无铅焊料技术讨论会教材

1、2002年10月10日松下电器产业株式会社无铅焊料计划技术部会无铅焊料技术学校无铅焊料技术无铅焊料技术讨论会教材讨论会教材中国上海技术学校中国上海技术学校序序言言 松下电器集团松下电器集团, , 作为指向与地球共存的工作作为指向与地球共存的工作, 2002, 2002年度比世界早一步推进对全商品导入无铅年度比世界早一步推进对全商品导入无铅焊料。首先为了集中全力有效地完成目标焊料。首先为了集中全力有效地完成目标, , 进一步为了把它的实际知识广泛普及展开于世界进一步为了把它的实际知识广泛普及展开于世界, , 开开设学习设学习, , 实证的场所的实证的场所的“技术学校技术学校”。 有五千年历史的锡

2、铅共晶焊料使用于所有电子机器有五千年历史的锡铅共晶焊料使用于所有电子机器, , 支持了今天的惊人的进展。并且成为关支持了今天的惊人的进展。并且成为关于一切安装的准则。于一切安装的准则。 正因为如此正因为如此, , 不含铅的焊料的开发实用化是不含铅的焊料的开发实用化是, , 相当于改造制造工作的历史相当于改造制造工作的历史, , 所以全世界的所以全世界的“产官学产官学”都致力于这工作。还有都致力于这工作。还有, , 代表性的无铅焊料代表性的无铅焊料, , 具有熔点高具有熔点高, , 易于氧化等的特性易于氧化等的特性, , 比锡比锡铅焊料要求严峻的制造条件铅焊料要求严峻的制造条件, , 质量管理。

3、质量管理。 可是可是, , 本公司的先行事例中的很多事例本公司的先行事例中的很多事例, , 通过综合地重新考虑从工作方法至制造的制造工作通过综合地重新考虑从工作方法至制造的制造工作, , 全力以赴全力以赴, , 反为提高了质量。本校的目标是反为提高了质量。本校的目标是, , 通过活用通过活用, , 进化这工作态度进化这工作态度, , 实际知识实际知识, , 有效地解有效地解决无铅焊料的课题决无铅焊料的课题, , 并且谋求强化制造工作。并且谋求强化制造工作。 无铅焊料技术以安装技术为基础、无铅焊料技术以安装技术为基础、 由固有的材料由固有的材料, , 工作法工作法, , 设备设备, , 设计设计

4、, , 质量管理等的综质量管理等的综合的技术构成。而且在技术上有未确立合的技术构成。而且在技术上有未确立, , 日新月异的一面。因此日新月异的一面。因此, , 本校注力于创造不只从事直接本校注力于创造不只从事直接导入导入, , 安装的技术安装的技术, , 制造有关人员制造有关人员, , 连设计开发连设计开发, , 质量管理质量管理, , 资材资材, , 服务及其他所有有关专门领服务及其他所有有关专门领域域, , 职责的人员都能够活用的课程和教材。职责的人员都能够活用的课程和教材。 我们希望各位通过对无铅焊料导入我们希望各位通过对无铅焊料导入, , 体系地体系地, , 实践地学习实践地学习, ,

5、 实习从必需的基础至专门知识实习从必需的基础至专门知识, , 应用事例应用事例, , 有益于推进导入有益于推进导入, , 强化制造工作。强化制造工作。讨论会教材讨论会教材 目次目次第第1 1章章 无铅焊料概要无铅焊料概要 无铅焊料是什么无铅焊料是什么? ? 为什么要无铅焊料为什么要无铅焊料? ? 松下电器的工作松下电器的工作第第2 2章章焊接的基础焊接的基础 焊接的机制焊接的机制 焊接工序焊接工序, , 不妥不妥第第3 3章章 无铅焊料的导入步骤和工作无铅焊料的导入步骤和工作 导入步骤导入步骤 焊料选定焊料选定 基板设计基板设计 零件选定零件选定 材料工序材料工序第第4 4章章 浸流工序浸流工

6、序第第5 5章章 软熔工序软熔工序第第6 6章章软熔浸流混载工序软熔浸流混载工序第第7 7章章 局部加热工序局部加热工序第第8 8章章 质量质量可靠性可靠性评价方法评价方法课题解决演习课题解决演习现行焊料现行焊料锡锡( (Sn)Sn)铅铅(37(37Pb)Pb)使用于全电子机器使用于全电子机器无铅无铅( (Pb)Pb)焊料焊料锡锡( (Sn)Sn)无害金属无害金属20022002年度年度 全世界、全商品全世界、全商品不含铅焊料不含铅焊料无铅焊料是什么无铅焊料是什么? ?铅(Pb)的含量(质量%)如下的叫无铅焊料。系Pb含有质量%ISO9453软焊料合金JIS Z 3282焊料组成Pb含有质量%

7、组成Sn-5Sb0.10Sn-3.5AgSn-3AgSn-4Ag0.10Sn-50InSn-57BiSn-1CuSn-3Cu0.10Sn-BiSn-CuSn-5SbSn-58BiSn-In0.100.100.100.050.100.100.05Sn-AgSn-Sb为什么要无铅焊料为什么要无铅焊料对人体的影响对人体的影响对生态系的影响对生态系的影响酸性雨废弃印刷基板被铅污染的地下水土壤废弃物 溶出铅粉碎, 填拓含铅焊料的有害性含铅焊料的有害性日本国内外的动向日本国内外的动向焊料所含的铅虽为全使用量的焊料所含的铅虽为全使用量的1%1%弱弱(3(3万万5 5百万吨百万吨), ), 而有广泛扩散的可能

8、性而有广泛扩散的可能性, , 难于完全回收。由于环境污染难于完全回收。由于环境污染, , 忧虑铅中毒等对人体的影响。忧虑铅中毒等对人体的影响。 向高循环化社会移行。通过废弃物处理法向高循环化社会移行。通过废弃物处理法, , 水质污浊防止法强化规制水质污浊防止法强化规制 欧洲正在审议包括禁止使用电子机器中的铅的法案欧洲正在审议包括禁止使用电子机器中的铅的法案( (提议提前到提议提前到20062006年年) ) 松下电器比世界早一步发表于松下电器比世界早一步发表于20022002年度全商品导入。同业其他公司急起直追。年度全商品导入。同业其他公司急起直追。20022002年度年度2001200120

