无铅波峰焊工艺及其对层压板的作用7.pdf

无铅波峰焊工艺及其对层压板的作用 安达自动化 www anda 摘要 即使面临无铅产品更高的生产成本的挑战 电子产品制造商仍然必须面对持 续降低产品成本的压力 在许多案例中 装配厂商为了不增加元器件和层压 板的成本而被 迫尝试在原先使用的设备上安装新的无铅装配线 许多制造商考虑材料供应商和独立的实 验室提供的材料的可靠性数据 他们中有很多并没有 考虑到他们自己组装时对可靠性的影 响 本文讨论的是使用的层压板以及工艺参数对无铅装配的可靠性的潜在影响 在电子组装的许多方面 转换到无铅焊接已经实现 由于几年前已经开始研究在初始 阶段如何选择合金 很多时候大家通过调节工艺参数来提高在线产量 另外 与锡铅合金 相比 所有可供选择的 无铅合金都具有浸润速度更慢 表面张力更大以及更高的工艺温度 为了适应所选合金的工艺要求 许多厂家选择了更新型的助焊剂 在装配厂商方面 除了不得不应对这些工艺挑战 同时低成本消费品市场由于大多数 视听产品的价格快速降低 低成本制造以及新品牌的不断涌现从另一个方面增大了对现有 品牌的价格压力 波峰焊接是许多电子消费品生产中非常重要的工艺 转换到无铅生产会引起一些成本 波动 主要来说 成本会分摊在以下几项中 1 PCB 和元器件成本 2 焊接材料以 及耗材成本 3 加工成本 电子消费品制造商不得不接受转换到无铅工艺而带来的更高的材料成本以及更高的 加工成本 他们被迫放弃其他需增加的成本如使用更贵 热稳定性更好的层压板 但是 他们没有评估因这些工艺变动而对产品的可靠性 以及制造缺陷率的影响 本文旨在揭示 无铅波峰焊对组装材料 工艺和线路板可靠性的潜在影响 1 无铅波峰焊接工艺的挑战 1 1 合金选择与评估 一般来说 我们通过以下三个步骤对合金来进行评估 第一 工艺性能指标 它们不 是波峰焊接直接的测量方法 但是测量那些已知的对工艺性能有影响的合金的关键特性非 常重要 第二 在受控的波峰焊接工艺通过评估 合金的实际特性来评定其对工艺良率的影 响 然后使用机 械测试以及通过热循环加速老化实验来测试焊接合金的可靠性 最后 以 锡铅合金为基准 对比测试合金焊连接点的完整性和可靠性 由此我们可以看出 在很多研究中经常遗漏实施无铅合金工艺后更多的热量对元器件 和 PWB 的影响 1 2 工艺良率 所有从事制造的专业人员都知道 相对于工艺良率而言 材料的成本影响相对来说是 很小的 工艺良率上的变化对一条生产线的收益率往往有着非常惊人的影响 尤其是对 CEM 厂家来说 波峰焊接所产生的许多焊接缺陷与助焊剂 合金 包 括其纯度 PCB 元器件涂层 PCB 板的设计 以及气氛和工艺设定有密切的联系 转换到无铅波峰焊接 我们需要缩小 工艺窗口 因此工艺工程师的重要任务是拓宽工艺 窗口已达到可接受的结果 输出 同 时尽量减少工艺所 影响的成本 输入 正如上述讨论的那样 合金的一些重要特性对波峰焊接的结果相当重要 浸润和流动 更慢会导致虚焊或半浸润 焊点的增加 因为终端与 PCB 板的电接触可能时断时续 虚焊的 连接点在在线测试 ICT 或功能确认测试 FVT 中 可能不易被发现 持久影响电路功能性 的桥连可用手工以 及自动检测方法进行检测 在许多无铅组装中发现越来越 多的桥连 这主要是由于合金表面更强的张力造成焊点脱锡不良 对于增加的桥连 常见的补救工艺 是提高预热以及焊炉的工艺温度 但此方法对层压板和元器件有负面作用 2 无铅合金的工艺性能以及其对工艺设定的影响 2 1 固相线 液相线的温度 所有常见的无铅合金比锡铅合金的熔点更高 正因如此 