第2章 SMT生产物料——工艺材料.ppt

第2章SMT生产物料 工艺材料 第2章SMT生产物料 工艺材料 表面组装工艺材料是指SMT装联中所用的化工材料主要包括 焊料助焊剂波峰焊单独使用回流焊中助焊剂与焊料混合焊膏贴装胶及其他粘结剂清洗剂 第2章SMT生产物料 工艺材料 焊料 一 电子产品焊接对焊料的要求二 焊料在焊接中的作用三 常用焊料合金四 锡铅焊料合金五 无铅焊料六 焊料的形状 1 要求焊接在相对较低的温度下进行 2 焊料在母材表面有良好的流动性 3 凝固时间短 以利于焊点成型 4 焊后外观好 利于检查 5 导电性好 机械强度高 6 抗蚀性好 7 来源广泛 价格低廉 第2章SMT生产物料 工艺材料 一 电子产品焊接对焊料的要求 二 焊料在焊接中的作用焊料的作用 用来连接两种或者多种金属表面 同时在被连接金属的表面之间起冶金学的桥梁作用 简单的说 电气连接和机械连接作用 第2章SMT生产物料 工艺材料 焊料的种类 由左图可以看出SnPb焊料的熔点范围比较合适 第2章SMT生产物料 工艺材料 锡铅合金在焊料中占有特殊地位的原因就在于它有下述六大优点 1 SnPb焊料熔点为 183 189 焊接温度为215 230 该温度在焊接过程中对元件所能承受的温度是适当的 且凝固时间短 1 3 1 要求焊接在相对较低的温度下进行 3 凝固时间短 以利于焊点成型 第2章SMT生产物料 工艺材料 四 锡铅焊料 2 金属锡和其他许多金属之间有良好的亲和力作用 焊料表面张力小 粘度下降 增加了焊料的流动性 2 2 焊料在母材表面有良好的流动性 3 锡 铅在元素周期表中均属于 种元素 它们之间的互溶性良好 2 4 锡铅钎料具有良好的机械性能 5 5 导电性好 机械强度高 5 抗氧化性好 6 6 抗蚀性好 6 锡铅金属矿在地球上非常丰富 7 7 来源广泛 价格低廉 第2章SMT生产物料 工艺材料 锡 Sn 1 Sn的物理性质2 Sn的化学性质3 Sn的精炼 第2章SMT生产物料 工艺材料 1 Sn的物理性质 1 物理性能Sn为延展性好的银白色金属 熔点为231 9 常温下不易氧化 性能稳定 相变现象具有一个相变温度 13 2 Sn Sn相变点以下为 Sn 灰色 机械性能差 较脆 相变点以上为 Sn 白色 物理化学性能稳定 第2章SMT生产物料 工艺材料 IMCSn会与母材金属中的铜 金 银等 发生强烈反应形成IMC 初期的IMC对焊接有一定的优越性能 如1 3厚的 而后期的IMC 如却会使焊点机械性能变脆 接触电阻增大 导致焊点性能变差 第2章SMT生产物料 工艺材料 锡须锡须是从锡镀层表面生长出来的一种细长状的锡结晶 引起短路 电路故障 使电子器件的可靠性降低甚至造成灾难性的后果 湿热环境下 锡须生长较快 第2章SMT生产物料 工艺材料 2 Sn的化学性能 了解 在大气中耐蚀性好 不失金属光泽 会受到强酸 强碱的侵蚀 但对近中性物质则耐蚀性较强不与水 氧 二氧化碳发生作用 也不受有机酸的侵蚀 第2章SMT生产物料 工艺材料 3 Sn的精炼 了解 Sn矿石或锡矿砂 含Sn 75 的锡石 选矿还原精炼焙烧 Sn 高温加热 第2章SMT生产物料 工艺材料 铅 Pb 1 物理性能2 化学性能3 精炼方法4 Pb在SnPb钎料中的作用 第2章SMT生产物料 工艺材料 1 物理性能 了解 灰白色的金属 具有面心立方晶格 有以下特性 密度高 