9、0020001998199819941994世界首次 227227210210206206218218熔点熔点 183183197197软熔工序浸流工序无铅焊料材料固定录像机头带耳机立体声DVC吸尘器世界最初的世界最初的浸流工序浸流工序电视机汽车音响笔记本电脑手提MD 世界最初的世界最初的软熔工序软熔工序130130商品商品(2200(2200万台万台) )1616商品商品(6(6百万台百万台) )3 3商品商品1 1商品商品无铅焊料导入商品无铅焊料导入商品( (累计累计) )Sn-CuSn-CuSn-Ag-CuSn-Ag-CuSn-Ag-Bi-InSn-Ag-Bi-InSn-Zn-BiSn-

10、Zn-Bi现行品Sn-Pb19991999无铅焊料技术工作组无铅焊料技术工作组全公司导入推进活动全公司导入推进活动技术展开、实证活动技术展开、实证活动2000/62000/6无铅焊料计划无铅焊料计划门真技术学校门真技术学校MASTECMASTEC藤泽藤泽以松下电器的全力加速解决技术课题和展开技术以松下电器的全力加速解决技术课题和展开技术, , 结实为世界最初的全商品导入结实为世界最初的全商品导入松下电器的工作松下电器的工作全全世世界界 全全商商品品展展开开、松下的无铅焊料推进体制松下的无铅焊料推进体制 解决共通课题解决共通课题 导入展开导入展开, , 实证支援实证支援专任技术活动专任技术活动,

11、 , 技术学校技术学校无无 铅铅 焊焊 料料 计计 划划运营委员会运营委员会推推 进进 部部 会会技技 术术 部部 会会环环 境境 会会 议议 技术成果技术成果, , 事例事例, , 基准的全公司展开基准的全公司展开, , 彻底彻底 制定制定, , 推进推进, , 跟踪导入计划跟踪导入计划各公司各公司, , 事业部事业部WGWG(Working Group (Working Group 工作小组工作小组) )推进活动推进活动与海外公司与海外公司, , 共荣公司共同推进共荣公司共同推进社长社长环境本部长环境本部长计划的活动方针和目标计划的活动方针和目标 【意图意图】 实现洁净的商品实现洁净的商品

12、, , 工厂工厂( (环境污染的防患未然和提高形象环境污染的防患未然和提高形象) ) 占先于占先于EUEU指令指令(2006(2006年禁止使用铅焊料年禁止使用铅焊料) )等的法规制等的法规制 强化制造力和展开创出无铅商业强化制造力和展开创出无铅商业公司公司 公司 公司 公司公司以集结全部力量世界上最先行的工作来同时实现以集结全部力量世界上最先行的工作来同时实现“对全商品导入无铅焊料对全商品导入无铅焊料”和和“强化制造现行以上的质量强化制造现行以上的质量, , 最短最短L/T(Lead Time L/T(Lead Time 产品设计至实际产品设计至实际投产时间投产时间)”)” 知财推进知财推进

13、WGWG技术开发技术开发WGWG材料采购材料采购WGWG技术展开技术展开WGWG可靠性评价可靠性评价WGWG技术部会技术部会推进部会推进部会关联职能关联职能, , 海外公司海外公司, , 共荣公司共荣公司【活动方针活动方针】工序导入规格书的发行Sn-Cu焊料浸流工序Sn-Ag-Bi-In焊料软熔工序Sn-Ag-Cu焊料浸流工序Sn-Ag-Cu焊料软熔工序Sn-Ag-Cu焊料混载工序Sn-Zn-Bi焊料软熔工序软熔温度仿真技术的开发焊料再循环技术的开发接合质量评价方针发行 无铅电子零件质量评价准则发行无铅电子零件认证登记制度开始技术展开促进、实证活动技术展开促进、实证活动开设, 运营技术学校00

14、/9西日本校(门真生技本部)开校01/4 新加坡校(MASTEC)开校01/11 西日本校扩张充实(南门真迁移)01/12 东日本校(藤泽FC)开校02/2开始向共荣公司展开工序的开发、确立工序的开发、确立质量评价方法的标准化质量评价方法的标准化已申请 283件其中9件已请求审查实施焊料材料许可Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Bi-In知识产权的确立知识产权的确立技术活动成果技术活动成果( (实际知识实际知识) )技术活动成果技术活动成果( (设备开发、导入设备开发、导入) ) 软光束软光束( (局部焊接局部焊接) )(产业机械FA系统)AVC茨木导入现在在扩大销售中 焊料再循环装置焊料再循环

15、装置( (使用芝麻进行氧化物分离使用芝麻进行氧化物分离) )(AVC公司千住金属)全世界扩大销售中国内外约60台导入 不纯物检查装置不纯物检查装置(生产技术本部环境生产技术研究所、Malcom公司)国内各公司约10台导入 浸流焊料厚度测量传感器浸流焊料厚度测量传感器(生产技术本部环境生产技术研究所)松下G国内外35生产线展开 浸流焊料喷射嘴浸流焊料喷射嘴(生产技术本部环境生产技术研究所)AVC公司内部44台导入 均一加热软熔装置均一加热软熔装置RSA、RSN(FA公司松下电工)2002年4月导入开始当初 COF基板安装用 推拉试验装置推拉试验装置 重复弯曲试验装置重复弯曲试验装置(生产技术本部

16、环境生产技术研究所)推拉推拉弯曲弯曲导入实绩导入实绩设备名设备名( (联系地址联系地址) )接合机械的接合焊接粘结接合钎焊压焊熔焊焊接硬钎焊母材不溶钎料的熔点450以下对接合材料(母材)的接合面间隙, 浇注熔点比母材低的钎料(焊料), 使机械地,电气地接合。 焊接的机制焊接的机制(1)(1)焊接工序焊接工序 熔化焊料在接合面上濡湿开 对加热过的接合面供应焊料和焊剂 焊剂还原除去接合面的氧化膜 熔化焊料与基板铜箔及零件电极互相扩散, 在界面上形成Cu-Sn合金层 焊料冷却凝固, 焊接完毕焊料被接合材B被接合材A接合接合 金属表面 氧化物(O)焊剂焊剂氢离子(H+)水蒸气(H2O)金属(Cu, 焊

