无铅锡波峰浸锡培训教材.DOC

一 目 的：全面掌握无铅锡、波峰浸锡工艺和设备性能，设置正确的工艺参数，有效地保证产品质量。二适用范围：1从事调试锡炉的组长和技术人员。2从事测试锡炉温度即打印温度曲线的组长和技术人员。三定 义：1故 障：指设备影响了生产、品质、设备性能指标，需专业人员进行排除的设备问题。2简易故障：指一般的作业人员自己能动手排除的设备问题。四内 容：1名词解释：表面张力任何液体表面都有呈最大收缩的趋势，即表面积最小的形状（体积一定，表面积最小的形状即球状）。在收缩过程中受到的聚合力即为表面张力。液体表面张力事例图解（1）慢慢地于杯中加入水，水高出杯面小许仍不会溢出，这就是液体表面张力的缘故。润湿熔化成液态的焊料克服自身的表面张力在金属表面（如铜箔）扩散的现象。润湿平衡实验图解（230，空气介质，活性助焊剂）。t/sF/mN润湿角为衡量焊料对被焊接金属表面的润湿程度，引用一个润湿角参数，随着表面张力大小的变化，值可以在0180之间变化。当0时，完全润湿当90时，润湿OK当90时，不润湿当180时，完全不润湿一般来说，在2030之间就可以认为是良好的润湿。X元合金为了改善锡料的性能，现使用的锡料不是由单一元素构成的，如我们现在广泛使用的Sn99.15 Cu0.8无铅锡料便是由Sn、Cu组成的二元合金，锡料由几种元素组便称为几元合金。助焊剂又称焊剂，其中是用来增加润湿，帮助和加速焊接进程，助焊剂一般由活性剂、树脂扩散剂、溶剂四部分构成。助焊剂工作实况图解合金层锡料和被反应的金属结合而生成的新物质。合金层图解偏析即是我们常说的半月面提升现象，主要是由焊料本身凝固收缩及焊料与引线的热收缩，会对固有方向形成一定的力，而没有引线的场合便会产生半月面提升。焊料的弯月面提升现象2无铅锡的产生背景随着人类文明的进步，人们的环境意识增强，保护自然环境、维护生态平衡渐成时尚。我们现使用的含铅锡料中的铅对人类的健康起着不良影响。人们可能在铅的环境下，通过饮食或吸入而发生铅中毒。在电子产品的组装生产过程中，有足够产生含铅气体的条件（高温度处理）。在一般采取的预防措施中，如进行波峰焊炉的清洁保养和清除锡渣等工作时使用口罩；在和含铅材料（锡膏、焊条等）有直接接触后确保饮食前有很好的清洗；工厂禁止在有含铅物的环境中进食等等，铅中毒的可能性是非常微小的，电子制造工业界中，铅毒的问题虽然已被意识到，但是并未十分受到重视。然而，为什么我们在电子业中还致力于开发无铅锡焊接技术呢？主要的考虑点来自于人们最担心电子产品废件的处理。担心如果电子废品没有得到适当的处理，比如把含铅的电路板（焊点中带大量的铅）废弃在自然环境中，这些铅遇雨后变成易溶于水的形态，将慢慢地污染地下水，特别是遇到含有硫酸和硝酸的酸性雨的情况下，更会促进铅的溶解（见表1）。表1铅污染机理和对水的溶解性Pb(焊锡中)+1/2O2PbO铅在水中的溶解性冷水(g/l)温水(g/l)PbO+2HCIPbCI2+H2OPbSO40.00471酸雨PbO+H2SO4 PbSO4+H2OPb(NO3)237.65127酸雨PbO+2HNO3 Pb(NO3)2+H2OPbCI213.5对以地下水为饮用水源的人们，如果所饮用的水中铅含量过高，随着时间的延长，铅在体内积累过多，便会引起铅中毒。也就是铅被人体消化器官、呼吸器官摄取后，铅与人体内蛋白质进行结合抑制人体内蛋白质的正常合成功能。侵害人体中枢神经，造成神经混乱、生殖功能障碍、贫血和高血压等疾病。