【正文】 24無鉛焊接的特點、無鉛產(chǎn)品設(shè)計、無鉛焊接的特點、無鉛產(chǎn)品設(shè)計、模板設(shè)計及工藝控制模板設(shè)計及工藝控制（參考：（參考： [工藝工藝 ]第第 18章；章； [基礎(chǔ)與基礎(chǔ)與 DFM]第第 5章章 ））顧靄云顧靄云內(nèi)容內(nèi)容一．無鉛工藝與有鉛工藝比較一．無鉛工藝與有鉛工藝比較二．無鉛焊接的特點二．無鉛焊接的特點 ⑴ 從再流焊溫度曲線分析無鉛焊接的特點從再流焊溫度曲線分析無鉛焊接的特點 ⑵ 無鉛波峰焊特點及對策無鉛波峰焊特點及對策三．無鉛焊接對焊接設(shè)備的要求三．無鉛焊接對焊接設(shè)備的要求四．四． 無鉛產(chǎn)品設(shè)計及工藝控制無鉛產(chǎn)品設(shè)計及工藝控制 ⑴ 無鉛工藝設(shè)計無鉛工藝設(shè)計 ⑵ 無鉛無鉛 PCB設(shè)計設(shè)計 ⑶ 印刷及印刷及 模板設(shè)計模板設(shè)計⑷⑷ 貼裝貼裝 ⑸ 再流焊再流焊 ⑹ 波峰焊波峰焊 ⑺ 檢測檢測 ⑻ 無鉛返修無鉛返修 ⑼ 清洗清洗一．無鉛工藝與有鉛工藝比較一．無鉛工藝與有鉛工藝比較有鉛技術(shù)有鉛技術(shù) 無鉛技術(shù)無鉛技術(shù)設(shè)備方面設(shè)備方面 印、貼、焊、檢印、貼、焊、檢 只有焊接設(shè)備有特殊要求只有焊接設(shè)備有特殊要求焊接原理焊接原理相同相同工藝流程工藝流程工藝方法工藝方法元器件元器件有鉛有鉛 無鉛無鉛PCB焊接材料焊接材料溫度曲線溫度曲線 工藝窗口大工藝窗口大 溫度高、工藝窗口小溫度高、工藝窗口小焊點焊點 潤濕性好潤濕性好 潤濕性差潤濕性差檢測標(biāo)準(zhǔn)檢測標(biāo)準(zhǔn) IPCA610C IPCA610D管理管理 要求更嚴(yán)格要求更嚴(yán)格通過無鉛通過無鉛 、有鉛比較，正確認(rèn)識無鉛技術(shù)、有鉛比較，正確認(rèn)識無鉛技術(shù)（（ a）無鉛工藝技術(shù)并不是高不可攀的技術(shù)）無鉛工藝技術(shù)并不是高不可攀的技術(shù) 因為基本原理、工藝方法與有鉛技術(shù)是相同的因為基本原理、工藝方法與有鉛技術(shù)是相同的 。（（ b）但由于無鉛的焊接材料、元器件、）但由于無鉛的焊接材料、元器件、 PCB都發(fā)生了變化都發(fā)生了變化，因此工藝參數(shù)必須隨之改變。主要變化是溫度高、工，因此工藝參數(shù)必須隨之改變。主要變化是溫度高、工藝窗口小、潤濕性差、工藝難度大，藝窗口小、潤濕性差、工藝難度大， 容易產(chǎn)生可靠性問容易產(chǎn)生可靠性問題題 ，因此要求比有鉛時更加重視理論學(xué)習(xí)、工藝技術(shù)研，因此要求比有鉛時更加重視理論學(xué)習(xí)、工藝技術(shù)研究、工藝實踐，尤其要掌握關(guān)鍵技術(shù)：印、焊。究、工藝實踐，尤其要掌握關(guān)鍵技術(shù)：印、焊。（（ c）進行設(shè)備改造或添置必要的焊接設(shè)備）進行設(shè)備改造或添置必要的焊接設(shè)備（（ d）提高管理水平。）提高管理水平。 二．無鉛焊接的特點二．無鉛焊接的特點? 高溫高溫? 工藝窗口小工藝窗口小? 潤濕性差潤濕性差 峰值溫度 液相時間 IMC厚度無鉛： SAC305 235~245℃ 50~60s 不容易控制有鉛： Sn37Pb 210~230℃ 60~90s 容易控制⑴⑴ 從再流焊溫度曲線分析無鉛焊接的特點及對策從再流焊溫度曲線分析無鉛焊接的特點及對策從再流焊溫度曲線分析無鉛焊接的特點及對策從再流焊溫度曲線分析無鉛焊接的特點及對策? ① 熔點高，要求無鉛焊接設(shè)備耐高溫，抗腐蝕。