SMT技术与无铅制程

SMT技朮與Leadfree制程,講師:工程部/王華清,Date,概念,Date,2.表面貼裝(簡稱SMT)SMT是在P.C.B上使用焊錫墊(SolderPad),使其高溫融化與連接器管腳焊在一起的技朮.它的優點是:可以雙面安裝,增加P.C.B使用面積層數,使其布線更合理,更緊湊.它的缺點是:安裝定位要求高,需要耐高溫材料,如(PA6T.PPS.LCP等),成本較高.,Date,组装密度高、电子产品体积小、重量轻，贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右，一般采用SMT之后，电子产品体积缩小40%60%，重量减轻60%80%。可靠性高、抗振能力强。焊点缺陷率低。高频特性好。减少了电磁和射频干扰。易于实现自动化，提高生产效率。降低成本达30%50%。节省材料、能源、设备、人力、时间等。为什么要用表面贴装技术(SMT)？电子产品追求小型化，以前使用的穿孔插件元件已无法缩小电子产品功能更完整，所采用的集成电路(IC)已无穿孔元件，特别是大规模、高集成IC，不得不采用表面贴片元件产品批量化，生产自动化，厂方要以低成本高产量，出产优质产品以迎合顾客需求及加强市场竞争力电子元件的发展，集成电路(IC)的开发，半导体材料的多元应用电子科技革命势在必行，追逐国际潮流,Date,Date,SMT之優點1,可使封裝密度提高50%-70%;2,可將多個零件合並於一個SMA相;3,可用更高腳數之各種零件;4,提高傳輸速率;5,組裝前無須任何準備工作;6,具有更多且快速之自動化生產能力;7,減少零件貯存空間;8,節省製造廠房,且總成本降低.,Date,焊點形成,Date,回焊爐及錫膏印刷機,Date,波峰焊机器,Date,印刷鋼网,Date,Date,印刷,Date,Date,關於印刷壓力,印刷壓力過大時，鋼版前端會彎曲，易造成錫膏滲透，而產生小錫珠。相反如印刷壓力不足，也無法達到良好印刷效果，可能會造成漏印虛印等等現象。適當印刷壓力不但可保護鋼版、刮刀更可確保產品良率穩定。,Date,關於基板與鋼版間隙,所謂間隙是指基板與鋼版之間的間隔，如果間隙過大時很容易發生錫膏流進反面的鋼版，造成錫膏量過多，易產生短路。相反間隙過小容易發生印刷後錫膏量不足使印刷形狀崩潰，產生空焊現象。,Date,關於印刷速度,印刷速度如太快，會發生虛印、漏印或錫膏量不足(錫膏印刷時下降未完全)。相反印刷速度太慢，錫膏雖有充分時間下降，但鋼版與基板接觸時間過長，而使錫膏流至反面，造成錫膏拉絲而出現小錫珠。當錫膏黏度太低，再連續印刷時易造成滲漏下塌而產生短路。,Date,錫膏與印刷條件(參考值),Date,錫膏,Date,焊料从发明到使用，已有几千年的历史。SnPb焊料以其优异的性能和低廉的成本，一直得到人们的重用，现已成为电子组装焊接中的主要焊接材料。但是，铅及其化合物属于有毒物质，长期使用会给人类生活环境和安全带来较大的危害。从保护地球村环境和人类的安全出发，限制使用甚至禁止使用有铅焊料的呼声越来越强烈，这种具有悠久应用历史的SnPb焊料，将逐渐被新的绿色焊料所替代，在进入二十一世纪时，这将成为可能。人体通过呼吸，进食，皮肤吸收等都有可能吸收铅或其化合物，铅被人体器官摄取后，将抑制蛋白质的正常合成功能，危害人体中枢神经，造成精神混乱、呆滞、生殖功能障碍、贫血、高血压等慢性疾病。铅对儿童的危害更大，会影响智商和正常发育。,無鉛焊料,Date,电子工业中大量使用的SnPb合金焊料是造成污染的重要来源之一，在制造和使用SnPb焊料的过程中，由于熔化温度较高，有大量的铅蒸气逸出，将直接严重影响操作人员的身体健康。波峰焊设备在工作中产生的大量的富铅焊料废渣，对人类生态环境污染极大。近年来有关地下水中铅的污染更引起人们的关注，除了废弃的蓄电池大量含铅外，丢弃的各种电子产品PCB上所含的铅也不容忽视。以美国为例，每年随电子产品丢弃的PCB约一亿块，按每块含SnPb焊料10克，其中铅含量为40计算，每年随PCB丢弃的铅量即为400吨。