操作温度也相应提高以确保 合金有足够的流动性和脱锡性 介于合金液相线和可接受的操作温度之间的工艺窗口 无 铅合金大概是锡铅合金工艺窗口的 60 左右 见图 1 探究合金温度对性能有何影响能给工艺工程师一些启示 表 1 展示合金温度变化的通 常影响 许多评估首要集中在上表开始的四个性能指标 其理由很简单 他们是在试验中可计 量的特性 工艺工程师需要负责设计并实行高效且高良率工艺 所以更倾向于使用更高的 操作温度这一方法来提高良率 2 2 浸润速度决定接触时间 不仅是合金温度会影响合金的工艺特性 合金的浸润速度可用浸润平衡进行量化比 较 浸润平衡测试属于 ANSI J STD 002 大类 它没有特定的通过 失败的标准 这 些浸润测试过去曾用于测试元器件的可焊性以及辅助研究 和测试助焊剂 然而 如果测试 的变量 样品 助焊剂 温度 都保持不变 它能用于合金特性的测试 更快的浸润速度 能减少焊料接触时间 因此产量更高 另外产量高且接触时间更短能使层压板及元器件热 暴露时间更短 浸润工艺中以下几个方面尤为重要 合金的熔化温度 助焊试剂的活性 温度影响 合金的浸润性和表面张力 在许多合金评估中 大家认为合金的浸润速度与对组装线路板的可靠性的影响之间没 有关联 但是事实上合金的浸润速度很大程度上影响了设备的设置 接着影响装配时能见 的热能的量 可能对可靠性有害 在波峰焊工艺中 焊料需要在众多的几何形状中找到它自己的路径 接着浸润可焊表 面 不能达到上述两个条件是由于装配的接触时间不充分 而不充分的接触时间会增加漏 焊 未焊点 且减少 PTH 板上孔填充 让我们讨论一下从旧的焊接技术材料中找到的图 2 无铅合金比锡铅合金的表面温度 高 因此更依赖于波峰中的动能 达到软焊料接触所有将焊接的材料的表面 仅当我们在 浸润平衡图上达到 T0 如果相关三种合金的浸润速度如图 3 所示 合金 A 可能可以形成焊 点 而合金 B 和 C 会漏焊 锡铅合金在浸润平衡试验上 达到浮力或浸润所需的时 间更短 许多工程师发现 在进行最初的无铅试生产时所产生的漏焊较多 这一结果导致传送带的速度减慢而引起波 峰焊上的接触时间大幅度增加 对于双波峰设备 接触时间是通过将片状波峰以及平滑波 峰的接触宽度相加 然后除以传送带速度而测量出的 图 4 为典型的双波峰配置 从表 2 可以看出 为了达到满意的工艺良率 工程师将找出更多的理由来减慢传送带 速度 它与更高的锡炉温度联合 使印制组装线路板的热偏移非常显著 此外 还需要考 虑将其作为无铅装配整体可靠性的一部分 合金特性的局限性迫使工程师放弃一些方案 减少需求额外的温度和接触时间 主要 考虑以下 3 个主要方面 焊接气体环境 助焊剂选择 PCB 设计 2 2 1 焊接气体环境 氮气 通常引证在氮气中进行波峰焊接的理由纯粹是基于因减少残留而节约的费用的经济 论证 此后我们惊喜地发现 这不是唯一的主观影响且适合无铅生产的一环 它是同时达 到高良率工艺以及高稳定性的终端产品制造的折衷 的方法 在焊接工艺中使用氮气 或者确切地说除了氧气都有许多有利于反应的变量 首先是 提高浸润速度 如果我们修改焊接温度 助焊剂和可焊性 然后在大气环境中进行浸润平 衡测试 接着在氮气环境中重复操作 我们能发现浸润速度能被焊料温度所控制 见图 5 从以上可以预知 惰性气体的波峰焊接在更低的合金 温度下可以达到相同或者更好 的效果 对 PCB 板和元器件的 热应力更少 由于更快的浸润速度 氮气可能更利于减少接 触时间 这两项都能提高产量 同时 还减少因波峰的停留时间而产生的 PCB 板热应力 此外 