无铅焊接的特点及工艺控制(共100页).PPT

1、 100200 sec焊膏类型焊膏类型铅锡焊膏铅锡焊膏（63Sn37Pb）无铅焊膏无铅焊膏（Sn -Ag -Cu）升温区升温区温度温度25100 0C25110 0C时间时间6090 sec100200 sec工艺窗口工艺窗口要求缓慢升温要求缓慢升温预热区预热区温度温度100150 0C110150 0C时间时间6090 sec4070 sec快速快速升温区升温区温度温度150183 0C150217 0C时间时间3060 sec5070 sec工艺窗口工艺窗口30 sec20 sec回流回流（焊接区）（焊接区）峰值温度峰值温度210230 0C235245 0CPCB极限温度（极限温度（FR

2、-4）240 0C240 0C工艺窗口工艺窗口240-210= 300C240-235= 5 0C回流时间回流时间6090 sec5060 sec工艺窗口工艺窗口30 sec10 sec 熔点高，要求无铅焊接设备耐高温，抗腐蚀。要求助熔点高，要求无铅焊接设备耐高温，抗腐蚀。要求助焊剂耐高温。焊剂耐高温。 从温度曲线可以看出：无铅工艺窗口小。从温度曲线可以看出：无铅工艺窗口小。 无铅焊接的工艺窗口比铅锡焊膏小，要求无铅焊接的工艺窗口比铅锡焊膏小，要求PCB外表外表温度更均匀。要求焊接设备横向温度均匀。温度更均匀。要求焊接设备横向温度均匀。 a 25110 /100200 sec，110150/4

3、070 sec，要求缓，要求缓慢升温，使整个慢升温，使整个PCB温度均匀，减小温度均匀，减小PCB及大小元器件及大小元器件t，因此要求焊接设备升温、预热区长度要加长。，因此要求焊接设备升温、预热区长度要加长。 b 150217/5070sec快速升温区助焊剂浸润区。快速升温区助焊剂浸润区。有铅焊接从有铅焊接从150升到升到183，升温，升温33，可允许在，可允许在3060 sec之间完成，其升温速率为之间完成，其升温速率为0.551/sec；而无；而无铅焊接从铅焊接从150升到升到217，升温，升温67，只允许在，只允许在5070sec之间完成，其升温速率为之间完成，其升温速率为0.961.3

4、4/sec，要，要求升温速率比有铅高求升温速率比有铅高30%左右，另外由于无铅比有铅的左右，另外由于无铅比有铅的熔点高熔点高34，温度越高升温越困难，温度越高升温越困难， 如果升温速率提不如果升温速率提不上去，长时间处在高温下会使焊膏中助焊剂提前结束活上去，长时间处在高温下会使焊膏中助焊剂提前结束活化反响，严重时会使化反响，严重时会使PCB焊盘，元件引脚和焊膏中的焊焊盘，元件引脚和焊膏中的焊料合金在高温下重新氧化而造成焊接不良，因此要求助料合金在高温下重新氧化而造成焊接不良，因此要求助焊剂浸润区有更高的升温斜率。焊剂浸润区有更高的升温斜率。 c 回流区峰值温度回流区峰值温度235与与FR-4基

5、材基材PCB的极限温度的极限温度240 0C 差工艺窗口仅为差工艺窗口仅为5 。如果。如果PCB外表温外表温度是均匀的，度是均匀的， 那么实际工艺允许有那么实际工艺允许有5 的误差。假假设的误差。假假设PCB外表有温度误差外表有温度误差t 5 ，那么，那么PCB某处已超过某处已超过FR-4基材基材PCB的极限温度的极限温度240，会损坏，会损坏PCB。 对于简单的产品，峰值温度对于简单的产品，峰值温度235240可以满足要可以满足要求；但是对于复杂产品，可能需要求；但是对于复杂产品，可能需要260才能焊好。因才能焊好。因此此FR-4基材基材PCB就不能满足要求了。就不能满足要求了。 在实际回流

