无铅焊接的现状和课题PPT课件.ppt

无铅焊接的现状和课题 三星的无铅化推进经过 RoHS指令 自2005年4月开始实施量产认证制 使用100项目的CheckList 国内事业所 12家 海外法人 32家 合作公司 182家全部100 结束认证 CS经营中心 2001 2002 2003 支援部门 2004 2005 2006 2000 Mecha研究所 PBA可靠性规格修改 制定设计指南 Solder Flux资源材料规格修改 确定部件管理标准 LeadFree辅材料可靠性评价 Flowsolder作业性研究 实施量产认证制 LeadFree替代辅材料选定 作业条件最佳化 TestBoard PCBAss 可靠性评价 GBM量产开始 Sn Ag Cu系列 Sn Cu系列焊锡 Sn Zn系焊锡 流动装备 混装装备 VCR CD R 回流装备 TV Printer PC CDMA HDD 量产引进现状 东芝引进无铅现状 自2004年12月开始引进到生活用机器上 正在推进向产业用机器的引进工作 TV 适用于家电 生活机器上 插入装备为主 烹调机 对象产品 PC 医疗用品 适用 焊锡 2001 2002 2003 年度 2004 向家电 生活机器扩大 表面 混装装备 向办公 流通机器扩大 向所有产品 包括产业机器 展开 VPE目标 电路板技术 集 适用手册 HDD CATV 照相机 POS 手机 条形码打印机 测试仪 2005 2006 RoHS 指令对应 废除所有焊锡 流动装备 回流装备 混装装备 照明仪器 低价 低温化 RoHS指令 2000 自动检票机包裹筛选机 Sn Ag Cu焊锡 部分Sn Ag B I 焊锡 Sn cu系 Sn Zn系焊锡 空调 冰箱 洗衣机 Sn Pb共晶Pb 5Sn AuSn Pb共晶 Sn PbAg Pd Sn Pb共晶 Sn Pb共晶 Sn Pb Sn Ag系 AuSn AgSn Zn Sn Sn Ag CuSn Ag Bi InSn Zn Bi Sn Ag CuSn Cu系Sn Zn PdSn AgSn Bi 装备部件 印刷电路板 焊锡材料 流动装备 插入装备部件 回流装备 表面装备部件 芯片 线头镀金 电容器 焊锡bump 电路板电极处理 芯片电极修理 锡膏 焊锡谷 Si FC 用于电路板装备上的焊锡材料 现行 无铅 环境问题 毒性小成本 较低合金特性 Sn Pb共晶 可湿性 材料特性等 合金熔点 200 左右接合可靠性 Sn Pb共晶 境界面反应 装备质量等 无铅焊接要求特性 Sn Pb共晶 Sn 9Zn共晶 Sn 3 5Ag共晶 Sn 0 7Cu共晶 Sn 57Bi共晶 138 Sn 51In共晶 118 Sn Pb共晶 Sn Ag系 Sn Cu系 Sn Zn系 焊锡合金 熔点 183 221 227 199 机械特性 可湿性 材料价格 现有水平 已适用于产品 正在开发 已适用于产品 无铅候补组成和特性 回流 Sn 3 0g 0 5 1 0Cu 熔点 217 专利问题在千住金属 斯佩拉 爱荷华大学之间解决 热疲劳特性 高温放置特性基本上没有问题 可以确保很高的接合可靠性 虽然焊接温度稍高一些 但是量产性优秀 组成产品适用的主流 Sn 3 5Ag 0 5 3 0Bi 3 0In 熔点 210 214 日本 美国 三井金属拥有专利 没有问题 热疲劳特性 高温放置特性基本上没有问题 但是可靠性略低于SnAgCu 熔点低于SnAgCu 曾经在低耐热性电路板上采用过 Sn 8Zn 0 3 0Bi 熔点 197 199 千住金属 东芝等申请专利 几乎没有问题 能大幅度降低回流温度 NEC公司在笔记本电脑中采用 很容易氧化 