无铅装配对PCB表面处理工艺、使用材料的影响.ppt

无铅装配对PCB表面处理工艺、使用材料的影响,第2页,目录,无铅装配的背景 无铅装配与含铅装配的差异 PCB的无铅控制 无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 无铅装配对PCB使用材料的挑战和影响 无铅装配PCB产品的加工意见,第3页,无铅装配的背景铅的危害,铅会损害生物体的血液、神经系统和生殖系统 铅在生物体内具有缓慢代谢特征 铅对儿童的危害更大 铅废弃物将污染周围水源，很难消除 铅是生物有毒物质，必须限制使用！,第4页,无铅装配的背景铅的管制,1883年英国制定铅中毒的预防法规 1960年代饮用水管道的焊接中禁止使用含铅焊料 1970年代颜料、涂料中禁止使用含铅物质 1980年代全球推广使用无铅汽油 2003年欧盟发布RoHS/WEEE指令 2003年中国拟定电子信息产品生产污染防治管理办法 。 全球范围内的禁铅法令逐渐形成！,第5页,无铅装配的背景铅的替代产品,焊料：多种无铅焊料已经开发(Sn,Ag,Cu,In,Bi,Zn) 镀层：多种无铅镀层已经开发(Sn,Ag,Ni,Au,Pd,OSP) 元件：多种无铅元件已经开发(DIP,PLCC,QFP,BGA,CSP) 工艺：多种应用工艺已经试验 (Reflow,Wave,Iron Soldering) 可靠性：无铅产品可靠性已经初步验证(strength,fatigue,tin whisker) 成本：无铅产品成本增加已经被认可接受(total10%) 电子工业界无铅化的条件已经具备一定的应用基础，可以在一定的前提下逐步实行！,第6页,无铅装配的背景RoHS的要求,Pb1000ppm Cd100ppm Hg100ppm Cr6 100ppm PBB100ppm PBDE100ppm RoHS限制使用以上6种物质；实际上，各国限制使用的物质多达20种以上，但对电子制造业界影响最大的是铅的使用。,第7页,无铅装配与含铅装配的差异铅的作用,降低焊料熔点，价格便宜，便于工业应用 降低表面张力，增强润湿能力 提高流动性，形成良好焊点外观 提高焊料电位，增强抗氧化能力,第8页,无铅装配与含铅装配的差异装配曲线,无铅焊接PCB回流焊接参考温度时间曲线,第9页,无铅装配与含铅装配的差异装配参数,第10页,无铅装配与含铅装配的差异装配参数,无铅焊料的熔点与焊温平均比Sn/Pb 上升30以上，预热的时间与焊接的时间也相应延长,第11页,无铅装配与含铅装配的差异,第12页,10.数控车床 数控机床是一种通过数字信息，控制机床按给定的运动轨迹，进行自动加工的机电一体化的加工装备，经过半个世纪的发展，数控机床已是现代 制造业的重要标志之一，在中国制造业中，数控机床的应用也越来越广泛，是一个企业综合实力的体现。数控车床是数字程序控制车床的简称，它集 通用性好的万能型车床、加工精度高的精密型车床和加工效率高的专用型车床的特点于一身，是国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床。 11.马鞍车床 马鞍车床在车头箱处的左端床身为下沉状，能够容纳直径大的零件。车床的外形为两头高，中间低，形似马鞍，所以称为马鞍车床。马鞍车床适 合加工径向尺寸大，轴向尺寸小的零件，适于车削工件外圆、内孔、端面、切槽和公制、英制、模数、经节螺纹，还可进行钻孔、镗孔、铰孔等工艺 ，特别适于单件、成批生产企业使用。马鞍车床在马鞍槽内可加工较大直径工件。机床导轨经淬硬并精磨，操作方便可靠。车床具有功率大、转速高 ，刚性强、精度高、噪音低等特点。 12.仪表车床 仪表车床属于简单的卧式车床，一般来说最大工件加工直径在250mm以下的机床，多属于 仪表车床。仪表车床分为普通型、六角型和精整型。这种车床主要由工人手工操作，适用于单件、简单零部件的大批生产。 编辑本段车刀 车刀是车床加工必不可少的部分。车刀是由刀头和刀杆两部门组成。刀杆一般是碳素结构钢制成。刀头是担任切削工作的，所使用的材料必需具 备下列三种基本机能： 车刀 1.冷硬性在常温时的硬度，又名耐磨性。 2.红硬性在高温下还能保持切削所需的硬度。 3.韧性能 承受振动和冲击负荷的机能。 高速钢(又名风钢、锋钢或白钢) 高速钢是一种含钨和铬较多的合金钢。近年来我国试制成功了B202无铬高速 钢、B201无钴特种高速钢，B212、B214无钴超硬高速钢及B211、B213低钴高机能高速钢。节约了价值昂贵的稀有金属。