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有鉛焊接到無(wú)鉛焊接需注意事項

日期：2024-06-21 10:32

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摘要：

有鉛焊接到無(wú)鉛焊接需注意事項
有鉛焊接到無(wú)鉛焊接需注意：
傳統的錫鉛焊料在電子裝聯(lián)中已經(jīng)應用了近一個(gè)世紀.Sn63/Pb37共晶焊料的導電性、穩定性、抗蝕性、抗拉和抗疲勞、機械強度、工藝性都是非常優(yōu)良的,而且資源豐富,價(jià)格便宜.是一種極為理想的電子焊接材料.
但由于鉛污染人類(lèi)的生活環(huán)境.據統計,某些地區地下水的含鉛量已超標30倍(允許標準一、無(wú)鉛焊接技術(shù)的現狀
無(wú)鉛焊料合金成分的標準化目前還沒(méi)有明確的規定.IPC等大多數商業(yè)協(xié)會(huì )的意見(jiàn):鉛含量<0.1-0.2WT%(傾向5%時(shí),焊接后在焊占與焊端交界處會(huì )加劇公層LIFT-OFF(剝離、裂紋)現象.LIFT-OFF現象在有鉛元件采用無(wú)鉛波峰焊的工藝中比較多,嚴重時(shí)甚至會(huì )把PCB焊盤(pán)一起剝離開(kāi).因此過(guò)渡階段波峰焊的焊盤(pán)設計可采用SMD(阻焊定義焊盤(pán))方式,用阻焊膜壓住焊盤(pán)四周,這樣可以減輕或避免PCB焊盤(pán)剝離現象.
關(guān)于分層LIFT-OFF(剝離、裂紋)現象的機理還要繼續研究.當焊料、元件、PCB全部無(wú)鉛化后是否不會(huì )產(chǎn)生LIFT-OFF會(huì )現象了,也要繼續研究.
元件的Sn-Pb鍍層發(fā)生的LIFT-OFF
(4) 鉛和有鉛混用時(shí)可靠性討論
①無(wú)鉛焊料中的鉛對長(cháng)期可靠性的影響是一個(gè)課題,需要更進(jìn)一步研究.初步的研究顯示;焊點(diǎn)中鉛含量的不同對可靠性的影響是不同的,當含量在某一個(gè)中間范圍時(shí),影響*大,這是因為在*后凝固形成結晶時(shí),在Sn權界面處,有偏析金相形成,這些偏析金相在循環(huán)負載下開(kāi)始形成裂紋并不斷擴大.例如:2%-5%的鉛可以決定無(wú)鉛焊料的疲勞壽命,但與Sn-Pb焊料相比,可靠性相差不大.無(wú)鉛焊料與有鉛焊端混有時(shí)要控制焊點(diǎn)中鉛含量<0.05%.
目前正處在無(wú)鉛和有鉛焊接的過(guò)度轉變時(shí)期,大部分無(wú)鉛工藝是無(wú)鉛焊料與有鉛引腳的元件混用.在“無(wú)鉛”焊點(diǎn)中,鉛的含量可能來(lái)源于元件的焊端、引腳或BGA的焊球.
無(wú)鉛焊料與有鉛焊端混用時(shí)氣孔多,這是因為有鉛焊端與無(wú)鉛焊料混用時(shí),焊端(球)上的有鉛焊料先熔,覆蓋焊盤(pán),當無(wú)鉛焊料合金熔化時(shí),焊膏中的助焊劑排不出去造成氣孔.對于波峰焊,由于元件引腳脖子Sn-Pb電鍍層不斷融解,焊點(diǎn)中鉛的含量需要進(jìn)行監測.
②有鉛焊接與無(wú)鉛焊端混用的質(zhì)量*差
有鉛焊料與無(wú)鉛焊端混用時(shí)如果采用有鉛焊料的溫度曲線(xiàn),有鉛焊料先熔,而無(wú)鉛焊端(球)不能完全熔化,使元件一側的界面不能生成金屬間合金層,BGA、CSP-側原來(lái)的結構被破壞而造成失效,因此有鉛焊料與無(wú)鉛焊端混用時(shí)質(zhì)量*差.BGA、CSP無(wú)鉛焊球是不能用到有鉛工藝中的.
(5) 高溫對元件的不利影響
陶瓷電阻和特殊的電容對溫度曲線(xiàn)的斜率(溫度的變化速率)非常敏感,由于陶瓷體與PCB的熱膨脹系數CTE相差大(陶瓷:3-5,PCB:17左右),在焊點(diǎn)冷卻時(shí)容易造成元件體和焊點(diǎn)裂紋,元件開(kāi)裂現象與CTE的差異、溫度、元件的尺寸大小成正比.0201、0402、0603小元件一般很少開(kāi)裂,而以上的大元件發(fā)生開(kāi)裂失效的機會(huì )較多.
鋁電解電容對清晰度極其敏感.
連接器和其他塑料封裝元件(如QFP、PBGA)在高溫時(shí)失效明顯增加.主要是分層、爆米花、變形等、粗略統計,溫度每提高10℃,潮濕敏感元件(MSL)的可靠性降1級.解決措施是盡量降低峰值溫度;對潮濕敏感元件進(jìn)行去潮烘烤處理.
(6) 高溫對PCB的不利影響