17、料等)卤素盐, 金属皂有机酸离子 卤素离子焊料焊料焊接区(Cu)焊剂焊剂好的焊接是什么好的焊接是什么1. 1. 熔化焊料与母材融合得好熔化焊料与母材融合得好。2. 2. 由于焊料的毛细管现象易于浸透。由于焊料的毛细管现象易于浸透。3. 3. 接合面机械地稳定。接合面机械地稳定。 濡湿性濡湿性界面合金层界面合金层焊接的机制焊接的机制(2)(2)所谓濡湿是在接合界面形成合金层。所谓濡湿是在接合界面形成合金层。 (1) 母材, 焊料各各的表面张力(2) 母材与焊料之间的界面张力(3) 焊料与母材的金属学的融合性(合金化倾向)(4) 母材的表面状态(污垢, 氧化膜等)(5) 焊接作业条件影响濡湿性的因

18、素接触角小 接触角大a)濡湿性佳b)濡湿性不够所谓界面合金层是所谓界面合金层是, , 熔化焊料与母材的熔化焊料与母材的CuCu互相扩散互相扩散, , 在接合界面形成在接合界面形成Cu-SnCu-Sn的合金层的合金层 互相扩散的模型图合金层约5m焊料焊接区焊接区(Cu)焊料焊剂形成金属间化合物层是濡湿接合的必需条件, 不过因为化合物层一般硬而脆, 以薄为佳。厚的原因是: 焊接温度高, 时间长。 使用产品时长时间放在高温下。CuSnD DH HD DD-HD-H1 00%1 00%扩散率扩散率焊接的机制焊接的机制(3)(3)焊剂的作用焊剂的作用1. 在焊接之前由金属表面除去氧化膜和油脂类减少表面张

19、力。2. 在焊接时的作业温度之下防止再氧化。焊剂焊料丝状焊料时成分作用松脂激活剂触变剂溶剂焊剂橡胶松脂合成松脂卤素化合物蓖麻油除去氧化物粘合剂除去氧化物触变性调整乙二醇系乙醇系溶解固态分的基础有机酸 把焊剂与金属粉混和成膏状焊料焊剂焊膏时焊剂的形态焊剂的形态在中空的焊料内部包藏焊剂于前工序涂焊剂焊剂焊料棒状焊料时称称 呼呼含氯量含氯量( (wt%)wt%)特特征征RA(MIL)濡湿性佳, 但如果不洗涤, 后来有腐蚀的可能性B (JIS)RMA (MIL)濡湿性稍差, 但焊接后不用洗涤A (JIS)1 X 1010绝缘电阻绝缘电阻( ()活性弱活性型型0.510.10.5焊剂的分类焊剂的分类1

20、X 1011 焊接的机制焊接的机制(4)(4)现行的现行的Sn37PbSn37Pb共晶焊料是什么共晶焊料是什么焊料的历史焊料的历史 5000年前的青铜器时代起使用。 在纪元前300年前的罗马遗迹, 8世纪的正仓院皇室珍藏品和奈良的大佛也使用。锡62%, 铅38%的组成,与现在的共晶焊料相同。 用于一切电子机器的安装用焊料, 为世界标准。Sn-Pb元共晶, 特长为1.熔点低, 接合作业容易。2. 机械的, 电的性质好3. 濡湿性好。接合界面稳定。4. 容易修理。5. 低价格。 Sn-PbSn-Pb状态图状态图焊接的共通工序焊接的共通工序 工序工序钎焊烙铁(机械手)局部加热装置软熔炉 供应膏状焊料

21、浸流装置 (溶化器和浸渍槽) 供应棒状焊料软熔炉+浸流装置 供应膏状, 棒状焊料用途、安装形态用途、安装形态焊料设备焊料设备工序工序涂粘着剂SMD安装粘着剂硬化基板反转零件插入(C&C)浸流焊接焊料印刷SMD安装软熔焊接两面基板时, 反转后, 重复上述工序软熔工序浸流工序局部浸流焊接局部软熔焊接浸流浸流/ /软熔软熔 混载混载浸流浸流 (熔融焊料浸渍)软熔软熔 (膏状焊料加热)局部加热少量生产, 修理, 单零件及其他弱耐热零件, 后来安装对应及其他手提, 移动商品器件等 (数字控制高频等)产业用, 系统商品等 (大规模CPU复合控制等)固定式AV, 电化商品等 (电力, 电源操作电路等

22、)单面基板两面基板两面基板两面基板插入零件安装零件(SMD)插入零件SMDSMDSMD插入零件单面基板单面基板SMD钎焊烙铁原因原因架桥焊料球不濡湿离开裂纹芯片分离气泡腐蚀迁移设计不良, 材料不良, 作业条件设定不适, 作业管理不足运输时的振动, 冲击, 设想外使用条件机械的应力(振动, 冲击, 弯曲, 扭转, 载荷), 热应力(高温, 温度急变)的持续, 反复外部气氛(腐蚀性气体, 水分.) 经时恶化不妥现象现象出货前发现的不妥市场初期不妥外观不良(架桥, 焊料球, 不濡湿, 红眼, 气泡, 芯片分离, 裂纹, 离开.)裂纹, 剥离腐蚀, 迁移, 金属须, 裂纹, 剥离焊接不妥的代表事例焊接

23、不妥的代表事例主要原因主要原因不濡湿不濡湿濡湿不足濡湿不足红眼红眼 (浸流) (软熔)焊接面的氧化, 污垢(浸流)喷流与基板的接触不适当(角度, 速度, 时间)(所谓红眼指基板的焊接区上不附着焊料, 看见红色铜板的状态)使用活性型的焊剂选择濡湿性好的焊料防止金属面的氧化架桥架桥 (浸流) (软熔)冰柱冰柱 (浸流) 焊膏流出与旁边连接 由于软熔时的急速加热, 焊膏被焊剂冲走。 (浸流)二次喷流形状, 基板速度不适当。(所谓冰柱指焊料由引线的先端突出成冰柱状或角状的状态)基板焊接区, 印刷掩膜尺寸软熔温度曲线设置虚设焊接区焊料成分管理焊料球焊料球 (软熔) 由于焊膏中的焊剂突然沸腾, 焊膏的吸湿