6、焊中，如果最小峰值温度为在实际回流焊中，如果最小峰值温度为235，最大峰，最大峰值温度取决于板面的温差值温度取决于板面的温差t，它取决于板的尺寸、厚，它取决于板的尺寸、厚度、层数、元件布局、度、层数、元件布局、Cu的分布以及元件尺寸和热容的分布以及元件尺寸和热容量。拥有大而复杂元件如量。拥有大而复杂元件如CBGA、CCGA等的大、等的大、厚印制板，典型厚印制板，典型t高达高达2025。 为了减小为了减小t，满足小的无铅工艺窗口。炉子的热容量，满足小的无铅工艺窗口。炉子的热容量也是很重要的因素。要求再流焊炉横向温差也是很重要的因素。要求再流焊炉横向温差2，同，同时要求有两个回流加热区。时要求有两

7、个回流加热区。 d 由于焊接温度高，为了防止由于焊点冷却凝固时间过由于焊接温度高，为了防止由于焊点冷却凝固时间过长，造成焊点结晶颗粒长大；另外，加速冷却可以防止长，造成焊点结晶颗粒长大；另外，加速冷却可以防止产生偏析，防止枝状结晶的形成，因此要求焊接设备增产生偏析，防止枝状结晶的形成，因此要求焊接设备增加冷却装置，使焊点快速降温。加冷却装置，使焊点快速降温。 e 由于高温，由于高温，PCB容易变形，特别是拼板，因此对于大容易变形，特别是拼板，因此对于大尺寸的尺寸的PCB需要增加中间支撑。需要增加中间支撑。 f 为了减小炉子横向温差为了减小炉子横向温差t，采取措施：带加热器的导，采取措施：带加热

8、器的导轨、选用散热性小的材料、定轨向炉内缩进等技术。轨、选用散热性小的材料、定轨向炉内缩进等技术。 Cu布线的腐蚀。布线的腐蚀。由于助焊剂涂覆量多，同时由于水基溶剂助焊剂需要充由于助焊剂涂覆量多，同时由于水基溶剂助焊剂需要充分地将水分挥发掉，另外由于高熔点，为了使分地将水分挥发掉，另外由于高熔点，为了使PCBPCB内外内外温度均匀，促进润湿和通孔内的爬升高度，主要措施：温度均匀，促进润湿和通孔内的爬升高度，主要措施： 预热区要加长，提高预热区要加长，提高PCBPCB预热温度到预热温度到100130100130。但提高。但提高预热温度会加快氧化；预热温度会加快氧化；增加中间支撑，预防高温引起增加

9、中间支撑，预防高温引起 PCB PCB变形。变形。增加冷却装置，使焊点快速降温。但对增加冷却装置，使焊点快速降温。但对SnSn锅吹风会影响锅吹风会影响焊接温度，另外降温速度过快容易造成元件开裂尤其焊接温度，另外降温速度过快容易造成元件开裂尤其陶瓷电容。陶瓷电容。，防止，防止PCB降温。降温。，防止由于，防止由于PCB降温造成焊锡凝固，降温造成焊锡凝固，焊接时间焊接时间3 34s； 适当提高波峰高度，适当提高波峰高度，。t双波峰焊实时温度曲线双波峰焊实时温度曲线要密切关注要密切关注Sn-CuSn-Cu焊料中焊料中CuCu比例，比例， CuCu的成分改变的成分改变0.2%0.2%，液相温度改变多达