膨胀系数大 电导率低 熔点低 质地柔软 铸造性好 塑性加工性能好 具有润滑性 耐蚀性良好 第2章SMT生产物料 工艺材料 2 化学性能 纯铅耐腐蚀性极强 化学性能稳定 氧 海水 食盐 苯酚对其无作用 有机酸 强酸对其有强腐蚀性 如硝酸 氯化镁 铅对人体有害 以离子铅的形式进入人体 毒性很大 尤其对婴幼儿 第2章SMT生产物料 工艺材料 3 铅的精炼 了解 控制S 形成团矿 纯度为97 99 的粗铅 贝特电解炼铅法 第2章SMT生产物料 工艺材料 4 铅在锡铅焊料中的作用 在锡中加入铅之后 就会产生单独的锡和铅都不具有的优异特性 降低熔点 改进操作性能 改进机械特性 减小表面张力 有防止氧化的效果 第2章SMT生产物料 工艺材料 SnPb焊料合金状态图及性能曲线 第2章SMT生产物料 工艺材料 1 SnPb焊料合金状态图 A B C为液相线 对应的温度为液相温度 A D B E C为固相线 对应的温度为固相温度 B点为共晶点 B点对应的温度183 为共晶温度 B点对应比例的焊料Sn63Pb37为共晶焊料 共晶焊料熔点是不同SnPb配比焊料中熔点最低的 共晶焊料从固体到液体 或从液体到固体都发生在一瞬间 所以凝固时间极短 有利于焊点成型 区称为 区 是锡在铅中的固溶体 区称为 区 是铅在锡中的固溶体 区为固体区 区为固液共存区 区为液体区 Sn熔点为232 Pb熔点为327 第2章SMT生产物料 工艺材料 1 剪切强度2 抗拉强度3 浸流面积4 流动性 2 SnPb焊料性能曲线 第2章SMT生产物料 工艺材料 3 共晶SnPb焊料 Sn63Pb37 优点 它是各种比例SnPb焊料中熔点最低 性能最好的一种 低熔点 熔点和凝固点一致 最短的凝固时间 流动性好 表面张力小 浸润性好 机械强度好 导电性好 第2章SMT生产物料 工艺材料 液态SnPb焊料的氧化及预防 1 液态SnPb焊料的氧化 SnPb焊料在固态下不易氧化 但在熔化状态下极易氧化特别是在机械搅拌下更易发生氧化 灰色 黑色 不导电 2 液态SnPb焊料的防氧化 加入防氧化油使用活性碳类的固体防氧化剂加入少量其他金属来防氧化采用氮气保护 第2章SMT生产物料 工艺材料 浸析现象 溶蚀 被吃 SnPb焊料焊接时 浸入液态焊料中的固体金属会产生溶解 这种现象称为浸析 溶蚀 被吃1 最常发生浸析现象的金属是Au Ag Cu2 随着温度的升高 溶解速度也会加大 焊料流动速度增加 溶解速度也会加大 第2章SMT生产物料 工艺材料 锡铅焊料中的微量元素 有害元素1 Zn 焊接中最忌讳的金属之一 含量达0 01 就会损害外观 漫流性和浸润性 2 Al 含量在0 001 就开始出现不良的影响 使焊料漫流性和浸润性变差 且易被氧化和腐蚀 3 Cd 能降低熔点 但含量在0 001 上 就会产生脆化4 As 含量少 也会使外观变坏 硬度变大 脆性增加5 Fe 使熔点升高 工艺性下降 而且使钎料带有磁性6 Cu 有害杂质 使熔点上升 流动性变差 是最易混入的杂质 因此 铜含量常是监测的项目之一 第2章SMT生产物料 工艺材料 有益元素 在一定含量之内 1 Sb 锑 使机械强度增加 电阻增大 且低温下适量的Sb可降低熔点 7 脆化 浸润性 流动性下降 易腐蚀2 Bi 铋 少量可改善钎料性能 对可焊性无害含量大于10 会产生脆性 熔点下降 3 P 磷 含量少 可以增加焊料的漫流性 含量大 