高溫對PCB的不利影響在第三節中已經(jīng)做了分析,高溫容易PCB的熱變形、因樹(shù)脂老化變質(zhì)而降低強度和絕緣電阻值,由于PCB的Z軸與XY方向的CTE不匹配造成金屬化孔鍍層斷裂而失效等可靠性問(wèn)題.
解決措施是盡量降低峰值溫度,一般簡(jiǎn)單的消費類(lèi)產(chǎn)品可以采用FR-4基材,厚板和復雜產(chǎn)品需要采用耐高溫的FR-5或CEMn來(lái)替代FR-4基材.
(7) 電氣可靠性
回流焊、波峰焊、返修形成的助焊劑殘留物,在潮濕環(huán)境和一定電壓下,導電體之間可能會(huì )發(fā)生電化學(xué)反應,導致表面絕緣電阻(SIR)的下降.如果有電遷移和枝狀結晶(錫須)生長(cháng)的出現,將發(fā)生導線(xiàn)間的短路,造成電遷移(俗稱(chēng)“漏電”)的風(fēng)險.為了保證電氣可靠性,需要對不同免清洗助焊劑的性能進(jìn)行評估.
(8) 關(guān)于無(wú)鉛返修
①無(wú)鉛焊料的返修相當困難,主要原因:
(A)無(wú)鉛焊料合金潤濕性差.
(B)溫度高(簡(jiǎn)單PCB235℃,復雜PCB260℃).
(C)工藝窗口小.
②無(wú)鉛返修注意事項:
(A)選擇適當的返修設備和工具.
(B)正確作用返修設備和工具.
(C)正確選擇焊膏、焊劑、焊錫絲等材料.
(D)正確設置焊接參數.
除了要適應無(wú)鉛焊料的高熔點(diǎn)和低潤濕性.同時(shí)返修過(guò)程中一定要小心,將任何潛在的對元件和PCB的可靠性產(chǎn)生不利影響的因素降至*低.
(9) 關(guān)于過(guò)度時(shí)期無(wú)鉛和有鉛混用情況總結.
(A)無(wú)鉛焊料和無(wú)鉛焊端――效果*好.
(B)無(wú)鉛焊料和有鉛焊端――目前普通使用,可以應用,但必須控制Pb,Cu等的含量,要配制相應的助焊劑,還要嚴格控制溫度曲線(xiàn)等工藝參數,否則會(huì )造成可靠性問(wèn)題.
(C)有鉛焊料和無(wú)鉛焊端――效果*差,BGA、CSP無(wú)鉛焊球是不能用到有鉛工藝中的,不建議采用.
五、過(guò)渡階段有鉛、無(wú)鉛混用應注意的問(wèn)題
1、問(wèn)題舉例
(1) 有鉛工藝也遇到了無(wú)鉛元器件有的SMT加工廠(chǎng),雖然還沒(méi)有啟動(dòng)無(wú)鉛工藝,但是也遇到了無(wú)鉛元器件,特別是BGA/CSP和LLP.有的元件廠(chǎng)已經(jīng)不生產(chǎn)有鉛的器件了,因此采購不到有鉛器件了,這種知道采購的器件是無(wú)鉛的情況還不可怕,因為可以通過(guò)提高焊接溫度,一般提高到230-235℃就可以.還有一種措施可以采用無(wú)鉛焊料和無(wú)鉛工藝,因為目前過(guò)度階段普遍情況是無(wú)鉛焊料和有鉛焊端混用,其可靠性還是可以被接受的.但是*糟糕的是無(wú)意中遇到了無(wú)鉛元器件,生產(chǎn)前沒(méi)有發(fā)現,生產(chǎn)中還是采用有鉛焊料和有鉛工藝,結果非常糟糕,因為有鉛焊料和無(wú)鉛焊端混用效果*差.
(2) 有鉛工藝也遇到純Sn熱風(fēng)整平的PCB.
這種情況也是在無(wú)意中發(fā)生過(guò),結果由于焊接溫度不夠造成質(zhì)量問(wèn)題.
(3) 波峰焊問(wèn)題
波峰焊問(wèn)題比較多,例如目前有鉛工藝遇到無(wú)鉛元器件;無(wú)鉛工藝的插裝孔,導通孔不上錫;分層LIFT-OFF現象較嚴重;橋接、漏焊等缺陷多;錫鍋表面氧化物多.....
2、解決措施
(1) 備料
備料要注意元器件的焊端材料是否無(wú)鉛,如果是無(wú)鉛元器件,一定要弄清楚是什么鍍層材料,特別是BGA/CSP和新型封裝的器件,例如LLP等(有鉛工藝也要注意).
目前無(wú)鉛標準還沒(méi)有完善,因此無(wú)鉛無(wú)器件焊端表面鍍層的種類(lèi)很多,例如日本的元件焊端鍍Sn/Bi層,如果焊料中含有鉛,當鉛含量0.71
(4) 提高貼片精度
(5) 嚴格控制溫度曲線(xiàn),盡量降低峰值溫度;
對潮濕敏感元件進(jìn)行去潮烘烤.
(6) 復雜和高可靠產(chǎn)品采用耐高溫的PCB材料(FR5或其它)
(7) 在N2中焊接比在空氣中焊接的質(zhì)量好,尤其波峰焊采用N2可以減少高溫焊料氧化,減少殘渣,節省焊料.或者加入無(wú)鉛錫渣還原粉,將產(chǎn)生大量的殘渣還原后重復利用,但一定要比有鉛焊接更注意每天的清理和日常維護.

