无铅产品工艺控制.ppt

5-无铅产品工艺控制,顾霭云,内容,一无铅工艺与有铅工艺比较二无铅焊接的特点（1）从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点（2）无铅焊点的特点三无铅焊接对焊接设备的要求四无铅产品工艺控制印刷、贴装、再流焊、检测、无铅返修、清洗,一无铅工艺与有铅工艺比较,通过无铅、有铅比较，正确认识无铅技术,（a）无铅工艺技术并不是高不可攀的技术因为基本原理、工艺方法与有铅技术是相同的。（b）但由于无铅的焊接材料、元器件、PCB都发生了变化，因此工艺参数必须随之改变。主要变化是温度高、工艺窗口小、润湿性差、工艺难度大，容易产生可靠性问题，因此要求比有铅时更加重视理论学习、工艺技术研究、工艺实践，尤其要掌握关键技术：印、焊。（c）进行设备改造或添置必要的焊接设备（d）提高管理水平。,二无铅焊接的特点,高温工艺窗口小润湿性差,峰值温度液相时间IMC厚度无铅：SAC3052352455060s不容易控制有铅：Sn-37Pb2102306090s容易控制,从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点及对策,从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点及对策,熔点高，要求无铅焊接设备耐高温，抗腐蚀。要求助焊剂耐高温。从温度曲线可以看出：无铅工艺窗口小。无铅焊接的工艺窗口比铅锡焊膏小，要求PCB表面温度更均匀。要求焊接设备横向温度均匀。a25110/100200sec，110150/4070sec，要求缓慢升温，使整个PCB温度均匀，减小PCB及大小元器件t，因此要求焊接设备升温、预热区长度要加长。,b150217/5070sec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3060sec之间完成，其升温速率为0.551/sec；而无铅焊接从150升到217，升温67，只允许在5070sec之间完成，其升温速率为0.961.34/sec，要求升温速率比有铅高30%左右，另外由于无铅比有铅的熔点高34，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，严重时会使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，因此要求助焊剂浸润区有更高的升温斜率。,c回流区峰值温度235与FR-4基材PCB的极限温度（2400C）差（工艺窗口）仅为5。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t5，那么PCB某处已超过FR-4基材PCB的极限温度240，会损坏PCB。对于简单的产品，峰值温度235240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FR-4基材PCB就不能满足要求了。,在实际回流焊中，如果最小峰值温度为235，最大峰值温度取决于板面的温差t，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t高达2025。为了减小t，满足小的无铅工艺窗口。炉子的热容量也是很重要的因素。要求再流焊炉横向温差2，同时要求有两个回流加热区。,d由于焊接温度高，为了防止由于焊点冷却凝固时间过长，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。e由于高温，PCB容易变形，特别是拼板，因此对于大尺寸的PCB需要增加中间支撑。fN2保护能够改善润湿性，提高焊点质量g为了减小炉子横向温差t，采取措施：带加热器的导轨、选用散热性小的材料、定轨向炉内缩进等技术。