4-无铅电子焊接技术介绍

1、无铅电子焊接技术介绍顾霭云2006年12月“无铅焊接技术”从有铅产品转到无铅产品是个复杂的过程，涉及到： 焊接材料（无铅合金、助焊剂） 电子元器件 印制板（材料、镀层） 无铅制程 可靠性 成本等方面的挑战内容 一无铅焊料合金、 PCB焊盘及元件焊端表面镀层 二无铅焊接的特点 三无铅焊接带来的问题 四关于过度时期无铅和有铅混用时可靠性讨论 五无铅焊接必须考虑相容性(材料、工艺、设计)一无铅焊料合金、 PCB焊盘及元件焊端表面镀层1. 目前应用最多的无铅焊料合金目前应用最多的用于再流焊的无铅焊料是三元共晶或近共晶形式的Sn-Ag-Cu焊料。Sn(34)wt%Ag(0.50.7)wt%Cu是可接受的

2、范围，其熔点为217左右。美国采用Sn3.9Agwt%0.6wt%Cu无铅合金欧洲采用Sn3.8Agwt%0.7wt%Cu无铅合金日本采用Sn3. 0Agwt%0.5wt%Cu无铅合金Sn-0.7Cu-Ni焊料合金用于波峰焊。其熔点为227。手工电烙铁焊大多采用Sn-Cu、Sn-Ag或Sn-Ag-Cu焊料。2. PCB焊盘表面材料有铅无铅Sn/Pb热风整平（HASL）无铅HASLNi/Au（化学镀Ni和浸镀金ENIG ， 俗称水金板）Ni/AuCu表面涂覆OSPCu表面涂覆OSP浸银（IAg）浸银（IAg）浸锡（ISn）3. 元器件焊端表面镀层材料有引线元件引线材料有引线元器件焊端表面镀层材料

3、无引线元器件焊端表面镀层材料有铅无铅有铅无铅CuSn/PbSnSn/PbSnNiNi /AuNi42号合金钢Ni/Pd/AuNi/Pd/AuSn/AgSn/AgSn/Ag/CuSn/Ag/CuSn/Ag/BiSn/Ag/Bi二无铅焊接的特点高温工艺窗口小润湿性差Sn63Pb37与SnAg3.8Cu0.7性能比较合金成分密度g/mm2熔点膨胀系数10-6热传导率Wm-1K-1电导率%IACS电阻系数M-cm表面张力260mNm-1Sn63Pb378.518323.95011.515481SnAg3.8Cu0.77.521723.573.215.611548 浸润性差 应对措施：改良助焊剂活性修改

4、模板开口设计提高印刷、贴装精度 无铅焊点的特点 浸润性差，扩展性差。 无铅焊点外观粗糙。传统的检验标准与AOI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，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。 缺陷多由于浸润性差，使自定位效应减弱。浸润性差，要求助焊剂活性高。 Lead Free InspectionLead Free Solder PasteGrainy Surface表面粗糙Leaded Solder PasteSmooth & Shiny Surface表面光滑、光亮Wetting is Reduced with Lead

5、 FreeStandard Eutectic Solder JointLead Free Solder JointTypical Good Wetting Visible Fillet润湿好Reduced WettingNo Visible Fillet润湿减少无铅再流焊焊点无铅波峰焊焊点插装孔中焊料填充不充分 无铅焊接常见缺陷三无铅焊接带来的问题 元件：要求元件耐高温，焊端无铅化。PCB：PCB基材耐更高温度，不变形，表面镀覆无铅化助焊剂：更好的润湿性，要与预热温度和焊接温度相匹配，并满足环保要求。焊接设备：要适应新的焊接温度要求，抑制焊料高温氧化工艺:印刷、贴片、焊接、清洗、检测都要适应无

6、铅要求 可靠性问题：机械强度、锡须、分层Lift-off废料回收和再利用：从含Ag的Sn基无铅焊料中回收Bi和Cu是十分困难的，回收Sn-Ag系合金是一个新课题。 无铅焊接带来的问题高温损坏元件PCB 龟裂、气泡、分层焊点机械强度无铅焊料硬度比有铅硬，因此强度高。但不等于高可靠。在应力低的地方，大多数民用、通信等领域，无铅焊点的机械强度比有铅的可靠性好；在应力高的地方，例如军事、高低温、低气压等恶劣环境下，由于无铅蠕变大，因此无铅比有铅的可靠性差。关于无铅焊点的可靠性（包括测试方法）还在最初的研究阶段。目前一般认为：民品达到三年寿命就可以了。无铅焊点的可靠性与含铅焊点一样或更好一些 ，这个说法