则会腐蚀烙铁头 4 Ag 银 含量在0 5 2 时 降低熔点 增大钎料强度和漫流性 使光泽变好 第2章SMT生产物料 工艺材料 六 无铅焊料铅对人体的危害 主要是由于金属铅受大气中酸性物质的影响 转化成铅离子 离子铅通过水源进入人体而造成的 第2章SMT生产物料 工艺材料 无铅钎料应具备的条件 1 无公害 2 熔点与SnPb接近 要能与现有加工设备和工艺条件兼容 3 机械强度和热疲劳强度与SnPb合金相当 4 焊料溶化后应对许多材料有良好的润湿性 5 价格便宜 来源广泛 第2章SMT生产物料 工艺材料 常用的无铅钎料 1 Sn Ag系Sn96 5Ag3 5熔点221 SnAg3 4 0Cu0 5 0 75熔点216 221 目前使用最多的 缺点 Ag价格较贵 2 Sn Cu系SnCu0 4 1熔点227 缺点 润湿性欠佳 第2章SMT生产物料 工艺材料 3 Sn Bi系Sn42Bi58熔点139 缺点 机械性差 只能用于高温性能要求不高的电子产品中 4 Sn Zn系Sn91Zn9熔点198 缺点 润湿性欠佳 Zn易发生氧化 第2章SMT生产物料 工艺材料 5 无铅焊料 常用 回流焊 三元共晶或近共晶形式的Sn Ag Cu焊料 其熔点为217 左右 其中Ag含量在3 0 4 0wt Cu含量一般在0 5 0 75wt 范围内 美国采用Sn3 9wt Ag0 6wt Cu无铅合金欧洲采用Sn3 8wt Ag0 7wt Cu无铅合金日本采用Sn3 0wt Ag0 5wt Cu无铅合金 第2章SMT生产物料 工艺材料 波峰焊 Sn 0 7Cu Ni焊料合金 其熔点为227 手工焊 大多采用Sn Cu Sn Ag或Sn Ag Cu焊料 第2章SMT生产物料 工艺材料 存在的问题1 焊料 改善润湿性 降低熔点两大问题 如何使整个生产过程适应较高的温度 如何避免因高温而导致低产量和高可靠性 第2章SMT生产物料 工艺材料 2 元器件 PCB行业等 改善元器件的封装材料和封装设计 改善回流炉的加热系统 PCB基板材料 焊盘表面涂层应适应更高的温度 助焊剂在高温情况下不应变色 第2章SMT生产物料 工艺材料 各种无铅钎料的温度适用情况 第2章SMT生产物料 工艺材料 六 焊料形状1 棒状焊料 主要用于浸渍焊接和波峰焊中 须注意两个问题 即液面的氧化和焊料成分的不均匀化 2 丝状焊料 用于烙铁焊接 一般用挤压方法制得 中空部分填充松香 3 预成形焊料 主要用于激光再流焊 通孔回流焊中 4 膏状焊料 主要用于回流焊工艺中 第2章SMT生产物料 工艺材料 第2章SMT生产物料 工艺材料 第2章SMT生产物料 工艺材料 助焊剂 一 助焊剂作用二 助焊剂的必要条件三 助焊剂的组成四 助焊剂的分类五 几种常用的助焊剂六 助焊剂的选用 一 助焊剂的作用 去除焊接表面氧化物 防止焊接时焊料表面和金属面再氧化 降低焊料表面张力 促使焊料扩展和再流动 有利于热量传递到焊接区域 第2章SMT生产物料 工艺材料 焊接前 焊接后 润湿程中助焊剂的作用示意图 二 助焊剂的必要条件1 要比焊料的熔点低 2 表面张力 粘度和比重都要比焊料小 3 生成的残渣要容易去除 且不腐蚀不吸湿不导电4 对母材及焊料无腐蚀性5 不产生毒气和臭味6 常温下贮存稳定 第2章SMT生产物料 工艺材料 三 助焊剂的组成松香 非松香型合成树脂活性剂成膜物质添加剂溶剂 第2章SMT生产物料 