,浸润性差,应对措施：改良助焊剂活性修改模板开口设计提高印刷、贴装精度N2保护,焊盘暴露铜,无铅焊点的特点,浸润性差，扩展性差。无铅焊点外观粗糙。传统的检验标准与AOI需要升级。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。缺陷多由于浸润性差，使自定位效应减弱。浸润性差，要求助焊剂活性高。,无铅再流焊焊点,无铅焊接常见缺陷,无铅焊点润湿性差要说服客户理解。气孔多外观粗糙润湿角大没有半月形,无铅焊点评判标准,IPC-A-610D,LeadFreeInspection,LeadFreeSolderPasteGrainySurface表面粗糙,LeadedSolderPasteSmooth&ShinySurface表面光滑、光亮,WettingisReducedwithLeadFree,StandardEutecticSolderJoint,LeadFreeSolderJoint,TypicalGoodWettingVisibleFillet润湿好,ReducedWettingNoVisibleFillet润湿减少,三无铅焊接对焊接设备的要求,（1）无铅焊接对再流焊设备的要求（2）无铅焊接对波峰焊设备的要求（3）无铅焊接对返修设备的要求,（1）无铅焊接对再流焊设备的要求,耐350以上高温，抗腐蚀。设备横向温度均匀，横向温差2，必要时对导轨加热或采用特殊材料的导轨。升温、预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。要求有两个回流加热区或提高加热效率。增加冷却装置，使焊点快速降温。对于大尺寸的PCB需要增加中间支撑。增加助焊剂回收装置，减少对设备和环境的污染。,无铅再流焊设备是否一定要求8温区、10温区？,要对现有设备进行分析，做工艺试验、可靠性分析或认证，只要温度曲线和可靠性满足无铅要求、就可以使用。,对无铅再流焊设备的主要要求：缓慢升温助焊剂活化区快速升温，要求回流区热效率高，能够快速升到回流温度。快速冷却,（2）无铅焊接对波峰焊设备的要求,耐高温，抗腐蚀，采用钛合金钢Sn锅、或在锅内壁镀防护层。并要求Sn锅温度均匀，2。预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。预热区采用热风加热器或通风，有利于水汽挥发。增加中间支撑，预防高温引起PCB变形。增加冷却装置，使焊点快速降温。充N2可以减少焊渣的形成。增加助焊剂回收装置，减少对设备和环境的污染。,（3）无铅焊接对返修设备的要求,耐高温，抗腐蚀。提高加热效率。增加底部预热面积和预热温度，尽量使PCB温度均匀。增加中间支撑，预防高温引起PCB变形。,四无铅产品工艺控制,1、无铅印刷工艺2、无铅贴装工艺3、无铅回流焊接技术无铅再流焊的特点及对策正确设置和优化无铅回流焊温度曲线三种无铅再流焊温度曲线无铅回流焊工艺控制4、无铅波峰焊特点及对策5、检测6、无铅返修,1.印刷工艺,无铅焊膏的选择、评估、与管理模板设计印刷工艺参数,无铅焊膏的选择、评估、与管理,（a）无铅焊膏与有铅焊膏一样，生产厂家、规格很多。即便是同一厂家，也有合金成分、颗粒度、黏度、免清洗、溶剂清洗、水清洗等方面的差别。主要根据电子产品来选择。例如尽量选择与元件焊端一致的合金成分。（b）应多选择几家公司的焊膏做工艺试验，对印刷性、脱膜性、触变性、粘结性、润湿性以及焊点缺陷、残留物等做比较和评估，有条件的企业可对焊膏进行认证和测试。有高品质要求的产品必须对焊点做可靠性认证。（c）由于润湿性差，因此无铅焊膏的管理比有铅更加严格。,模板设计,模板设计属于SMT可制造性设计的重要内容之一1998年IPC为模板设计制订了IPC7525（模板设计指南），2004年修订为A版。IPC7525A标准主要包含名词与定义、参考资料、模板设计、模板制造、模板安装、文件处理/编辑和模板订购、模板检查/确认、模板清洗、和模板寿命等内容。