7、正确吗？部分正确。在大部分研究中，无铅焊料的可靠性和含铅焊料一样或者更好。摩托罗拉公司在市场上投放了大约一百万部无铅蜂窝电话，有一些是四年前投放的，可靠性与使用含铅焊料的蜂窝电话一样，或者更好。然而，一些研究显示，在撞击、跌落测试中，用无铅焊料装配的结果比较差。非常长期的可靠性也较不确定。这方面的一个问题是，无铅焊料中铜的高溶解性会在铜焊料的界面上产生“空洞”。随着时间的推移，这些空洞有可能会削弱焊点的可靠性。 与锡铅钎料相比，无铅钎料最大的不同是在再流焊和随后的热处理及热时效过程中金属间化合物会进一步长大，从而影响长期可靠性。CuCu3SnCu6Sn5Sn-Ag-CuSn-Ag-Cu与Cu焊

8、接钎缝组织空洞四关于过度时期无铅和有铅混用时可靠性讨论(a)无铅焊料与有铅焊端混用的问题无铅焊料中的Pb对长期可靠性的影响是一个课题，需要更进一步研究。初步的研究显示：焊点中Pb含量的不同对可靠性的影响是不同的，当含量在某一个中间范围时，影响最大，这是因为在最后凝固形成结晶时，在Sn枝界面处，有偏析金相形成，这些偏析金相在循环负载下开始形成裂纹并不断扩大。例如：25的Pb可以决定无铅焊料的疲劳寿命，但与Sn-Pb焊料相比，可靠性相差不大。有铅焊球与无铅焊料混用时“气孔多”有铅焊球与无铅焊料混用时，焊球上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘与元件焊端，助焊剂排不出去，造成气孔。气孔183217(b)有铅焊料

9、与无铅焊球混用的质量最差有铅焊料与无铅焊球混用时，如果采用有铅焊料的温度曲线，有铅焊料先熔，而无铅焊端（球）不能完全熔化，使元件一侧的界面不能生成金属间合金层，BGA、CSP一侧原来的结构被破坏而造成失效，因此有铅焊料与无铅焊端混用时质量最差。因此BGA、CSP无铅焊球是不能用到有铅工艺中的。183217解决措施：提高焊接温度到235左右在元件一侧的界面失效五无铅焊接必须考虑相容性(材料、工艺、设计)（1）材料相容性 焊料合金和助焊剂 焊料和元器件 焊料和PCB焊盘涂镀层（2）工艺相容性（再流焊、波峰焊和返修工艺）（3）设计相容性1无铅焊接必须注意材料的兼容性从Sn-Ag-Cu焊料与Cu； S

10、n合金与Ni/Au（ENIG）； Sn系焊料与42号合金钢的界面反应和钎缝组织可看出：不同的焊料合金，甚至同一种焊料合金与不同的金属焊接时的界面反应和钎缝组织都不一样，它们的可靠性也不一样。由于电子元器件的品种非常多，当前正处于过渡时期，特别是元件焊端的镀层很复杂，可能会存在某些元件焊端与焊料的失配现象，造成可靠性问题。因此一定要仔细选择并管理元件。另外，选择 焊料和PCB镀/涂材料同样十分重要。材料相容性举例通常同一块PCB要经过回流焊、波峰焊、返修等工艺。很可能形成不同的残留物，在潮湿环境和一定电压下，可能会与导电体之间发生电化学反应，引起表面绝缘电阻（SIR）的下降。如果有电迁移和枝状结

11、晶生长的出现，将发生导线间的短路，造成电迁移（俗称“漏电”）的风险。 为了保证电气可靠性，需要对不同免清洗助焊剂的性能进行评估，同一块PCB要尽量采用相同的助焊剂。助焊剂不相容可能影响电气可靠性电迁移和枝状结晶造成导线间的短路问题举例有铅工艺也遇到了无铅元器件 BGACSP LLP特别警惕！有的日本元件镀Sn-Bi，必须在无铅焊料中使用。如果焊料中有Pb，Bi与Pb会形成93的熔点，将严重影响可靠性。2无铅产品对元器件的要求必须考虑元件的可焊性和耐焊性必须考虑焊料和元器件表面镀层的相容性BOM表上必须标注的内容：耐温、焊端表面镀层材料、潮敏度等级（有利于加工厂正确选择焊接材料，制定工艺路线，设