24、而水蒸气化使焊料飞散 露出保护膜上的焊料没有去处留下珠球。预热条件的适当化焊膏的吸湿防止印刷面积的适当化芯片分离芯片分离 (软熔) 由于左右的焊接区的圆角间表面张力不同(焊料量, 濡湿性)或熔化时间差, 拉向一方。焊接区尺寸的适当化(使焊料附着量少一点)充分的预热和防止急加热提高安装位置精度防止零件电极的氧化基板面的均一加热 裂纹裂纹, , 剥离剥离 (浸流) (软熔) 由于焊料附着不足或高温状态的持续, 对结晶粗大化或接合界面合金成长而变脆的地方, 热应力或机械应力反复作用时, 由于金属疲劳引起破裂或界面剥离。焊料材质的选择适量的焊接条件基板材质(热膨胀系数)不把焊接温度提得过高对策例对策例

25、不妥现象和有关工作法不妥现象和有关工作法焊接不妥原因和对策焊接不妥原因和对策(1)(1)离开离开 (浸流) 零件引线镀层的无铅化 缩小基板焊接区径减小凝固收缩的影响。 浸流焊接后急冷以防低熔点金属的移动偏析选熔化温度幅度窄的焊料气泡气泡 (浸流) 缩小插入孔径 浸流的波形状 焊剂的预热 气体的泄气孔腐蚀腐蚀 (浸流) (软熔) 使用弱活性型的焊剂 焊接后的基板洗涤 选定强于腐蚀的焊料材质迁移迁移 (浸流) (软熔) 焊接后的基板洗涤焊料圆角凝固时, 熔点低的Pb和Bi等, 偏析于最后凝固的焊接区界面, 由于凝固的收缩应力剥离 零件引线与插入孔的间隙太大夹着空气。 焊剂热分解时产生的气体脱不透。

26、以下的物质经过长时间腐蚀铜箔和引线 吸了湿的活性焊剂的残渣 空气中的腐蚀性气体(氯气, 亚硫酸气等)基板的电极间在湿的状态下长时间附加直流电压时, 电极间的离子污染物质和水分结合为电解质, 微电流流动, 阳极的金属(Cu或Ag)溶出, 到达阴极析出为金属。此金属成长为树枝状。焊接不妥原因和对策焊接不妥原因和对策(2)(2)主要原因主要原因对策例对策例不妥现象和有关工作法不妥现象和有关工作法技术学校支援内容技术学校支援内容(新产品)焊接区形状, 翘曲对策等熔点, 质量, 设备等综合评价耐热温度, 电极镀层评价等先行实验, 设计试制评价, 设备、工作法条件, 规格设定等质量, 可靠性评价标准设定基

27、板全体, 接合部初期评价热冲击, 高温高湿, 强度等QC承认生产准备, 教育实习完毕, 生产, 质量管理体制完备日常、定期管理, 检点, 改善导入批量生产设备导入批量生产设备, , 确定制造规格确定制造规格批量生产试验批量生产试验, , 批准批准质量评价质量评价( (外观外观, , 强度强度) )质量评价质量评价( (可靠性可靠性) )批量生产批量生产试制评价试制评价, , 工作法、设备规格工作法、设备规格, , 选定选定基板设计基板设计基板设计变更基板设计变更选定焊料选定焊料制定导入推进计划制定导入推进计划选定电子零件选定电子零件(现行产品)批量生产质量, 运转等综合评价生产审批工作内容工作

28、内容现状分析, 目标设定, 课题抽出, 推进体制, 投资计划等工作法, 安装条件, 评价标准等导入步骤导入步骤工序导入规格书质量评价方针技术学校讨论会 实习实证 个别支援设计 制造支援工具 技术质量信息提供、制定导入计划制定导入计划( (道路图道路图) )各公司各公司, , 每个事业场整理、运用商品每个事业场整理、运用商品, , 机种机种, , 安装条件安装条件, , 课题课题, , 对应策对应策, , 日程日程 生产量2001年度商品名基板名制造对方台月工作法形态 基板零件材料可靠性(1批)3系6群规格对应基准年度計画焊料装置推进情况对应策( 注)2002年 月事业场无铅焊料导入推进道路图无

29、铅焊料导入推进道路图上期下期安装条件( 注)安装条件种类表 安装条件种类表 実装条件( 注 ）対応策注）実装形態 （ 群 ）装置仕様片面片面 （ A 付 部品 ）（民生用） - - 両面 B面 大耐熱条件産業用 - - - 以上 狭付部品大 （ . mm 以下 ）特殊 - 混載未満 C 局部加熱付部品下面大高熱容量 - - 2 （ 、光 ）以上（他部品昇温差大）他付部品上面大弱耐熱他 - 用未満（以下） - - 用付部品両面弱耐熱他（以下）局部加熱 D特殊、光部品信頼性材料工 法 （ 系 ）基板紙 両面多層工作法(3系)R 软熔F 浸流R/F 软熔浸流混载H 局部加热(钎焊烙铁, 光束)E 其

30、他安装形态(6群)A SMD单面软熔B SMD两面软熔C 带引线零件D 带引线零件下面SMDE 带引线零件上面SMDF 带引线零件两面SMD安装条件(注)基板A 单面B 明信片以上大C 不够明信片大D 明信片以上大E 不够明信片大两面多层纸酚环氧玻璃环氧玻璃复合材料环氧玻璃ALIVH软性其他零件可靠性材料( 只有带引线零件)B 有浸流面1有耐热条件2有狭间距(0.65间距以下)C 有软熔1有高热容量(与其他零件的温度差大)2 有弱耐热(230以下)3 有弱耐热(220以下)D 特殊(A 消费用)B 产业用C 有特殊其他无铅焊料的选定无铅焊料的选定选定条件选定条件MUST: MUST: 电、机械