高速钢的机能：硬度较高， HRC62-65。约为45号钢硬度的2.7倍。具有一定的红热硬度，耐温程度可达560600摄氏度。韧性和加工机能较好。高速钢刀具制造简朴，刃磨利便， 为精车刀之用，但因红硬性不如硬质合金，故不易用于高速切削。高速钢材料有带黑皮的和表面磨光的两种；前者是未经热处理的高速钢，后者是经 热处理的高速钢，又叫作白钢。 硬质合金 硬质合金由难熔材料的碳化钨、碳化钛和钴的粉末，在高压下成形，经13501560摄氏度高温烧 结而成的。具有极高的硬度，常温下可达HRA92，仅次于金刚石；红硬性很好，在1000摄氏度左右仍能保持良好的切削机能；具有较高使用强度，抗弯 强度高达100-170公斤每立方毫米；但性脆、韧性差、怕振；这些缺点，可通过刃磨公道的角度予以克服。因此，硬质合金被广泛应用 车刀 常用车刀种类 1、 尖形车刀 2、圆弧形车刀 3、成形车刀 4、机夹可转位不重磨车刀 5、切槽刀（切断刀） 常用车刀用途 可转位刀片代码。从刀具的材料应用方面，数控机床用刀具材料主要是各类硬质合金。从刀具的结构方面，数控机床主要采用镶嵌式机夹可转 位刀片的刀具。因此，对硬质合金可转位刀片的运用是数控机床操纵者必需了解的内容之一。 选用机夹式可转位刀片，首先要了解可转位刀片型 号表示规则。按国际尺度ISO 18321985，可转位刀片的代码表示方法是由10位字符串组成的，其排列如下在一般情况下，第8和9位的代码在有要求 时才填写。此外，各公司可以另外掭加一些符号，用连接号将其与ISO代码相连接(如一PF代表断屑槽型)。可转位刀片用于车、铣、钻、镗等不同的加 工方式，其代码的详细内容也略有不同。 可转位刀片的断屑槽槽形。为满足切削能断屑、排屑流畅、加工表面质量好、切削刃耐磨等综合性要 求，可转位刀片制成各种断屑槽槽形。 编辑本段车床保养 装夹校正工件时的注意事项 在装夹工件前，必须先把碳在工件中的砂泥等杂质清除掉免杂质嵌进拖板滑动面，加剧导软磨损或“咬坏”导轨。 在装夹及校正一些尺寸校大、形状复杂而装夹而积又较小的工件时，应预先在工件下面的车床床面上安放一块木制的床盖板，同时用压板或活络顶针 顶住工件，防止它掉下来砸坏车床，如发现工件的位置不正确或歪斜，切忌用力敲击，以免影响车床主轴的精度，必须先将夹爪、压板或顶针略微松 开，再进行有步骤的校正。 工具和车刀的安放,精品课件文档，欢迎下载，下载后可以复制、编辑。,第13页,无铅装配与含铅装配的差异质量隐患,无铅装配对比含铅装配，肯定的是带来相应的成本增加，至少5-15%。减少PCB的利润空间。 对比含铅装配，无铅装配其量产稳定性、装配产品品质、以及长时间使用老化后品质可靠性等尚有待时间考验，目前还是未知数。 而在短短几年，无铅装配就已经发现有焊点孔洞、焊盘起翘浮离、锡须等品质缺陷。,第14页,无铅装配与含铅装配的差异质量隐患,所有这些品质缺陷都与无铅装配所使用的焊料、高温、装配形成的IMC层有关，都是无铅装配惹的祸。 要命的是这些缺陷都是无法在短时间或者用一些比较好的方法进行检查。尤其是锡须和焊点空洞，锡须的增长危害电子元器件的最小电气间距，严重的引起短路，影响设备的可靠性增加表面积，容易吸附潮气、灰尘等污染物，加快焊点的腐蚀，影响焊点的长期可靠性。而对BGA，本来就比较容易出现焊接强度不足，采用无铅后，容易出现焊点空洞和可焊性不良，究竟是PCB还是PCBA不良，很容易责任纠缠不清。 一旦出现品质问题，由于PCB厂家处于供应链中间的劣势地位，吃亏的大部分是PCB厂家。,第15页,无铅装配与含铅装配的差异关于无铅豁免,有鉴于此，为避免对重要领域使用产品的可靠性影响，部分产品都进行申请无铅豁免。目前军工、航天、汽车以及重要的大型机组经过审核确认后可以获得无铅豁免。,第16页,无铅装配与含铅装配的差异关于无铅豁免,第17页,无铅装配与含铅装配的差异意见和结论,无铅，不仅仅是一个概念，对PCB厂家来讲，从产品的材料选用，物性的满足，后续焊接的焊点质量保证等，需用满足整体产品质量的系统的观点来考虑，从而尽量保证无铅化产品的整机质量 。,第18页,PCB的无铅控制-无铅产品的主要要求,PCB板主要检测项目： PCB基材 阻焊涂料 字符涂料 铜箔 外层金属镀层 表面处理工艺等,第19页,PCB的无铅控制-无铅产品的主要要求,PCB板主要检测项目： PCB基材：主要是环氧树脂板料，不存在铅影响。 阻焊涂料/字符涂料：主要是环氧树脂体系，不存在铅影响。 铜箔/金属镀层：主要采用电镀加工工艺，不存在铅影响。