回流焊无铅焊接的特点和对策

回流焊无铅焊接的特点和对策无铅焊接技术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〈0．1－0。2WＴ%（倾向＜0。１%,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。据统计全球范围内共研制出焊膏、焊丝、波峰焊棒材１00多种无铅焊料，但真正公认能用的只有几种.目前最有可能替代Ｓn／Pb焊料的合金材料最有可能替代Sn／Pｂ焊料的无毒合金是Sn基合金。以Sｎ为主,添加Aｇ、Ｃu、Zn、Bi、In、Ｓb等金属元素,构成二元、三元或多元合金,通过添加金属元素来改善合金性能，提高可焊性、可靠性。主要有：Ｓｎ-Bｉ系焊料合金,Ｓｎ-Ａｇ共晶合金,Ｓn—Ａｇ-Cu三元合金，Sn—Cu系焊料合金，Ｓn-Zn系焊料合金(仅日本开发应用）,Sn—Bi系焊料合金，Sn—Iｎ和Sn—Ｐb系合金.目前应用最多的无铅焊料合金三元共晶形式的Sｎ９5.8\Ag3.５\Ｃu0。７（美国)和三元近共晶形式的Sn９６．5\Ａg3。０＼Cu0。５(日本)是目前应用最多的用于再流焊的无铅焊料。其熔点为216－2２0℃左右。由于Sn９５．８\Ａｇ３．5＼Ｃu0。７无铅焊料美国已经有了专利权,另外由于Ag含量为3。0WＴ%的焊料没有专利权,价格较便宜,焊点质量较好，因此IＰC推荐采用Ag含量为3.0WT%(重量百分比）的Sn-Ag－Ｃｕ焊料。Ｓｎ－0．7Cｕ—Nｉ焊料合金用于波峰焊。其熔点为227℃。虽然Sn基无铅合金已经被较广泛应用，与Sｎ６3\Pb３７共晶焊料相比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2、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。目前主要有用非铅金属或无铅焊料合金取代Pb－Sn热风整平(ＨAＳＬ)、化学镀Ni和浸镀金（ＥNＩC)、Ｃu表面涂覆ＯSP、浸银（Ｉ-Ag）和浸锡（Ｉ—Sｎ）。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.美国和台湾省镀纯Sn和Sｎ/Ag/Cｕ的比较多，而日本的元件焊端镀层种类比较多,各家公司有所不同，除了镀纯Sn和/Sｎ/Ag／Cu外,还有镀Sｎ/Cu、Sn/Bi等合金层的。由于镀Sn的成本比较低，因此采用镀Ｓn工艺比较多，但由于Ｓn表面容易氧化形成很薄的氧化层、加电后产生压力、有不均匀处会把Sn推出来,形成Sn须。Sｎ须在窄间距的ＱＦP等元件处容易造成短路,影响可靠性。对于低端产品以及寿命要求小于5年的元器件可以镀纯Ｓｎ，对于高可靠产品以及寿命要求大于５年的元器件采用先镀一层厚度约为１µｍ以上的Nｉ，然后再镀2－３µm厚的Sn。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,大多企业虽然焊接材料无铅化了,但元器件焊端仍然有铅。究竟哪一种无铅焊料更好?哪一种ＰCＢ焊盘镀层对无铅焊更有利？哪一种元器件焊端材料对无铅焊接焊点可靠性更有利？什么样的温度曲线最合理？无铅焊对印刷、焊接、检测等设备究竟有什么要求。。。。都没有明确的说法.总之，对无铅焊接技术众说纷纭，各有一套说法、各有一套做法。这种状态对无铅焊接产品的可靠性非常不利。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。无铅焊接的特点和对策无铅焊接和焊点的主要特点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。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,但对于一般要求的民用电子产品这些不影响使用质量。