,印刷工艺参数,（a）一般情况下，印刷工艺不会受到太大的影响。（b）因为无铅的低浸润力问题。回流时自校正（Self-align）作用非常小，因此印刷精度比有铅时要求更高。（c）无铅焊膏的助焊剂含量高于有铅焊膏，合金的比重较低，印刷后焊膏图形容易坍塌；另外由于无铅焊剂配方的改变，焊膏的粘性和流变性、化学稳定性、挥发性等也会改变。因此有时需要调整印刷工艺参数。特别对于大尺寸PCB、开口尺寸大小悬殊大、以及高密度的产品，有可能需要重新设置印刷参数。（d）由于粘性和流变性变化，每次印刷后会有些无铅焊膏粘附在刮刀上，因此印刷周期可能需要放慢。,2.贴装工艺,（a）一般情况下，贴装工艺也不会受到太大的影响。（b）因为无铅的低浸润力问题。回流时自校正（Self-align）作用非常小，因此，贴片精度比有铅时要求更高。精确编程、控制Z轴高度、采用无接触拾取可减小震动等措施。（c）由于无铅焊膏粘性和流变性的变化，贴装过程中要注意焊膏能否保持粘着性，从贴装、直到进炉前能否保持元件位置不发生改变。,3.无铅回流焊接技术,无铅焊料高熔点、润湿性差给回流焊带来了焊接温度高、工艺窗口小的工艺难题，使回流焊容易产生虚焊、气孔、立碑等缺陷，还容易引起损坏元器件、PCB等可靠性问题。,如何设置最佳的温度曲线，既保证焊点质量，又保证不损坏元器件和PCB，就是无铅回流焊接技术要解决的根本的问题,无铅再流焊的特点及对策,设置再流焊温度曲线的依据：（与有铅工艺相同）,(a)不同金属含量的焊膏有不同的温度曲线，应按照焊膏加工厂提供的温度曲线进行设置（主要控制各温区的升温速率、峰值温度和回流时间）。(b)根据PCB板的材料、厚度、是否多层板、尺寸大小。(c)根据表面组装板搭载元器件的密度、元器件的大小以及有无BGA、CSP等特殊元器件进行设置。,正确设置和优化无铅回流焊温度曲线,(d)还要根据设备的具体情况，例如加热区长度、加热源材料、再流焊炉构造和热传导方式等因素进行设置。热风炉和红外炉有很大区别，红外炉主要是辐射传导，其优点是热效率高，温度陡度大，易控制温度曲线，双面焊时PCB上、下温度易控制。其缺点是温度不均匀。在同一块PCB上由于器件的颜色和大小不同、其温度就不同。为了使深颜色器件周围的焊点和大体积元器件达到焊接温度，必须提高焊接温度。热风炉主要是对流传导。其优点是温度均匀、焊接质量好。缺点是PCB上、下温差以及沿焊接炉长度方向温度梯度不易控制。,(e)还要根据温度传感器的实际位置来确定各温区的设置温度。(f)还要根据排风量的大小进行设置。(g)环境温度对炉温也有影响，特别是加热温区短、炉体宽度窄的再流焊炉，在炉子进出口处要避免对流风。,三种无铅再流焊温度曲线,三角形温度曲线升温-保温-峰值温度曲低峰值温度曲线,三角形回流焊温度曲线,对于PCB相对容易加热、元件与板材料有彼此接近温度、PCB表面温差t较小的产品可以使用三角形温度曲线。,当锡膏有适当配方，三角形温度曲线将得到更光亮的焊点。但助焊剂活化时间和温度必须符合无铅温度曲线的较高温度。三角形曲线的升温速度是整体控制的，与传统的升温-保温-峰值曲线比较，能量成本较低。,（a）简单的产品的无铅回流焊温度曲线,（b）推荐的升温-保温-峰值温度曲线,通过缓慢升温，充分预热PCB，降低PCB表面温差t，使PCB表面温度均匀，从而实现较低的峰值温度（2352450C），避免损坏元器件和FR-4基材PCB。,峰值温度235245可以满足要求,升温-保温-峰值温度曲线,升温-保温-峰值温度曲线的要求,升温速度应限制到0.510C/秒或40C/秒以下，取决于锡膏锡膏中助焊剂成分配方应该符合曲线，保温温度过高会损坏锡膏的性能；在氧化特别严重的峰值区助焊剂必须保持足够的活性。第二个温度上升斜率在峰值区入口，典型的斜率为30C/秒液相线以上时间的要求5060秒,峰值温度2352450C。