无铅焊接工艺技术

无铅焊接工艺技术内容摘要：

澳大利亚伊科索尔德国际股份有限公司 ， 韩国三星等企业都在中国境内申请并获得专利 ， 且产品获得商业应用价值和市场份额。 我国无铅焊料发展的历史不长 ， 起步较晚 ， 但发展速度很快。 研究工作主要集中在大专院校和科研院所 ， 有一 些焊料生产单位也在进行开发研制。 但国内还未形成无铅焊料的批量生产 ， 这是由于我国没有立法限制铅的使用 ， 国内一些大的电子产品生产企业 ， 其产品主要是针对国内市场 ， 使用无铅焊料的要求还远不是那么强烈。 而我国一些技术含量较高的机电产品 ， 由于使用了铅锡焊料 ， 在出口时受到阻碍 ， 已严重影响了这类产品在国际市场上的竞争力。 受世界大环境的影响 ， 随着我国对环境和生态的高度重视 ， 使用无铅焊料替代铅锡焊料已提到议事日程。 我国是锡的生产和出口大国 ， 也是消耗焊料的各种电器生产的大国 ， 如无铅焊料的研究没有实质性的突破 ， 将会严重影响我国的 机电、北华航天工业学院毕业论文 10 微电子行业的发展 ， 产品将失去市场竞争力。 因此 ， 大力发展无铅环保焊料是当前一项迫切和亟待解决的问题。 无铅焊料的问题 对于无铅焊料，主要的问题在以下几方面：。 一些考虑中的替代金属 ， 如镉和锑 ， 是毒性的 ； 其它金属 ，如锑、铟 ， 由于改变法规的结果可能落入毒性种类。 (183℃ )接近 ， 不应超过 200℃。 ， 数量上满足全球的需求。 某些金属如铟和铋数量比较稀少 ， 只够用作无铅焊锡合金的添加成分。 环再生的 ， 如将三四种金属加入到无铅替代焊锡配方中可能使循环再生过程复杂化 ， 并且增加其成本。 ， 包括返工与修理用的锡线、锡膏用的粉末、波峰焊用的锡条、以及预成型。 不是所有建议的合金都可制成所有的形式 ， 例如铋含量高将使合金太脆而不能拉成锡线。 能确保有良好的润湿性和安装后的机械可靠性。 ， 导热性好。 北华航天工业学院毕业论文 11 第 3 章 无铅焊接工艺流程 工艺流程简介 传统的锡铅焊料在电子装联中已经应用了近一个世纪。 共晶焊料的导电性、稳定性、抗蚀性、抗拉和抗疲劳、机械强度、工艺性都是非常优秀的，而且资源丰富，价格便宜。 是一种极为理想的电子焊接材料。 但由于铅污染人类的生活环境，危害人类的健康。 据统计，某些地区地下水的含铅量已超标 30 倍，施行无铅焊接工艺技术是大势所趋。 无铅焊接的现状 无铅焊料合金成分的标准化目前还没有明确的规定。 IPC 等大多数商业协会的意见：铅含量 %(倾向 %，并且不含任 何其它有毒元素的合金称为无铅焊料合金。 无铅焊料合金 无铅化的核心和首要任务是无铅焊料。 正公认能用的有： (1) 目前最有可能替代 Sn/Pb 焊料的合金材料 (2) 目前应用最多的无铅焊料合金三元共晶形式的 \\(美国 )和三元近共晶形式的 \\(日本 )是目前应用最多的用于再流焊的无铅焊料。 其熔点为 216220℃左右。 无铅合金焊料较仍然有以下问题： (A)熔点高 34℃左右。 (B)表面张力大、润湿性差。 (C)价格高 PCB 焊盘表面镀层材料 无铅焊接要求 PCB 焊盘表面镀层材料也要无铅化， PCB 焊盘表面镀层的无铅化相对于元器件焊端表面的无铅化容易一些。 目前无铅标准还没有完善，因此无铅元器件焊端表面镀层的种类很多。 目前无铅焊接工艺技术处于过渡和起步阶段 虽然国际国内都在不同程度的应用无铅技术，但目前还处于过渡和起步阶段，从理论到应用都还不成熟。 没有统一的标准，对无铅焊接的焊点可靠性还没有统一的认识，因此无论国际国内无铅应用技术非常混乱，因此目前迫切需要加快对无铅焊接技术从理论到应用的研究。 北华航天工业学院毕业论文 12 无铅焊接的特点和对策 (1) 无铅焊接的 主要特点 (A)高温、熔点比传统有铅共晶焊料高 34℃左右。 (B)表面张力大、润湿性差。 (C)工艺窗口小，质量控制难度大。 (2) 无铅焊点的特点 (A)浸润性差，扩展性差。 (B)无铅焊点外观粗糙。 传统的检验标准与 AOI 需要升级。 (C)无铅焊点中 气孔 较多，尤其有铅焊端与无铅焊料混用时，焊端 (球 )上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘，助 焊剂排不出去，造成气孔。 