【導(dǎo)讀】因?yàn)榛驹怼⒐に嚪椒ㄅc有鉛技術(shù)是相同的。但由于無鉛的焊接材料、元器件、PCB都發(fā)生了變化，因此工藝參數(shù)必須隨之改變。窗口小、潤(rùn)濕性差、工藝難度大，容易產(chǎn)生可靠性問題，工藝實(shí)踐，尤其要掌握關(guān)鍵技術(shù)：印、焊。△t，因此要求焊接設(shè)備升溫、預(yù)熱區(qū)長(zhǎng)度要加長(zhǎng)。長(zhǎng)時(shí)間處在高溫下會(huì)使焊膏中助焊劑提前結(jié)束活化反應(yīng)，區(qū)有更高的升溫斜率。度是均勻的，那么實(shí)際工藝允許有5℃的誤差。FR-4基材PCB的極限溫度240℃，會(huì)損壞PCB。在實(shí)際回流焊中，如果最小峰值溫度為235℃，最大峰。厚印制板，典型△t高達(dá)20~25℃。要求再流焊爐橫向溫差＜2℃，同。加冷卻裝置，使焊點(diǎn)快速降溫。e由于高溫，PCB容易變形，特別是拼板，因此對(duì)于大。尺寸的PCB需要增加中間支撐。f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(jìn)等技術(shù)。①用于波峰焊的焊料：Sn-Cu或Sn-Cu-Ni，熔點(diǎn)227℃。的Ni可增加流動(dòng)性和延伸率，減少殘?jiān)?。的成本高，同時(shí)也會(huì)腐蝕Sn鍋。

　　

【正文】 不同被焊接金屬表面（包括元器件端頭和 PCB焊盤）焊接后形成的 界面合金層的結(jié)構(gòu)等 認(rèn)識(shí)還 不成熟。 ② 沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)無鉛焊接的材料、工藝、設(shè)備、焊點(diǎn)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等方面都沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)。 美國(guó) IPC沒有標(biāo)準(zhǔn)（ 04年 11月推出 IPC –A610D草案）。 日本只有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 ③對(duì)無鉛焊接的焊點(diǎn)可靠性還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí) 對(duì)無鉛焊接的焊點(diǎn)以及焊接界面合金層的結(jié)合強(qiáng)度研究還沒有研究清楚。 舉例： a 對(duì)實(shí)施無鉛及其制造技術(shù)認(rèn)識(shí)不一致，各種各樣的說法： 二元合金比三元合金更“穩(wěn)定”；三元合金比四元合金更“穩(wěn)定” ；不同的無鉛合金混合會(huì)引發(fā)問題；無鉛焊點(diǎn)可靠性的不同認(rèn)識(shí) ?? b 美國(guó)認(rèn)為 \\。日本大多使用 \\。 c 日本認(rèn)為含 1%Bi可提高潤(rùn)濕性，而美國(guó)認(rèn)為得不到這個(gè)結(jié)論 ?? ④ 無鉛應(yīng)用技術(shù)混亂 無論國(guó)際國(guó)內(nèi)無鉛應(yīng)用技術(shù)非常混亂，大多企業(yè)雖然焊接材料無鉛化了，但元器件焊端仍然有鉛。 ? 究竟哪一種無鉛焊料更好？ ? 哪一種 PCB焊盤鍍層對(duì)無鉛焊更有利？ ? 哪一種元器件焊端材料對(duì)無鉛焊接焊點(diǎn)可靠性更有利？ ? 什么樣的溫度曲線最合理？ ? 無鉛焊對(duì)印刷、焊接、檢測(cè)等設(shè)備究竟有什么要求 …… 都沒有明確的說法。 對(duì)無鉛焊接技術(shù) 眾說紛紜，各有一套說法、各有一套做法。這種狀態(tài)對(duì) 無鉛焊接產(chǎn)品的 可靠性 非常不利。 因此 目前迫切需要加快對(duì)無鉛焊接技術(shù)從理論到應(yīng)用的研究。 3. 問題舉例 （ 1） 有鉛工藝也遇到了 無鉛元器件 BGA\CSP LLP 特別警惕！ 有的日本元件鍍 SnBi，必須在無鉛焊料中使用。如果焊料中有 Pb， Bi與 Pb會(huì)形成 93℃ 的熔點(diǎn)，將嚴(yán)重影響可靠性。 （ 2） 有鉛工藝也遇到 純 Sn熱風(fēng)整平的 PCB （ 3） 波峰焊問題比較多 ① 遇到無鉛元器件 ； ②插裝孔、導(dǎo)通孔不上錫； ③分層 Liftoff現(xiàn)象較嚴(yán)重； ④橋接、漏焊等缺陷多； ⑤錫鍋表面氧化物多 …… （ 4） 分層 Liftoff（焊點(diǎn)剝離、裂紋）現(xiàn)象 ? 無 Pb和有 Pb混用時(shí)，焊接后在焊點(diǎn)與焊端交界處會(huì)加劇分層 Liftoff（剝離、裂紋）現(xiàn)象。 Pb在 1%左右的微量時(shí)發(fā)生焊點(diǎn)剝離的概率最高。 這意味著來自元件、 PCB鍍層的微量 Pb混入，將容易發(fā)生 Liftoff。 ? 關(guān)于分層 Liftoff（焊點(diǎn)剝離、裂紋）現(xiàn)象的機(jī)理還要繼續(xù)研究。當(dāng)焊料、元件、 PCB全部無 Pb化后是否不會(huì)產(chǎn)生 Liftoff現(xiàn)象了，也要繼續(xù)研究。 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)。 無鉛焊料焊點(diǎn)冷卻時(shí)也同樣有 凝固收縮現(xiàn)象 。由于無鉛熔點(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 （ 5） A面回流焊＋ B面波峰焊復(fù)合工藝中的問題 ? 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 防止 Liftoff（焊點(diǎn)剝離）的方法 （ a） 采用單面板。 （ b） 不使用 Bi、 In合金（低熔點(diǎn)更容易發(fā)生 Liftoff ）。 （ c） 無鉛工藝不使用 SnPb鍍層元件。 （ d） 加快冷卻速度，消除偏析。 （ e） 添加微量元素，消除偏析。 （ f） 考慮 PCB的熱設(shè)計(jì)，使基板內(nèi)部的熱有效釋放。 （ g） 回流焊＋波峰焊復(fù)合工藝時(shí)，采用 SMD焊盤設(shè)計(jì)。 （ h）減小基板熱收縮（尤其厚度方向）。 ⑤ 無鉛和有鉛混用時(shí)可靠性討論 ? (a)無鉛焊料與有鉛焊端混用的問題 ? 無鉛焊料中的 Pb對(duì)長(zhǎng)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 Pb含量的不同對(duì)可靠性的影響是不同的 ，當(dāng)含量在某一個(gè)中間范圍時(shí)，影響最大，這是因?yàn)樵谧詈竽绦纬山Y(jié)晶時(shí)，在 Sn枝界面處，有偏析金相形成，這些偏析金相在循環(huán)負(fù)載下開始形成裂紋并不斷擴(kuò)大。例如： 2％ ~5％的 Pb可以決定無鉛焊料的疲勞壽命，但與 SnPb焊料相比，可靠性相差不大。 無鉛焊料與有鉛焊端混用時(shí)要控制 焊點(diǎn)中 Pb含量＜ % ? 目前正處在無 Pb和有 Pb焊接的過度轉(zhuǎn)變時(shí)期，大部分無 Pb工藝是使用無鉛焊料與有鉛引腳的元件混用。在“無鉛”焊點(diǎn)中，鉛的含量可能來源于元件的焊端、引腳或 BGA的焊球。 ? 對(duì)于波峰焊，由于元件引腳 PbSn電鍍層不斷融解，焊點(diǎn)中鉛的含量需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 ? Pb在 1%左右的微量時(shí)發(fā)生焊點(diǎn)剝離的概率最高。 氣孔多 ? 有鉛焊球與無鉛焊料混用時(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 (b)有鉛焊料與無鉛焊端混用的質(zhì)量最差 ? 有鉛焊料與無鉛焊球混用時(shí)，如果采用 有鉛焊料的溫度曲線，有鉛焊料先熔，而 無鉛焊端（球）不能完全熔化，使元件一側(cè)的界面不能生成金屬間合金層，BGA、 CSP一側(cè)原來的結(jié)構(gòu)被破壞而造成失效，因此有鉛焊料與無鉛焊端混用時(shí)質(zhì)量最差。 ? 因此 BGA、 CSP無鉛焊球是不能用到有鉛工藝中的 。 在元件一側(cè)的界面失效 ⑥ 高溫對(duì)元件的不利影響 ? 陶瓷電阻和特殊的電容對(duì)溫度曲線的斜率（溫度的變化速率）非常敏感，但對(duì)實(shí)際的溫度并不敏感。 ? 鋁電解電容對(duì)溫度極其敏感。 ? 