焊接工艺流程简介xiyixue

现行焊料锡(Sn)铅(37Pb)使用于全电子机器无铅(Pb)焊料锡(Sn)＋无害金属2002年度全世界、全商品不含铅焊料无铅焊料是什么?第1章

无铅焊料概要铅(Pb)的含量(质量%)如下的叫无铅焊料。1当前第1页\共有26页\编于星期三\5点为什么要用无铅焊料对人体的影响对生态系统的影响酸性雨废弃印刷基板被铅污染的地下水土壤废弃物

溶出铅粉碎,填拓含铅焊料的有害性焊料所含的铅虽为全使用量的1%弱(3万／5百万吨),而有广泛扩散的可能性,

难于完全回收。由于环境污染,忧虑铅中毒等对人体的影响。■向高循环化社会移行。通过废弃物处理法,水质污浊防止法强化规制■欧洲正在审议包括禁止使用电子机器中的铅的法案(提议提前到2006年)2当前第2页\共有26页\编于星期三\5点无铅焊料的选定■选定条件 MUST:电、机械特性,质量、可靠性,环境负荷 WANT:焊接性(熔点,濡湿),安装性,费用,专利及其他■选定经过 Sn-Pb→Sn-X 由于Sn单体为高熔点(232℃) 1.Sn２元系选定: Sn-Ag系 (221℃)基本组成

Sn-Cu (227℃)浸流用(低费用) 2.Sn-Ag系改良: Sn-Ag-Cu (218℃)浸流、软熔(共同使用、 高强度)

Sn-Ag-Bi-In (213℃)软熔用(高濡湿) 3.低熔点化改良: Sn-Ag-Bi-In改 (206℃)软熔用

Sn-Zn-Bi (197℃)软熔用3当前第3页\共有26页\编于星期三\5点无铅焊料的特性和注意点从无铅焊料材料特性面看的注意点向超过现行焊料的高质量、高可靠性无铅焊料技术挑战■高熔点(＋15～40℃)

■低润湿(流动)性，容易氧化

浸流工序软熔工序１８０２００２４０Sn-Zn-BiSn-PbSn-Cu２６０２２０零件耐热Sn-Ag-CuSn-Ag-Bi-In现行183℃←→00.20.40.6240250260℃Sn-Pb现行Sn-Ag-Cu熔点润湿劣零交叉时间润湿好软熔温度领域浸流温度领域对零件的热损害再加热剥离,强度劣化通孔上升,不润湿架桥焊料球,空白拉起,缩孔4当前第4页\共有26页\编于星期三\5点1. 耐热性因为焊接温度比过去高(要看焊料材料,浸流工作法高0~10℃,软熔工作法高10~20℃),耐热保证温度(化学的,电的,机械的)要高。2.端子涂层的焊接性良好1.要与无铅焊料的接合性(濡湿性,接合强度)良好。2.不要与无铅焊料反应而形成强度低的合金层。3. 不溶解有害杂质于浸流焊料浴溶出于浸流焊料浴中时,要不降低焊接质量。特别是,要绝对避免含铅的镀层。4.其本身无铅露出的端子(电极,引线)不用说,连内部连接也以不用含Pb焊料为佳。(虽然目前还不能充分实现)5. 不产生金属须不要由于无铅化,Sn成分提高的结果,长期高温高湿下产生金属须。适应无铅焊料零件的选定铅焊料无铅焊料无铅焊料涂层铅焊料涂层现状■ 电极镀层的无铅化■ 提高焊料耐热性■ 根据“接合质量评价方针”的评价,批准电子零件电极涂层焊料5当前第5页\共有26页\编于星期三\5点接合机械的接合焊接粘结接合钎焊压焊熔焊焊接硬钎焊母材不溶钎料的熔点450℃以下对接合材料(母材)的接合面间隙,浇注熔点比母材低的钎料(焊料),使机械地,电气地接合。焊接的机制(1)第2章

焊接的基础焊接工序③熔化焊料在接合面上濡湿开①对加热过的接合面供应焊料和焊剂②焊剂还原除去接合面的氧化膜④熔化焊料与基板铜箔及零件电极互相扩散,

在界面上形成Cu-Sn合金层⑤焊料冷却凝固,焊接完毕焊料被接合材B被接合材A接合金属表面氧化物(O)焊剂氢离子(H+)水蒸气(H2O)金属(Cu,焊料等)卤素盐,

