有鉛焊接到無鉛焊接需注意事項(xiàng)
有鉛焊接到無鉛焊接需注意：
傳統(tǒng)的錫鉛焊料在電子裝聯(lián)中已經(jīng)應(yīng)用了近一個世紀(jì).Sn63/Pb37共晶焊料的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性、抗蝕性、抗拉和抗疲勞、機(jī)械強(qiáng)度、工藝性都是非常優(yōu)良的,而且資源豐富,價格便宜.是一種極為理想的電子焊接材料.
但由于鉛污染人類的生活環(huán)境.據(jù)統(tǒng)計(jì),某些地區(qū)地下水的含鉛量已超標(biāo)30倍(允許標(biāo)準(zhǔn)一、無鉛焊接技術(shù)的現(xiàn)狀
無鉛焊料合金成分的標(biāo)準(zhǔn)化目前還沒有明確的規(guī)定.IPC等大多數(shù)商業(yè)協(xié)會的意見:鉛含量<0.1-0.2WT%(傾向5%時,焊接后在焊占與焊端交界處會加劇公層LIFT-OFF(剝離、裂紋)現(xiàn)象.LIFT-OFF現(xiàn)象在有鉛元件采用無鉛波峰焊的工藝中比較多,嚴(yán)重時甚至?xí)?/span>PCB焊盤一起剝離開.因此過渡階段波峰焊的焊盤設(shè)計(jì)可采用SMD(阻焊定義焊盤)方式,用阻焊膜壓住焊盤四周,這樣可以減輕或避免PCB焊盤剝離現(xiàn)象.
關(guān)于分層LIFT-OFF(剝離、裂紋)現(xiàn)象的機(jī)理還要繼續(xù)研究.當(dāng)焊料、元件、PCB全部無鉛化后是否不會產(chǎn)生LIFT-OFF會現(xiàn)象了,也要繼續(xù)研究.
元件的Sn-Pb鍍層發(fā)生的LIFT-OFF
(4) 鉛和有鉛混用時可靠性討論
①無鉛焊料中的鉛對長期可靠性的影響是一個課題,需要更進(jìn)一步研究.初步的研究顯示;焊點(diǎn)中鉛含量的不同對可靠性的影響是不同的,當(dāng)含量在某一個中間范圍時,影響*大,這是因?yàn)樵?后凝固形成結(jié)晶時,在Sn權(quán)界面處,有偏析金相形成,這些偏析金相在循環(huán)負(fù)載下開始形成裂紋并不斷擴(kuò)大.例如:2%-5%的鉛可以決定無鉛焊料的疲勞壽命,但與Sn-Pb焊料相比,可靠性相差不大.無鉛焊料與有鉛焊端混有時要控制焊點(diǎn)中鉛含量<0.05%.
目前正處在無鉛和有鉛焊接的過度轉(zhuǎn)變時期,大部分無鉛工藝是無鉛焊料與有鉛引腳的元件混用.在“無鉛”焊點(diǎn)中,鉛的含量可能來源于元件的焊端、引腳或BGA的焊球.
無鉛焊料與有鉛焊端混用時氣孔多,這是因?yàn)橛秀U焊端與無鉛焊料混用時,焊端(球)上的有鉛焊料先熔,覆蓋焊盤,當(dāng)無鉛焊料合金熔化時,焊膏中的助焊劑排不出去造成氣孔.對于波峰焊,由于元件引腳脖子Sn-Pb電鍍層不斷融解,焊點(diǎn)中鉛的含量需要進(jìn)行監(jiān)測.
②有鉛焊接與無鉛焊端混用的質(zhì)量*差
有鉛焊料與無鉛焊端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(cè)的界面不能生成金屬間合金層,BGA、CSP-側(cè)原來的結(jié)構(gòu)被破壞而造成失效,因此有鉛焊料與無鉛焊端混用時質(zhì)量*差.BGA、CSP無鉛焊球是不能用到有鉛工藝中的.
(5) 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,由于陶瓷體與PCB的熱膨脹系數(shù)CTE相差大(陶瓷:3-5,PCB:17左右),在焊點(diǎn)冷卻時容易造成元件體和焊點(diǎn)裂紋,元件開裂現(xiàn)象與CTE的差異、溫度、元件的尺寸大小成正比.0201、0402、0603小元件一般很少開裂,而以上的大元件發(fā)生開裂失效的機(jī)會較多.
鋁電解電容對清晰度極其敏感.