当下雨时这些铅变成溶于水的盐类，逐渐溶解污染水，特别是在遇酸雨时，雨中所含的硝酸和盐酸，更促使铅的溶解。对于饮用地下水的人们，随着时间的延长，铅在人体内的积累，就会引起铅中毒。,Date,二十世纪九十年代初，由美国国会提出了关于铅的限制法案，并由工作小组着手进行无铅焊料的研究开发活动。目前，美国已在汽车、汽油、罐头、自来水管等生产和应用中禁止使用铅和含铅焊料。但该法案对电子工业产生的效能并不大，在电子产品中禁止使用含铅焊料进展缓慢。欧洲和日本等发达国家对焊料中限制铅的使用也很关注。对于居住环境意识较强的欧洲，欧盟于1998年通过法案，已明确从2004年1月1日起任何制品中不可使用含铅焊料，但因技术等方面的原因，在电子产品中完全禁止使用铅有可能推迟至2008年执行。在无铅焊料研究和应用方面，日本走得最快。为了适应市场的需要，扩大市场份额，日本提出了生产绿色产品的概念。松下电器、日立、NEC、富士通等各大公司纷纷降低了铅的使用，并制订了无铅化的进程计划，从2000年开始已在部分产品生产中使用无铅焊料。此外，随着微细间距器件的发展，组装密度愈来愈高，焊点愈来愈小，而其所承载的力学、电学和热学负荷则愈来愈重，对可靠性要求日益提高，但传统的SnPb合金的抗蠕变性差，不能满足近代电子工业对可靠性的要求。因此，无铅焊料的开发和应用，不仅对环境保护有利，而且还担负着提高电子产品质量的重要任务。,Date,近几年来有关无铅焊料的研究工作发展很快，世界上各大著名公司、国家实验室和研究院所都投入了相当的力量开展无铅焊料的研究。国内外的已有的研究成果表明，最有可能替代SnPb焊料的无毒合金是Sn基合金。无铅焊料主要以Sn为主，添加Ag、Zn、Cu、Sb、Bi、In等金属元素。通过焊料合金化来改善合金性能，提高可焊性。由于SnIn系合金蠕变性差，In英极易氧化，且成本太高；SnSb銻系合金润湿性差，Sb还稍具毒性，这两种合金体系的开发和应用较少。实际上二元系合金要做成为能满足各种特性的基本材料是不完善的，目前最常见的无铅焊料主要是以SnAg、SnZn、SnBi为基体，在其中添加适量的其它金属元素所组成的三元合金和多元合金。如果单纯考虑可焊性，能替代SnPb共晶焊料的无铅焊料很多，如下表所示。综观SnAg、SnZn、SnBi三个体系无铅焊料，与SnPb共晶焊料相比，各有优缺点。SnAg系焊料，具有优良的机械性能，拉伸强度，蠕变特性及耐热老化性都比SnPb共晶焊料优越，延展性比SnPb共晶焊料稍差，但不存延展性随时间加长而劣化的问题。SnAg系焊料，熔点偏高，通常比SnPb共晶焊料要高3040，润湿性差，而且成本高。熔点和成本是SnAg系焊料存在的主要问题。SnZn系焊料，机械性能好，拉伸强度比SnPb共晶焊料好，与SnPb焊料一样，可以拉制成线材使用；具有良好的蠕变特性，变形速度慢，至断裂的时间长。该体系最大的缺点是Zn极易氧化，润湿性和稳定性差，且具有腐蚀性。SnBi系焊料，实际上是以SnAg（Cu）系合金为基体，添加适量的Bi组成的焊料合金，合金的最大的优点是降低了熔点，使其与SnPb共晶焊料相近；蠕变特性好，并增大了合金的拉伸强度，但延展性变坏，变得硬而脆，加工性差，不能加工成线材使用。总之，目前虽然已开发出许多可以替代SnPb合金的焊料，但尚未开发出一种完全能替代SnPb合金的高性能低成本的无铅焊料。,Date,为了实现保护环境和提高产品质量为目的，并考虑电子组装工艺条件的要求，无铅焊料应满足以下条件：熔点低，合金共晶温度近似于Sn63Pb37的共晶温度183，大致在180220之间；无毒或毒性很低，所选用的材料现在和将来都不会污染环境；热传导率和导电率要与Sn63Pb37的共晶焊料相当；具有良好的润湿性；机械性能良好，焊点要有足够的机械强度和抗热老化性能；要与现有的焊接设备和工艺兼容，可在不更新设备不改变现行工艺的条件下进行焊接；与目前使用的助焊剂兼容；焊接后对各焊点检修容易；成本要低，所选用的材料能保证充分供应。