金属皂有机酸离子卤素离子焊料焊接区(Cu)焊剂惠州东日电子有限公司无铅技术资料6当前第6页\共有26页\编于星期三\5点好的焊接是什么1.熔化焊料与母材融合得好。2.由于焊料的毛细管现象易于浸透。3.接合面机械地稳定。

濡湿性界面合金层焊接的机制(2)所谓濡湿是在接合界面形成合金层。

(1)母材,焊料各各的表面张力(2)母材与焊料之间的界面张力(3)焊料与母材的金属学的融合性(合金化倾向)(4)母材的表面状态(污垢,氧化膜等)(5)焊接作业条件影响濡湿性的因素接触角θ小接触角θ大a)濡湿性佳b)濡湿性不够所谓界面合金层是,熔化焊料与母材的Cu互相扩散,在接合界面形成Cu-Sn的合金层互相扩散的模型图合金层

约5μm焊料焊接区焊接区(Cu)焊料焊剂形成金属间化合物层是濡湿＝接合的必需条件,

不过因为化合物层一般硬而脆,以薄为佳。厚的原因是:

①焊接温度高,时间长。

②

使用产品时长时间放在高温下。CuSn惠州东日电子有限公司无铅技术资料7当前第7页\共有26页\编于星期三\5点焊接的机制(3)焊剂的作用1. 在焊接之前由金属表面除去氧化膜和油脂类减少表面张力。2. 在焊接时的作业温度之下防止再氧化。焊剂焊料丝状焊料时成分作用松脂激活剂触变剂溶剂焊剂橡胶松脂合成松脂卤素化合物蓖麻油除去氧化物粘合剂除去氧化物触变性调整乙二醇系乙醇系溶解固态分的基础有机酸把焊剂与金属粉混和成膏状焊料焊剂焊膏时焊剂的形态在中空的焊料内部包藏焊剂于前工序涂焊剂焊剂焊料棒状焊料时称

呼含氯量(wt%)特

征RA

(MIL)濡湿性佳,但如果不洗涤,后来有腐蚀的可能性B

(JIS)RMA(MIL)濡湿性稍差,但焊接后不用洗涤A(JIS)1X1010绝缘电阻(Ω)活性弱活性型0.5～10.1～0.5焊剂的分类1X1011惠州东日电子有限公司无铅技术资料8当前第8页\共有26页\编于星期三\5点工序钎焊烙铁(＋机械手)局部加热装置软熔炉

供应膏状焊料浸流装置

(溶化器和浸渍槽)供应棒状焊料软熔炉+浸流装置

供应膏状,

棒状焊料用途、安装形态焊料设备工序涂粘着剂SMD安装粘着剂硬化基板反转零件插入(C&C)浸流焊接焊料印刷SMD安装软熔焊接两面基板时,反转后,重复上述工序软熔工序浸流工序局部浸流焊接局部软熔焊接浸流/软熔混载浸流

(熔融焊料浸渍)软熔

(膏状焊料加热)局部加热少量生产,修理,单零件及其他弱耐热零件,后来安装对应及其他手提,移动商品器件等(数字控制高频等)产业用,系统商品等(大规模CPU复合控制等)固定式AV,电化商品等

(电力,电源操作电路等)

单面基板两面基板两面基板两面基板插入零件安装零件(SMD)插入零件SMDSMDSMD＋插入零件单面基板单面基板SMD钎焊烙铁惠州东日电子有限公司无铅技术资料9焊接的工艺流程当前第9页\共有26页\编于星期三\5点原因架桥焊料球不濡湿离开裂纹クラック芯片分离气泡腐蚀迁移设计不良,材料不良,作业条件设定不适,作业管理不足运输时的振动,冲击,设想外使用条件机械的应力(振动,冲击,弯曲,扭转,载荷),热应力(高温,温度急变)的持续,反复外部气氛(腐蚀性气体,

水分...)经时恶化不妥现象出货前发现的不妥市场初期不妥外观不良(架桥,焊料球,不濡湿,红眼,气泡,芯片分离,裂纹,离开...)裂纹,剥离腐蚀,迁移,金属须,裂纹,剥离焊接不良的代表事例第3章

焊接不良分析惠州东日电子有限公司无铅技术资料10当前第10页\共有26页\编于星期三\5点主要原因不濡湿濡湿不足红眼(浸流)(软熔)焊接面的氧化,污垢(浸流)喷流与基板的接触不适当(角度,速度,时间)