冷却区，为了防止焊点结晶颗粒长大，防止产生偏析，要求焊点快速降温，但还应特别注意减小应力。例如，陶瓷片状电容的最大冷却速度为-2-40C/秒。因此，要求有一个受控的冷却过程。,如果温度曲线控制不当，可能造成材料中的应力过大,（c）低峰值温度曲线,由于小元件比大元件、散热片的升温速度快，为了满足所有元件液相线以上时间的要求，采用升温-保温-峰值温度曲线。保温的目的是要减小T。大元件等大热容量位置一般都滞后小元件到达峰值温度，可采取保持低峰值温度，较宽峰值时间，让小元件等一等大元件，然后再降温的措施。以防损坏元器件。,低峰值温度(230240)曲线（接近Sn63/Pb37）,230240,小元件大元件*低峰值温度损坏器件风险小，能耗少；*但对PCB的布局、热设计、回流焊接工艺曲线的调整、工艺控制、以及对设备横向温度均匀性等要求比较高；*对于复杂产品，可能需要260。,t,（d）对于复杂产品，可能需要260才能焊好。因此FR-4基材PCB就不能满足要求了。,无铅回流焊工艺控制,设备控制不等于过程控制再流焊炉中装有温度（PT）传感器来控制炉温。例如将加热器的温度设置为230，当PT传感器探测出温度高于或低于设置温度时，就会通过炉温控制器（可控硅继电器）停止或继续加热（新的技术是控制加热速度和时间）。然而，这并不是实际的工艺控制信息。由于PCB的质量、层数、组装密度、进入炉内的PCB数量、传送速度、气流等的不同，进入炉子的PCB的温度曲线也是不同的，因此，再流焊工序的过程控制不只是监控机器的控制数据，而是对制造的每块PCB的温度曲线进行监控。否则它就只是机器控制，算不上真正的工艺过程控制。,必须监控实时温度曲线,由于工艺窗口变小了，因此更要严格控制温度曲线,必须对工艺进行优化设置最佳温度曲线,再流焊温度曲线优化依据：(a)焊膏供应商提供的温度曲线(b)元件能承受的最高温度及其它要求。例如钽电容、BGA、变压器等器件对最高温度和耐受时间的要求。(c)PCB材料能承受的最高温度，PCB的质量、层数、组装密度以及铜的分布等情况。在实施过程控制之前，必须了解再流焊的焊接机理，具有明确的技术规范。,再流焊技术规范一般包括：最高的升温速率、预热温度和时间、焊剂活化温度和时间、熔点以上的时间及峰值温度和时间、冷却速率。,IPCJDEC-STD-020推荐的潮湿敏感元件无铅再流焊温度曲线,升温速率：0.51.5/s，一般不超过2/s；峰值温度：235245，范围230260，目标240245；液相温度以上时间：45s75s，允许30s90s，目标45s60s；到达比峰值温度小5以上的回流时间：2040s曲线总长度：从室温（25）升至峰值温度的时间34min，最大不超过8min；降温斜率：最大不超过6/s。,各温区的参数设置范围：,Sn-Ag3.0-Cu0.5焊料再流焊技术规范,再流焊炉的参数设置必须以工艺控制为中心,根据再流焊技术规范对再流焊炉进行参数设置（包括各温区的温度设置、传送速度、风量等），但这些一般的参数设置对于许多产品的焊接要求是远远不够的。例如较复杂的印制板要使最大和最小元件都能达到0.54m界面合金层厚度，当PCB进炉的数量发生变化时、当环境温度或排风量发生变化时、当电源电压和风机转速发生波动时，都可能不同程度的影响每个焊点的实际温度。因此如果产生的实时温度曲线接接近于上限值或下限值，这种工艺过程就不稳定。由于工艺过程是动态的，即使出现很小的工艺偏移，也可能会发生不符合技术规范的现象。由此可见，再流焊炉的参数设置必须以工艺控制为中心，避开技术规范极限值。这种经过优化的设备设置可容纳更多的变量，同时不会产生不符合技术规范的问题。