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.主要是分層、爆米花、變形等、粗略統(tǒng)計(jì),溫度每提高10℃,潮濕敏感元件(MSL)的可靠性降1級.解決措施是盡量降低峰值溫度;對潮濕敏感元件進(jìn)行去潮烘烤處理.
(6) 高溫對PCB的不利影響
高溫對PCB的不利影響在第三節(jié)中已經(jīng)做了分析,高溫容易PCB的熱變形、因樹脂老化變質(zhì)而降低強(qiáng)度和絕緣電阻值,由于PCB的Z軸與XY方向的CTE不匹配造成金屬化孔鍍層斷裂而失效等可靠性問題.
解決措施是盡量降低峰值溫度,一般簡單的消費(fèi)類產(chǎn)品可以采用FR-4基材,厚板和復(fù)雜產(chǎn)品需要采用耐高溫的FR-5或CEMn來替代FR-4基材.
(7) 電氣可靠性
回流焊、波峰焊、返修形成的助焊劑殘留物,在潮濕環(huán)境和一定電壓下,導(dǎo)電體之間可能會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致表面絕緣電阻(SIR)的下降.如果有電遷移和枝狀結(jié)晶(錫須)生長的出現(xiàn),將發(fā)生導(dǎo)線間的短路,造成電遷移(俗稱“漏電”)的風(fēng)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(jìn)行評估.
(8) 關(guān)于無鉛返修
①無鉛焊料的返修相當(dāng)困難,主要原因:
(A)無鉛焊料合金潤濕性差.
(B)溫度高(簡單PCB235℃,復(fù)雜PCB260℃).
(C)工藝窗口小.
②無鉛返修注意事項(xiàng):
(A)選擇適當(dāng)?shù)姆敌拊O(shè)備和工具.
(B)正確作用返修設(shè)備和工具.
(C)正確選擇焊膏、焊劑、焊錫絲等材料.
(D)正確設(shè)置焊接參數(shù).
除了要適應(yīng)無鉛焊料的高熔點(diǎn)和低潤濕性.同時返修過程中一定要小心,將任何潛在的對元件和PCB的可靠性產(chǎn)生不利影響的因素降至*低.
(9) 關(guān)于過度時期無鉛和有鉛混用情況總結(jié).
(A)無鉛焊料和無鉛焊端――效果*好.
(B)無鉛焊料和有鉛焊端――目前普通使用,可以應(yīng)用,但必須控制Pb,Cu等的含量,要配制相應(yīng)的助焊劑,還要嚴(yán)格控制溫度曲線等工藝參數(shù),否則會造成可靠性問題.
(C)有鉛焊料和無鉛焊端――效果*差,BGA、CSP無鉛焊球是不能用到有鉛工藝中的,不建議采用.
五、過渡階段有鉛、無鉛混用應(yīng)注意的問題
1、問題舉例
(1) 有鉛工藝也遇到了無鉛元器件有的SMT加工廠,雖然還沒有啟動無鉛工藝,但是也遇到了無鉛元器件,特別是BGA/CSP和LLP.有的元件廠已經(jīng)不生產(chǎn)有鉛的器件了,因此采購不到有鉛器件了,這種知道采購的器件是無鉛的情況還不可怕,因?yàn)榭梢酝ㄟ^提高焊接溫度,一般提高到230-235℃就可以.還有一種措施可以采用無鉛焊料和無鉛工藝,因?yàn)槟壳斑^度階段普遍情況是無鉛焊料和有鉛焊端混用,其可靠性還是可以被接受的.但是*糟糕的是無意中遇到了無鉛元器件,生產(chǎn)前沒有發(fā)現(xiàn),生產(chǎn)中還是采用有鉛焊料和有鉛工藝,結(jié)果非常糟糕,因?yàn)橛秀U焊料和無鉛焊端混用效果*差.
(2) 有鉛工藝也遇到純Sn熱風(fēng)整平的PCB.
這種情況也是在無意中發(fā)生過,結(jié)果由于焊接溫度不夠造成質(zhì)量問題.
(3) 波峰焊問題
波峰焊問題比較多,例如目前有鉛工藝遇到無鉛元器件;無鉛工藝的插裝孔,導(dǎo)通孔不上錫;分層LIFT-OFF現(xiàn)象較嚴(yán)重;橋接、漏焊等缺陷多;錫鍋表面氧化物多.....
2、解決措施
(1) 備料
備料要注意元器件的焊端材料是否無鉛,如果是無鉛元器件,一定要弄清楚是什么鍍層材料,特別是BGA/CSP和新型封裝的器件,例如LLP等(有鉛工藝也要注意).