要求助焊劑耐高溫。? ② 從溫度曲線可以看出：無鉛工藝窗口小。無鉛焊接的工藝窗口比鉛錫焊膏小，要求 PCB表面溫度更均勻。要求焊接設(shè)備橫向溫度均勻。 ? a25~110 ℃/ 100~200sec， 110~150℃/ 40~70sec， 要求緩慢升溫，使整個 PCB溫度均勻， 減小 PCB及大小元器件△ t， 因此要求焊接設(shè)備升溫、預(yù)熱區(qū)長度要加長。? b150~217℃/ 50~70sec快速升溫區(qū)（助焊劑浸潤區(qū)）。有鉛焊接從 150℃ 升到 183℃ ，升溫 33℃ ，可允許在30~60sec之間完成，其升溫速率為 ~1℃ /sec；而無鉛焊接從 150℃ 升到 217℃ ，升溫 67℃ ，只允許在 50~70sec之間完成，其升溫速率為 ~℃ /sec，要求升溫速率比有鉛高 30% 左右，另外由于無鉛比有鉛的熔點高34℃ ，溫度越高升溫越困難， 如果升溫速率提不上去，長時間處在高溫下會使焊膏中助焊劑提前結(jié)束活化反應(yīng)，嚴(yán)重時會使 PCB焊盤，元件引腳和焊膏中的焊料合金在高溫下重新氧化而造成焊接不良，因此要求助焊劑浸潤區(qū)有更高的升溫斜率。? c 回流區(qū)峰值溫度 235℃ 與 FR4基材 PCB的極限溫度（2400C）差（工藝窗口）僅為 5 ℃ 。如果 PCB表面溫度是均勻的， 那么實際工藝允許有 5℃ 的誤差。假若 PCB表面有溫度誤差 Δt＞ 5℃ ，那么 PCB某處已超過 FR4基材 PCB的極限溫度 240℃ ，會損壞 PCB。? 對于簡單的產(chǎn)品，峰值溫度 235~240℃ 可以滿足要求；但是 對于復(fù)雜產(chǎn)品，可能需要 260℃ 才能焊好 。因此 FR4基材 PCB就不能滿足要求了。? 在實際回流焊中，如果最小峰值溫度為 235℃ ，最大峰值溫度取決于板面的溫差 △ t，它取決于板的尺寸、厚度、層數(shù)、元件布局、 Cu的分布以及元件尺寸和熱容量。擁有大而復(fù)雜元件（如 CBGA、 CCGA等）的大、厚印制板，典型 △ t高達 20~25℃ 。? 為了減小 △ t，滿足小的無鉛工藝窗口。爐子的熱容量也是很重要的因素。要求再流焊爐橫向溫差＜ 2℃ ，同時要求有兩個回流加熱區(qū)。? d由于焊接溫度高，為了防止由于焊點冷卻凝固時間過長，造成焊點結(jié)晶顆粒長大；另外，加速冷卻可以防止產(chǎn)生偏析，避免枝狀結(jié)晶的形成，因此要求焊接設(shè)備增加冷卻裝置，使焊點快速降溫。? e由于高溫， PCB容易變形，特別是拼板，因此對于大尺寸的 PCB需要增加中間支撐。? fN2保護能夠改善潤濕性，提高焊點質(zhì)量? g為了減小爐子橫向溫差 △ t，采取措施：帶加熱器的導(dǎo)軌、選用散熱性小的材料、定軌向爐內(nèi)縮進等技術(shù)。③③ 浸潤性差浸潤性差應(yīng)對措施：應(yīng)對措施：? 改良助焊劑活性改良助焊劑活性? 修改模板開口設(shè)計修改模板開口設(shè)計? 提高印刷、貼裝精度提高印刷、貼裝精度? N2保護保護焊盤暴露銅焊盤暴露銅 ? 無鉛波峰焊接的主要特點也是：無鉛波峰焊接的主要特點也是： 高溫、潤濕性差、工藝窗口小高溫、潤濕性差、工藝窗口小 。? 與再流焊相比，波峰焊從有鉛轉(zhuǎn)向無鉛焊接的工藝與再流焊相比，波峰焊從有鉛轉(zhuǎn)向無鉛焊接的工藝難度要大得多難度要大得多 。? 