3-2-有鉛、無(wú)鉛混裝工藝的質(zhì)量控制(已修改)
2025-03-16 02:57 本頁(yè)面
【正文】 32 有鉛、無(wú)鉛混裝工藝的質(zhì)量控制 （參考： [工藝 ] 第 20章） 顧靄云 內(nèi)容 /無(wú)鉛混合制程分析 ⑴ 再流焊工藝中無(wú)鉛焊料與有鉛元件混用 ⑵ 再流焊工藝中有鉛焊料與無(wú)鉛元件混用 、無(wú)鉛混裝工藝的質(zhì)量控制 ⑴ 有鉛 /無(wú)鉛混用必須考慮相容性 ⑵ 嚴(yán)格物料管理 ⑶ 采用有鉛工藝（用有鉛焊料焊接有鉛和無(wú)鉛元器件）的質(zhì)量控制原則 ? 由于再流焊與波峰焊工藝不同； ? 無(wú)引線或有引腳元件的焊端鍍層和引腳表面 鍍層 中的 Pb含量（或無(wú)鉛材料的含量）與 BGA焊球 中 Pb含量（或無(wú)鉛材料的含量）的不同； ? 對(duì)焊點(diǎn)可靠性的 影響也是不一樣 的。 ? 因此 需要對(duì)各種具體情況分別討論 。 一．有鉛 /無(wú)鉛混合制程分析 (一） 無(wú)鉛焊料與有鉛元件混用 1. 無(wú)鉛焊料與 有鉛鍍層元件 （無(wú)引線或有引腳元件）混用 2. 無(wú)鉛焊料與 有鉛 PBGA、 CSP混用 1. 無(wú)鉛焊料與 有鉛元件 混用 （無(wú)引線或有引腳元件） 有鉛元件引腳和焊端鍍層只有幾微米厚，焊端或 引腳鍍層中微量 Pb在無(wú)鉛焊料與焊端 界面 容易發(fā)生 Pb偏析現(xiàn)象，形成 SnAgPb的 174℃ 的低熔點(diǎn)層，可能發(fā)生焊縫起翹（ Liftoff ）現(xiàn)象，影響焊點(diǎn)長(zhǎng)期可靠性。 Pb在 1%左右的微量時(shí)發(fā)生焊點(diǎn)剝離的概率最高。 這意味著來(lái)自元件、 PCB鍍層的微量 Pb混入， 將容易發(fā)生 Liftoff。 Liftoff（焊點(diǎn)剝離）現(xiàn)象的機(jī)理 —— 錫釺焊時(shí)的凝固收縮現(xiàn)象 63Sn37Pb合金的 CTE是 106，從室溫升到 183℃ ，體積會(huì)增大 %，而從 183℃ 降到室溫，體積的收縮卻為 4%，故錫鉛焊料焊點(diǎn)冷卻后有時(shí)有縮小現(xiàn)象。因此 有鉛焊接時(shí)也存在 Liftoff，尤其在 PCB受潮時(shí)。 無(wú)鉛焊料焊點(diǎn)冷卻時(shí)也同樣有 凝固收縮現(xiàn)象 。由于無(wú)鉛熔點(diǎn)高、與 PCB的 CTE不匹配更嚴(yán)重、出現(xiàn) 偏析現(xiàn)象，因此當(dāng)存在 PCB受熱變形等應(yīng)力時(shí)，很容易發(fā)生 Liftoff，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐?焊盤剝落 。 PCB焊盤與 發(fā)生 Liftoff 凝固收縮 冷卻時(shí)由于基板溫度高，焊點(diǎn)先凝固收縮，基板焊盤界面處殘留液相，基板越厚，基板內(nèi)部?jī)?chǔ)存的熱量越多，越容易發(fā)生焊點(diǎn)剝離。 熱傳導(dǎo) 收縮 A面回流焊＋ B面波峰焊復(fù)合工藝中的問(wèn)題 ? 完成了 A面回流焊，進(jìn)行 B面波峰焊時(shí)，在 A面大的QFP和 PLCC等元件的引腳鍍層為 SnPb合金時(shí) ，雖然焊點(diǎn)本身熔點(diǎn)在 217 ℃ ，不會(huì)熔化，但在焊錫與焊盤界面容易形成 Pb偏析 —— 形成 SnAgPb的 174℃ 的低熔點(diǎn)層，使界面發(fā)生熔化，在熱應(yīng)力的作用下造成焊點(diǎn)從焊盤上剝離。類似 Liftoff（焊點(diǎn)剝離）。 QFP 焊盤處 Liftoff QFP引腳 解決措施： 焊點(diǎn)凝固時(shí)適當(dāng)提高冷卻速度； 創(chuàng)造一個(gè)平穩(wěn)的焊點(diǎn)凝固環(huán)境； 例如：選擇 Z軸方向 CTE小的 PCB材料； 平穩(wěn)的 PCB傳輸系統(tǒng)，不產(chǎn)生振動(dòng)。 2. 無(wú)鉛焊料與 有鉛 PBGA、 CSP混用 “氣孔多” ? 再流焊時(shí)，焊球上的有鉛焊料先熔，覆蓋焊盤與元件焊端，助焊劑排不出去，造成氣孔。 