六、有鉛向無(wú)鉛制程轉換過(guò)程中成本控制
在有鉛向無(wú)制程轉換過(guò)程中成本控制主要從機器成本和制程材料消耗成本兩方面考慮.
目前相當多的企業(yè)已購置有鉛焊接工藝所使用的機器(波峰焊)在各種性能及操作性方面已經(jīng)接近無(wú)鉛焊接的工藝要求,將現在所使用的機器關(guān)鍵部分的部件材質(zhì)及尺寸作出對應的改造即可繼續使用在要求不是十分高的電子產(chǎn)品加工工藝當中.

普通波峰焊機改無(wú)鉛波峰焊機可行性分析

普通錫和無(wú)鉛錫的焊接溫度區別:
a普通錫的焊接溫度245℃
b無(wú)鉛錫的焊接溫度270℃

普通錫和無(wú)鉛錫的焊接用助焊劑預熱溫度區別
a普通錫的焊接用助焊劑預熱溫度90℃
b無(wú)鉛錫的焊接用助焊劑預熱溫度110℃

普通錫和無(wú)鉛錫的金屬成分區別
a普通錫的金屬成分Sn/Pb
b無(wú)鉛錫的金屬成分主要是Sn/Ag/Cu或者Sn/Cu

普通錫和無(wú)鉛錫的焊接設備要求區別
:
普通錫的焊接設備要求
無(wú)特別要求:

無(wú)鉛錫的焊接設備要求
a要求機器當中與錫接觸部分本身不能含有鉛的成分.
b要求無(wú)鉛錫的熔爐能夠耐腐蝕的性能較好.
c要求機器的冷卻速度較快

綜合以上要求其對應措施如下

1.機器的材料采用鈦合金材料
2.機器的預熱區長(cháng)度和機器使用的速度成一定比例
3.和無(wú)鉛助焊劑有接觸的部分采用不含鉛成分材料制成
4.將機器的冷卻部分改為冷氣機或將冷卻風(fēng)扇的數量加多

錫爐改造后效果

a完全滿(mǎn)足無(wú)鉛工藝制程各方面的要求
b生產(chǎn)速度和改造之前基本相同

結論
將原來(lái)的普通波峰焊機改造成無(wú)鉛波峰焊機是完全可行而且是節約成本的兩全之策
.
材料消耗方面
目前無(wú)鉛工藝當中采用的釬焊料相對比原來(lái)的焊料成分方面錫的含量增大很多,其合金成分相對有很大的提升.在生產(chǎn)加工過(guò)程中,其錫渣的產(chǎn)生量比原來(lái)普通焊料的產(chǎn)生量也有很大幅度的提高.如果能將錫渣的產(chǎn)生量降低則對于材料消耗方面的成本控制是有益的.
錫渣主要是錫在高溫環(huán)境下和氧氣發(fā)生反應產(chǎn)生的氧化物,通過(guò)物理高溫攪拌可以將大部分的錫氧分離(即錫渣還原),將分離的錫重新使用,也可利用化學(xué)置換還原反應將錫渣中的氧分子置換后還原成純錫而重復使用.
每個(gè)工廠(chǎng)可根據自身的機器及工藝安排等方面綜合考慮得到較好的無(wú)鉛化的道路.
有鉛焊接到無(wú)鉛焊接需注意：

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