31、特性电、机械特性, , 质量、可靠性质量、可靠性, , 环境负荷环境负荷WANT: WANT: 焊接性焊接性( (熔点熔点, , 濡湿濡湿 ), ), 安装性安装性, , 费用费用, , 专利及其他专利及其他选定经过选定经过Sn-Sn-Pb Pb Sn- Sn-X X 由于由于SnSn单体为高熔点单体为高熔点( (232)232)1. 1. SnSn元系选定元系选定: :Sn-AgSn-Ag系系(221)(221)基本组成基本组成Sn-CuSn-Cu(227)(227)浸流用浸流用( (低费用低费用) )2. 2. Sn-AgSn-Ag系改良系改良: : Sn-Ag-Cu Sn-Ag-Cu (

32、218)(218)浸流浸流、软熔软熔( (共同使用共同使用、高高强度强度) )Sn-Ag-Bi-In Sn-Ag-Bi-In (213)(213)软熔用软熔用( (高高濡湿濡湿) )3. 3. 低熔点化改良低熔点化改良: : Sn-Ag-Bi-InSn-Ag-Bi-In改改 (206)(206)软熔用软熔用 Sn-Zn-BiSn-Zn-Bi (197)(197)软熔用软熔用推奖无铅焊料综合评价推奖无铅焊料综合评价F, R热特性熔点(液相线)183218206(214/3In)197机械特性抗拉强度(室温)蠕变(125)延伸率35%46%30%40%润湿性基板(扩散率)90%85%86%80%质

33、量腐蚀JIS Z 3284 移动JIS Z 3284 绝缘电阻JIS Z 3284 接合强度约1kg(p0.5QFP)可靠性热冲击(强度,组织变化)(正在评价)恒温恒湿6090%安装性作业性设备现状工序管理安装密度安装密度专利注册知财权公知松下千住松下环境共生负荷/资源(优) (劣)F: R:(均热)无无无(MUST)大体价格电特性电阻17cm15cm14cm12cm4.5 kgf/mm25 H4000 H90 H94 H无无无1.01012以上1.01012以上1.01012以上22748%77%松下/日本Superior 无13cm(参考1000H)无1.01012以上现行现行Sn-37P

34、bSn-37PbSn-3Ag-0.5CuSn-3Ag-0.5CuSn3.5Ag0.5Bi8InSn3.5Ag0.5Bi8InSn-8Zn-3BiSn-8Zn-3Bi评价项目评价项目Sn-0.7CuSn-0.7Cu工序F:浸流, R:软熔FF, RRR4.5 kgf/mm26.5 kgf/mm28.1 kgf/mm2高温放置(8In正在评价)3.3 kgf/mm2F, R(千日元/kg)F (0.6)、R(6)F (1)F (1.4)、R (10)R (15)R (11)公知(松下共同) / / / / / 焊接温度193237228220207比现行Sn-37Pb差无铅焊料占优势(MUST)

35、(2002年7月; 参考值)(正在评价)无铅焊料的特性和注意点无铅焊料的特性和注意点向超过现行焊料的高质量、高可靠性无铅焊料技术挑战向超过现行焊料的高质量、高可靠性无铅焊料技术挑战高熔点高熔点( (151540)40)低润湿低润湿( (流动流动) )性，容易氧化性，容易氧化浸流工序软熔工序Sn-Zn-BiSn-PbSn-Cu零件耐热Sn-Ag-CuSn-Ag-Bi-In现行183 00.20.40.6240250260Sn-PbSn-Pb现行Sn-Ag-CuSn-Ag-Cu熔点润湿劣零交叉时间润湿好软熔温度领域浸流温度领域对零件的热损害 再加热剥离, 强度劣化通孔上升, 不润湿架桥焊料球, 空

36、白拉起, 缩孔焊料单价之差属可通过以重新研究改善设计、工作法、工序管理提高材料利用焊料单价之差属可通过以重新研究改善设计、工作法、工序管理提高材料利用率来吸收的范围。价格吸收的工作为重要。率来吸收的范围。价格吸收的工作为重要。上列价格为2002年2月时的大约价格, 随着今后使用量的增大, 估计会降低。焊料的购买价格焊料的购买价格每张基板的焊料材料费的变化每张基板的焊料材料费的变化9501 ,150软熔用烙铁焊接用丝(0 .8)9,5001 3,0005,0007 ,000约3 ,500约1 ,750约3 ,2508,5001 3,00010,0001 5,000约5 501,3501 ,550

37、用途 供应形态价格( 日元 k g )浸流用棒Sn-8Zn-3Bi(比较)Sn-37Pb膏Sn-0.7CuSn-3Ag-0.5Cu(比较)Sn-37Pb材质(比较)Sn-37PbSn-3Ag-0.5CuSn-3Ag-2.5Bi-2.5InSn-0.7CuSn-3Ag-0.5Cu1g80%90%每张基板的成本增高每张基板的20gSn-3Ag-0.5Cu(比较) S n-37Pb大型浸流基板(电视机主基板)小型软熔基板(手提电话基板)Sn-3Ag-0.5Cu(比较) S n-37Pb基板的种类焊料的材质4.5日元材料利用率焊料附着量每张基板的约3 5日 元约1 4日 元约1 日 元约6 .5日 元

38、21日元焊料材料费无铅焊料的价格无铅焊料的价格适于无铅焊料的基板设计适于无铅焊料的基板设计(1)(1)应考虑的无铅焊料的特性应考虑的无铅焊料的特性特性1. 焊接温度高。(比过去的焊料高1015)基板翘曲 电子零件的损伤红眼, 架桥, 芯片分离, 焊料球3. 容易受零件、基板电极的Pb,Bi,Cu等的杂质的影响。(形成低熔点化合物)接合部的剥离, 强度劣化(另外, 由于铜的红眼, 架桥)2. 濡湿性, 扩散性不好。表面张力大。比重小 (扩散性为过去焊料的6090%)对质量的影响图形设计事例图形设计事例( (布线布线, , 焊接区形状焊接区形状) )1. 防止浸流插入零件离开, 红眼 焊接区径小一