工艺材料 1 活性剂 活性剂的活性 指助焊剂与母材表面氧化物发生化学反应的能力 种类无机活性剂 氯化锌 氯化铵有机活性剂 有机酸 有机卤化物 第2章SMT生产物料 工艺材料 2 成膜物质焊接后形成一层致密的有机膜 保护焊点和基板 具有防腐蚀性和优良的电绝缘性 民用产品等要求不高的电子产品 须用成膜物质 焊后不用清洗 常见的成膜物质 松香 酚醛树脂 丙烯胺树脂 氯乙烯树脂 聚氨酯 第2章SMT生产物料 工艺材料 3 添加剂 调节剂 调节助焊剂的酸性 消光剂 使焊点消光 易于操作和检验 缓蚀剂 PCB和元器件引线具有防潮 防霉 防腐蚀电子产品的三防 增光剂 使焊点发亮 美观 阻燃剂 一般是二溴丙醇和三溴丙醇 表面活性剂 协同活性剂 起助焊作用 第2章SMT生产物料 工艺材料 4 溶剂 助焊剂的载体 一般占到90 以上选择溶剂的要求 常温下挥发程度适中 焊接时能迅速挥发掉 溶剂对助焊剂中固体成份均有较好的溶解性 毒性小 气味小 不可有腐蚀性 第2章SMT生产物料 工艺材料 四 助焊剂分类1 按助焊剂状态分类干式焊剂 焊锡丝内芯液态焊剂 波峰焊 浸焊等膏状焊剂 回流焊 第2章SMT生产物料 工艺材料 2 按活性剂特性分类国内市场主要分为以下四类低活性 R 用于较高级别电子产品 可免清洗中等活性 RMA 民用电子产品高活性 RA 可焊性差的元器件特别活性 RSA 可焊性极差或铁镍合金焊接 第2章SMT生产物料 工艺材料 国际上通用IPC A 610B标准 焊剂活性用L M H来表示 L0型焊剂 所有R类 某些RMA 某些低固态的免清洗剂L1型焊剂 大多数RMA 某些RA类M0型焊剂 某些RA 某些低固态的 免清洗 焊剂M1型焊剂 大多数RA类H0型焊剂 某些水溶性焊剂H1型焊剂 所有的RSA类 大部分水溶性和合成全溶性焊剂 第2章SMT生产物料 工艺材料 3 按焊剂中固体含量分类低固含量 15 民用电子产品焊接 第2章SMT生产物料 工艺材料 4 按传统的化学成份分类无机系列 无机盐 无机酸有机系列 有机酸OA树脂系列 非活性松香R中等活性松香RMA活性松香RA超活性松香RSA 第2章SMT生产物料 工艺材料 1 松香型焊剂使用最早 应用最广泛 目前仍大量采用 活性剂 0 1 1 松香 起活性剂作用 也是一种成膜物质添加剂 消光剂 缓蚀剂 表面活性剂 溶剂 主要成分之一 含量 90 常用乙醇 异丙醇及两者的混合物 缺点 焊接后多需氟利昂CFC 113来清洗 但是氟利昂会严重破坏大气臭氧层 给人类生态环境带来极大的危害 主要成分 第2章SMT生产物料 工艺材料 2 水溶性焊剂 水溶性 表示该焊剂焊后的残留物能溶解于水中 焊剂的成分有时也含有水 主要采用有机酸作为活化剂 故称之为OA焊剂 水溶性焊剂的组成 活化剂 有机酸 有机胺 易溶于水 润湿剂 甘油 非离子型表面活化剂 溶剂 水和有机溶剂的混合物 缺点 清洗后污水的处理 以及水资源的浪费 第2章SMT生产物料 工艺材料 3 含VOC低固含量免清洗焊剂 无VOC焊剂1 含VOC低固含量免清洗焊剂 优点 固体含量低 离子残渣少 不含卤素 绝缘电阻高 不需要清洗 有良好的助焊性 有利于环保 第2章SMT生产物料 工艺材料 组成 活性剂 活性剂含量相对较少 要达到同样的焊接效果 活性剂应具备以下特点 活性的持续性 为达到预期效果 通常选用分解温度不同的活性剂 即采用复合活性剂来实现 注 