(所谓红眼指基板的焊接区上不附着焊料,看见红色铜板的状态)使用活性型的焊剂选择濡湿性好的焊料防止金属面的氧化架桥(浸流)(软熔)冰柱(浸流)・ 焊膏流出与旁边连接・ 由于软熔时的急速加热,焊膏被焊剂冲走。・ (浸流)二次喷流形状,基板速度不适当。 (所谓冰柱指焊料由引线的先端突出成冰柱状或角状的状态)基板焊接区,印刷掩膜尺寸软熔温度曲线设置虚设焊接区焊料成分管理

焊料球(软熔)・ 由于焊膏中的焊剂突然沸腾,焊膏的吸湿而水蒸气化使焊料飞散・ 露出保护膜上的焊料没有去处留下珠球。预热条件的适当化焊膏的吸湿防止印刷面积的适当化芯片分离(软熔)・ 由于左右的焊接区的圆角间表面张力不同(焊料量,濡湿性)或熔化时间差,拉向一方。焊接区尺寸的适当化(使焊料附着量少一点)充分的预热和防止急加热提高安装位置精度防止零件电极的氧化基板面的均一加热裂纹,剥离(浸流)(软熔)・ 由于焊料附着不足或高温状态的持续,对结晶粗大化或接合界面合金成长而变脆的地方,热应力或机械应力反复作用时,由于金属疲劳引起破裂或界面剥离。焊料材质的选择适量的焊接条件基板材质(热膨胀系数)不把焊接温度提得过高对策例不妥现象和有关工作法焊接不良原因和对策(1)惠州东日电子有限公司无铅技术资料11当前第11页\共有26页\编于星期三\5点离开(浸流)・ 零件引线镀层的无铅化・ 缩小基板焊接区径减小凝固收缩的影响。・ 浸流焊接后急冷以防低熔点金属的移动偏析· 选熔化温度幅度窄的焊料气泡(浸流)・ 缩小插入孔径・ 浸流的波形状・ 焊剂的预热・ 气体的泄气孔腐蚀(浸流)(软熔)・ 使用弱活性型的焊剂・ 焊接后的基板洗涤・ 选定强于腐蚀的焊料材质迁移(浸流)(软熔)・ 焊接后的基板洗涤焊料圆角凝固时,熔点低的Pb和Bi等,偏析于最后凝固的焊接区界面,由于凝固的收缩应力剥离・ 零件引线与插入孔的间隙太大夹着空气。・ 焊剂热分解时产生的气体脱不透。以下的物质经过长时间腐蚀铜箔和引线・ 吸了湿的活性焊剂的残渣・ 空气中的腐蚀性气体(氯气,亚硫酸气等)基板的电极间在湿的状态下长时间附加直流电压时,电极间的离子污染物质和水分结合为电解质,微电流流动,阳极的金属(Cu或Ag)溶出,到达阴极析出为金属。此金属成长为树枝状。焊接不妥原因和对策(2)主要原因对策例不妥现象和有关工作法惠州东日电子有限公司无铅技术资料12当前第12页\共有26页\编于星期三\5点让已经安装电子零件的印刷基板通过熔化状态的浸流焊料槽,使背面接触焊料的波浪(Wave)的顶部,附着焊料后,冷却凝固来粘连接合零件的工作法。波峰焊的构成单面基板的时候未加工基板插入零件(C&C)浸流焊接双面基板的时候涂粘接材料装载表面安装零件粘接材料硬化翻转插入零件(C&C)

浸流焊接为了除去焊接表面的金属氧化物,防止焊料不濡湿或架桥,在基板背面(焊接面)均匀而且照所定的厚度涂焊剂。有泡沫状喷出的发泡助熔剂和雾状喷雾的喷雾助熔剂。蒸发焊剂中的溶煤并且预热基板。波状喷上熔化焊料使附着于基板背面上。通常由二波构成。垂直地喷上的一次波濡湿焊接部并且赶走气体。

水平地流动的二次波整理附着焊料的波形，防止出角和架桥。冷却凝固焊料。有自然冷却方式和强制冷却方式。由钛合金等制成的钩爪夹着基板，连续输送机带动基板。通常以3~5℃的倾斜接触焊料波浪。波峰焊工序是什么

助熔剂部预热部冷却部焊料喷流部基板输送部第4章

波峰焊工序惠州东日电子有限公司无铅技术资料13当前第13页\共有26页\编于星期三\5点预热温度为确保良好润湿，将足够的预热温度保持在一定的范围内是特别重要的。焊料槽温度要求基板表面的零件温度保持在低于保证的