所以还存在氮回流对应和粘贴稳定性方面需要解决的课题 Sn 3Ag 0 5 1 0Cu 熔点 217 专利问题在千住金属 斯佩拉 爱荷华大学之间解决 可在日常焊接温度 Max245 中进行焊接 Sn Cu系 0 3Ag Ni 熔点 227 SnCuNi由日本斯佩拉 SnCuAg由千住金属拥有专利 虽然焊锡可湿性较低 但是材料费便宜 很少发生Dendrite Sn 9 熔点 199 日本一些制造商已采用量产 NEC SONY等正处于评估阶段 需要在高浓度氮环境中的焊接 无铅候补组成和特征 flow 材料选定 产品验证 批量生产 接合可靠性验证 制造性验证 接合部的热疲劳解释 例 动机选定 焊接温度 温度剖面图 例 Sn Ag系的Bi添加的影响 接合部的截面解释 例 无铅化的基本阶段 回流焊 SUS316材的变更 表面处理 Resistor设计 清除Pb镀层 SnCu系Wave 强制冷却 对策 SnReflow Dip镀金 Sn镀金法 接合应力 5 Whi ker Connecter Pb Bi偏析 电路板变形 保護Coat 材料變更 清除Pb镀层 对策 水粉吸着 屬Ion化 Sn Pb低熔点层形成 原因 回流不良 Ion Migraion 4 Fillet熔融 溶解 区分 SUS304SnLeaching Ag偏析 凝固时间差异 原因 Wave不良 WaveSolderPotErosion 1 Dendrite 区别 代表性不良和对策现状 混載 共同 Lift off 现象 在焊锡容积大的地方发生的裂痕 在最终凝固的地方发生原因 凝固时由于拉拽而发生 固体和液体共存领域宽 即 从摆脱共晶到凝固需要时间 树枝状结晶 Dendrite 就会变大 在冷却速度慢 到凝固为止需要时间时发生 对策 迅速冷却 秒 Sn Ag CuDendrite 凝固 Sn232 Sn Ag Cu217 首先 Sn凝固 然后共晶焊锡填充缝隙 表面凹凸不平 能看到Sn的结晶 白色化 最终凝固时由于没有确保体积而发生了裂痕 焊锡在熔融状态下体积更大 Dendrite 树枝状结晶 的发生原理 Dendrite 树枝状结晶 和裂纹的区别 树枝状结晶 裂纹 剥离以及land剥离现象 剥离现象 由于焊锡部分的不均衡凝固和电路板 部件的热收缩等原因 焊接部分分离的现象 在Sn Pb镀金线头上最为明显 对策 迄今为止还没有可完全抑制剥离的手段 要在温度周期测试评价中进行判断 部件 电路板的无铅化 剥离外观和判断 land剥离现象 在没有发生剥离的地方 land从器材掉落的现象 有时也会出现电路板配线短路的情况 对策 提高线膨胀系数 厚的方向 小的电路板 land紧密性 land直径变大 可采取过电阻等对策 land剥离部分截面 剥离现象很容易发生在Sn Pb镀金线头上 在无铅镀金线头上 Sn Ag 如果在solderbath内混入Pb时 发生概率就很高 在部件面一侧明显能够观察到 剥离发生率和Pb混入量的关系 Sn 0 7Cu Sn 3 5Ag 0 7Cu 0 20 40 60 80 100 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 Pb 混入量 wt 発生率 Sn Ag镀金线头 Sn Pb镀金线头 0 20 40 60 80 100 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 Pb 混入量 wt 剥离发生率 Sn Ag镀金线头 Sn Pb线头 剥离发生率和凝固温度范围的关系 凝固温度范围的扩大 Pb Bi的混入 剥离发生率的增大 0 20 40 60 80 100 4 5 6 7 8 