1号焊剂早期活性强2号焊剂后期活性强 第2章SMT生产物料 工艺材料 活性剂的多功能性在有机溶剂的分子链上某些具有表面润湿功能的基因 使某种活性剂物质既有还原性 又有优良的润湿性 以降低表面张力 提高扩展率 而总固体含量仍保持在一个较低的水平 第2章SMT生产物料 工艺材料 添加剂润湿剂 抗氧剂 缓蚀剂 发泡剂等 但配比时要注意整体的协调性和数量 溶剂树脂型免清洗焊剂中含有大量的有机溶剂 97 VOC 属于混合型有机溶剂 缺点 有机溶剂VOC易挥发 会在大气中形成光化学烟雾 对人类的健康有害 第2章SMT生产物料 工艺材料 2 无VOC焊剂免清洗助焊剂 1 无VOC焊剂 不使用松香而使用极少量的有机物 不使用有机溶剂而采用水作为溶剂 所以无VOC焊剂是理想的环保型焊剂 第2章SMT生产物料 工艺材料 2 使用无VOC焊剂应注意的问题该焊剂中的溶剂几乎全部是水 挥发程度大 使用时必须严格要求焊接设备具足够的预热条件 确保PCB与焊料流接触前水分应充分挥发 炸锡现象 3 无VOC焊剂特点绿色焊剂 无卤素 低残渣 免清洗 无毒性 贮存及运输方便 第2章SMT生产物料 工艺材料 4 有机耐热预焊剂 OSP 裸铜板OSP涂敷 热风整平 镀锡 镀金工艺 PCB制成后的三种工艺 OSP涂敷是通过化学的方法 在裸铜导线表面形成一层厚0 2 0 6微米的有机保护膜 防止铜表面氧化并有助焊作用 第2章SMT生产物料 工艺材料 特点 表面平整 特别是用于SMB焊盘保护 保护期长 保护层有较好的助焊性 并能承受二次焊接高温 生产过程易控制 有利于环保 成本低 仅为热风整平工艺的50 第2章SMT生产物料 工艺材料 六 助焊剂的选用 根据产品的需要以及工艺流程来选用合适的助焊剂 1 焊接方式 波峰焊用液态助焊剂回流焊用膏状助焊剂2 可焊性 可焊性好 低活性可焊性差 高活性3 清洗方式 有机溶剂清洗 有机类或树脂类水清洗 水溶性助焊剂免清洗 低固含量助焊剂 第2章SMT生产物料 工艺材料 第2章SMT生产物料 工艺材料 焊膏 一 焊膏的基本概念1 定义 由合金焊料粉末 糊状助焊剂均匀混合而成的浆料或膏状体2 作用 它在常温下有一定的粘性 可将电子元器件初粘在既定位置 在焊接温度下 随着溶剂和部分添加剂的挥发 将被焊元件与印制电路焊盘焊接在一起形成永久焊接 第2章SMT生产物料 工艺材料 二 焊膏的化学组成1 合金焊料粉末2 助焊剂系统 第2章SMT生产物料 工艺材料 1 合金焊料粉末 合金成分通常 锡铅 锡银铜 颗粒形状 有规 球形 无规球形最佳 最小表面积 较低含氧量 良好印刷性而不会出现堵塞孔眼 第2章SMT生产物料 工艺材料 某公司无铅焊锡合金表 第2章SMT生产物料 工艺材料 某公司有铅焊锡合金表 第2章SMT生产物料 工艺材料 颗粒尺寸颗粒尺寸用目表示所谓目数 是指物料的粒度或粗细度 一般定义是指在1英寸 1英寸的面积内 斜体部分有误 有多少个网孔数 即筛网的网孔数 物料能通过该网孔即定义为多少目数 如200目 就是该物料能通过1英寸 1英寸内有200个网孔的筛网 以此类推 目数越大 说明物料粒度越细 目数越小 说明物料粒度越大 筛孔尺寸 0 0750mm标准目数 200目 第2章SMT生产物料 工艺材料 合金粉末的颗粒度 100目 150um 200 75 250 58 300 45 325目 45 400目 38 粒度越小 