12、置温度曲线）3无铅PCB材料与焊盘涂镀层的选择必须考虑高温与PCB材料的相容性必须考虑焊料和PCB焊盘涂镀层的相容性4无铅产品PCB设计无铅PCB设计提倡为环保设计，需要考虑WEEE在选材、制造、使用、回收成本等方面因素，但到目前为止还没有对无铅PCB焊盘设计提出特殊要求，没有标准。有一种说法值得讨论：由于浸润性（铺展性）差，无铅焊盘设计可以比有铅小一些。还有一种说法：无铅焊盘设计应比有铅大一些。业界较一致的看法：（a）为了减小焊接过程中PCB表面t，应仔细考虑散热设计，例如均匀的元器件分布、铜箔分布，优化PCB板的布局。尽量使印制板上t达到最小 值。（b）椭圆形焊盘可减少焊后焊盘露铜现象。过

13、度阶段BGA、CSP采用“SMD”焊盘设计减少“孔洞” SMD NSMDSMD(soldermask defined)NSMD non-soldermask defined）有利于排气不有利于排气（c） BGA、CSP 采用SMD焊盘设计有利于排气。 （d）过度时期双面焊（A面再流焊，B面波峰焊）时， A面的大元件也可采用SMD焊盘设计，可减轻焊点剥离现象。（e）为了减少气孔， BGA、CSP 焊盘上的过孔应采用盲孔技术，并要求与焊盘表面齐平。5 SMD潮湿敏感等级及去潮烘烤原则（1） SMD潮湿敏感等级（2）湿敏元件管理措施（3）去潮烘烤原则（4）去潮处理注意事项（1）SMD潮湿敏感等级敏感

14、性 芯片拆封后置放环境条件 拆封后必须使用的期限 （标签上最低耐受时间）1级 30，90%RH 无限期2级 30，60%RH 1年 2a级 30，60%RH 4周3级 30，60%RH 168小时4级 30，60%RH 72小时5级 30，60%RH 48小时5a级 30，60%RH 24小时（2）湿敏元件管理措施（a）设计在明细表中应注明元件潮湿敏感度（b）工艺要对潮湿敏感元件做时间控制标签（c）对已受潮元件进行去潮处理，去潮后及时使用，剩下的元件在干燥的环境中保存。（d）再流焊时缓慢升温；尽量降低峰值温度；让小元件等着大元件达到焊接条件。（3）湿敏元件去潮烘烤原则a 领料时进行核对器件的潮

15、湿敏感度等级。湿敏元件降级使用，根据温度每提高10，潮湿敏感元件（MSL）的敏感度升一级的推理，过去不被看作湿敏的元件（包括连接器和某些无源元件）也必须谨慎处理。包括PCB受潮处理。b 对于有防潮要求的器件，检查是否受潮。开封后检查包装内附的湿度显示卡，当指示湿度20（在235时读取）,说明器件已经受潮，对受潮器件进行去潮处理。去潮的方法可采用电热鼓风干燥箱，根据潮湿敏感度等级在1251下烘烤1248h。（4）去潮处理注意事项a 应把器件码放在耐高温(大于150) 防静电塑料托盘中进行烘烤；b 烘箱要确保接地良好，操作人员手腕带接地良好的防静电手镯；c 操作过程中要轻拿轻放，注意保护器件的引脚，引脚不能有任何变形和损坏。 对于有防潮要求器件的存放和使用： 开封后的器件和经过烘烤处理的器件必须存放在相对湿度20的环境下（干燥箱或干燥塔），贴装时随取随用；开封后，在环境温度30，相对湿度60的环境下72小时（4级）内完成贴装；当天没有贴完的器件，应存放在233、相对湿度20的环境下。无铅工艺总结： 根据具体产品选择材料，并进行系统评估锡膏（合金和焊剂）器件（焊端和本体材料）基板（基材、焊盘表层和阻焊层）评估现有炉子是否满足无铅要求，了解自炉子的温度分布情况检查并修改PCB焊盘设计（散热、布局），钢网设计严格物