但气孔不影响机械强度。 (D)缺陷多 由于浸润性差，使自定位效应减弱。 无铅焊点外观粗糙、气孔多、润湿角大、没有半月形，由于无铅焊点外观与有铅焊点有较明显的不同，如果有原来有铅的检验标准衡量，甚至可以认为是不合格的，随着无铅技术的深入和发展，由于助焊剂的改进以及工艺的进步，无铅焊点的粗糙外观已经有了一些改观。 无铅工艺对助焊剂的挑战 (1) 无铅工艺对助焊剂的要求 (A)由于焊剂与合金表面之间有化学反应，因此不同合金成分要选择不同的助焊剂。 (B)由于无铅合金的浸润性差，要 求助焊剂活性高。 (C)提高助焊剂的活化温度，要适应无铅高温焊接温度。 (D)焊后残留物少，并且无腐蚀性，满足 ICT 探针能力和电迁移。 (2) 焊膏印刷性、可焊性的关键在于助焊剂。 确定了无铅合金后，关键在于助焊剂。 选择焊膏要做工艺试验，看看印刷性能否满足要求，焊后质量如何。 总之要选择适合自己产品和工艺的焊膏。 (3) 无铅焊剂必须专门配制焊膏中的助焊剂是净化焊接表面 ,提高润湿性 ,防止焊料氧化和确保焊膏质量以及优良工艺性的关键材料。 高温下助焊剂对 PCB 的焊盘，元器件端头和引脚表面的氧化层起到清洗作用，同时 对金属表面产生活化作用。 (4) 波峰焊 中无 VOC 免清洗 焊剂也需要特殊配制。 无铅焊膏和波峰焊的水溶性焊剂对某些产品也是需要的。 (5) 高温对元件的不利影响 陶瓷电阻和特殊的电容对温度曲线的斜率 (温度的变化速率 )非常敏感 ,由于陶瓷体与北华航天工业学院毕业论文 13 PCB 的热膨胀系数 CTE 相差大，在焊点冷却时容易造成元件体和焊点裂纹，元件开裂现象与 CTE 的差异、温度、元件的尺寸大小成正比。 铝电解电容对清晰度极其敏感。 连接器和其他塑料封装元件在高温时失效明显增加。 主要是分层、爆米花、变形等、粗略统计，温度每提高 10℃，潮湿敏感元件 (MSL)的可靠性降 1 级。 解决措施是尽量降低峰值温度。 对潮湿敏感元件进行去潮烘烤处理。 (6) 高温对 PCB 的不利影响 高温对 PCB 的不利影响在第三节中已经做了分析，高温容易 PCB 的热变形、因树脂老化变质而降低强度和绝缘电阻值，由于 PCB 的 Z 轴与 XY 方向的 CTE 不匹配造成金属化孔镀层断裂而失效等可靠性问题。 解决措施是尽量降低峰值温度，一般简单的消费类产品可以采用 FR4 基材，厚板和复杂产品需要采用耐高温的 FR5 或 CEMn 来替代 FR4 基材。 (7) 电气可靠性 回流焊 、波峰焊、返修形成的助焊剂残留物，在潮湿环境和一定电压下，导电体之间可能会发生电化学反应，导致表面绝缘电阻的下降。 如果有电迁移和枝状结晶 (锡须 )生长的出 现，将发生导线间的短路，造成电迁移 (俗称‚漏电‛ )的风险。 为了保证电气可靠性，需要对不同免清洗助焊剂的性能进行评估。 (8) 关于无铅返修 ① 无铅焊料的返修相当困难，主要原因： (A)无铅焊料合金润湿性差。 (B)温度高 (简单 PCB235℃，复杂 PCB260℃ )。 (C)工艺窗口小。 ② 无铅返修注意事项： (A)选择适当的返修设备和工具。 (B)正确作用返修设备和工具。 (C)正确选择焊膏、焊剂、 焊锡 丝等材料。 (D)正确设置焊接参数。 除了要适应无铅焊料的高熔点和低润湿性。 同时返修过程中一定要小心，将任何潜在的对元件和 PCB 的可靠性产生不利影响的因素降至最低。 (9) 关于过度时期无铅和有铅混用情况总结。 (A)无铅焊料和无铅焊端 ―― 效果最好。 (B)无铅焊料和有铅焊端 ―― 目前普通使用，可以应用，但必须控制 Pb， Cu 等的含量，要配制相应的助焊剂，还要严格控制温度曲线等工艺参数，否则会造成可靠性问题。 (C)有铅焊料和无铅焊端 ―― 效果最差， BGA、 CSP 无铅焊球是不能用到有铅工艺中的，不建议采用。 北华航天工业学院毕业论文 14 目前无铅工艺当中采用的钎焊料相对比原来的焊料成分方面锡的含量增大很多，其合金成分相对有很大的提升。 在生产加工过程中，其锡渣的产生量比原来普通焊料的产生量也有很大幅度的提高。 如果能将锡渣的产生量降低则对于材料消耗方面的成本控制是有益的。 