数无铅焊料使用与锡/铅焊料相同的助焊剂系统，因此使用类似的预热和加热速率循环。

理想情况下，无铅焊料的冷却速率与锡/铅焊料相同，但有时可能会出现问题，因为它们从较高的温度冷却。大型元件和具有极端 CTE 的元件容易受到影响。

无铅焊料更加环保，并且适合通过适当的回流曲线变化和控制来焊接大多数半导体元件。