儿童更容易受铅的侵害，如果儿童血液中铅含量上升，对IQ（智能指数）会产生有害的影响。为此从98年初一些大电子厂如松下和新力等也以发展和开始在某些产品上采用无铅焊接的技术。现我们公司使用的无铅锡料便是由松下公司研制的Sn99.14 Cu0.6（Sn100C）型无铅锡，虽然目前在无铅锡的实用过程中还有一些困难，但推行无铅锡只是时间问题了。3无铅锡推广过程中面临的课题和解决方向从世界范围来看无铅锡料目前尚处在试用阶段，要在短时间内研制出使用性能超过Sn-Pb共晶料的无铅锡料还很困难，要想无铅焊料实用化进程顺利进行，必须要求锡炉制造商、焊料厂商、元器件厂商、成品制造厂商共同努力，其中只要任何一方配合不周，即会对无铅锡推广应用产生障碍。无铅焊料面临的课题及改进方式在各种候选无铅合金中，锡都被用作基底金属，因为它成本低、货源充足，并且具备理想的物理特性，如导电、导热、润湿性。以下是常与锡配合构成合金的候补元素相关数据及特性。材 料每公斤单价(美元)密度(25)年生产能力(万吨)供货能力锌(Zn)1.197.1470.76充足铜(Cu)1.438.97222.26充足锑(Sb)1.766.624.54充足铋(Bi)7.509.800.41有限锡(Sn)7.727.318.16充足银(Ag)185.6310.490.16有限铟(In)275.587.310.01稀缺A、Sn-Zn系合金Sn-Zn系共晶焊料共熔点最靠近Sn-Pb共晶焊料，且具良好机械技性、经济性，对进入实用化有很大希望。下图是Sn-Zn系合金状态图，及锌量发生变化时与界面反应层的厚度。Sn-Zn二元系状态图 Sn-Zn界面反应层厚度由Zn量发生的变化锌价廉，几乎与铅的价格相同，货源广，同时它在降低锡合金熔点方面也具有很高的效率，就锌而言主要缺点在于它会与氧迅速发生反应，形成稳定的氧化物在波峰焊过程中，这种反应的结果，导致润湿性变差，晶粒粗大耐热性差，易出现短路、尖刺。B、Sn-Bi系合金Sn-Bi系焊料能在139共晶点到232的宽熔点范围内做成合金。共晶部分Bi在10m以上时会出现粗化形状结晶。Sn-Bi二元合金的状态图Sn-Bi二元合金具有良好的润湿能力和较好的物理技性，其主要缺点是Bi的晶粒大、结构粗化，特别是和元件引脚上的铅反应易生成熔点低的合金。脆性大，同时液固共存领域大，焊料易发生半月面提升现象。C、Sn-Ag二元合金Sn-Ag系焊料，作为高熔点已开始以无铅焊料角色进入实用阶段，特别是其固有的微细组织，优良的机械能性和使用可靠性，下图是Sn-Ag二元系合金状态图：Sn-Ag二元系合金状态图Sn-Ag系无铅锡料在实用进程中最大的阻力是因其组织细化熔点高，润湿性能差。D、Sn-Cu系合金锡料Sn-Cu系合金成本低，且具备较好的润湿能力和焊接能力，固Sn-Cu系合金已成为波峰焊的最佳候选方案，Sn-Cu系合金中含适量的铜有助于其组织细化，抑制元件引脚上铜的溶解，但铜量过多波峰焊中易出现短路，但其熔点高，如Sn99.4草药Cu0.6系合金熔点为227也是波峰浸锡面临的一个课题，下图是Sn-0.7Cu二元合金图：E、多元合金从无铅锡的研制过程中发现，二元系合金要完全达到原有含铅锡料的性质比较困难，只有通过对二元基、三元基合金中添加适量的微量元素达到改变合金性能的目的，于是多元合金便产生了。多元合金的缺点便是合金成分难控制共晶点易变化。