锡渣主要是锡在高温环境下和氧气发生反应产生的氧化物，通过物理高温搅拌可以将大部分的锡氧分离 (即锡渣还原 )，将分离的锡重新使用，也可利用化学置换还原反应将锡渣中的氧分子置换后还原成纯锡而重复使用。 每个工厂可根据自身的机器及工 艺安排等方面综合考虑得到较好的无铅化的道路。 氮气在焊接中的工艺应用 (1)氮气具有如下的七大优点 氮气的物理性能佳 ； 在大多数液体中的等低溶性 ； 高顺时流量 ； 正常条件下的化学惰性 ； 膨胀性能好，安全，适用于高压工艺 ； 储存及使用方便。 (2)氮气应用的优点 扩大工艺窗口，提高工艺适应性 ； 提高焊接质量 (防止氧化，浸润性良好，高质量焊点 )； 做到免清洗，适应环保要求 ； 达到细间距芯片高密度装配要求 ； 简化操作。 无铅焊接的工艺过程，实际上是液态锡合金对被焊金属表面的润湿过程，其润湿力的提高、润湿 时间变短、润湿角的提高，均说明可焊性的提高。 实践证明，在氮气保护下，润湿力可提高 5070%，润湿时间可降低 1530%，润湿角平均提高 40%。 另外，助焊剂的残留量可以减少 5%。 . 无铅焊接工艺的五个步骤 选择适当的材料和方法 在无铅焊接工艺中，焊接材料的选择是最具挑战性的。 因为对于无铅焊接工艺来说，无铅焊料、焊膏、助焊剂等材料的选择是最关键的，也是最困难的。 在选择这些材料时还要考虑到焊接元件的类型、线路板的类型，以及它们的表面涂敷状况。 选择的这些材料应北华航天工业学院毕业论文 15 该是在自己的研究中证明了的，或是权威机构 或文献推荐的，或是已有使用的经验。 把这些材料列成表以备在工艺试验中进行试验，以对它们进行深入的研究，了解其对工艺的各方面的影响。 对于焊接方法，要根据自己的实际情况进行选择，如元件类型：表面安装元件、通孔插装元件。 线路板的情况。 板上元件的多少及分布情况等。 对于表面安装元件的焊接，需采用回流焊的方法。 对于通孔插装元件，可根据情况选择波峰焊、浸焊或喷焊法来进行焊接。 波峰焊更适合于整块板 (大型 )上通孔插装元件的焊接。 浸焊更适合于整块板 (小型 )上或板上局部区域通孔插装元件的焊接。 局喷焊剂更适合于板上个别元件或少量通 孔插装元件的焊接。 另外，还要注意的是，无铅焊接的整个过程比含铅焊料的要长，而且所需的焊接温度要高，这是由于无铅焊料的熔点比含铅焊料的高，而它的浸润性又要差一些的缘故。 在焊接方法选择好后，其焊接工艺的类型就确定了。 这时就要根据焊接工艺要求选择设备及相关的工艺控制和工艺检查仪器，或进行升级。 焊接设备及相关仪器的选择跟焊接材料的选择一样，也是相当关键的。 确定工艺路线和工艺条件 在第一步完成后，就可以对所选的焊接材料进行焊接工艺试验。 通过试验确定工艺路线和工艺条件。 在试验中，需要对列表选出的焊接材料进行充分 的试验，以了解其特性及对工艺的影响。 这一步的目的是开发出无铅焊接的样品。 开发健全焊接工艺 这一步是第二步的继续。 它是对第二步在工艺试验中收集到的试验数据进行分析，进而改进材料、设备或改变工艺，以便获得在实验室条件下的健全工艺。 在这一步还要弄清无铅合金焊接工艺可能产生的沾染知道如何预防、测定各种焊接特性的工序能力 (CPK)值，以及与 原有的锡 /铅工艺进行比较。 通过这些研究，就可开发出焊接工艺的检查和测试程序，同时也可找出一些工艺失控的处理方法。 还需要对焊接样品进行可靠性试验，以鉴定产品的质量是否达到要求。 如果达不到要求，需找出原因并进行解决，直到达到要求为止。 一旦焊接产品的可靠性达到要求，无铅焊接工艺的开发就获得成功，这个工艺就为规模生产做好了准准备就绪后的操作一切准备就绪，现在就可以从样品生产转变到工业化生产。 在这时，仍需要对工艺进行处理以维持工艺处于受控状态。 控制和改进工艺 无铅焊接工艺是一个动态变化的舞台。 工厂必须警 惕可能出现的各种问题以避免出现工艺失控，同时也还需要不断地改进工艺，以使产品的质量和合格晶率不断得到提高。 对于任何无铅焊接工艺来说，改进焊接材料，以及更新设备都可改进产品的焊接性能。 北华航天工业学院毕业论文 16 第 4 章 无铅焊接工艺技术与设备 无铅焊接工艺技术的特点 电子产品制造业实施无铅化制程需面临以下问题 ： 1)焊料的无铅化。 2)元器件及 PCB 板的无铅化。