粘度越大粒度太小 表面积增加 易氧化粒度太大 粘结性变差 Type2Powder Type3Powder 45 75 m 25 45 m 目前国内外出售的合金粉末根据颗粒的大小分为一号粉 二号粉 三号粉 四号粉 五号粉 六号粉 第2章SMT生产物料 工艺材料 在焊膏中所占比例质量百分比 85 90 体积百分比 50 第2章SMT生产物料 工艺材料 2 助焊剂助焊剂是合金焊料粉末的载体主要由焊剂 粘结剂 活化剂 溶剂和触变剂组成在焊膏所占比例 质量百分比10 15 体积百分比50 第2章SMT生产物料 工艺材料 3 焊膏特性 触变性 粘性 触变性 在印刷过程中 受刮刀的剪切作用 焊膏粘度降低 在焊膏通过模板窗口时 能迅速下降到PCB焊盘上 剪切力停止后 焊膏粘度又迅速恢复 可保证印刷后焊膏图形不坍塌 得到良好的印刷效果 第2章SMT生产物料 工艺材料 粘性 焊膏具有一定的粘度影响焊膏粘度的因素 合金焊料粉末含量 含量增加 粘度增大 焊料粉末粒度 粒度增大 粘度降低 温度 温度升高 粘度降低 第2章SMT生产物料 工艺材料 三 焊膏的分类1 按合金焊料粉末熔点 低温 中温 高温焊膏2 按是否含铅 含铅焊膏 无铅焊膏3 按助焊剂活性 低活性 中等活性 高活性焊膏4 按清洗方式 有机溶剂清洗 水清洗 免清洗 第2章SMT生产物料 工艺材料 四 焊膏的选择1 首先确定合金成分2 选择焊膏中的助焊剂3 确定焊膏中合金与助焊剂的配比4 根据施加焊膏的工艺及组装密度选择焊膏的粘度 第2章SMT生产物料 工艺材料 五 焊膏的储存与使用1 储存 密封储存 储存时 垂直摆放 不要把瓶口倒立 以免助焊剂渗出 从而影响焊膏的活性 储存时间不超过3个月 焊膏入库保存要按不同种类 批号 不同厂家分开放置 焊膏的储存条件 温度4 8 相对温度低于50 焊膏使用遵循先进先出的原则 并作记录 每周检测储存的温度及湿度并作记录 第2章SMT生产物料 工艺材料 2 使用 焊膏从冰箱拿出 贴上 控制使用标签 并填上 回温开始时间和签名 开始回温 填上 开盖时间 及 使用有效时间 开盖 充分搅拌 从瓶内取出焊膏时应注意尽量少量添加到模板上 添加完后一定要旋好盖子 印刷环境 18 24 40 50 RH 最好 印刷后尽量在4小时内完成回流焊 第2章SMT生产物料 工艺材料 UsingthePaste ColdStorage WorkingPot FreshPaste After2 4Hourstoreachroomtemp Disposal TemporaryPot 第2章SMT生产物料 工艺材料 第2章SMT生产物料 工艺材料 贴片胶 SMT的工艺过程涉及多种粘结剂材料 贴装胶 固定元器件 多数为红色 俗称红胶 密封胶 缝隙填充 密封 白色 插件胶 插装元器件使用导电胶 胶 导电材料最为重要的是贴装胶 贴片胶 贴装胶作用与波峰焊工艺配合 在波峰焊前 把SMC SMD暂时固定在印制板的相应焊盘图形上 防止波峰焊时元器件掉落在锡锅中 第2章SMT生产物料 工艺材料 一 贴装胶的化学组成1 基体树脂 核心 粘结材料2 固化剂和固化促进剂 促进树脂适当温度下固化 120 150度 3 增韧剂 基体树脂固化后较脆 加增韧剂4 填料 提高贴装胶的电绝缘性能和耐高温性能 第2章SMT生产物料 工艺材料 二 贴装胶分类1 按化学性质分热固型 再加热也不会软化热塑型 可以重新软化弹性型