他们还能减少锡渣的产生 2 2 2 选择助焊剂 把握如何挑选助焊剂之间的平衡很微妙 一种极端是选择的助焊剂活性太弱而不会有 任何后期焊点腐蚀的危 险 但是这将不经意地导致工艺工程师极端设置一些工艺参数才能 符合要求达到的焊接效果 同时 它还会引起返 修和破坏可靠性 另一个极端是使用的助 焊剂活性太强 为了满足焊接可靠性 对助焊剂残留物的电化学可靠性则需要花费更多的 费用 每个应用都需要控制这两方面之间 的平衡 这也使如何选择波峰焊助焊剂非常重要 对于 FR 2 层压板 值得关注的是它如果没有被充分加热 无松香助焊剂会引起可靠 性风险 如果在潮湿的环境中使用终端产品 FR 2 能作为 海绵 以及其他未使用 的活 化剂能自由在水里形成电解质 另一方面 松香在助 焊剂里作为另一种密封的活性成分 在电路板上形成的残 留物安全无毒 松香在生产助焊剂过程中 能与其它活性原料一起溶 解于溶剂 它在焊接工艺中慢慢熔化 热能稳定 冷却时它固化成任何成分的密封剂 在 焊接循环中不会挥发 这个封装的过程使化学家配置出适合高可焊性 同时又不会损伤焊 点可靠性的助焊剂 2 2 3 电路板设计 任何波峰焊工艺的好坏决定于设备 材料 工艺设置以及电路板设计 由于工艺窗口 太窄 所有的工艺输入都非常重要 关于电路板设计 先将元器件定位非常关键 同时 所有待焊的区域应均匀地暴露在波峰下 尤其对于大型元器件 如果他们未被适当地放置 他们会由于阴影 效应而产生漏焊 我们更应仔细考虑焊盘的尺寸 否则会影响产品的可靠性 工艺工程师将被迫使用过 热焊炉温度以及接触时间来达到充足的浸润性 这对热量和尺寸稳定性都不如昂贵的环氧 树脂系统的 FR 2 非常重要 下图显示了延伸元器件的焊盘有助于使无铅合金更早地开始浸 润 3 应用中的可靠性 无铅合金及其焊点在应用中对可靠性的影响众所周 知 相比之下 我们对工艺设置 的变量对整个装配的影响 却知之甚少 尤其当工艺控制交付给如 CEM 等第三方时 OEM 更 在意如何继续保持质量及可靠性的好口碑 加速实验根据电路板最终用途而选择不同的曲 线 温度介于 0 80 之间 一些消费电子产品要适应 40 165 的温度要求 这对于处于严苛的环境中的电子行业比如在汽车引擎的应用更为重要 使用 FR 2 层压板的产品 最需要关心的是不平坦而稳 定的层压板给焊点带来巨大的 应力 同时 许多通孔焊点 的体积很大 没有电镀通孔 这意味着相比 PTH 中同等元器 件 焊点机械性和电可靠性都更差 因此许多检测标准被 推出 针对在单面 FR 2 电路板上的 焊点目测 如下图 6 所 示 FR 2 装配在使用中应当注意的是上述的 E 等级 它可能在典型的产品的最终使用时 增加间歇失效 产品在电源接通时 PCB 温度上升 热膨胀使得层压板材料产生形变 致使 焊点开裂 并最终导致产品失效 而断电后 PCB 的冷却过程 这一现象将逆向在很短的时 间内重复发生一次 失效的例子请见图 7 焊点的相关热应力状况取决于焊料合金的物理特性及 焊点结构 因此不良焊点比优 良的焊点更容易导致失效 因热循环而产生的应力在日复一日的操作中足以引起焊点 的 微观结构变化 包括产生疲劳断裂的晶核以及焊点失效 这是一个渐进的过程 一旦晶核 产生 它将继续扩大 疲劳断裂的产生机理包括以下几点 应力形成单个颗粒和多孔部分 晶粒分裂 变形或者晶粒扩展 或许综合所有这些因素 疲劳断裂是因孔隙聚结或在高压区域晶界分离而产生的 对于消费电子产品来说 因为电源的 关断通常是不断发生的 因而更应使我们 关注 其寿命内的可靠性问题 4 结论 终端产品的