耐热温度，同时确保基板背面温度为250℃。缩短两个喷流部之间的距离，确保把第1波与

第2波之间的温度下降控制在55℃以内。使用Sn-Ag-Cu焊料时，也可以停止使用第1波。250195

100停止使用1次喷流时预热第2波喷流喷流之间第1波喷流332542512522249250248245212461244242焊料槽温度℃250252254Sn-Ag-CuSn-Pb共晶110±10℃100±10℃100±20℃Sn-Cu设定波峰焊工序条件(1)基板温度废品率14基板背面温度℃基板背面温度℃焊接废品率Sn-Ag-CuSn-Pb共晶254±2℃254±2℃240±5℃Sn-Cu惠州东日电子有限公司无铅技术资料当前第14页\共有26页\编于星期三\5点传送带倾斜角传送带速度速度太慢会造成QFP端子部短路，速度太快会造成焊接区露出铜板和连接部短路。应该全面平衡焊接质量和生产率，然后决定传送带速度。根据经验，跟原来的Sn-Pb共晶焊料速度相同就可以了。(1.2～1.8m/min)在3～5°范围内，边观察凸起形状和焊接质量，边发现最佳值。焊料浸渍深度无铅焊料清除浮渣的次数较多，液面容易下降。一旦液面下降后，露出铜板的缺陷会急骤增加，因此，液面管理特别重要。・液面高度管理范围标准高度±0.5mm 必须通过添加焊料来调整。0～0.180.2～0.380.4～0.580.6～0.78焊料液面降低(mm)焊料液面管理红眼睛ＱＦＰ短路调谐器短路１２３最优领域一次喷流一次波一次喷嘴二次喷嘴0.1～0.8mm二次喷流0.8～1.6mm印刷基板

t1.6mm二次波浸渍过浅会造成润湿不足，浸渍太深会造成溢出表面。调整方法 ・控制液面高度・喷流泵压力

・喷嘴单元的安装高度。15焊接废品率设定波峰焊工序条件(2)惠州东日电子有限公司无铅技术资料当前第15页\共有26页\编于星期三\5点· 提高预热温度。· 提高焊料温度。· 缩短１次喷嘴和２次喷嘴的间隔防止喷嘴间的基板冷却。· 在喷流部之上附加遮盖防止放热。

对应策濡湿性差· 表面安装零件的狭窄间隙等阴的部分难于附着焊料。· 液面水平降低时多发红眼。 太上升就在狭窄间隙部产生架桥· 把１次喷嘴部改良为独立多列孔· 把输送机速度和倾斜角最优化。· 正确地管理喷流高度

(基板泡浸深度)无铅焊料的特征容易引起的质量问题熔点高Sn-0.7Cu 227℃Sn-3.0Ag-0.5Cu 217℃(比较)Sn-37Pb 183℃· 与零件耐热温度(240~260℃)之间余裕少，需要严密的温度管理。· 焊料易于氧化。由于溶进杂质,脱离共晶点· 再凝固时低熔点金属(Pb,Bi等)偏析而产生离开或引起冲击强度低下。· 通过喷流部后，以冷却扇急冷· 进行杂质的浓度管理。波峰焊接的缺陷及处理方法由于Sn成分的比例高,产生焊料槽侵食由于焊料的流动性差，难于获得圆滑的喷流上面或稳定的波峰·由SUS304变更为SUS316。·旋转轴和泵用钛制· 喷嘴形状的研究· 也有用电磁感应方式等代替泵和螺旋桨16惠州东日电子有限公司无铅技术资料当前第16页\共有26页\编于星期三\5点管理极限熔入不纯物的原因成分检查方法不纯物造成的影响浸流焊料槽内熔入不纯物后，会造成质量下降出现废品，因此，在批量生产时必须注意管理。

以下为目标值，应该确认每个产品的质量后再作出决定。① 无铅焊料的熔体温度通常高于原来的Sn-Pb共晶焊料，因此，有较多的Cu从基板焊接区熔入。② 电子零件的引线镀层中含有的Pb和Bi等金属熔入。(当然，这里也预计到会混用Sn-Pb镀层零件)③ 焊料槽内误投入原来的含铅焊料。每周用不纯物简易检测器进行1次抽样检查，当Cu浓度超过

管理极限时，投入低Cu成分的焊料。Pb和Bi的成分超过时，部分或全部更换熔融焊料。

Pb、Bi、Cu基板浸流工序不纯物管理、检查17Pb,Bi使用Sn-Ag-Cu系焊料时使用Sn-Cu系焊料时惠州东日电子有限公司无铅技术资料当前第17页\共有26页\编于星期三\5点浸流工序批量生产管理要领18惠州东日电子有限公司无铅技术资料当前第18页\共有26页\编于星期三\5点第5章