但图形电镀过程中部分产品使用镀Pb/Sn进行抗蚀，虽然其不残留在最终产品上，严格来说，不符合无铅产品的要求。 表面处理工艺等：除了传统HASL外，OSP、无铅喷锡、全板镀金、ISn、IAg、ENIG等工艺都基本能够满足该要求。目前ENIG的稳定剂中含有Pb，严格来说，是不符合无铅产品的要求，但由于药水控制需要，目前暂时没有禁止。,第20页,无铅装配对PCB加工的挑战和影响,下面将参考无铅装配的特点，结合PCB实际加工流程，对PCB产品在表面处理工艺和材料上可能存在的挑战和影响，以及需要相应进行调整的地方，根据行业有关资料、实际生产情况、有关试验、客户信息等进行整理归纳，提供给有关部门参考。,第21页,无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 传统含铅喷锡,焊料配比为Sn/Pb为63：37，含有比较高的Pb，不能满足无铅的要求。 表面处理成本比较低，约为20元/平方米。 操作温度为235-245 蚀铜量比较低，一般为1-2um。,第22页,无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 无铅喷锡,第23页,无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 Pattern Gold Plating全板镀金,全板镀金体系药水不同焊接方式的比较表,对于全板镀金工艺，由于不是主流工艺，应用厂家不多，是否能够满足无铅焊接的要求，目前业界包括药水厂家仍然缺少充足研究和有关数据。目前我们是从Adtran、LCD、Schneider等厂家的装配实践进行分析判断，全板镀金如果采用镀厚金（Au厚 1.0uinch），是完全可以满足大部分无铅焊接（2次回流焊+1次波峰焊）的装配的需要，但对于同时存在多次回流焊和波峰焊的装配方式，就可能会出现孔内上锡性能下降的风险。 而对于常规抗蚀厚度要求的全板镀金板件，由于Au太薄，在没有充足氮气保护下，容易在高温下，导致镍层氧化，无法满足无铅焊接的要求。,第24页,无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 OSP,OSP F2体系药水不同焊接方式的比较表,无铅装配，对于OSP，需要采用活性更强的助焊剂，以减少焊点空洞缺陷。,第25页,无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 ENIG,ENIG ATO CNN体系药水不同焊接方式的比较表,对于ENIG是否能够满足无铅焊接的要求，目前业界仍然存在一定争论，但从大部分EMS厂家的装配实践来看，ENIG完全可以满足大部分无铅焊接（2次回流焊+1次波峰焊）的装配的需要，但对于同时存在多次回流焊和波峰焊的装配方式，就可能会出现孔内上锡性能下降的风险。 对于ENIG，为满足无铅焊接的要求，只要稍微提高Nie层厚度，并同时确保Au不要太下限，基本上还是可以的。,第26页,无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 ISn,ATO ISn体系药水不同焊接方式的比较表,第27页,无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 ISn,根据资料，只要完成ISn后到装配之间的存放在半年内，0.8um的锡厚足够满足无铅装配的需要，存放时间越短，厚度可以控制越薄，只要 0.6um就可以。,第28页,无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 总结,从前面的分析来看，除了HASL外，对于其他所有的PCB表面处理工艺，为了满足无铅焊接的要求，不一而足的都是提高表面处理工艺表面涂层的厚度。 对于PCB表面处理工艺，提高表面处理工艺表面涂层的厚度，目的都是提高其耐热性，减少长时间高温对可焊层的氧化，保证其可焊性，来满足无铅焊接的需要。 这些改变，都会对成品率有一定的影响，厚度的增加又无疑都带来了成本的增加，而更高温的无铅装配更容易诱发品质缺陷，这也是无铅焊接需要付出的代价和成本。,第29页,无铅装配对PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响问题点,无铅焊接工艺温度高，CCL产品应有更小的热膨胀系数（CTE）：无铅制程中，板材受热温度升高和受热时间延长，为保证孔连接的安全性，此类产品必须降低Z-axis CTE 常见封装耐热能力为240, FR4级别的PCB玻璃化温度约140。 