10、液相温度改变多达66。这样的改变可能导致动力学的。这样的改变可能导致动力学的改变以及焊接质量的改变改变以及焊接质量的改变 。过量过量Cu会在焊料内出现粗会在焊料内出现粗化结晶物，造成熔融焊料的黏度增加，影响润湿性和焊化结晶物，造成熔融焊料的黏度增加，影响润湿性和焊点机械强度。点机械强度。 CuCu比例超过比例超过1%1%，必须换新焊料。由于，必须换新焊料。由于CuCu随工作时间不断增多，随工作时间不断增多， 无铅波峰焊中的无铅波峰焊中的PbPb是有害的质，经常监测焊料中是有害的质，经常监测焊料中PbPb的的比例，要控制焊点中比例，要控制焊点中PbPb含量含量0.05%0.05%。插装孔内上锡可

11、能达不到插装孔内上锡可能达不到75%75%传统传统Sn/Pb 75%Sn/Pb 75%，减，减慢速度和充慢速度和充N2 N2 可以改善。可以改善。波峰焊后分层波峰焊后分层Lift-offLift-off剥离、裂纹现象较严重。剥离、裂纹现象较严重。充充N2N2可以减少焊渣的形成，可以不充氮气可以减少焊渣的形成，可以不充氮气N2N2，但，但一定要比有铅焊接更注意每天的清理和日常维护。一定要比有铅焊接更注意每天的清理和日常维护。波峰焊接设备需要对波峰焊部件、加热部件和焊剂管波峰焊接设备需要对波峰焊部件、加热部件和焊剂管理系统进行特殊维护。理系统进行特殊维护。 浸润性差，扩展性差。浸润性差，扩展性差。

12、 无铅焊点外观粗糙。传统的检验标准与无铅焊点外观粗糙。传统的检验标准与AOI需要升级。需要升级。 无铅焊点中气孔较多，尤其有铅焊端与无铅焊料混用时，无铅焊点中气孔较多，尤其有铅焊端与无铅焊料混用时，焊端球上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘，助焊剂排不出焊端球上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘，助焊剂排不出去，造成气孔。但气孔不影响机械强度。去，造成气孔。但气孔不影响机械强度。 缺陷多缺陷多由于浸润性差，使自定位效应减弱。由于浸润性差，使自定位效应减弱。 浸润性差，要求助焊剂活性高。浸润性差，要求助焊剂活性高。 无铅焊点润湿性差无铅焊点润湿性差要说服客户理解。要说服客户理解。 气孔多气孔多 外观粗糙外观粗糙 润

13、湿角大润湿角大 没有半月形没有半月形 Lead Free InspectionLead Free Solder PasteGrainy Surface外表粗糙Leaded Solder PasteSmooth & Shiny Surface外表光滑、光亮Wetting is Reduced with Lead FreeStandard Eutectic Solder JointLead Free Solder JointTypical Good Wetting Visible FilletReduced WettingNo Visible Fillet 耐耐350 以上高温，抗腐蚀。以

14、上高温，抗腐蚀。 设备横向温度均匀，横向温差设备横向温度均匀，横向温差2，必要时对导，必要时对导轨加热或采用特殊材料的导轨。轨加热或采用特殊材料的导轨。 升温、预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。升温、预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。 要求有两个回流加热区或提高加热效率。要求有两个回流加热区或提高加热效率。增加冷却装置，使焊点增加冷却装置，使焊点快速降温。快速降温。对于大尺寸的对于大尺寸的PCB需要增加中间支撑。需要增加中间支撑。增加助焊剂回收装置，减少对设备和环境的污染。增加助焊剂回收装置，减少对设备和环境的污染。 耐高温，抗腐蚀，耐高温，抗腐蚀，。并。并 预热区长度要加长，满足缓慢

15、升温的要求。预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。 预热区采用热风加热器或通风，有利于水汽挥发。预热区采用热风加热器或通风，有利于水汽挥发。 增加冷却装置，使焊点增加冷却装置，使焊点快速降温。快速降温。 充充N N2 2可以减少焊渣的形成。可以减少焊渣的形成。 增加助焊剂回收装置，减少对设备和环境的污染。增加助焊剂回收装置，减少对设备和环境的污染。 耐高温，抗腐蚀耐高温，抗腐蚀 提高加热效率。提高加热效率。 增加底部预热面积和预热温度，尽量使增加底部预热面积和预热温度，尽量使PCB温度均匀。温度均匀。 无铅焊膏的浸润性远远低于有铅无铅焊膏的浸润性远远低于有铅 焊膏；焊膏； 无铅焊膏的助焊剂含量