氣孔 183℃ 217℃ (二 ) 有鉛焊料與無(wú)鉛元件混用 1. 有鉛焊料與 無(wú)鉛鍍層元件 （無(wú)引線或有引腳元件）混用 2. 有鉛焊料與無(wú) 鉛 PBGA、 CSP混用 1. 有鉛焊料 與無(wú)鉛元件 混用（無(wú)引線或有引腳元件） ? 一般情況沒(méi)有問(wèn)題 。因?yàn)楹付隋儗臃浅１。? 例如應(yīng)用最多的鍍 Sn層厚度在 3～ 7μm， Sn熔點(diǎn)為232℃ ，與 Sn37Pb合金焊接時(shí)，一般情況下峰值溫度比焊接有鉛元件略微高 5℃ 左右即可以。 ? 但是有一點(diǎn)要 特別警惕！鍍 SnBi元件 只能應(yīng)用在無(wú)鉛工藝中，不能用到有鉛工藝中。這是由于有鉛焊料中的Pb與 SnBi鍍層的在引腳或焊端 界面形成 SnPbBi（熔點(diǎn) 93℃ ）的三元共晶低熔點(diǎn)層 、容易引起焊接界面剝離、空洞等問(wèn)題，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度劣化。 ? 如果采用有鉛焊料的溫度曲線，焊點(diǎn)連接 可靠性是最差的 。這是由于有鉛焊料與無(wú)鉛焊球的熔點(diǎn)不相同，有鉛焊料熔點(diǎn)低先熔，而無(wú)鉛焊球不能完全熔化，容易造成 PBGA、 CSP一側(cè)焊點(diǎn)失效的緣故。 183℃ 217℃ 解決措施： 提高焊接溫度到 235℃ 左右 2. 有鉛焊料 與無(wú)鉛 PBGA、 CSP混用 在元件一側(cè)的界面失效 二 . 有鉛、無(wú)鉛混裝工藝的質(zhì)量控制 1. 有鉛 /無(wú)鉛混用必須考慮相容性 2. 嚴(yán)格物料管理 3. 采用有鉛工藝（用有鉛焊料焊接有鉛和無(wú)鉛元器件）的質(zhì)量控制原則 1. 有鉛 /無(wú)鉛混用必須考慮相容性 （ 1）材料相容性 焊料合金和助焊劑 焊料和元器件 焊料和 PCB焊盤涂鍍層 （ 2）工藝相容性（再流焊、波峰焊和返修工藝） （ 3）設(shè)計(jì)相容性 高可靠領(lǐng)域暫時(shí)不建議采用無(wú)鉛工藝 建議采用有鉛焊料焊接有鉛和無(wú)鉛元器件工藝 ? 無(wú)鉛焊料是“高錫”焊料。高錫帶來(lái)的是高溫、表面張力大、黏度大、浸潤(rùn)性差、工藝窗口小等問(wèn)題，高溫又會(huì)帶來(lái)工藝上的難度，可能會(huì)導(dǎo)致的元件和電路板降級(jí)甚至損壞。另外，焊接溫度越高金屬間化合物生長(zhǎng)速度越快，界面微孔、空洞多，金屬間化合物是脆性的，無(wú)鉛焊點(diǎn)比 SnPb焊點(diǎn)更硬也傳遞了更大的應(yīng)力，這些問(wèn)題都會(huì)影響無(wú)鉛產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性。 ? 目前，如果采用無(wú)鉛焊接，可以買到所有的無(wú)鉛元件。對(duì)于大多數(shù)民用、通信等領(lǐng)域，由于使用環(huán)境應(yīng)力小、不惡劣，應(yīng)用無(wú)鉛焊接是沒(méi)有問(wèn)題的。 ? 對(duì)于軍工等高可靠領(lǐng)域，無(wú)鉛產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性是有風(fēng)險(xiǎn)的。 混裝焊接機(jī)理 （ 用有鉛焊料焊接有鉛和無(wú)鉛元器件） ? 混裝焊接過(guò)程、原理與 63Sn37Pb是相同的 ? 金屬間結(jié)合層（ IMC）的主要成分是 Cu6Sn5和 Cu3Sn ? 由于混裝工藝中無(wú)鉛元件的焊端鍍層和焊球的熔點(diǎn)高于錫鉛焊料的熔點(diǎn)，因此， 焊接溫度略高于有鉛焊接， 有無(wú)鉛PBGA時(shí)焊接溫度接近無(wú)鉛焊接 。 ? 有鉛 /無(wú)鉛混裝 焊接，盡量避免 溫度過(guò)高和多次焊接， 警惕富鉛層與過(guò)多的 IMC，警惕高溫?fù)p壞元件和印制板。 元器件類型 焊端表面鍍層成份 與 Sn63Pb37焊料的相容性 材料 焊接溫度 有鉛元器件 Sn63
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