00149-smt無鉛焊接深圳研討會資料-5-無鉛焊接的特點及工藝控制及過渡階段應注意的問題-資料下載頁

【導讀】因為基本原理、工藝方法與有鉛技術是相同的。但由于無鉛的焊接材料、元器件、PCB都發生了變化，因此工藝參數必須隨之改變。窗口小、潤濕性差、工藝難度大，容易產生可靠性問題，工藝實踐，尤其要掌握關鍵技術：印、焊。△t，因此要求焊接設備升溫、預熱區長度要加長。長時間處在高溫下會使焊膏中助焊劑提前結束活化反應，區有更高的升溫斜率。度是均勻的，那么實際工藝允許有5℃的誤差。FR-4基材PCB的極限溫度240℃，會損壞PCB。在實際回流焊中，如果最小峰值溫度為235℃，最大峰。厚印制板，典型△t高達20~25℃。要求再流焊爐橫向溫差＜2℃，同。加冷卻裝置，使焊點快速降溫。e由于高溫，PCB容易變形，特別是拼板，因此對于大。尺寸的PCB需要增加中間支撐。f為了減小爐子橫向溫差△t，采取措施：帶加熱器的導。軌、選用散熱性小的材料、定軌向爐內縮進等技術。①用于波峰焊的焊料：Sn-Cu或Sn-Cu-Ni，熔點227℃。的Ni可增加流動性和延伸率，減少殘渣量。的成本高，同時也會腐蝕Sn鍋。

　　

【正文】 不同被焊接金屬表面（包括元器件端頭和 PCB焊盤）焊接后形成的 界面合金層的結構等 認識還 不成熟。 ② 沒有統一的標準 對無鉛焊接的材料、工藝、設備、焊點檢驗標準等方面都沒有統一的認識和標準。 美國 IPC沒有標準（ 04年 11月推出 IPC –A610D草案）。 日本只有企業標準，也沒有國家標準。 ③對無鉛焊接的焊點可靠性還沒有統一的認識 對無鉛焊接的焊點以及焊接界面合金層的結合強度研究還沒有研究清楚。 舉例： a 對實施無鉛及其制造技術認識不一致，各種各樣的說法： 二元合金比三元合金更“穩定”；三元合金比四元合金更“穩定” ；不同的無鉛合金混合會引發問題；無鉛焊點可靠性的不同認識 ?? b 美國認為 \\。日本大多使用 \\。 c 日本認為含 1%Bi可提高潤濕性，而美國認為得不到這個結論 ?? ④ 無鉛應用技術混亂 無論國際國內無鉛應用技術非常混亂，大多企業雖然焊接材料無鉛化了，但元器件焊端仍然有鉛。 ? 究竟哪一種無鉛焊料更好？ ? 哪一種 PCB焊盤鍍層對無鉛焊更有利？ ? 哪一種元器件焊端材料對無鉛焊接焊點可靠性更有利？ ? 什么樣的溫度曲線最合理？ ? 無鉛焊對印刷、焊接、檢測等設備究竟有什么要求 …… 都沒有明確的說法。 對無鉛焊接技術 眾說紛紜，各有一套說法、各有一套做法。這種狀態對 無鉛焊接產品的 可靠性 非常不利。 因此 目前迫切需要加快對無鉛焊接技術從理論到應用的研究。 3. 問題舉例 （ 1） 有鉛工藝也遇到了 無鉛元器件 BGA\CSP LLP 特別警惕！ 有的日本元件鍍 SnBi，必須在無鉛焊料中使用。如果焊料中有 Pb， Bi與 Pb會形成 93℃ 的熔點，將嚴重影響可靠性。 （ 2） 有鉛工藝也遇到 純 Sn熱風整平的 PCB （ 3） 波峰焊問題比較多 ① 遇到無鉛元器件 ； ②插裝孔、導通孔不上錫； ③分層 Liftoff現象較嚴重； ④橋接、漏焊等缺陷多； ⑤錫鍋表面氧化物多 …… （ 4） 分層 Liftoff（焊點剝離、裂紋）現象 ? 無 Pb和有 Pb混用時，焊接后在焊點與焊端交界處會加劇分層 Liftoff（剝離、裂紋）現象。 Pb在 1%左右的微量時發生焊點剝離的概率最高。 這意味著來自元件、 PCB鍍層的微量 Pb混入，將容易發生 Liftoff。 ? 關于分層 Liftoff（焊點剝離、裂紋）現象的機理還要繼續研究。當焊料、元件、 PCB全部無 Pb化后是否不會產生 Liftoff現象了，也要繼續研究。 Liftoff（焊點剝離）現象的機理 ——錫釺焊時的凝固收縮現象 63Sn37Pb合金的 CTE是 106，從室溫升到 183℃ ，體積會增大 %，而從 183℃ 降到室溫，體積的收縮卻為 4%，故錫鉛焊料焊點冷卻后有時有縮小現象。因此 有鉛焊接時也存在 Liftoff，尤其在 PCB受潮時。 無鉛焊料焊點冷卻時也同樣有 凝固收縮現象 。由于無鉛熔點高、與 PCB的 CTE不匹配更嚴重、出現 偏析現象，因此當存在 PCB受熱變形等應力時，很容易發生 Liftoff，嚴重時甚至會造成 焊盤剝落 。 PCB焊盤與 發生 Liftoff 凝固收縮 冷卻時由于基板溫度高，焊點先凝固收縮，基板焊盤界面處殘留液相，基板越厚，基板內部儲存的熱量越多，越容易發生焊點剝離。 熱傳導 收縮 （ 5） A面回流焊＋ B面波峰焊復合工藝中的問題 ? 完成了 A面回流焊，進行 B面波峰焊時，在 A面大的QFP和 PLCC等元件的引腳鍍層為 SnPb合金時 ，雖然焊點本身熔點在 217 ℃ ，不會熔化，但在焊錫與焊盤界面容易形成 Pb偏析 ——形成 SnAgPb的 174℃ 的低熔點層，使界面發生熔化，在熱應力的作用下造成焊點從焊盤上剝離。類似 Liftoff（焊點剝離）。 QFP 焊盤處 Liftoff 防止 Liftoff（焊點剝離）的方法 （ a） 采用單面板。 （ b） 不使用 Bi、 In合金（低熔點更容易發生 Liftoff ）。 （ c） 無鉛工藝不使用 SnPb鍍層元件。 （ d） 加快冷卻速度，消除偏析。 （ e） 添加微量元素，消除偏析。 （ f） 考慮 PCB的熱設計，使基板內部的熱有效釋放。 （ g） 回流焊＋波峰焊復合工藝時，采用 SMD焊盤設計。 （ h）減小基板熱收縮（尤其厚度方向）。 ⑤ 無鉛和有鉛混用時可靠性討論 ? (a)無鉛焊料與有鉛焊端混用的問題 ? 無鉛焊料中的 Pb對長期可靠性的影響是一個課題，需要更進一步研究。初步的研究顯示： 焊點中 Pb含量的不同對可靠性的影響是不同的 ，當含量在某一個中間范圍時，影響最大，這是因為在最后凝固形成結晶時，在 Sn枝界面處，有偏析金相形成，這些偏析金相在循環負載下開始形成裂紋并不斷擴大。例如： 2％ ~5％的 Pb可以決定無鉛焊料的疲勞壽命，但與 SnPb焊料相比，可靠性相差不大。 無鉛焊料與有鉛焊端混用時要控制 焊點中 Pb含量＜ % ? 目前正處在無 Pb和有 Pb焊接的過度轉變時期，大部分無 Pb工藝是使用無鉛焊料與有鉛引腳的元件混用。在“無鉛”焊點中，鉛的含量可能來源于元件的焊端、引腳或 BGA的焊球。 ? 對于波峰焊，由于元件引腳 PbSn電鍍層不斷融解，焊點中鉛的含量需要進行監測。 ? Pb在 1%左右的微量時發生焊點剝離的概率最高。 氣孔多 ? 有鉛焊球與無鉛焊料混用時，焊球上的有鉛焊料先熔，覆蓋焊盤與元件焊端，助焊劑排不出去，造成氣孔。 氣孔 (b)有鉛焊料與無鉛焊端混用的質量最差 ? 有鉛焊料與無鉛焊球混用時，如果采用 有鉛焊料的溫度曲線，有鉛焊料先熔，而 無鉛焊端（球）不能完全熔化，使元件一側的界面不能生成金屬間合金層，BGA、 CSP一側原來的結構被破壞而造成失效，因此有鉛焊料與無鉛焊端混用時質量最差。 ? 因此 BGA、 CSP無鉛焊球是不能用到有鉛工藝中的 。 