因此要说服客户理解，这是因为无铅焊接润湿性差造成的。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，相信以后会有更好的进步。从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点与对策，通过对有铅和无铅温度曲线的比较分析无铅焊接的特点及对策：在升温区，有铅焊接从２5℃升到100℃sec只需要6０－90ｓec；而无铅焊接从25℃升到1１０℃需要１0０-200sｅc，其升温时间比有铅要延长一倍，当多层板、大板以及有大热容量元器件的复杂印制电路板时，为了使整个PＣＢ温度均匀,减小PＣB及大小元器件的温差Δｔ，无铅焊接需要缓慢升温。由此可以看出无铅焊接要求焊接设备升温、预热区长度要加长。在快速升温区,（助焊剂浸润区），有铅焊接从１50℃升到183℃，升温33℃，可允许在3０－６０sｅc之间完成，其升温速率为0。５５－1℃／sec;而无铅焊接从150℃升到217℃,升温67℃，只允许在５０－７0sｅc之间完成，其升温速率为０．96－１.3４℃／sec,要求升温速率比有铅高30％左右，温度越高升温越困难，如果升温速率提不上去，长时间处在高温下会使焊膏中助焊剂提前结束活化反应，严重时会ＰCＢ焊盘，元件引脚和焊膏中的焊料合金在高温下重新氧化而造成焊接不良。为了提高助焊剂浸润区的升温斜率，应增加回流区的数目或提高加热功率。由于高温和浸润性差,要求提高焊膏中助焊剂的活动化温度和活性。再看回流区,有铅的峰值温度为21０-2３０℃，无铅的峰值温度为23５—24５℃，由于FR－４基材PCB的极限温度为２４0℃,由此可以看出有铅焊接时，允许有30℃的波动范围，工艺窗口比较宽松；而无铅焊接时,只允许有5℃的波动范围，工艺窗口非常窄。如果PＣB表面温度是均匀的,那么实际工艺允许有5℃的误差.假若ＰCＢ表面有温度误差Δt＞5℃,那么PＣＢ某处已超过FＲ－4基材ＰＣB的极限温度2４０℃,会损坏ＰCB。这个例孖仅仅适合简单产品,对于有大热容量的复杂产品。可能需要26０℃才能焊好。因此FR-4基材PCB就不能满足要求了。在实际回流焊中,在同一块PＣB上,由于不同位置铜的分布面积不同,不同位置上元器件的大小、元器件密集程度不同，因此PCB表面的温度是不均匀的.回流焊时如果最小峰值温度为23５℃，最大峰值温度取决于板面的温差Δt，它取决于板的尺寸、厚度、层数、元件布局、Ｃu的分布以及元件尺寸和热容量.拥有大而复杂元件(如CＢGA、CCGA等）的大、厚印制板，典型Δt高达20-２５℃。为了减小ＰＣＢ表面的Δt，满足微小的无铅工艺窗口。再流焊炉的热容量和横向温差也是保证无铅焊接质量很重要的因素.一般要求再流焊炉横向温差〈２℃，为了减小炉子横向温差Δt，除了采取更好的炉体保温措施，还可采用对导轨加热的方法。因为导轨容易散热，一般在靠近导轨处的温度箭微低一些。由于无铅比有铅的熔点高３4℃,因此要求无铅焊接设备耐高温,抗腐蚀。对于大尺寸的ＰＣB要求设备的导轨增加中间支撑。在冷却区,由于回流区的峰值温度高,为了防止由于焊点冷却凝固时间长,造成焊点结晶颗粒长大；另外,加速冷却可以防止产生偏析,避免枝状结晶的形成，因此要求焊接设备增加冷却装置，使焊点快速降温。无铅焊膏印刷和贴装工艺对策无铅焊膏和有铅焊膏在物理特性上的区别铅焊膏的浸润性和铺展性远远低于有铅焊膏，在焊盘上没有印刷焊膏的地方，熔融的焊料是铺展不到那些地方的,那么,焊后就会使没有被焊料覆盖的裸铜焊盘长期暴露在空气中,在潮气、高温、腐蚀气体等恶劣环境下，造成焊点被腐蚀而失效。影响产品的寿命和可靠性。为了改善浸润性，无铅焊膏的助焊剂含量通常要高于有铅焊膏；由于缺少铅的润滑作用，焊膏印刷时填充性和脱膜性较差。无铅模板开口设计针对无铅焊膏的浸润性和铺展性差等特点，无铅模板开口设计应比有铅大一些，使焊膏尽可以完全覆盖焊盘。具体可以采取以下措施.