理想中的无铅焊料最好是与原来Sn-Pb共晶焊料特性相同的靠近低熔点外的类似型焊料，共晶焊料的主要特性，除具备低熔点外能够像纯金属那样在第一温度下熔融、凝固，作为Sn-Pb共晶替代物的无铅焊料，也希望具有与Sn-Pb相同的熔融温度范围，良好的接合性能、润湿性等，在开发研制过程中，要完全达到原有焊料相同的性质是困难的，只有通过对Sn基合金添加Ag、Bi、In、Cu等元素。组成性能最接近于原来使用焊料的替代物，下图是理想无铅锡料的组织结构：无铅锡料熔点温度是重要的焊锡特性之一：无铅锡料化学成份熔点范围说明48Sn/52In118 共熔低熔点、昂贵、强度低42Sn/58Bi138 共熔Bi的可利用资源少91Sn/9Zn199 共熔渣多、潜在腐蚀性93.5Sn/3Sb/2Bi/1.5Cu218 共熔高强度、很好的温度疲劳特性95.5Sn/3.5Ag/1Zn218221 高强度、好的温度疲劳特性99.3Sn/0.7Cu227 共熔高熔点、高强度95Sn/5Sb232240 好的剪切强度和温度疲劳特性65Sn/25Ag/10Sn233 高强度（摩托罗拉专利）97Sn/2Cu/0.8Sb/0.2Ag226228 高熔点96.5Sn/3.5Ag221 共熔高强度、高熔点部品元件基板面临的课题及改进方向A、部品元件的耐热性改进方向电子元件的耐热性在原本的焊接工艺中， Sn-Pb 共晶焊料的熔点是183 ，在波峰焊接温度为 240左右，回流焊接为230，对于焊接峰值温度来说，电子元件的耐热性温度应达到210左右，而无铅焊料（高温系）熔点220左右，考虑到基板内的温度偏差（250以上），电子元件的耐热要求最好能达到270程度。实际上焊接温度的上升对元件来说是不利的，首先因热负荷关系元件的特性将发生变动，或者说在其结构上会因高温使特性劣化，譬如说铝电解电容，遇到高温其内部的电解液将会沸腾，经改进后的电解液虽说可随250的温度，但对于使用无铅焊料时更高的温度，就会吃不消了。使用压电陶瓷的振子和滤波器等电子元件，由于压电陶瓷的居里点（耐热温度界限）在300前后，如果经受的焊接温度过高，不仅会使这类元件特性恶化，严重的会使压电特性消失，因此在各类贴装元件组装时，必须使用对温度能够精密控制的回流焊设备，组装基板经过炉腔之际，所设定的升温工艺最好让各元件间不产生热负荷的偏差。B、基板耐热性较高的熔点急剧地缩小了工艺窗口。熔点最低的铅锡焊料的熔点183，其完全液化温度为205至215，而印刷电路板（PCB）的极限温度为230至240。真正现存的工艺余量为15至35。可是，最常用的无铅焊料的熔点为216至220，其完全液化温度为225至235。由于PCB的极限温度仍然不变，工艺余量就缩小至5到15。如此狭窄的工艺余量要求回流焊炉子既具有很高的重复精度，以及具有非常严密的电路板表面温差T。例如，如果工艺余量是10，并且PCB表面的温差T也是10，工艺操作的误差边界就为零。C、部品元件镀层的无铅化进程为了配合无铅工艺的彻底执行，部品元件镀层的无铅化也势在必行，对于车载电子产品为中心的材料，以改善焊锡接合部位的特性为主，一般选择耐热疲劳优良的Sn-Ag系合金、Sn-Ag二元合金，作为日用电器制品Sn-Bi系合金比较合适，但电镀工艺的稳定性有待提高，在这一领域，如果想进一步降低成本，可选择Sn-Zn系合金。波峰浸锡炉面临的课题及改进方向应用历史悠久的波峰焊最能体现大批量、低成本进行生产的适用元件，但推行无铅工艺后，与原Sn-37Pb相比，无铅焊料的熔点比原来要高出600，特别是基板在一次二次波峰间的温度要保持在200以上，否则容易出现双层焊，降低焊点的强度下是常用含铅温度曲线图，一二次间温度已冷却到170左右。