目前無鉛標(biāo)準(zhǔn)還沒有完善,因此無鉛無器件焊端表面鍍層的種類很多,例如日本的元件焊端鍍Sn/Bi層,如果焊料中含有鉛,當(dāng)鉛含量0.71
(4) 提高貼片精度
(5) 嚴(yán)格控制溫度曲線,盡量降低峰值溫度;
對潮濕敏感元件進(jìn)行去潮烘烤.
(6) 復(fù)雜和高可靠產(chǎn)品采用耐高溫的PCB材料(FR5或其它)
(7) 在N2中焊接比在空氣中焊接的質(zhì)量好,尤其波峰焊采用N2可以減少高溫焊料氧化,減少殘?jiān)?/span>,節(jié)省焊料.或者加入無鉛錫渣還原粉,將產(chǎn)生大量的殘?jiān)€原后重復(fù)利用,但一定要比有鉛焊接更注意每天的清理和日常維護(hù).
六、有鉛向無鉛制程轉(zhuǎn)換過程中成本控制
在有鉛向無制程轉(zhuǎn)換過程中成本控制主要從機(jī)器成本和制程材料消耗成本兩方面考慮.
目前相當(dāng)多的企業(yè)已購置有鉛焊接工藝所使用的機(jī)器(波峰焊)在各種性能及操作性方面已經(jīng)接近無鉛焊接的工藝要求,將現(xiàn)在所使用的機(jī)器關(guān)鍵部分的部件材質(zhì)及尺寸作出對應(yīng)的改造即可繼續(xù)使用在要求不是十分高的電子產(chǎn)品加工工藝當(dāng)中.
普通波峰焊機(jī)改無鉛波峰焊機(jī)可行性分析
普通錫和無鉛錫的焊接溫度區(qū)別:
a普通錫的焊接溫度245℃
b無鉛錫的焊接溫度270℃
普通錫和無鉛錫的焊接用助焊劑預(yù)熱溫度區(qū)別
a普通錫的焊接用助焊劑預(yù)熱溫度90℃
b無鉛錫的焊接用助焊劑預(yù)熱溫度110℃
普通錫和無鉛錫的金屬成分區(qū)別
a普通錫的金屬成分Sn/Pb
b無鉛錫的金屬成分主要是Sn/Ag/Cu或者Sn/Cu
普通錫和無鉛錫的焊接設(shè)備要求區(qū)別
:
普通錫的焊接設(shè)備要求
無特別要求:
無鉛錫的焊接設(shè)備要求
a要求機(jī)器當(dāng)中與錫接觸部分本身不能含有鉛的成分.
b要求無鉛錫的熔爐能夠耐腐蝕的性能較好.
c要求機(jī)器的冷卻速度較快
綜合以上要求其對應(yīng)措施如下
1.機(jī)器的材料采用鈦合金材料
2.機(jī)器的預(yù)熱區(qū)長度和機(jī)器使用的速度成一定比例
3.和無鉛助焊劑有接觸的部分采用不含鉛成分材料制成
4.將機(jī)器的冷卻部分改為冷氣機(jī)或?qū)⒗鋮s風(fēng)扇的數(shù)量加多
錫爐改造后效果
a完全滿足無鉛工藝制程各方面的要求
b生產(chǎn)速度和改造之前基本相同
結(jié)論
將原來的普通波峰焊機(jī)改造成無鉛波峰焊機(jī)是完全可行而且是節(jié)約成本的兩全之策
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材料消耗方面
目前無鉛工藝當(dāng)中采用的釬焊料相對比原來的焊料成分方面錫的含量增大很多,其合金成分相對有很大的提升.在生產(chǎn)加工過程中,其錫渣的產(chǎn)生量比原來普通焊料的產(chǎn)生量也有很大幅度的提高.如果能將錫渣的產(chǎn)生量降低則對于材料消耗方面的成本控制是有益的.
錫渣主要是錫在高溫環(huán)境下和氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的氧化物,通過物理高溫攪拌可以將大部分的錫氧分離(即錫渣還原),將分離的錫重新使用,也可利用化學(xué)置換還原反應(yīng)將錫渣中的氧分子置換后還原成純錫而重復(fù)使用.
每個工廠可根據(jù)自身的機(jī)器及工藝安排等方面綜合考慮得到較好的無鉛化的道路.
有鉛焊接到無鉛焊接需注意：