,必须正确测试再流焊实时温度曲线确保测试数据的精确性,需要考虑以下因素：热电偶本身必须是有效的：定期检查和校验必须正确选择测试点：能如实反映PCB高、中、低温度热电偶接点正确的固定方法并必须牢固还要考虑热电偶的精度、测温的延迟现象等因素,最简单的验证方法：1、将多条热电偶用不同方法固定在同一个焊盘上进行比较2、将热电偶交换并重新测试,通过监控工艺变量，预防缺陷的产生,当工艺开始偏移失控时，工程技术人员可以根据实时数据、进行分析、判断（是热电偶本身的问题、接点固定的问题、还是炉子温度失控、传送速度、风量发生变化），然后根据判断结果进行处理。通过快速调整工艺的最佳过程控制，预防缺陷的产生。目前能够连续监控再流焊炉温度曲线的软件和设备也越来越流行。（例如KIC公司推出的温度监控系统包括硬件和软件）,KICVision自动测量炉温曲线的系统,KIC24/7还配有一个光纤感应器对进入炉内的每一快组装板进行跟踪并记录,现代检测设备软件技术的先进性例如AOI设备,(a)AOI设备产生两种类型的过程控制信息定量的信息，如元件偏移的测量等定性信息，可通过直接报告缺陷信息来决定全部装配过程的品质。该信息可用于决定制造过程的系统缺陷。(b)AOI具有强大的统计功能能够直接统计出ppm数据(c)AOI能够直接生成控制图,AOI能够直接生成控制图当绘出的点超出预设的极限，操作员可以纠正缺陷,选择一个控制图作为主监视图这个图经常在检查设备或返工站显示,操作员可以选择一个点来作进一步的调查，并且可产生一个更详细的缺陷分类图,左图是一个总结Pareto图分类的缺陷的报告。该图告诉过程工程师什么类型的缺陷正在出现。在本例中，最重要的缺陷是桥接，它占了缺陷的42%。线性图显示与Pareto条形图有联系的缺陷的累积百分率。它表明最多的三种缺陷占产品上发生的错误的75%。如果这些缺陷被消除，那么可得到重大的过程改进。,再进一步深究这数据，可以确定焊锡短路的位置。,左图显示焊锡短路缺陷发生在哪里。通过逐个位置的检查特殊缺陷的发生，工程师可更好地分析缺陷的根源。在本例中，最多缺陷的位置造成锡桥总数量的15%。由于这个至关重要，缺陷的根源将要求进一步的调查。,AOI的放置位置,主要有三个放置位置：（a）锡膏印刷之后（b）回流焊前（3）回流焊后多品种、小批量生产时可以不连线。,（a）AOI置于锡膏印刷之后,可检查：焊膏量不足。焊膏量过多。焊膏图形对焊盘的重合不良。焊膏图形之间的粘连。PCB焊盘以外处的焊膏污染,（b）AOI置于回流焊前,可检查：是否缺件元件是否贴错极性方向是否正确有无翻面和侧立元件位置的偏移量焊膏压入量的多少。,（c）AOI置于回流焊后,可检查：是否缺件元件是否贴错极性方向是否正确有无翻面、侧立和立碑元件位置的偏移量焊点质量：锡量过多、过少（缺锡）、焊点错位焊点桥接,4.无铅检测,检测设备、工具、方法、以及检测项目与有铅工艺相同。检测标准：IPC-A-610DAOI的检测软件需要升级。对检测人员进行培训。,5.关于无铅手工焊和返修,无铅手工焊和返修相当困难，主要原因：无铅焊料合金润湿性差。温度高(熔点从183上升到217)（简单PCB235，复杂PCB260）（由于手工焊接暴露在空气中焊接，散热快，因此无铅焊接烙铁头温度需要在280360左右）工艺窗口小。造成PCB和元件损坏的最高温度没有变化(290),无铅手工焊、返修注意事项,选择适当的手工焊、返修设备和工具正确使用手工焊、返修设备和工具正确选择焊膏、焊剂、焊锡丝等材料正确设置焊接参数(温度曲线)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。,理想的手工锡焊温度时间曲线:（Sn-Pb）,尽量缩短加热过程时间,温度(),02468(时间sec),美军标和IPC规定：焊接温度不得高于焊锡熔点40(100F)，停留时间为25秒合金焊接温度(熔点)Sn63/Pb37223(183)Sn3.8Ag0.7Cu257(217)Sn0.7Cu267(227),焊接温度和时间,有铅和无铅手工锡焊实时温度时间曲线比较:,sec,造成PCB和元件损坏的最高温度没有变化(290)