含铅锡温度曲线这样的温度曲线显然不能满足无铅工艺要求，固只到在一次二次波峰间增加发热管或热风机以改善温度曲线，除一次、二次波峰间增加发热管理或热风机外，现在无铅锡炉厂商已研制出实用的无铅波峰浸锡机，其主要改善了以下几个方面：增加一次波峰喷流宽度，从有铅的波宽15mm左右，无铅波峰焊机波宽35mm，保证23S的焊锡时间，使焊料充分扩散、浸润。增加二次波峰喷流宽度：有铅二次波宽：95mm左右，无铅波峰焊波宽：145mm左右，使波峰面与线路板的夹角可调，保证34S的浸锡时间。缩短一、二次波形之间的距离，使一、二次波峰之间的波峰距离小于30mm保证一、二次波峰间的温度不低于200 。从以上三点的改善，现在的无铅波峰焊锡机其本已能满足无铅焊料的浸锡要求，如供应商：劲拓、恒贵等公司都已研制出满足上述要求波峰焊机。下图是改善后的曲线图。波峰炉温度曲线主要由预热区、峰值温度、一次二次温度降、冷却区组成，这个温度变化应在受控的状态下进行，预热温反应限制到4/秒或更少，冷却区的冷却温度也应在受控的过程中进行，例如一个陶瓷片状电容最大冷却速度-24/秒，温度曲线满足无铅工艺要求后便可进行浸锡了。无铅锡和以往的含铅锡相比主要有如下方面的问题存在。A、润湿性恶化下图是Sn-Ag系无铅焊料焊接温度和润湿时间关系，随着温度上升，其润湿时间在245位置时没有变化，250时原共晶焊料润湿时间为0.2秒，Sn-Ag-Cu无铅焊料的润湿时间为0.7秒，比前者长了近3.5倍，这种状况在焊接中就易发生氧化，易产生浮渣等不良。无铅焊料在添加Bi元素后，可以减小润湿角度，改善润湿时间，这点共晶焊料是比不上的，另外通过助焊剂作用可以改变某些不良程度，但对绝缘可靠性影响却不能给予期待，因此如何有效地利用无铅焊料，开发相应的无铅波峰装置，已是一个十分重要的课题。为改善焊料的润湿性，考虑的方式是增加助焊剂的活性，从环境保护角度出发，最好选用活性度弱的免清洗焊剂。用250进行的波峰焊接，其焊接质量接近Sn-37Pb，没有出现焊料向未插入元件的通孔扩展的现象。（见图）焊料的扩展现象不仅针对于高温系无铅焊料，是整个无铅焊料范围的共题。基板通孔部的润湿状况B、弯月面提升的课题在使用Sn-Bi系焊料进行波峰焊接时会产生弯月面提升（Fillet Lifting）不良情况，由图1展示。对焊料元素分布状态分析的话，可看到在焊料和Cu焊区界面生存的偏析，这是在导热系数大的引线附近焊料开始凝固的原因，而造成弯月面的提升。在图2上可看到，随着固化现象的组织变化，由Bi的偏析使焊区周边形成Bi-rich状低溶点部分，再由引线和焊料热收缩产生对低熔点部焊料的拉伸，从而造成了焊区部的上浮现象。不仅焊料使用中会发生低温相，作为焊料和电镀使用的Sn-Ag-Pb和Sn-Pb（指贴装元件电极）其熔点比Sn-Ag系焊料低，应用中也同样会发生低温相，说明了焊料与电镀关系的重要性，焊料弯月面提升的发生机理有以下三点。a、由焊料本身产生的低温相。b、由焊料与电镀关系产生的低温相。c、在固液共存领域大的场合所使用的焊料。在未插入元件的通孔部和由于焊料的热收缩及凝固收缩现象均会产生焊料的弯月面提升，作为对策，要注意到焊料本身的低温共晶和基板的表面处理，并对电镀选用的元素与形成低温相的关系也必须注意。无铅焊料的应用不仅仅是焊料的替换，所对应的基板表面处理、元件电极电镀、焊接工艺设定等均是重要的因素