16、通常要高于有铅焊膏，无铅无铅焊膏的助焊剂含量通常要高于有铅焊膏，无铅合金的比重较低；合金的比重较低； 由于缺少铅的润滑作用，焊膏印刷时填充性和脱膜由于缺少铅的润滑作用，焊膏印刷时填充性和脱膜性较差。性较差。 TLW 开口宽度开口宽度(W)/模板厚度模板厚度(T)1.5 开口面积开口面积(WL)/孔壁面积孔壁面积2(L+W)T 0.66 IPC7525标准标准 0201等高密度的元器件采用激光等高密度的元器件采用激光+电抛光、或电抛光、或电铸更有利于提高无铅焊膏填充和脱膜能力。电铸更有利于提高无铅焊膏填充和脱膜能力。a a一般情况下，印刷工艺不会受到太大的影响。一般情况下，印刷工艺不会受到太大的

17、影响。b b因为无铅的低浸润力问题。回流时自校正因为无铅的低浸润力问题。回流时自校正Self-Self-alignalign作用非常小，因此印刷精度比有铅时要求更高。作用非常小，因此印刷精度比有铅时要求更高。c c无铅焊膏的助焊剂含量高于有铅焊膏，合金的比重较无铅焊膏的助焊剂含量高于有铅焊膏，合金的比重较低，印刷后焊膏图形容易坍塌；另外由于无铅焊剂配方低，印刷后焊膏图形容易坍塌；另外由于无铅焊剂配方的改变，焊膏的粘性和流变性、化学稳定性、挥发性等的改变，焊膏的粘性和流变性、化学稳定性、挥发性等也会改变。因此有时需要调整印刷工艺参数。特别对于也会改变。因此有时需要调整印刷工艺参数。特别对于大尺寸

18、大尺寸PCBPCB、开口尺寸大小悬殊大、以及高密度的产品，、开口尺寸大小悬殊大、以及高密度的产品，有可能需要重新设置印刷参数。有可能需要重新设置印刷参数。d d由于粘性和流变性变化，每次印刷后会有些无铅焊膏由于粘性和流变性变化，每次印刷后会有些无铅焊膏粘附在刮刀上，因此印刷周期可能需要放慢。粘附在刮刀上，因此印刷周期可能需要放慢。 a一般情况下，贴装工艺也不会受到太大的一般情况下，贴装工艺也不会受到太大的影响。影响。b因为无铅的低浸润力问题。回流时自校正因为无铅的低浸润力问题。回流时自校正Self-align作用非常小，因此，贴片精度比作用非常小，因此，贴片精度比有铅时要求更高。精确编程、控制

19、有铅时要求更高。精确编程、控制Z轴高度、轴高度、采用无接触拾取可减小震动等措施。采用无接触拾取可减小震动等措施。c由于无铅焊膏粘性和流变性的变化，贴装由于无铅焊膏粘性和流变性的变化，贴装过程中要注意焊膏能否保持粘着性，从贴装、过程中要注意焊膏能否保持粘着性，从贴装、直到进炉前能否保持元件位置不发生改变。直到进炉前能否保持元件位置不发生改变。虚焊、气孔、立碑等缺陷，还虚焊、气孔、立碑等缺陷，还特点特点对策对策高高温温设备耐高温，加长升温预热区，设备耐高温，加长升温预热区， 炉温均匀，增加冷却区炉温均匀，增加冷却区助焊剂耐高温；助焊剂耐高温；PCB耐高温；元器件耐高温；耐高温；元器件耐高温；增加中