39、点过去的焊料 D=d+0.7mm无铅焊料D=d+0.20.4mm2. 防止浸流QFP架桥QFP倾斜45%。设虚设焊接区。圆弧的焊接区的图虚设焊接区基板的前进方向尽可能扩大焊接区间隔, 使邻接部形成点接触。3. 防止软熔芯片分离基本上照过去一样。使保护膜开口部靠近里面。(无铅焊料用焊接区的例)(过去的焊接区例)0.70.80.70.60.80.6适于无铅焊料的基板设计适于无铅焊料的基板设计(2)(2)防止基板翘曲防止基板翘曲基板材质基板材质, , 焊接区表面处理焊接区表面处理零件选定零件选定浸流:大的基板, 承载重量零件的基板, 在基板的中央部分准备可垫上翘曲承(翘曲梁)的空间。 共通:布置零件

40、时考虑尽量使热容量均匀分布。分割用的切痕或薄的多层基板容易受软熔热而翘曲, 考虑形状尺寸。含有Pb或Bi等的校平器处理使接合可靠性降低, 需要代替处理。(Cu预先焊剂, Sn/Cu校平器等)选有260的耐热性的零件(浸流用者为MUST)。软熔用者也尽可能选定高耐热零件。对长的零件(连接器等), 树脂膜的膨胀系数选近于基板者。引线的镀层要不含铅的。备考基板材质干燥条件FR-1(单面) 纸酚 醛树脂1 20 2 hFR-1(银贯穿孔) 纸吸湿条件CEM-3(双面) 复合上述干燥后FR-4(双面) 环氧 玻璃4 0 9 0 % RHFR-4(多层) 环氧 玻璃吸湿量0 . 2 %2502702502

41、45245270280280240以下耐热温度( 软熔峰值 温度)干燥状态吸湿状态240以下也要注意基板耐热。特别是关于吸湿状态下的软熔峰值温度, 参阅下表。1.1. 耐热性耐热性因为焊接温度比过去高(要看焊料材料, 浸流工作法高010, 软熔工作法高1020), 耐热保证温度(化学的, 电的, 机械的)要高。2. 2. 端子涂层的焊接性良好端子涂层的焊接性良好1. 要与无铅焊料的接合性(濡湿性, 接合强度)良好。2. 不要与无铅焊料反应而形成强度低的合金层。 3.3. 不溶解有害杂质于浸流不溶解有害杂质于浸流焊料浴焊料浴溶出于浸流焊料浴中时, 要不降低焊接质量。特别是, 要绝对避免含铅的镀层

42、。4. 4. 其本身无铅其本身无铅露出的端子(电极, 引线)不用说, 连内部连接也以不用含Pb焊料为佳。(虽然目前还不能充分实现)5.5. 不产生金属须不产生金属须不要由于无铅化, Sn成分提高的结果, 长期高温高湿下产生金属须。适应无铅焊料零件的选定适应无铅焊料零件的选定铅焊料铅焊料无铅焊料无铅焊料无铅焊料涂层无铅焊料涂层铅焊料涂层铅焊料涂层现状现状 电极镀层的无铅化电极镀层的无铅化 提高焊料耐热性提高焊料耐热性 根据根据“接合质量评价方针接合质量评价方针”的评价的评价, , 批准批准电子零件电极涂层电子零件电极涂层焊料焊料适应无铅焊料零件的现状适应无铅焊料零件的现状软熔工作法比浸流工作法长

43、时间暴露于高温之下软熔工作法比浸流工作法长时间暴露于高温之下, , 因此对电子零件的热影响大。因此对电子零件的热影响大。象下列的零件象下列的零件, , 目前还不能说有足够耐热性目前还不能说有足够耐热性, , 因此于选定、采用的时候因此于选定、采用的时候, , 要向要向厂家索取最新信息研究厂家索取最新信息研究, , 并且在自己公司内以实际基板实验。并且在自己公司内以实际基板实验。耐热性不够的时候耐热性不够的时候, , 要研究采用低熔点焊料要研究采用低熔点焊料, , 或点焊接工作法。或点焊接工作法。电子零件电子零件分立零件半导体组件镀层材质镀层材质Sn, Sn-Cu, Au等Sn-Bi, Sn-A

44、g-Bi-Cu, Au等耐热性耐热性250260 510s程度230250 510s程度弱耐热零件例弱耐热零件例软熔加热限制例软熔加热限制例铝电解电容6.3以下 Max.250 10s以内 8 以上 Max.235 10s以内LED, 电位器255以上 10s以内, 220以上 40s以内升温速度 4/s以内BGA,CSPCPUMax.220Max.240材料工序导入规格的决定材料工序导入规格的决定02.10(予定)工序工序发行日期发行日期推奖焊料材料推奖焊料材料( (熔点熔点, , 适用适用) )浸流浸流00.601.500.601.5Sn-CuSn-Cu(227, 低费用)Sn-Ag-Cu

45、Sn-Ag-Cu(218, 高润湿、强度)Sn-Zn-BiSn-Zn-Bi(197, 弱耐热)Sn-Ag-CuSn-Ag-Cu(218, 高润湿、强度)Sn-Ag-Bi-InSn-Ag-Bi-In(213, 高润湿)()()(206, 高润湿)软熔浸流软熔浸流 混载混载01.5Sn-Ag-CuSn-Ag-Cu(218, 高润湿、强度)软熔软熔()()必须彻底活用必须彻底活用, , 进化根据实用化实际成绩的材料工序导入规格书。进化根据实用化实际成绩的材料工序导入规格书。02.6每个共通工序的接合质量课题每个共通工序的接合质量课题6群(安装形态)单面安装单面安装两面安装两面安装单面安装单面安装两面