这是研制开发无铅焊料的方向，要做到满足以上要求，有一定的难度，因此，对性能、成本均理想的绿色焊料的研制已成为研究的热点。电子组装焊接是一个系统工程，对无铅焊接技术的应用，其影响因素很多，要使无铅焊接技术获得广泛应用，还必从系统工程的角度来解析和研究以下几个方面的问题：元件：目前开发已用于电子组装用的无铅焊料，熔点一般要比Sn63Pb37的共晶焊料高，所以要求元件耐高温，而且要求元件也无铅化，即元件内部连接和引出端（线）也要采用无铅焊料和无铅镀层。PCB：要求PCB板的基础材料耐更高温度，焊接后不变形，表面镀覆的无铅共晶合金材料与组装焊接用无铅焊料兼容，而且要考虑低成本。助焊剂：要开发新型的氧化还原能力更强和润湿性更好的助焊剂，以满足无铅焊料焊接的要求。助焊剂要与焊接预热温度和焊接温度相匹配，而且要满足环保的要求。迄今为止，实际测试证明免清洗助焊剂用于无铅焊料焊接更好。焊接设备：要适应新的焊接温度的要求，预热区的加长或更换新的加热元件、波峰焊焊槽，机械结构和传动装置都要适应新的要求，锡锅的结构材料与焊料的一致性（兼容性）要匹配。为了提高焊接质量和减少焊料的氧化，采用新的行之有效的抑制焊料氧化技术和采用隋性气体（例如N2）保护焊技术是必要的。,Date,废料回收：从含Ag的Sn基无铅无毒的绿色焊料中分离Bi和Cu将是非常困难的，如何回收SnAg合金又是一个新课题。所以，无铅焊料的实用化进程是否顺利，与焊接设备制造商、焊料制造商、助焊剂制造商和元器件制造商四者间的协调作用有很大关系，其中只要有一方配合不好，就会对推广应用无铅焊料产生障碍。目前，焊接设备制造商已经开始行动，正在推出或即将推出适应无铅焊料焊接的回流焊炉。此外，采用无铅焊料替代SnPb焊料在解决污染的同时，可能会出现一系列新的问题。例如SnPb系列焊料中，Sn与Pb对H、Cl等元素的超电势都比较高，而无铅焊料中Ag、Zn、Cu等元素对H、Cl的超电势都很低，由于超电势的降低而易引起焊接区残留的H、Cl离子迁移产生的电极反应，从而会引起集成电路元件短路。尽管当前无铅焊料的研究开发和应用正走向深入研究阶段，但根据世界各国的开发状况来看，要在短时间内研制出使用性能超过SnPb共晶焊料的高性能的无铅焊料是一件困难的事情。全面考虑成本、性能的新型无铅焊料标准尚未制订，其测试方法和性能综合评定方法也有待于在继续的研制及应用过程中得以解决，还有许多工作要做。但是焊接材料的无铅、无毒化方向已定，没有别的选择，只有行动起来，投身到研究、开发、推广应用无铅焊料的行列中去，为推动我国无铅焊料的开发和应用，为地球村的环境保护作出应有的贡献,Date,常见焊料的基本性能,Date,關於REFLOW(迴焊),Date,Profile之預熱段,各種錫膏在預熱段要求的升溫速率及進入恆溫區的溫度並不盡相同，其主要取決於溶劑(Solvent)的揮發溫度以及松香(Rosin)的軟化點,Date,Profile恆溫區,恆溫區其目的在於使PCB上所有的零件溫度達到均溫，減少零件熱衝擊，恆溫區的長度則取決於PCB面積的大小及零件之多寡FLUX開始變軟像液体一樣,RosinActivator開始清除氧化層,Date,Profile之焊接區,液態的免洗助焊劑滴入液態的Rework錫槽，將發現助焊劑極速的去除錫面上的氧化物，且當松香和焊錫皆為液態，焊錫性最佳,Date,超過溶點以上時間,一般設定為4590秒溫升至peakTemp.後接著快速冷卻須考慮內部應力造成元件龜裂上升及冷卻率介於2.53.5c/sec.不可超過4.冷卻速度太慢會引起焊錫組織粗大化而導致接合強度的減低.,Date,回流焊缺陷分析：锡珠(SolderBalls)：原因：1、丝印孔与焊盘不对位，印刷不精确，使锡膏弄脏PCB。2、锡膏在氧化环境中暴露过多、吸空气中水份太多。3、加热不精确，太慢并不均匀。4、加热速率太快并预热区间太长。5、锡膏干得太快。6、助焊剂活性不够。7、太多颗粒小的锡粉。8、回流过程中助焊剂挥发性不适当。锡球的工艺认可标准是：当焊盘或印制导线的之间距离为0.13mm时，锡珠直径不能超过0.13mm，或者在600mm平方范围内不能出现超过五个锡珠。