過渡階段鉛污染問題過渡階段鉛污染問題 ：如果混入有鉛元件，引腳表：如果混入有鉛元件，引腳表面微量的鉛還會引起面微量的鉛還會引起 Liftoff（焊點剝離）現(xiàn)象等（焊點剝離）現(xiàn)象等焊接缺陷，將嚴(yán)重影響焊點可靠性。焊接缺陷，將嚴(yán)重影響焊點可靠性。? 高溫氧化問題高溫氧化問題⑵⑵ 無鉛波峰焊特點及對策無鉛波峰焊特點及對策 有鉛和無鉛波峰焊溫度曲線比較示意圖有鉛和無鉛波峰焊溫度曲線比較示意圖 ①① 用于波峰焊的用于波峰焊的 焊料：焊料： SnCu或或 SnCuNi，熔點，熔點 227℃ 。少量。少量的的 Ni可增加流動性和延伸率可增加流動性和延伸率 ，減少殘渣量。? 高高 可靠的產(chǎn)品可采用可靠的產(chǎn)品可采用 Sn/Ag/Cu焊料，但焊料，但 不推薦不推薦 ， 因為因為 Ag的成本高，同時也會腐蝕的成本高，同時也會腐蝕 Sn鍋。鍋。? 對對 不銹鋼腐蝕率：不銹鋼腐蝕率： ? 對對 Cu腐蝕率：腐蝕率： Sn37Pb特別注意特別注意 ：（由于：（由于 浸析現(xiàn)象浸析現(xiàn)象 ））? 采用采用 PCB的的 Cu布線有布線有腐蝕作用，將腐蝕作用，將 Cu比例從比例從 % 提高到提高到 % ，使焊料中，使焊料中 Cu處于飽和狀態(tài)，可以減輕或避免對處于飽和狀態(tài)，可以減輕或避免對 Cu布線的腐蝕。布線的腐蝕。②② 根據(jù)所選合金，需要根據(jù)所選合金，需要 255~275℃℃ 爐溫，爐溫， Sn在高溫在高溫下有溶蝕下有溶蝕 Sn鍋的現(xiàn)象，鍋的現(xiàn)象， 采用鈦合金鋼采用鈦合金鋼 Sn鍋、或在鍋、或在鍋內(nèi)壁鍍防護層。由于工藝窗口小，鍋內(nèi)壁鍍防護層。由于工藝窗口小， 要求要求 Sn鍋溫鍋溫度均勻，度均勻， 177。2℃ 。③③ 由于潤濕性差，需要改良助焊劑，并 增加一些涂增加一些涂覆量覆量 。④ 由于由于 助焊劑涂覆量多，同時由于助焊劑涂覆量多，同時由于 水基溶劑助焊劑需要充水基溶劑助焊劑需要充分地將水分揮發(fā)掉，另外分地將水分揮發(fā)掉，另外 由于由于 高熔點，為了使高熔點，為了使 PCB內(nèi)外內(nèi)外溫度均勻，促進溫度均勻，促進 潤濕和通孔內(nèi)的爬升高度，主要措施：潤濕和通孔內(nèi)的爬升高度，主要措施：? 預(yù)熱區(qū)要加長預(yù)熱區(qū)要加長 ， 提高提高 PCB預(yù)熱溫度到預(yù)熱溫度到 100~130℃ 。但提。但提高高 預(yù)熱溫度會加快氧化預(yù)熱溫度會加快氧化 ；；⑤ 增加中間支撐增加中間支撐 ，預(yù)防高溫引起，預(yù)防高溫引起 PCB變形。變形。⑥⑥ 增加冷卻裝置增加冷卻裝置 ，使焊點，使焊點 快速降溫。但對快速降溫。但對 Sn鍋鍋 吹風(fēng)會影響吹風(fēng)會影響焊接溫度焊接溫度 ，另外，另外 降溫速度過快降溫速度過快 容易造成元件開裂容易造成元件開裂 （尤其（尤其陶瓷電容）陶瓷電容） 。⑦⑦ 在預(yù)熱區(qū)末端、兩個波之間插入加熱元件在預(yù)熱區(qū)末端、兩個波之間插入加熱元件? 在預(yù)熱區(qū)末端與波峰之間插入加熱元件在預(yù)熱區(qū)末端與波峰之間插入加熱元件 ，防止 PCB降溫。? 兩個波之間的距離要短一些，或在第一波與第二波之間插入加熱元兩個波之間的距離要短一些，或在第一波與第二波之間插入加熱元件件 ，防止由于 PCB降溫造成焊錫凝固， 焊接時間 3~4s；? 