凝固温度范围 K 剥离发生率 Sn 3 5Ag 0 7Cu Sn Ag镀金线头 Sn 0 7Cu Sn Ag 镀金线头 根据EPMA的焊锡接合部Pb浓度分析 焊锡Fillet前端截面的Pb浓度分布分析结果 Sn 3 5Ag 0 7Cu Sn Ag镀金线头 在发生剥离的接合部上 在焊锡 Culand境界面附近Pb微偏析估计Pb的微偏析部分凝固最慢 Sn Ag Cu 0wt Pb Sn Ag Cu 0 4wt Pb Sn Ag Cu 1 0wt Pb 没发生剥离 发生剥离 PWB Lead Solder Culand Culand 焊锡面 部件面 发生剥离 焊锡 Culand Culand 焊锡 Components Components Components Components 焊锡 Culand境界附近凝固最慢 剥离 剥离的发生原理 在焊锡 Culand界面附近Pb微偏析 凝固部 热 Components 热 热 从接触到部件线头和外部空气的焊锡开始凝固 从凝固部向熔融部排出Pb 熔融部 部件 在Solderbase 部件外镀金中 在焊接结合部混入Pb 焊锡的凝固温度范围扩大 线头 电路板 焊锡 Cu land 部件面 焊锡面 部件 Pb 剥离 由于电路板热收缩等原因 应力集中 在熔融焊锡 Culand境界面附近发生剥离 Sn 0 7Cu焊锡 DIP Sn Pb镀金 初期 TCT1000周期后 TCT500周期后 TCT和剥离进行性 在接合部的截面观测中没有发现直到贯通口 throughhall 内部的裂纹的进展 剥离进行性 在其它无铅焊锡接合部上也是同样的结果 必须根据充分的可靠性评价和产品功能评价最终判断适用与否 关于剥离的对策方法设计 不使用Sn Pb镀金 要避免Bi的混入 电路板热收缩小的方法为宜 在land上面形成阻抗 注意已有NEC专利 扩大land面 确保强度 阻抗 缩小land面 减少应力 成为积木对策 波峰焊锡炉的腐蚀 原因 通过无铅化 焊锡和Snbase形成合金 侵蚀Fe 如果在旋转泵上始终有焊锡循环 侵蚀就严重 现象 也发生在SUS304 SUS316上 多发生于助焊剂的整流部 多发生在加热器折弯加工内侧 曾经有过在Sn Ag CuSolder上以250 连续发生6个月的例子 焊锡炉的结构和发生场所 虽然有程度差异 但随处都可能发生 Erosion发生事例 螺旋桨 加热器 焊锡水槽 Erosion发生和成长的结构 熔融焊锡 不动态保护膜 不锈钢 不动态保护膜不锈钢的内在缺陷 缺陷中混入焊锡 不锈钢内部缺陷区域扩大 潜伏期 缺陷区域进行 由于内在的缺陷和外部因素 保护膜被破坏 dc dt K A V Cs C C 反应时间t s 最终溶液中的溶质浓度K 净水 A 固体和液体的接合面积V 溶液的容积 Cs 溶液中的饱和溶质浓度 确定事项 发生的地方各自不同 无法一概定论 温度 流速 压力或助焊剂会加速侵蚀 316比SUS304涌出速度慢 c 的效果 Fe不会引起各部侵蚀 均匀侵蚀 表面处理会延迟侵蚀开始时期 根据氮化处理方法 也有不起效果的时候 在外部缺陷或保护膜强度较弱时 表面处理不会起到效果 现在对发生侵蚀的原理的解释还不够充分 很难预测准确的寿命 最好是通过正确的管理和预防对策提前防止损害 装置寿命改善对策方案 不发生局部的侵蚀 需要结果控制和检查 Fe合金材料 材料变更 表面处理 分类 Cost上涨少 效果验证不充分 和过去的结构有所不同 SUS材质变更 其它Ti涂层 利用数 m的氮化膜延迟侵蚀 SP处理等 防湿方法 确保膜的强度 陶瓷涂层 氮化处理 表面很脆弱 多种清扫方法 高度防止法 陶瓷涂层 Ti涂层 价格贵 如果可适用的部位受到限制 