46、安装两面安装接合质量课题正在重点工作【共通共通】 接合不润湿接合不润湿, , 焊料球及其他焊料球及其他 对弱耐热零件的对弱耐热零件的热损害热损害【两面特有两面特有】 已软熔面再加热的影响已软熔面再加热的影响 ( (接合剥离接合剥离, , 强度劣化及其他强度劣化及其他) )【共通共通】 接合不润湿接合不润湿, , 缩孔缩孔, , 剥离及其他剥离及其他 不纯物不纯物溶出溶出( (Pb,Cu,BiPb,Cu,Bi及其他及其他) )【两面特有两面特有】 SMDSMD耐热耐热, , 接合不良接合不良 通孔上升不足通孔上升不足【混载特有混载特有】 已软熔面已软熔面再加热再加热的影响的影响 ( (接合剥离接

47、合剥离, , 强度劣化及其他强度劣化及其他) ) 通孔上升不足通孔上升不足, , 拉起拉起3系(工序)浸流浸流( (熔融焊料浸渍熔融焊料浸渍) )软熔软熔( (膏状焊料加热膏状焊料加热) )软熔浸流软熔浸流 混载混载单面安装单面安装两面安装两面安装让已经安装电子零件的印刷基板通过熔化状态的浸流焊料槽, 使背面接触焊料的波浪(Wave)的顶部, 附着焊料后, 冷却凝固来粘连接合零件的工作法。浸流焊接装置的构成浸流焊接装置的构成单面基板的时候未加工基板插入零件(C&C)浸流焊接双面基板的时候涂粘接材料 装载表面安装零件 粘接材料硬化 翻转 插入零件(C&C)浸流焊接为了除去焊接表面

48、的金属氧化物, 防止焊料不濡湿或架桥, 在基板背面(焊接面)均匀而且照所定的厚度涂焊剂。有泡沫状喷出的发泡助熔剂和雾状喷雾的喷雾助熔剂。蒸发焊剂中的溶煤并且预热基板。波状喷上熔化焊料使附着于基板背面上。 通常由二波构成。垂直地喷上的一次波濡湿焊接部并且赶走气体。水平地流动的二次波整理附着焊料的波形，防止出角和架桥。冷却凝固焊料。有自然冷却方式和强制冷却方式。由钛合金等制成的钩爪夹着基板，连续输送机带动基板。通常以35的倾斜接触焊料波浪。浸流工序是什么浸流工序是什么助熔剂部预热部冷却部焊料喷流部基板输送部提高预热温度。提高焊料温度。缩短次喷嘴和次喷嘴的间隔防止喷嘴间的基板冷却。在喷流部之上附加遮

49、盖防止放热。对应策对应策濡湿性差濡湿性差表面安装零件的狭窄间隙等阴的部分难于附着焊料。液面水平降低时多发红眼。太上升就在狭窄间隙部产生架桥把次喷嘴部改良为独立多列孔把输送机速度和倾斜角最优化。正确地管理喷流高度(基板泡浸深度)无铅焊料的特征无铅焊料的特征容易引起的质量问题容易引起的质量问题熔点高熔点高Sn-0.7Cu227Sn-3.0Ag-0.5Cu217(比较)Sn-37Pb183与零件耐热温度(240260)之间余裕少，需要严密的温度管理。焊料易于氧化。由于溶进杂质由于溶进杂质, , 脱离共晶点脱离共晶点再凝固时低熔点金属(Pb, Bi等)偏析而产生离开或引起冲击强度低下。通过喷流部后，以

50、冷却扇急冷进行杂质的浓度管理。无铅焊料特有的浸流质量课题无铅焊料特有的浸流质量课题由于由于SnSn成分的比例高成分的比例高, , 产生焊料槽侵食产生焊料槽侵食由于焊料的流动性差，由于焊料的流动性差， 难于获得圆滑的喷流上面或难于获得圆滑的喷流上面或稳定的波峰稳定的波峰由SUS304变更为SUS316。旋转轴和泵用钛制喷嘴形状的研究也有用电磁感应方式等代替泵和螺旋桨预热温度预热温度为确保良好润湿，将足够的预热温度保持在一定的范围内是特别重要的。焊料槽温度焊料槽温度要求基板表面的零件温度保持在低于保证的耐热温度，同时确保基板背面温度为250。缩短两个喷流部之间的距离，确保把第1波与第2波之间的温度

51、下降控制在55以内。使用Sn-Ag-Cu焊料时，也可以停止使用第1波。250195100停止使用1次喷流时预热第2波喷流喷流之间第1波喷流332542512522249250248245212461244242焊料槽温度250252254Sn-Ag-CuSn-Pb共晶110101001010020Sn-Cu设定浸流工序条件设定浸流工序条件(1)(1)基板温度废品率基板背面温度基板背面温度焊接废品率Sn-Ag-CuSn-Pb共晶254225422405Sn-Cu设定浸流工序条件设定浸流工序条件(2)(2)传送带倾斜角传送带倾斜角传送带速度传送带速度速度太慢会造成QFP端子部短路，速度太快会造成焊

52、接区露出铜板和连接部短路。应该全面平衡焊接质量和生产率，然后决定传送带速度。根据经验，跟原来的Sn-Pb共晶焊料速度相同就可以了。(1.21.8m/min)在35范围内，边观察凸起形状和焊接质量，边发现最佳值。焊料浸渍深度焊料浸渍深度无铅焊料清除浮渣的次数较多，液面容易下降。一旦液面下降后，露出铜板的缺陷会急骤增加，因此，液面管理特别重要。 液面高度管理范围标准高度0.5mm必须通过添加焊料来调整。00.18 0.20.38 0.40.58 0.60.78焊料液面降低 (mm) 焊料液面管理焊料液面管理红眼睛 短路 调谐器短路 最优领域一次喷流 一次波 一次喷嘴 二次喷嘴 0.10.8mm二次

53、喷流0.81.6mm印刷基板t1.6mm二次波 浸渍过浅会造成润湿不足，浸渍太深会造成溢出表面。调整方法 控制液面高度 喷流泵压力 喷嘴单元的安装高度。焊接废品率浸流工序导入规格概要浸流工序导入规格概要管理点、留意点 印刷基板 确认基板表面处理焊剂与二次焊剂之间是否有互熔性和基板是否吸潮氧化。在改善两面和多层基板的润湿性、扩散性方面，Sn-Cu系的矫平处理也是富有成效的。(NIHON SUPERIOR SN100L)在使用经过含Bi或Pb的电镀镀层处理后的电子零件时，应该事先确认接合可靠性。原则上选择无铅镀层品。零件安装机推奖焊剂田村化研CF-110VH-2A加热器部件 预热温度 11010预