在元件一側的界面失效 ⑥ 高溫對元件的不利影響 ? 陶瓷電阻和特殊的電容對溫度曲線的斜率（溫度的變化速率）非常敏感，但對實際的溫度并不敏感。 ? 鋁電解電容對溫度極其敏感。 ? 連接器和其他塑料封裝元件（如 QFP、 PBGA）在高溫時失效明顯增加（如分層、苞米花、變形等）。 ? 粗略統計， 溫度每提高 10℃ ，潮濕敏感元件（ MSL）的敏感度升一級，可靠性降級。 ? 措施： 盡量降低峰值溫度；對潮濕敏感元件進行去潮烘烤 。 高溫損壞元件 ? 目前使用最普遍的 PCB材料 FR4的 Tg只有 125~140℃ 。 FR4的極限溫度為 240℃ 左右。 ? a 造成 PCB的熱變形，嚴重時會使元件損壞。 ? b 使 PCB材料中聚合物老化、變質，使 PCB的機械強度和電性能下降。 ? c FR4材料中的溴化環氧樹脂含鹵素阻燃材料，在高溫下釋放高毒物質（二惡英 dioxin， TCDO）。 ? 措施： 控制溫度曲線；對焊接設備進行改造；大、厚、復雜和高可靠的板采用耐高溫的 PCB材料；用含 N酚醛樹脂取代雙氰胺作固化劑，通過 N和 P作用提高阻燃性。 ⑦ 高溫對 PCB的不利影響 PCB 龜裂、氣泡、分層 ⑧ 電氣可靠性（助焊劑性能與枝狀結晶生長問題） ? 回流焊、波峰焊、返修形成的助焊劑殘留物，在潮濕環境和一定電壓下，導電體之間可能會發生電化學反應，引起表面絕緣電阻（ SIR）的下降。如果有電遷移和枝狀結晶生長的出現，將發生導線間的短路，造成電遷移（俗稱“漏電”）的風險。 ? 為了保證 電氣 可靠性，需要對不同免清洗助焊劑的性能進行評估。 電遷移和枝狀結晶造成導線間的短路 無鉛和有鉛混用情況總結 ? a 無鉛焊料和無鉛焊端 ——效果最好。 ? b 無鉛焊料和有鉛焊端 ——目前普遍使用，可以應用，但必須控制 Pb、 Cu等的含量，要配制相應的助焊劑，還要嚴格控制溫度曲線等工藝參數，否則會造成可靠性問題。 ? c 有鉛焊料和無鉛焊端 ——效果最差， BGA、 CSP無鉛焊球是不能用到有鉛工藝中的， 不建議采用。 （ 1） 備料 —— 注意 元器件的焊端材料 是否無鉛 ，特別是 BGA\CSP和新型封裝例如 LLP等 (有鉛工藝也要注意 )。 （ 2） 有鉛工藝遇到 無鉛元器件 ,必須提高焊接溫度到 235℃ 左右。 （ 3） 嚴格物料管理 —— 有鉛和 無鉛的元器件、焊膏不能混淆。 （ 4） 無鉛印刷 —— 加大模板開口尺寸： 寬厚比＞ ，面積比＞ ；提高印刷精度。 （ 5）嚴格控制溫度曲線，盡量降低峰值溫度； 對潮濕敏感元件進行去潮烘烤 。 （ 6） 復雜和高可靠產品采用耐高溫的 PCB材料（ FR5或其它 ） 4. 解決措施 無鉛工藝總結： ? 根據具體產品選擇材料，并進行系統評估 ? 錫膏（合金和焊劑） ? 器件（焊端和本體材料） ? 基板（基材、焊盤表層和阻焊層） ?評估現有爐子是否滿足無鉛要求 ? 檢查并修改 PCB焊盤設計（散熱、布局），鋼網設計 ? 嚴格物料管理 采購、包裝保護、庫存條件 /管理、使用 ? 正確設置、仔細優化溫度曲線 正確選擇測試點和連接熱耦、溫度 /時間控制 ? 采用無鉛質量檢查標準 把工藝做得更細 ? 目前無鉛焊接還處于過渡和起步階段，從理論到應用都還不夠成熟。 ? 目前迫切需要加快對無鉛焊接技術從理論到應用的研究。 ? 過渡階段無鉛焊接的可靠性問題值得警惕和研究。 ? 面臨 2020年 7月 1日即將到來 ， 我們應該做好準備，例如收集資料、理論學習等。