对于Pitch〉0.5ｍm的器件，一般采取1：1．０２—１:１。１的开口.对于Pｉｔｃh≤０。5ｍm的器件,通常采用1：1开口,原则上至少不用缩小。对于040２的Chｉｐ元件,通常采用1:１开口,为防止竖碑、回流时元件移位等现象,可将焊盘开口内侧修改成尖角形或弓形。原则上模板厚度与有铅模板相同,由于无铅焊膏中的助焊剂含量高一些,也就是说合金含量少一些，因此也可以适当增加模板厚度。无铅模板宽厚比和面积比。为了正确控制焊膏的印刷量和焊膏图形的质量，必须保证模板上最小的开口宽度与模板厚度的比率大于1.5，模板开口面积与开口四周内壁面积的比率大于0。6６，，这是IPC7５25标准，也是有铅模板开口设计最基本的要求.由于无铅焊膏填充和脱膜能力较差，对模板开口宽厚比，面积比的要求更高一些：无铅宽厚比:开口宽度(W）／模板厚度（T）＞１。６无铅面积比:开口面积(Ｗ×L)/孔壁面积［2×(L+Ｗ)×Ｔ]〉0.71（F)无铅模板制造方法的选择对于一般密度的产品采用传统的激光、腐蚀等方法均可以。对于０20１等高密度的元器件应采用激光+电抛光、或电铸,更有利于提高无铅焊膏填充和脱膜能力。无铅对印刷精度和贴装精度的要求因为无铅浸润力小。回流时自校正(Ｓelfaｌｉgn）作用比较小,因此,印刷精度和贴片精度比有铅时要求更高。三、从有铅向无铅焊接过渡的特殊阶段存在的问题无铅工艺对元器件的挑战耐高温要考虑高温对元器件封装的影响。由于传统表面贴装元器件的封装材料只要能够耐24０℃高温就能满足有铅焊料的焊接温度了,而无铅焊接时对于复杂的产品焊接温度高达260℃，因此元器件封装能否耐高温是必须考虑的问题了.另外还要考虑高温对器件内部连接的影响。IC的内部连接方法有金丝球焊、超声压焊，还有倒装焊等方法,特别是ＢGＡ、ＣSP和组合式复合元器件、模块等新型的元器件，它们的内部连接用的材料也是与表面组装用的相同的焊料，也是用的再流焊工艺。因此无铅元器件的内连接材料也要符合无铅焊接的要求。焊端无铅化有铅元器件的焊端绝大多数是Ｓn/Pb镀层，而无铅元器件焊端表面镀层的种类很多。究竟哪一种镀层最好,目前还没有结论，因此还有待无铅元器件标准的完善。无铅工艺对ＰCB的挑战无铅工艺要求PＣB耐热性好,较高的玻璃化转变温度Tg，低热膨胀系数,低成本。无铅工艺要求较高的玻璃化转变温度TgTg是聚合物特有的性能,是决定材料性能的临界温度。在ＳMT焊接过程中，焊接温度远远高于PＣB基板的Ｔg,无铅焊接温度比有铅高３４℃，更容易PＣB的热变形，冷却时损坏元器件.应适当选择Ｔg较高的基PCB材料.要求低热膨胀系数（CTＥ)当焊接温度增加时,多层结构ＰＣＢ的Ｚ轴与XY方向的层压材料、玻璃纤维、以及Cu之间的CTＥ不匹配,将在Ｃu上产生很大的应力，严重时会造成金属化孔镀层断裂而失效。这是一个相当复杂的问题,因为它取决于很多变量，如ＰＣB层数、厚度、层压材料、焊接曲线、以及Ｃｕ的分布、过孔的几何形状(如纵横比）等。克服多层板金属化孔断裂的措施：凹蚀工艺一-电镀前在孔内侧除掉树脂／玻璃纤维。以强金属化孔壁与多层板的结合力.凹蚀深度为１3-20µm.高耐热性FＲ－４基材ＰCＢ的极限温度为２４０℃,对于简单产品，峰值温度２３５－240℃可以满足要求，但是对于复杂产品，可能需要２6０℃才能焊好.因此厚板和复杂产品需要采用耐高温的FR－5。低成本由于ＦR-５的成本比较高,对于一般消费类产品可以采用复合基ＣEＭn来替代FR-４基材,CEＭn是表面和芯部由不同材料构成的刚性复合基覆铜箔层压板，简称ＣＥMn代表不同型号。（２)锡须问题SＮ在压缩状态会生长晶须(ＷHISKER),严重时会造成短路,要特别关注窄间距QFP封装元件。晶须是直径为1-1０µｍ，长度为数µm－数+µm的针状形单晶体，易发生在Sn、Zn、Cd、Qg等低熔点金属表面。Sn须增长的根本原因是在Sn镀层上产生应力,室温下１。5个月晶须长度达1.5µm。在Sn中加一些杂质可避免生长Sｎ须.