回流焊工序回流焊工序的定义这是一种基板上印刷涂敷焊膏(焊锡膏)，在它的上面贴装表面安装零件，然后穿过软熔装置(炉)，进行熔融凝固处理的焊接方法。使用单面基板时焊膏印刷回流焊装置用糊状焊剂跟直径20～50μm的颗粒状焊料混合而成的一种浆料。这是一种基板上复盖一块在需要印刷焊膏的部位开设着窗口、厚0.1～0.2mm的金属模板(金属掩模)，用聚胺酯橡胶或金属刮刀(刮轮)推动焊膏进入模板窗口，转印到基板的工艺。这种装置是利用红外线或热风加热基板，使焊膏中的焊剂迅速活化，清除基板焊接区或零件电极金属表面的氧化膜，然后熔融焊料，在基板与零件电极之间形成凸起形状后进行冷却，凝固固定。焊料印刷工序刮刀焊膏金属掩模印制电路板被印刷的焊料刮刀移动方向印刷焊膏贴装表面安装零件软熔焊接印刷焊膏贴装表面安装零件软熔焊接印刷焊膏贴装表面安装零件软熔焊接基板翻转使用两面基板时19惠州东日电子有限公司无铅技术资料当前第19页\共有26页\编于星期三\5点①适应弱耐热零件的低熔点焊料工序

②均一加热、抑制氧化工序,软熔炉实用化

⊿T<10℃

软熔装置

工序条件

⊿Ｔ基板引线ｔ时间现行高峰温度固定回流焊工序质量课题Sn-Ag-Bi-In低熔点化(206℃)

213℃Sn-Zn-Bi197℃零件耐热临界温度领域240250200Sn-Ag-CuSn-Ag-Bi-In218℃弱耐热230220提高耐热温度Sn-Zn-Bi

大气软熔,无Au镀层20℃温度现行熔点183℃温度润湿性佳80％90％惠州东日电子有限公司无铅技术资料当前第20页\共有26页\编于星期三\5点④峰值温度

熔点⑥冷却速度②预热温度①升温速度③预热时间时间⑤加热时间零件耐热临界温度领域软熔温度分布条件设定21温度当前第21页\共有26页\编于星期三\5点固定方法温度测定部位热电偶跟原来焊料的区别是，无铅焊料熔融温度与零件耐热温度之间的差异不大，因此应该特别注意基板的热分布设计(零件布局设计)和焊接装置的温度控制。・ 用粘结剂(FA公司生产的MR811)或高温焊料将热电偶固定在测定点上。用耐热胶带粘压的方法容易使热电偶接点浮起，不太理想。按照下述的立场，选择3～6个部位。①不容易升温的部位 ・零件密集的部分 ・大型零件(QFP的封装部和引线部) ・BGA或CSP的背面(隐蔽面)②容易升温的部位 ・周围无部件的基板面③弱耐热零件 ・铝电解电容器顶部热容量小，电动势大，耐热性的元件。K种(CA线)φ0.1mm最合适。使用不同固定方法的测定值偏差(经验值)由于不能对QFP封装表面等进行焊接的原因，当然要使用粘结剂。・ 测量BGA或CSP背面的温度时，预先将热电偶安装在基板面上()，然后放上零件，进行安装。・ 热电偶的引线部也用粘结剂或耐热胶带固定在基板上，防止对测定点施加张力。

详细内容，请参照回路实装研究会编辑的「SMT手册作业篇(3-1)软熔装置」的「4.温度分布」项。软熔温度分布测定方法(1)22当前第22页\共有26页\编于星期三\5点使用热电偶尖端点焊K热电偶注意事项必须将尖端跟测定部位接合！ＯＫＮＧ全体尖端部①使用高温焊料时②使用粘结剂时(芯片粘贴用高温硬化型粘结剂)・

基板铜箔、软熔后的零件引线根部等能够焊接的部位・零件表面等不能够焊接时・带散热板零件引线等不容易焊接时全長=6m左右接合方法软熔温度分布测定方法(2)23当前第23页\共有26页\编于星期三\5点焊膏印刷混载工序的定义这是一种对两面分别装载插装零件和表面组装零件的基板(混载基板)进行焊接的工序。适用于高密度安装要求的基板。虽然每个工