20、间支撑；增加中间支撑；工工艺艺窗窗口口小小预热区缓慢升温，预热区缓慢升温，给导轨加热给导轨加热，减小减小PCB及大小元器及大小元器t；提高浸润区升温斜率，避免助焊剂提前结束活化反应；提高浸润区升温斜率，避免助焊剂提前结束活化反应；尽量降低峰值温度，避免损害尽量降低峰值温度，避免损害PCB及元器件；及元器件；加速冷却，防止焊点结晶颗粒长大加速冷却，防止焊点结晶颗粒长大，避免枝状结晶的形成；避免枝状结晶的形成；对湿敏器件进行去潮处理。对湿敏器件进行去潮处理。润润湿湿性性差差提高助焊剂活性；增加焊膏中助焊剂含量；提高助焊剂活性；增加焊膏中助焊剂含量；增大模板开口尺寸，焊膏尽可能完全覆盖焊盘；增大模板

21、开口尺寸，焊膏尽可能完全覆盖焊盘；提高印刷与贴装精度；提高印刷与贴装精度； 充充N2可以减少高温氧化，提高润湿性。可以减少高温氧化，提高润湿性。 a 不同金属含量的焊膏有不同的温度曲线，应按照焊膏加工厂提供的温度曲线进行设置主要控制各温区的升温速率、峰值温度和回流时间。 b 根据PCB板的材料、厚度、是否多层板、尺寸大小。 c 根据外表组装板搭载元器件的密度、元器件的大小以及有无BGA、CSP等特殊元器件进行设置。d d 还要根据设备的具体情况，例如加热区长度、加热源材还要根据设备的具体情况，例如加热区长度、加热源材料、再流焊炉构造和热传导方式等因素进行设置。料、再流焊炉构造和热传导方式等因素

22、进行设置。热风炉和红外炉有很大区别，红外炉主要是辐射传导，其热风炉和红外炉有很大区别，红外炉主要是辐射传导，其优点是热效率高，温度陡度大，易控制温度曲线，双面优点是热效率高，温度陡度大，易控制温度曲线，双面焊时焊时PCBPCB上、下温度易控制。其缺点是温度不均匀。在同上、下温度易控制。其缺点是温度不均匀。在同一块一块PCBPCB上由于器件的颜色和大小不同、其温度就不同。上由于器件的颜色和大小不同、其温度就不同。为了使深颜色器件周围的焊点和大体积元器件到达焊接为了使深颜色器件周围的焊点和大体积元器件到达焊接温度，必须提高焊接温度。温度，必须提高焊接温度。热风炉主要是对流传导。其优点是温度均匀、焊

23、接质量好。热风炉主要是对流传导。其优点是温度均匀、焊接质量好。缺点是缺点是PCBPCB上、下温差以及沿焊接炉长度方向温度梯度不上、下温差以及沿焊接炉长度方向温度梯度不易控制。易控制。e e 还要根据温度传感器的实际位置来确定各温区的设还要根据温度传感器的实际位置来确定各温区的设置温度。置温度。f f 还要根据排风量的大小进行设置。还要根据排风量的大小进行设置。g g 环境温度对炉温也有影响，特别是加热温区短、炉环境温度对炉温也有影响，特别是加热温区短、炉体宽度窄的再流焊炉，在炉子进出口处要防止对流体宽度窄的再流焊炉，在炉子进出口处要防止对流风。风。a简单的产品的无铅回流焊温度曲线 根据再流焊技