(3）分层LIＦＴ－OFF(剥离、裂纹）现象无铅和有铅混用时,如果焊接中混入的铅超过标准＞5％时，焊接后在焊占与焊端交界处会加剧公层LＩFT-ＯＦＦ（剥离、裂纹)现象。LＩＦT－OFF现象在有铅元件采用无铅波峰焊的工艺中比较多，严重时甚至会把PCＢ焊盘一起剥离开.因此过渡阶段波峰焊的焊盘设计可采用SMＤ（阻焊定义焊盘）方式，用阻焊膜压住焊盘四周，这样可以减轻或避免ＰCＢ焊盘剥离现象。关于分层LIFT—OFF（剥离、裂纹）现象的机理还要继续研究。当焊料、元件、ＰCB全部无铅化后是否不会产生ＬIFＴ－OFＦ会现象了，也要继续研究。元件的Ｓｎ—Pｂ镀层发生的LIFＴ-OＦF铅和有铅混用时可靠性讨论无铅焊料中的铅对长期可靠性的影响是一个课题,需要更进一步研究.初步的研究显示;焊点中铅含量的不同对可靠性的影响是不同的，当含量在某一个中间范围时，影响最大,这是因为在最后凝固形成结晶时，在Ｓｎ权界面处，有偏析金相形成，这些偏析金相在循环负载下开始形成裂纹并不断扩大.例如：２%-5%的铅可以决定无铅焊料的疲劳寿命，但与Ｓn－Pb焊料相比，可靠性相差不大。无铅焊料与有铅焊端混有时要控制焊点中铅含量＜0。0５％。目前正处在无铅和有铅焊接的过度转变时期，大部分无铅工艺是无铅焊料与有铅引脚的元件混用。在“无铅”焊点中，铅的含量可能来源于元件的焊端、引脚或BGA的焊球。无铅焊料与有铅焊端混用时气孔多，这是因为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，当无铅焊料合金熔化时，焊膏中的助焊剂排不出去造成气孔。对于波峰焊,由于元件引脚脖子Ｓn-Pb电镀层不断融解,焊点中铅的含量需要进行监测。有铅焊接与无铅焊端混用的质量最差有铅焊料与无铅焊端混用时如果采用有铅焊料的温度曲线，有铅焊料先熔,而无铅焊端（球）不能完全熔化，使元件一侧的界面不能生成金属间合金层，BGA、CＳP-侧原来的结构被破坏而造成失效，因此有铅焊料与无铅焊端混用时质量最差。BGA、CＳP无铅焊球是不能用到有铅工艺中的。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PCB的热膨胀系数ＣＴE相差大(陶瓷：3—５,ＰCB：17左右），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。０２01、040２、０６０３小元件一般很少开裂,而以上的大元件发生开裂失效的机会较多。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(如ＱFP、PBGＡ)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。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FR－４基材,厚板和复杂产品需要采用耐高温的ＦR—5或ＣEMn来替代FR－4基材。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(SＩR）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.关于无铅返修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。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。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。四有铅、无铅混用应注意的问题问题举例有铅工艺也遇到了无铅元器件有的ＳＭT加工厂,虽然还没有启动无铅工艺，但是也遇到了无铅元器件,特别是ＢＧA/ＣSＰ和LLＰ。有的元件厂已经不生产有铅的器件了，因