易发生Blistering和Popocorning。,第30页,无铅装配对PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响CCL板料的改变,对于CCL材料，改善CTE和耐热性的主要措施： 1、改变主体树脂，提高耐热性：将环氧固化物中影响热性能的苯环或其他杂环结构进行增加和改变。例如高Tg材料。 2、改变固化剂体系：目前多用胺类和酚类固化剂，据行业经验，目前重点主要在Dicy（双氰胺）和phenol novolac （苯酚）之间进行选择。因dicy极性强，为脂肪链状结构，耐热性相对要差；PN极性小，为芳香族苯环结构，耐热性极好，对改善耐CAF作用大，因此目前大部分是采用非DICY体系。 3、增加填料：增加或者改变填料的颗粒大小，因为CCL中填料增韧机理，可降低Z-CTE，这也是为什么脱卤材料大部分能够比普通的材料更耐无铅，就是因为其在填料方面做了大量的改变。而S1000、S1440就因为里面通过增加和改变填料的颗粒大小，来获得较低的Z-CTE。 来自CCL行业的资料表明：在无铅装配的过程中，高温熔焊时间延长，板材受热冲击时间延长，为保证孔连接的安全性，要求覆铜板产品应有更小的热膨胀系数（CTE），而基板Tg和基材耐热性无直接关系，关键在于提高耐热性，Tg不是主要因素。 后附部分材料的性能一览表供对比参考,第31页,无铅装配对PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响-采用材料的性能一览表,第32页,无铅装配对PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响争议和讨论,从目前的使用情况来看，对于无铅焊的工艺，根据客户使用信息的反馈以及有关研究资料（Dr.Martin等)表明：对于无铅焊接，虽然要求覆铜箔基板耐热性要满足新的要求，但值得庆幸的是，除了CEM-3料外，普通FR-4板材基本可以满足常规无铅喷锡、波峰焊及回流焊的耐热性要求。 为了减少目前这种迷惑状态，目前在制订IPC4101中专门针对这个问题进行探讨。从其制定的标准来看，其论点与上述的观点有点冲突。标准认为满足无铅焊接基材的关键是：Z-CTE、Td（热裂解温度，失重5%）、T260（260热分层时间）、T288 （288热分层时间），其中Td、T260、T288属于新增加的指标。 如果IPC4101标准一旦开始实施，普通的FR-4材料无法满足新增加的指标要求。而PCB用户不清楚的话，要求PCB生产厂家严格按照IPC4101选择板材的话，那么势必将增加至少15-20%的板料成本,第33页,无铅装配对PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响,对于无铅装配，需要结合产品的应用范围、可靠性要求、产品使用寿命、图形设计、层数、AR值、无铅装配次数、焊接温度曲线等因素来选择合适的基材和PCB加工工艺，没有一种是十全十美的。 对常规的无铅焊接要求，那么除了CEM-3料外，对于14层，厚度4.0mm可以采用普通FR-4板材。对于14层，厚度4.0mm可以采用特殊FR-4板材，不一定采用Tg170，可以采用Dicy-free的板材就可以了。例如S1141KF、S1440、S1000等等。 对于有特别要求的无铅装配，如BOSCH、SONY等，可以根据其要求量体裁衣选择合适的板材，如S1000、S1165、R1566W等 建议对于客户宣传有关知识，避免其被引导入IPC4101的材料使用误区，增加产品的成本。,第34页,无铅装配PCB产品的接单意见,接单：MKT向客户了解该产品是否应用在无铅装配，以及装配要求，PCB加工后到装配的储存时间。同时对于无铅装配可能存在的品质风险心理应该有所准备，对于焊接质量投诉会可能有所增加。 客户资料处理：MKT根据客户信息、板件结构以及前面所提及的表面处理工艺、材料使用等资料，与技术部门确定PCB加工技术要求，同时注意进行相应的加工成本评估。 生产资料制作：对于客户的要求，参考内部有关无铅装配产品技术资料等信息，将有关要求和信息在生产资料有关流程上进行传递。 产品加工：根据生产资料信息以及工作指示有关加工要求进行加工。 