適當(dāng)提高波峰高度， 增加錫波向上的壓力增加錫波向上的壓力 ?！鎡雙波峰焊實時溫度曲線在預(yù)熱區(qū)末端、兩個波之間插入加熱元件在預(yù)熱區(qū)末端、兩個波之間插入加熱元件⑧ 要密切關(guān)注 SnCu焊料中 Cu比例， Cu的成分改變 %，液相溫度改變多達 6℃ 。這樣的改變可能導(dǎo)致動力學(xué)的改變以及焊接質(zhì)量的改變 。 過量 Cu會在焊料內(nèi)出現(xiàn)粗化結(jié)晶物，造成熔融焊料的黏度增加，影響潤濕性和焊點機械強度。 Cu比例超過 1%，必須換新焊料。由于Cu隨工作時間不斷增多， 因此一般選擇低因此一般選擇低 Cu合金，補充合金，補充焊料時添加純錫，但很難控制合金的比例。焊料時添加純錫，但很難控制合金的比例。 SnCu焊料中焊料中 Cu比例比例 % 為共晶點，此時的為共晶點，此時的Liftoff（（ 焊點剝離）的幾率最小，離開焊點剝離）的幾率最小，離開 %越遠(yuǎn)越容易發(fā)生。越遠(yuǎn)越容易發(fā)生。SnCu合金二元相圖合金二元相圖? SnCu的液相線的液相線 斜率大斜率大(比 Sn/Pb大十幾倍 )，液相溫度對成分很敏感。? 因此 少量成分變化，就少量成分變化，就會使熔點偏移會使熔點偏移 ，造成焊接溫度的變化。熔點隨成分變化而變化熔點隨成分變化而變化波峰焊時隨著波峰焊時隨著 Cu不斷增加，不斷增加，熔點也不斷提高。熔點也不斷提高。液態(tài)固態(tài)最佳焊接溫度線SnPb系焊料金相圖SnCu系焊料合金系焊料合金⑨ 無鉛波峰焊中的無鉛波峰焊中的 Pb是有害的是有害的 雜質(zhì)雜質(zhì) ， 經(jīng)經(jīng) 常常 監(jiān)測焊監(jiān)測焊 料中料中Pb的比例，要的比例，要 控制控制 焊焊 點中點中 Pb含量＜含量＜ % 。⑩ 插裝孔內(nèi)上錫可能達不到 75%（傳統(tǒng) Sn/Pb 75%）， PCB設(shè)計適當(dāng) 增加孔徑比增加孔徑比 ， 減慢速度和充減慢速度和充 N2 可以改善。⑾ 波峰焊后分層 Liftoff（剝離、裂紋）現(xiàn)象較嚴(yán)重。⑿ 充 N2可以減少焊渣的形成，可以不充氮氣（ N2）， 但一定要比有鉛焊接更 注意每天的清理和日常維護注意每天的清理和日常維護 。⒀ 波峰焊接設(shè)備需要對波峰焊部件、加熱部件和焊劑管理系統(tǒng)進行 特殊維護特殊維護 。 ⑶⑶ 無鉛焊點的特點無鉛焊點的特點? ① 浸潤性差，擴展性差。? ② 無鉛焊點外觀粗糙。傳統(tǒng)的檢驗標(biāo)準(zhǔn)與 AOI需要升級。? ③ 無鉛焊點中氣孔較多，尤其有鉛焊端與無鉛焊料混用時，焊端（球）上的有鉛焊料先熔，覆蓋焊盤，助焊劑排不出去，造成氣孔。但氣孔不影響機械強度。? ④ 缺陷多 —— 由于浸潤性差，使自定位效應(yīng)減弱。? 浸潤性差，要求助焊劑活性高。浸潤性差，要求助焊劑活性高。無鉛無鉛 再流焊再流焊 焊點焊點無鉛無鉛 波峰焊波峰焊 焊點焊點插裝孔中焊料填充不充分插裝孔中焊料填充不充分 熱撕裂或收縮孔熱撕裂或收縮孔無鉛焊接常見缺陷無鉛焊接常見缺陷? 無鉛焊點潤濕性差 —— 要說服客戶理解。氣孔多外觀粗糙潤濕角大沒有半月形無鉛焊點評判標(biāo)準(zhǔn)無鉛焊點評判標(biāo)準(zhǔn)? IPCA610DLead Free InspectionLeadFreeSolderPasteGrainySurface表面粗糙表面粗糙LeadedSolderPasteSmoothShinySurf