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（如分層、苞米花、變形等）。 ? 粗略統(tǒng)計(jì)， 溫度每提高 10℃ ，潮濕敏感元件（ MSL）的敏感度升一級(jí)，可靠性降級(jí)。 ? 措施： 盡量降低峰值溫度；對(duì)潮濕敏感元件進(jìn)行去潮烘烤 。 高溫?fù)p壞元件 ? 目前使用最普遍的 PCB材料 FR4的 Tg只有 125~140℃ 。 FR4的極限溫度為 240℃ 左右。 ? a 造成 PCB的熱變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使元件損壞。 ? b 使 PCB材料中聚合物老化、變質(zhì)，使 PCB的機(jī)械強(qiáng)度和電性能下降。 ? c FR4材料中的溴化環(huán)氧樹脂含鹵素阻燃材料，在高溫下釋放高毒物質(zhì)（二惡英 dioxin， TCDO）。 ? 措施： 控制溫度曲線；對(duì)焊接設(shè)備進(jìn)行改造；大、厚、復(fù)雜和高可靠的板采用耐高溫的 PCB材料；用含 N酚醛樹脂取代雙氰胺作固化劑，通過 N和 P作用提高阻燃性。 ⑦ 高溫對(duì) PCB的不利影響 PCB 龜裂、氣泡、分層 ⑧ 電氣可靠性（助焊劑性能與枝狀結(jié)晶生長(zhǎng)問題） ? 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(dǎo)電體之間可能會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，引起表面絕緣電阻（ SIR）的下降。如果有電遷移和枝狀結(jié)晶生長(zhǎng)的出現(xiàn)，將發(fā)生導(dǎo)線間的短路，造成電遷移（俗稱“漏電”）的風(fēng)險(xiǎn)。 ? 為了保證 電氣 可靠性，需要對(duì)不同免清洗助焊劑的性能進(jìn)行評(píng)估。 電遷移和枝狀結(jié)晶造成導(dǎo)線間的短路 無鉛和有鉛混用情況總結(jié) ? a 無鉛焊料和無鉛焊端 ——效果最好。 ? b 無鉛焊料和有鉛焊端 ——目前普遍使用，可以應(yīng)用，但必須控制 Pb、 Cu等的含量，要配制相應(yīng)的助焊劑，還要嚴(yán)格控制溫度曲線等工藝參數(shù)，否則會(huì)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。 （ 1） 備料 —— 注意 元器件的焊端材料 是否無鉛 ，特別是 BGA\CSP和新型封裝例如 LLP等 (有鉛工藝也要注意 )。 （ 2） 有鉛工藝遇到 無鉛元器件 ,必須提高焊接溫度到 235℃ 左右。 （ 3） 嚴(yán)格物料管理 —— 有鉛和 無鉛的元器件、焊膏不能混淆。 （ 4） 無鉛印刷 —— 加大模板開口尺寸： 寬厚比＞ ，面積比＞ ；提高印刷精度。 （ 5）嚴(yán)格控制溫度曲線，盡量降低峰值溫度； 對(duì)潮濕敏感元件進(jìn)行去潮烘烤 。 （ 6） 復(fù)雜和高可靠產(chǎn)品采用耐高溫的 PCB材料（ FR5或其它 ） 4. 解決措施 無鉛工藝總結(jié)： ? 根據(jù)具體產(chǎn)品選擇材料，并進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估 ? 錫膏（合金和焊劑） ? 器件（焊端和本體材料） ? 基板（基材、焊盤表層和阻焊層） ?評(píng)估現(xiàn)有爐子是否滿足無鉛要求 ? 檢查并修改 PCB焊盤設(shè)計(jì)（散熱、布局），鋼網(wǎng)設(shè)計(jì) ? 嚴(yán)格物料管理 采購(gòu)、包裝保護(hù)、庫(kù)存條件 /管理、使用 ? 正確設(shè)置、仔細(xì)優(yōu)化溫度曲線 正確選擇測(cè)試點(diǎn)和連接熱耦、溫度 /時(shí)間控制 ? 采用無鉛質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn) 把工藝做得更細(xì) ? 目前無鉛焊接還處于過渡和起步階段，從理論到應(yīng)用都還不夠成熟。 ? 目前迫切需要加快對(duì)無鉛焊接技術(shù)從理論到應(yīng)用的研究。 ? 過渡階段無鉛焊接的可靠性問題值得警惕和研究。 ? 面臨 2020年 7月 1日即將到來 ， 我們應(yīng)該做好準(zhǔn)備，例如收集資料、理論學(xué)習(xí)等。