锡桥(Bridging)：一般来说，造成锡桥的因素就是由于锡膏太稀，包括锡膏内金属或固体含量低、摇溶性低、锡膏容易榨开，锡膏颗粒太大、助焊剂表面张力太小。焊盘上太多锡膏，回流温度峰值太高等。开路(Open)：原因：1、锡膏量不够。2、元件引脚的共面性不够。3、锡湿不够(不够熔化、流动性不好)，锡膏太稀引起锡流失。4、引脚吸锡(象灯芯草一样)或附近有连线孔。引脚的共面性对密间距和超密间距引脚元件特别重要，一个解决方法是在焊盘上预先上锡。引脚吸锡可以通过放慢加热速度和底面加热多、上面加热少来防止。也可以用一种浸湿速度较慢、活性温度高的助焊剂或者用一种Sn/Pb不同比例的阻滞熔化的锡膏来减少引脚吸锡。,回流焊缺陷分析：锡珠(SolderBalls)：原因：1、丝印孔与焊盘不对位，印刷不精确，使锡膏弄脏PCB。2、锡膏在氧化环境中暴露过多、吸空气中水份太多。3、加热不精确，太慢并不均匀。4、加热速率太快并预热区间太长。5、锡膏干得太快。6、助焊剂活性不够。7、太多颗粒小的锡粉。8、回流过程中助焊剂挥发性不适当。锡球的工艺认可标准是：当焊盘或印制导线的之间距离为0.13mm时，锡珠直径不能超过0.13mm，或者在600mm平方范围内不能出现超过五个锡珠。锡桥(Bridging)：一般来说，造成锡桥的因素就是由于锡膏太稀，包括锡膏内金属或固体含量低、摇溶性低、锡膏容易榨开，锡膏颗粒太大、助焊剂表面张力太小。焊盘上太多锡膏，回流温度峰值太高等。开路(Open)：原因：1、锡膏量不够。2、元件引脚的共面性不够。3、锡湿不够(不够熔化、流动性不好)，锡膏太稀引起锡流失。4、引脚吸锡(象灯芯草一样)或附近有连线孔。引脚的共面性对密间距和超密间距引脚元件特别重要，一个解决方法是在焊盘上预先上锡。引脚吸锡可以通过放慢加热速度和底面加热多、上面加热少来防止。也可以用一种浸湿速度较慢、活性温度高的助焊剂或者用一种Sn/Pb不同比例的阻滞熔化的锡膏来减少引脚吸锡。,Date,錫膏之成份,錫膏組成:a.重量與体積的關係fluxmetal重量比1090體積比5050V=W/SS:比重,Date,錫膏的成份:,1.錫粉2.助焊劑,錫粉之要求,愈圓愈好愈小愈均勻愈好(流動性佳,成形佳)氧化層愈薄愈好,Date,FLUX之功能,提供RHEOLOGY流動性及黏度才可印刷清除零件,pad,solder之氧化層減少Solder表面張力以增加焊錫性防止加熱過程中再氧化,FLUX之主要成份,LIQUID液體:Solvent溶濟,SOLIDS固體:Rosin鬆香Activator崔化濟Thixotropicagent,Date,溶濟SOLVENT之職責,防止塌陷黏滯時間/Stencillife黏度控制,鬆香ROSIN之職責,焊接能力防止塌陷黏滯力殘留物之顏色印刷能力ICT測試能力,Date,ACTIVATOR之職責,活化強度信賴度保存期限,Thixotropicagent之職責,黏度印刷能力防止塌陷ODOR,Date,注意事項:,儲存010以下可保存90天室溫232可保存25天N.A.使用前回溫至少24小時達25回溫後未使用放回允許一次攪拌38min.ref.1000rpm,Date,注意事項:,開罐後印刷作業環境溫度252,24小時內用完超時報廢使用時建議作業環境溫度252;相對濕度60%.印刷後2小時內過Air-reflow刮除清洗重印,Date,關於REFLOW(迴焊),Date,助焊劑(Flux)的作用,錫膏=焊錫粉末+助焊劑其中助焊劑功用1.除氧化去除金屬表面其錫膏的氧化膜(化學作用)，使焊點成為較容易焊接的表面，但是無除去油質及灰塵等作用。2.降低表面張力/催化助焊降低溶融後的表面張力，增加焊錫擴散性，幫助合金成長層的產生。3.防止二度氧化作用在進行焊接時，溶融焊錫與焊點金屬表面與大氣接觸進行氧化作用，Flux在做完除氧化後，會覆蓋焊接點與焊點金屬表面，來防止焊接點產生二度氧化。,Date,焊點形成,Date,回流焊曲线,Date,回流焊曲线解释01,段：预热基板及器件