24、术标准对再流焊炉进行参数设置包括各温区的温度设置、传送速度、风量等，但这些一般的参数设置对于许多产品的焊接要求是远远不够的。例如较复杂的印制板要使最大和最小元件都能到达0.54m界面合金层厚度，当PCB进炉的数量发生变化时、当环境温度或排风量发生变化时、当电源电压和风机转速发生波动时，都可能不同程度的影响每个焊点的实际温度。因此如果产生的实时温度曲线接接近于上限值或下限值，这种工艺过程就不稳定。由于工艺过程是动态的，即使出现很小的工艺偏移，也可能会发生不符合技术标准的现象。由此可见，再流焊炉的参数设置必须以工艺控制为中心，避开技术标准极限值。这种经过优化的设备设置可容纳更多的变量，同时不会产生

25、不符合技术标准的问题。 1 AOI设备产生两种类型的过程控制信息 定量的信息，如元件偏移的测量等 定性信息，可通过直接报告缺陷信息来决定全部装配过程的品质。该信息可用于决定制造过程的系统缺陷。2 AOI具有强大的统计功能 能够直接统计出ppm数据3 AOI能够直接生成控制图 左图是一个总结Pareto图分类的缺陷的报告。该图告诉过程工程师什么类型的缺陷正在出现。在本例中，最重要的缺陷是桥接，它占了缺陷的42%。线性图显示与Pareto条形图有联系的缺陷的累积百分率。它说明最多的三种缺陷占产品上发生的错误的75%。如果这些缺陷被消除，那么可得到重大的过程改进。 左图显示通过逐个位置的检查特殊缺陷

26、的发生，工程师可更好地分析缺陷的根源。在本例中，。由于这个至关重要，缺陷的根源将要求进一步的调查。 特点特点对策对策高高温温设备耐高温，抗腐蚀，加长预热区，设备耐高温，抗腐蚀，加长预热区， Sn锅温度均匀，增加冷锅温度均匀，增加冷却装置却装置助焊剂耐高温；助焊剂耐高温；PCB耐高温；元器件耐高温耐高温；元器件耐高温工工艺艺窗窗口口小小选择低选择低Cu合金，在合金中添加少量合金，在合金中添加少量Ni可增加流动性和延伸率可增加流动性和延伸率监测监测Sn-Cu焊料中焊料中Cu的比例，应的比例，应1%；监测焊料中监测焊料中Pb的比例，要控制焊点中的比例，要控制焊点中Pb含量含量0.05%；PCB充分预

27、热（充分预热（100130），减小），减小PCB及大小元器件及大小元器件t；加速冷却，防止焊点结晶颗粒长大加速冷却，防止焊点结晶颗粒长大，避免枝状结晶的形成。避免枝状结晶的形成。润润湿湿性性差差提高助焊剂活性；提高助焊剂的活化温度提高助焊剂活性；提高助焊剂的活化温度增加一些助焊剂涂覆量；增加一些助焊剂涂覆量；注意注意PCB与元器件的防潮、防氧化保存。与元器件的防潮、防氧化保存。充充N2可以减少焊渣的形成。可以减少焊渣的形成。AB 无铅返修相当困难，主要原因：无铅返修相当困难，主要原因： 无铅焊料合金润湿性差。无铅焊料合金润湿性差。 温度高温度高(熔点从熔点从183 上升到上升到 217) 简单

28、简单PCB235，复杂，复杂PCB260 由于手工焊接暴露在空气中焊接，散热快，因此无由于手工焊接暴露在空气中焊接，散热快，因此无铅焊接烙铁头温度需要在铅焊接烙铁头温度需要在280360 左右左右 工艺窗口小。工艺窗口小。 造成造成PCB和元件损坏的最高温度没有变化和元件损坏的最高温度没有变化 ( 290) 选择适当的返修设备和工具选择适当的返修设备和工具 正确使用返修设备和工具正确使用返修设备和工具 正确选择焊膏、焊剂、焊锡丝等材料正确选择焊膏、焊剂、焊锡丝等材料 正确设置焊接参数正确设置焊接参数() 适应无铅焊料的高熔点和低润湿性。同时返修适应无铅焊料的高熔点和低润湿性。同时返修过程中一定要小心，过程中一定要小心，