【文章內容簡介】 澳大利亞伊科索爾德國際股份有限公司 ， 韓國三星等企業(yè)都在中國境內申請并獲得專利 ， 且產品獲得商業(yè)應用價值和市場份額。我國無鉛焊料發(fā)展的歷史不長 ， 起步較晚 ， 但發(fā)展速度很快。研究工作主要集中在大專院校和科研院所 ， 有一 些焊料生產單位也在進行開發(fā)研制。但國內還未形成無鉛焊料的批量生產 ， 這是由于我國沒有立法限制鉛的使用 ， 國內一些大的電子產品生產企業(yè) ， 其產品主要是針對國內市場 ， 使用無鉛焊料的要求還遠不是那么強烈。而我國一些技術含量較高的機電產品 ， 由于使用了鉛錫焊料 ， 在出口時受到阻礙 ， 已嚴重影響了這類產品在國際市場上的競爭力。受世界大環(huán)境的影響 ， 隨著我國對環(huán)境和生態(tài)的高度重視 ， 使用無鉛焊料替代鉛錫焊料已提到議事日程。我國是錫的生產和出口大國 ， 也是消耗焊料的各種電器生產的大國 ， 如無鉛焊料的研究沒有實質性的突破 ， 將會嚴重影響我國的 機電、北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 10 微電子行業(yè)的發(fā)展 ， 產品將失去市場競爭力。因此 ， 大力發(fā)展無鉛環(huán)保焊料是當前一項迫切和亟待解決的問題。 無鉛焊料的問題 對于無鉛焊料，主要的問題在以下幾方面： 。一些考慮中的替代金屬 ， 如鎘和銻 ， 是毒性的 ； 其它金屬 ，如銻、銦 ， 由于改變法規(guī)的結果可能落入毒性種類。 (183℃ )接近 ， 不應超過 200℃。 ， 數(shù)量上滿足全球的需求。某些金屬如銦和鉍數(shù)量比較稀少 ， 只夠用作無鉛焊錫合金的添加成分。 環(huán)再生的 ， 如將三四種金屬加入到無鉛替代焊錫配方中可能使循環(huán)再生過程復雜化 ， 并且增加其成本。 。 。 ， 包括返工與修理用的錫線、錫膏用的粉末、波峰焊用的錫條、以及預成型。不是所有建議的合金都可制成所有的形式 ， 例如鉍含量高將使合金太脆而不能拉成錫線。 。能確保有良好的潤濕性和安裝后的機械可靠性。 。 ， 導熱性好。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 11 第 3 章 無鉛焊接工藝流程 工藝流程簡介 傳統(tǒng)的錫鉛焊料在電子裝聯(lián)中已經應用了近一個世紀。共晶焊料的導電性、穩(wěn)定性、抗蝕性、抗拉和抗疲勞、機械強度、工藝性都是非常優(yōu)秀的，而且資源豐富，價格便宜。是一種極為理想的電子焊接材料。但由于鉛污染人類的生活環(huán)境，危害人類的健康。據統(tǒng)計，某些地區(qū)地下水的含鉛量已超標 30 倍，施行無鉛焊接工藝技術是大勢所趨。 無鉛焊接的現(xiàn)狀 無鉛焊料合金成分的標準化目前還沒有明確的規(guī)定。 IPC 等大多數(shù)商業(yè)協(xié)會的意見：鉛含量 %(傾向 %，并且不含任 何其它有毒元素的合金稱為無鉛焊料合金。 無鉛焊料合金 無鉛化的核心和首要任務是無鉛焊料。正公認能用的有： (1) 目前最有可能替代 Sn/Pb 焊料的合金材料 (2) 目前應用最多的無鉛焊料合金三元共晶形式的 \\(美國 )和三元近共晶形式的 \\(日本 )是目前應用最多的用于再流焊的無鉛焊料。其熔點為 216220℃左右。 無鉛合金焊料較仍然有以下問題： (A)熔點高 34℃左右。 (B)表面張力大、潤濕性差。 (C)價格高 PCB 焊盤表面鍍層材料 無鉛焊接要求 PCB 焊盤表面鍍層材料也要無鉛化， PCB 焊盤表面鍍層的無鉛化相對于元器件焊端表面的無鉛化容易一些。目前無鉛標準還沒有完善，因此無鉛元器件焊端表面鍍層的種類很多。 目前無鉛焊接工藝技術處于過渡和起步階段 雖然國際國內都在不同程度的應用無鉛技術，但目前還處于過渡和起步階段，從理論到應用都還不成熟。沒有統(tǒng)一的標準，對無鉛焊接的焊點可靠性還沒有統(tǒng)一的認識，因此無論國際國內無鉛應用技術非?；靵y，因此目前迫切需要加快對無鉛焊接技術從理論到應用的研究。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 12 無鉛焊接的特點和對策 (1) 無鉛焊接的 主要特點 (A)高溫、熔點比傳統(tǒng)有鉛共晶焊料高 34℃左右。 (B)表面張力大、潤濕性差。 (C)工藝窗口小，質量控制難度大。 (2) 無鉛焊點的特點 (A)浸潤性差，擴展性差。 (B)無鉛焊點外觀粗糙。傳統(tǒng)的檢驗標準與 AOI 需要升級。 (C)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。 (D)缺陷多 由于浸潤性差，使自定位效應減弱。 無鉛焊點外觀粗糙、氣孔多、潤濕角大、沒有半月形，由于無鉛焊點外觀與有鉛焊點有較明顯的不同，如果有原來有鉛的檢驗標準衡量，甚至可以認為是不合格的，隨著無鉛技術的深入和發(fā)展，由于助焊劑的改進以及工藝的進步，無鉛焊點的粗糙外觀已經有了一些改觀。 無鉛工藝對助焊劑的挑戰(zhàn) (1) 無鉛工藝對助焊劑的要求 (A)由于焊劑與合金表面之間有化學反應，因此不同合金成分要選擇不同的助焊劑。 (B)由于無鉛合金的浸潤性差，要 求助焊劑活性高。 (C)提高助焊劑的活化溫度，要適應無鉛高溫焊接溫度。 (D)焊后殘留物少，并且無腐蝕性，滿足 ICT 探針能力和電遷移。 (2) 焊膏印刷性、可焊性的關鍵在于助焊劑。 確定了無鉛合金后，關鍵在于助焊劑。選擇焊膏要做工藝試驗，看看印刷性能否滿足要求，焊后質量如何?？傊x擇適合自己產品和工藝的焊膏。 (3) 無鉛焊劑必須專門配制焊膏中的助焊劑是凈化焊接表面 ,提高潤濕性 ,防止焊料氧化和確保焊膏質量以及優(yōu)良工藝性的關鍵材料。高溫下助焊劑對 PCB 的焊盤，元器件端頭和引腳表面的氧化層起到清洗作用，同時 對金屬表面產生活化作用。 (4) 波峰焊 中無 VOC 免清洗 焊劑也需要特殊配制。無鉛焊膏和波峰焊的水溶性焊劑對某些產品也是需要的。 (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的斜率 (溫度的變化速率 )非常敏感 ,由于陶瓷體與北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 13 PCB 的熱膨脹系數(shù) CTE 相差大，在焊點冷卻時容易造成元件體和焊點裂紋，元件開裂現(xiàn)象與 CTE 的差異、溫度、元件的尺寸大小成正比。 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在高溫時失效明顯增加。主要是分層、爆米花、變形等、粗略統(tǒng)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(jié)中已經做了分析，高溫容易 PCB 的熱變形、因樹脂老化變質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題。 解決措施是盡量降低峰值溫度，一般簡單的消費類產品可以采用 FR4 基材，厚板和復雜產品需要采用耐高溫的 FR5 或 CEMn 來替代 FR4 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，導電體之間可能會發(fā)生電化學反應，導致表面絕緣電阻的下降。如果有電遷移和枝狀結晶 (錫須 )生長的出 現(xiàn)，將發(fā)生導線間的短路，造成電遷移 (俗稱?漏電? )的風險。為了保證電氣可靠性，需要對不同免清洗助焊劑的性能進行評估。 (8) 關于無鉛返修 ① 無鉛焊料的返修相當困難，主要原因： (A)無鉛焊料合金潤濕性差。 (B)溫度高 (簡單 PCB235℃，復雜 PCB260℃ )。 (C)工藝窗口小。 ② 無鉛返修注意事項： (A)選擇適當?shù)姆敌拊O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(shù)。 除了要適應無鉛焊料的高熔點和低潤濕性。同時返修過程中一定要小心，將任何潛在的對元件和 PCB 的可靠性產生不利影響的因素降至最低。 (9) 關于過度時期無鉛和有鉛混用情況總結。 (A)無鉛焊料和無鉛焊端 ―― 效果最好。 (B)無鉛焊料和有鉛焊端 ―― 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等工藝參數(shù)，否則會造成可靠性問題。 (C)有鉛焊料和無鉛焊端 ―― 效果最差， BGA、 CSP 無鉛焊球是不能用到有鉛工藝中的，不建議采用。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 14 目前無鉛工藝當中采用的釬焊料相對比原來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。在生產加工過程中，其錫渣的產生量比原來普通焊料的產生量也有很大幅度的提高。