54、热温度 100 10推奖焊料 推奖焊料 焊料槽内不纯物的使用极限浓度(应该定期进行成分分析)Cu0.41.0%、 Bi0.20以下 Cu1.0以下、 Bi0.05以下 Ag2.83.2Ag0.05以下 基板从焊接装置出来后，进行强制性空冷。钎焊烙铁温度37010。附带温度控制功能的为5080W。推荐丝状焊料千住金属 M705推奖钎焊丝：NIHON SUPERIOR SN100C直径 0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0mm使用插件测试器。注意探测针端头磨损。M708NP303T使用Sn-Ag-Cu系焊料时使用Sn-Cu系焊料时初期投入用批量生产追加用初期投入用 批量生产追加用钎焊烙铁

55、钎焊丝 检查装置 Nihon Genma 直径0.3、0.6、1.2mmNP303冷却风扇构件设备 工序流程 电子零件 焊剂棒状焊料 Pb0.30以下、Zn0.01以下 Pb0.50以下、Zn0.01以下 SN100CSN100CeNIHON SUPERIOR 千住金属M705接受基板 电子零件 安装零件 焊剂 涂焊剂 预热 焊料 焊接 冷却 检点修理 检查 浸流工序、设备最佳化事例浸流工序、设备最佳化事例对由于高熔点对由于高熔点, , 低润湿性低润湿性, , 不纯物熔融的质量课题的全面解决不纯物熔融的质量课题的全面解决P1 1次次 2 2次喷流喷嘴次喷流喷嘴250100无铅焊料现行Sn-Pb

56、 预热预热, , 约提高约提高2020 1 1次喷嘴独立多列孔次喷嘴独立多列孔( (高润湿性高润湿性) ) 2 2次喷嘴间狭间距次喷嘴间狭间距( (抑制温度下降抑制温度下降), ), 管理、检查液面高度管理、检查液面高度( (0.5)0.5) 冷却冷却 不纯物管理基准、检查不纯物管理基准、检查( (Pb, Cu, BiPb, Cu, Bi) ) 清除氧化物清除氧化物无变化无变化Sn-10Pb和S n-2Bi镀 层零件的发生率较低。Sn1.5Cu镀层零件超过0 . 4 后，会经常发生。到0 .7 为止不降低。基板与焊接区之间发生破坏(剥离) 。到0 .6 为止不降低。基板与焊接区之间发生破坏(剥

57、离) 。CuSn-10Pb镀层零件超过0 . 2 后，增加。Sn-2Bi和S n-1.5Cu镀 层零件在0.7范围内不受影响。融点升高，容易发粘、发生架桥和悬挂。Sn-10Pb镀层零件即使是在低浓度情况下也会经常发生。Sn-2Bi和S n-1.5Cu镀 层零件从0.4开始会经常发生。Pb,Bi缩孔( 裂纹 ) 发生率接合强度( 拉拔引线 )焊料种类焊接性拉起发生率不纯物共通Sn-CuS n-Ag-CuPb,Bi管理极限管理极限熔入不纯物的原因熔入不纯物的原因成分检查方法成分检查方法不纯物造成的影响不纯物造成的影响浸流焊料槽内熔入不纯物后，会造成质量下降出现废品，因此，在批量生产时必须注意管理。

58、以下为目标值，应该确认每个产品的质量后再作出决定。无铅焊料的熔体温度通常高于原来的Sn-Pb共晶焊料，因此，有较多的Cu从基板焊接区熔入。电子零件的引线镀层中含有的Pb和Bi等金属熔入。(当然，这里也预计到会混用Sn-Pb镀层零件)焊料槽内误投入原来的含铅焊料。每周用不纯物简易检测器进行1次抽样检查，当Cu浓度超过管理极限时，投入低Cu成分的焊料。Pb和Bi的成分超过时，部分或全部更换熔融焊料。不纯物成分Cu0.85%以下0.85%以下Pb0.30%以下0.50%以下Bi0.20%以下0.05%以下Ag3.2%以下0.05%以下Zn0.01%以下0.01%以下使用S n -Cu焊 料 时使用S

59、 n -Ag焊 料 时PbPb、BiBi、CuCu基板浸流工序不纯物管理、检查浸流工序不纯物管理、检查Pb,Bi使用Sn-Ag-Cu系焊料时使用Sn-Cu系焊料时焊接情况1天数次目视温度分布图调整设备是否在容许范围内。是否达到正确值。每天开始运转时熔融焊料不纯物浓度焊料液面高度焊料喷流高度每天开始运转时发生焊接废品时每周1 2次发生焊接废品时贴有热电偶的基板焊接装置的温度计尺、或者浮子波高栓不纯物检测器方法检查要领次数管理项目是否有架桥、悬挂( 角状物) 、 露出铜板、不润湿、裂纹和拉起等缺陷。基板的浸渍深度是否达到正确值。熔融焊料的成分是否在容许范围内。基板变换时每天开始运转时浸流工序批量生

60、产管理要领浸流工序批量生产管理要领不純物Pb浓度NG(不行)时浓度浸流工序不纯物检测器浸流工序不纯物检测器 作为使用浸流焊料进行批量作为使用浸流焊料进行批量生产质量管理的工具，必须生产质量管理的工具，必须每天实施检查、数据分析。每天实施检查、数据分析。利用混入利用混入PbPb、BiBi等不纯物后焊料熔解开等不纯物后焊料熔解开始温度、凝固结束温度降低的特点，始温度、凝固结束温度降低的特点，表示浸流焊料槽取样的焊料熔解温度曲表示浸流焊料槽取样的焊料熔解温度曲线。同时，判断是否符合标准值。线。同时，判断是否符合标准值。焊料不纯物传感器焊料通过使用芝麻分离氧化物后的再利用焊料通过使用芝麻分离氧化物后的再利用经特殊加工处理后