产品质量控制：生产资料审核时确保客户要求有关信息的完整有效的传递，过程控制中按照客户要求进行控制以及物理性能检测，确保产品质量，满足客户要求。 客户服务：经常拜访并及时与客户沟通，了解无铅装配中存在的缺陷并应对，及时处理，并作好准备，避免状态扩大。,第35页,(1)立式数控车床 立式数控车床简称为数控立车，其车床主轴垂直于水平面，一个直径很大的圆形工作台，用来装夹工件。这类机床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。 (2)卧式数控车床 卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床。其倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排除切屑。 按加工零件的基本类型分类 (1)卡盘式数控车床 这类车床没有尾座，适合车削盘类(含短轴类)零件。夹紧方式多为电动或液动控制，卡盘结构多具有可调卡爪或不淬火卡爪(即软卡爪)。 (2)顶尖式数控车床 这类车床配有普通尾座或数控尾座，适合车削较长的零件及直径不太大的盘类零件。 按刀架数量分类 (1)单刀架数控车床 数控车床一般都配置有各种形式的单刀架，如四工位卧动转位刀架或多工位转塔式自动转位刀架。 (2)双刀架数控车床 这类车床的双刀架配置平行分布，也可以是相互垂直分布。 按功能分类 （1）经济型数控车床 采用步进电动机和单片机对普通车床的进给系统进行改造后形成的简易型数控车床，成本较低，但自动化程度和功能都比较差，车削加工精度也不高，适用于要求不高的回转类零件的车削加工。 （2）普通数控车床 根据车削加工要求在结构上进行专门设计并配备通用数控系统而形成的数控车床，数控系统功能强，自动化程度和加工精度也比较高，适用于一般回转类零件的车削加工。这种数控车床可同时控制两个坐标轴，即X轴和Z轴。 （3）车削加工中心在普通数控车床的基础上，增加了C轴和动力头，更高级的数控车床带有刀库，可控制X、Z和C三个坐标轴，联动控制轴可以是(X、Z)、(X、C)或(Z、C)。由于增加了C轴和铣削动力头，这种数控车床的加工功能大大增强，除可以进行一般车削外可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工， 其它分类方法 按数控系统的不同控制方式等指标，数控车床可以分很多种类，如直线控制数控车床，两主轴控制数控车床等;按特殊或专门工艺性能可分为螺纹数控车床、活塞数控车床、曲轴数控车床等多种。 编辑本段车床类型 按用途和结构的不同，车床主要分为卧式车床和落地车床、立式车床、 转塔车床、单轴自动车床、多轴自动和半自动车床、仿形车床及多刀车床和各种专门化车床，如凸轮轴车床、曲轴车床、车轮车床、铲齿车床。在所有车床中，以卧式车床应用最为广泛。卧式车床加工尺寸公差等级可达IT8IT7，表面粗糙度Ra值可达1.6m。近年来，计算机技术被广泛运用到机床制造业，随之出现了数控车床、车削加工中心等机电一体化的产品。 1.普通车床 加工对象广，主轴转速和进给量的调整范围大，能加工工件的内外表面、端面和内外螺纹。这种车床主要由工人手工操作，生产效率低，适用于单件、小批生产和修配车间。 2.转塔车床和回转车床 具有能装多把刀具的转塔刀架或回轮刀架，能在工件的一次装夹中由工人依次使用不同刀具完成多种工序，适用于成批生产。 3.自动车床 按一定程序自动完成中小型工件的多工序加工，能自动上下料，重复加工一批同样的工件，适用于大批、大量生产。 4.多刀半自动车床 有单轴、多轴、卧式和立式之分。单轴卧式的布局形式与普通车床相似，但两组刀架分别装在主轴的前后或上下，用于加工盘、环和轴类工件，其生产率比普通车床提高35倍。 5.仿形车床 能仿照样板或样件的形状尺寸，自动完成工件的加工循环(见仿形机床)，适用于形状较复杂的工件的小批和成批生产，生产率比普通车床高1015倍。有多刀架、多轴、卡盘式、立式等类型。 6.立式车床 主轴垂直于水平面，工件装夹在水平的回转工作台上，刀架在横梁或立柱上移动。适用于加工较大、较重、难于在普通车床上安装的工件，分单柱和双柱两大类。 7.铲齿车床 在车削的同时，刀架周期地作径向往复运动，用于铲车铣刀、滚刀等的成形齿面。通常带有铲磨附件，由单独电动机驱动的小砂轮铲磨齿面。 8.专门化车床 加工某类工件的特定表面的车床，如曲轴车床、凸轮轴车床、车轮车床、车轴车床、轧辊车床和钢锭车床等。 9.联合车床 主要用于车削加工,但附加一些