如果能將錫渣的產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)生反應產生的氧化物，通過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。 每個工廠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鉛化的道路。 氮氣在焊接中的工藝應用 (1)氮氣具有如下的七大優(yōu)點 氮氣的物理性能佳 ； 在大多數(shù)液體中的等低溶性 ； 高順時流量 ； 正常條件下的化學惰性 ； 膨脹性能好，安全，適用于高壓工藝 ； 儲存及使用方便 。 (2)氮氣應用的優(yōu)點 擴大工藝窗口，提高工藝適應性 ； 提高焊接質量 (防止氧化，浸潤性良好，高質量焊點 )； 做到免清洗，適應環(huán)保要求 ； 達到細間距芯片高密度裝配要求 ； 簡化操作 。 無鉛焊接的工藝過程，實際上是液態(tài)錫合金對被焊金屬表面的潤濕過程，其潤濕力的提高、潤濕 時間變短、潤濕角的提高，均說明可焊性的提高。實踐證明，在氮氣保護下，潤濕力可提高 5070%，潤濕時間可降低 1530%，潤濕角平均提高 40%。另外，助焊劑的殘留量可以減少 5%。 . 無鉛焊接工藝的五個步驟 選擇適當?shù)牟牧虾头椒? 在無鉛焊接工藝中，焊接材料的選擇是最具挑戰(zhàn)性的。因為對于無鉛焊接工藝來說，無鉛焊料、焊膏、助焊劑等材料的選擇是最關鍵的，也是最困難的。在選擇這些材料時還要考慮到焊接元件的類型、線路板的類型，以及它們的表面涂敷狀況。選擇的這些材料應北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 15 該是在自己的研究中證明了的，或是權威機構 或文獻推薦的，或是已有使用的經驗。把這些材料列成表以備在工藝試驗中進行試驗，以對它們進行深入的研究，了解其對工藝的各方面的影響。 對于焊接方法，要根據自己的實際情況進行選擇，如元件類型：表面安裝元件、通孔插裝元件 。線路板的情況 。板上元件的多少及分布情況等。對于表面安裝元件的焊接，需采用回流焊的方法 。對于通孔插裝元件，可根據情況選擇波峰焊、浸焊或噴焊法來進行焊接。波峰焊更適合于整塊板 (大型 )上通孔插裝元件的焊接 。浸焊更適合于整塊板 (小型 )上或板上局部區(qū)域通孔插裝元件的焊接 。局噴焊劑更適合于板上個別元件或少量通 孔插裝元件的焊接。另外，還要注意的是，無鉛焊接的整個過程比含鉛焊料的要長，而且所需的焊接溫度要高，這是由于無鉛焊料的熔點比含鉛焊料的高，而它的浸潤性又要差一些的緣故。 在焊接方法選擇好后，其焊接工藝的類型就確定了。這時就要根據焊接工藝要求選擇設備及相關的工藝控制和工藝檢查儀器，或進行升級。焊接設備及相關儀器的選擇跟焊接材料的選擇一樣，也是相當關鍵的。 確定工藝路線和工藝條件 在第一步完成后，就可以對所選的焊接材料進行焊接工藝試驗。通過試驗確定工藝路線和工藝條件。在試驗中，需要對列表選出的焊接材料進行充分 的試驗，以了解其特性及對工藝的影響。這一步的目的是開發(fā)出無鉛焊接的樣品。 開發(fā)健全焊接工藝 這一步是第二步的繼續(xù)。它是對第二步在工藝試驗中收集到的試驗數(shù)據進行分析，進而改進材料、設備或改變工藝，以便獲得在實驗室條件下的健全工藝。在這一步還要弄清無鉛合金焊接工藝可能產生的沾染知道如何預防、測定各種焊接特性的工序能力 (CPK)值，以及與 原有的錫 /鉛工藝進行比較。通過這些研究，就可開發(fā)出焊接工藝的檢查和測試程序，同時也可找出一些工藝失控的處理方法。 還需要對焊接樣品進行可靠性試驗，以鑒定產品的質量是否達到要求。 如果達不到要求，需找出原因并進行解決，直到達到要求為止。一旦焊接產品的可靠性達到要求，無鉛焊接工藝的開發(fā)就獲得成功，這個工藝就為規(guī)模生產做好了準準備就緒后的操作一切準備就緒，現(xiàn)在就可以從樣品生產轉變到工業(yè)化生產。在這時，仍需要對工藝進行處理以維持工藝處于受控狀態(tài)。 控制和改進工藝 無鉛焊接工藝是一個動態(tài)變化的舞臺。工廠必須警 惕可能出現(xiàn)的各種問題以避免出現(xiàn)工藝失控，同時也還需要不斷地改進工藝，以使產品的質量和合格晶率不斷得到提高。對于任何無鉛焊接工藝來說，改進焊接材料，以及更新設備都可改進產品的焊接性能。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 16 第 4 章 無鉛焊接工藝技術與設備 無鉛焊接工藝技術的特點 電子產品制造業(yè)實施無鉛化制程需面臨以下問題 ： 1)焊料的無鉛化 。 2)元器件及 PCB 板的無鉛化 。