就利用陶瓷涂层等 表面氧化 改良 优 缺点 特征 处理方法 气流方式改良 定压方式 电子诱导方式 发生突发性破损 重量增加 废除螺旋桨 油路设计变更 废除螺旋桨 流速 冲突类的影响小 贯通口的改善 焊锡量少 管理和检查的基本方针 1 履历 装置 开始时期 运转状况 检查员的确认制度化2 发现异常症状为优先 在焊接部分是否由于焊锡熔融温度而发生了凹凸 3 确认异常症状后增加检查次数 实施详细的检查 4 采取适合异常症状的对策方案 预算措施 以备破损和替换 QFP IC线头 焊锡fillet 焊锡剥离 再熔融剥离 对电路板表面实施回流焊接后 对背面实施流动焊接 Wave 时 表面装备部件 QFP BGA 的接合部剥离的现象 在回流 流动中的Fillet剥离 对策 QFP BGA线头的Sn Pb镀金废除 防止Pb的混入 防止线头的温度上升 采用流动Pallet 散热器 冷却等 Sn Ag Cu焊锡 Sn Pb线头接合部的热分析 179 4 在约17 上吸热peak 再熔融Fillet剥离和推测原因 推测原因 SnAgPb的低熔点相 Mp约179 的形成 装备电路板和package的弯曲状态 发生再熔融的剥离 例 线头侧 焊锡 条件 5Bi回流 照片 剥离部表面状态 Land侧 化合物 温度 M31流动 250 SnAgCu SnAgBi8In SnZn3Bi SnAgCu5Bi SnBi 因Pb混入L FSolder中而引起的凝固点变化 再熔融Fillet剥离对策 DOWN 线头温度 UP 线头温度和再熔融剥离的关系 对策 采用无铅电镀部件 以扩大不发生再熔融剥离的温度领域 流动焊接时防止回流面 1次面 的温度上升 流动用Pallet 散热器 送风机的采用 Sn Ag Cu焊锡 Sn Bi线头接合部的热分析 没有低熔点上的peak 再熔融剥离的发生率 温度 FPC FFC连接器短路不良 SnCu镀金连接器本身没有问题 但是在结合状态下发生晶须 由于结合压力 外部应力 Sn原子被挤到表面 晶须发生倾向 SnPb SnBi SnAg Reflow Sn matt Sn SnCu 对策 Ni基础金属 2um Sn 2Bi Reflow Sn镀金 m 0 5mmpitch以下Ni基础Au镀金 纯Sn层厚度和接触电阻以及晶须长度 纯Sn层厚度 晶须长度 接触电阻 最佳镀锡厚度为1 3 m 有 i基础镀金 晶须成长原理 Cu元素扩散到Sn镀层 形成IMC 根据热膨胀系数差发生压缩应力 环境 Sn镀层的氧化 混合镀层 原子受力而移动 Dislocation 为了缓解Sn镀层的压缩残留应力而成长 虽然从力学 金属学角度企图解释晶须发生 成长原理 但迄今仍没有找到很好的解释方法 根据原子移动的晶须成长模式 局部应力平均分配 组织细微 粒子直径 数 应力多轴性 原子移动破坏 Atomtransportation Substrate Externalload 例 应力移动电子移动 根据连接器Contact的压缩应力 接点 下地 母材 接点镀金 基础镀金 母材 利用球形压子的镀膜负荷加载试验标准化 采用二氧化锆 人造钻石 没有表面处理 表面凹凸 表面处理的影响 从相对侧镀金的和粘接差开始 压子面的Sn镀膜转印度肉眼确认 可以清扫 负荷试验的优点 组装产品时可在各种镀板上容易进行评价 在一定条件下可通过大大改变接触力进行评价 在一定条件下可评价各种镀膜质量 压子的形状和反复性评价的不均衡较少 确定连接器晶须评价试验方法 1 IEC标准化 负荷 IonMigration是指在水分存在的条件下 Solder或电极端子的金属被溶解Ion化 在电场中被正极所吸引后析出的现象 作为影响因素包括温度