【正文】 微焊接技術(shù)分析與工藝設(shè)計，2022，7：2931．[9] Ronald A. Bulwith, Michael Trosky, Louis M. Picchione and Darlene Hug. The ‘Black Pad’ Failure Mechanism – From Beginning to End. Global SMT amp。在此，向所有關(guān)心和幫助過我的老師、同學(xué)和朋友表示由衷的謝意！也要衷心感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的老師。這三年里電子工藝與管理教研室的每位老師對我的學(xué)習(xí)、生活和工作都給予了熱情的關(guān)心和幫助，使我的水平得到了很大的提高，取得了長足的進步。只要通過科學(xué)合理的方法去解決，充分認識無鉛釬料特性，更新專業(yè)加工概念，發(fā)現(xiàn)問題，認識問題，進行探究與分析，找出解決之道，防止問題與未然，實現(xiàn)高成品率，減少和消除各種焊接缺陷問題，才是降低成本的最大根基。同時無鉛焊料的使用導(dǎo)致了新的焊接工藝流程，新的設(shè)備的出現(xiàn)和應(yīng)用。29 / 38第 6章 結(jié)論鉛污染問題的治理，導(dǎo)致了對無鉛焊料的研究，這既是一種挑戰(zhàn)，又是一個契機。冷卻速度影響晶粒的形態(tài)和大小，快速冷卻可避免形成過大的方向性明顯的枝晶，減小焊點剝離趨勢，但程度不是很明顯，只有在冷卻速度大于20℃/s 時，對剝離現(xiàn)象的抑制作用才較明顯。 解決措施（1）控制釬料中的 Bi 含量至 1％以下；（2）無鉛工藝中做到完全無鉛化，即元件外線表面鍍層及 PCB 表面保護層均做到無鉛化，盡量不使用含 Bi 或 In 的釬料，并防止 Pb 污染；（3）控制合適的釬焊溫度和浸錫時間。如果波峰焊或是回流焊工藝中使用不含 Bi 的無鉛釬料，但是相關(guān)的元件外線表面鍍層及印刷電路板表面保護層使用 SnPb 釬料，這種情況下焊點剝離現(xiàn)象仍有可能發(fā)生，其基本原理與上述一致，SnPb 之間能夠形成熔點為 183℃的共晶相，同樣會產(chǎn)生非同步凝固現(xiàn)象。下表為發(fā)生剝離焊點的界面形貌特征。當焊盤界面處殘存滯后凝固的液相時，材料的熱脹冷縮就會導(dǎo)致了焊點剝離的產(chǎn)生。值得注意的是并不是含 Bi 元素就一定會偏析，一般含量控制在 1wt%以下，最大不超過 3wt%，否則會出現(xiàn)偏析現(xiàn)象。27 / 38 產(chǎn)生機理導(dǎo)致焊點剝離的主要原因有三方面：微觀成分偏析、非同步凝固和冷卻收縮過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。偏析使得凝固延遲的焊盤拐角區(qū)釬料液相線顯著降低，使低塑性的固液態(tài)區(qū)間增大，局部液相存在時間更長。焊后冷卻過程中拐角區(qū)由于應(yīng)力集中較大首先開裂，如應(yīng)力未完全釋放，將導(dǎo)致焊盤外緣界面上應(yīng)力增加，當應(yīng)變累積并超過材料塑性變形能力后，開裂會沿釬料/焊盤界面擴展直至完全剝離，如下圖所示。保持印刷電路板清潔，防止元器件引線氧化，設(shè)計 PCB 兩面焊盤對稱，評估板面和元件鍍層的影響（推薦 IAg/IAu），評估焊劑化學(xué)物質(zhì)對裂紋是否有作用，選用 Z 方向膨脹系數(shù)小的基板材料，選用含對無鉛合金裂紋收縮的形成有顯著影響的元素（添加 Ni），選用共晶釬料，防止 Pb、Bi 的污染等。冷卻速度對晶粒的形態(tài)和大小影響很大，要避免形成過大的方向性明顯的枝晶，影響釬料基體應(yīng)變量和焊點可靠性。所以在實際生產(chǎn)中應(yīng)盡可能采用快速冷卻，但不能太快，一般要求控制在 10℃/s 左右。若冷卻速率太快則會產(chǎn)生更大的應(yīng)力，又由于焊點內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布極不均勻，應(yīng)變量較空冷焊點有所增加，更容易產(chǎn)生開裂。值得注意的是，一般在共晶釬料中是不宜出現(xiàn)表面裂紋，而非共晶釬料中較多，原因可能是非共晶釬料存在固液共存的低塑性區(qū)，并且產(chǎn)生 60～80%左右的枝狀晶，此時在不大的應(yīng)力作用下就可被拉開；PCB 下表面焊點更易出現(xiàn)表面裂紋，原因可能是釬料波向上的沖擊和回落使 PCB 上下焊點的熱分布不同，導(dǎo)致 PCB 下方焊點凝固延遲時間更長，即處于固液共存溫度區(qū)間時間更長。隨后在 PCB 開始冷卻恢復(fù)平板狀時，如果焊盤與 PCB 基板之間粘合力足夠強，那么焊點的變形就會引起表面裂紋的產(chǎn)生。在這種情況下，大塊釬料冷卻體積收縮而引腳仍然相對伸長，這就在已固化表面產(chǎn)生張力和剪切力。25 / 38 產(chǎn)生機理PCB 離開波峰焊點開始固化期間，焊點開始從 PCB 頂部至底部逐漸固化，由下表可以看出引腳和焊盤熱導(dǎo)率最大，近元件引腳的焊點頂部和焊盤邊緣也最容易冷卻先固化，其次是與低溫空氣接觸的焊點表面同時形成一層表皮。124 / 382表面裂紋是無鉛波峰焊工藝中通孔焊點上出現(xiàn)的新缺陷，如下圖所示，在接觸波峰面焊點表面出現(xiàn)一肉眼可觀察到的裂紋。即使 PCB 通過了波峰，但大量密集焊點固化熱量傳導(dǎo)至板材而使 PCB 繼續(xù)處于熱膨脹狀態(tài)。如果 EN 層較薄，釬料和 EN 層間的反應(yīng)導(dǎo)致 Kirkendall 孔洞產(chǎn)生，從而使界面強度下降，影響焊點可靠性；（3）減小鍍槽內(nèi)金屬污染，比如 Ni 的污染需控制在 500ppm 以下；（4）維持供應(yīng)商提供的鍍層參數(shù)，控制鍍槽內(nèi) pH 值，化學(xué)成分及溫度，pH 值一般為 3～4；（5）沉淀 Au 層時保證鍍槽內(nèi)最小限度腐蝕性的中性金浴槽；（6）增加一些添加劑析出在晶粒邊界，影響晶粒度和孔隙防止過渡氧化。長期解決措施：控制 ENIG 鍍層。23 / 38 解決措施短期解決措施：在工藝允許范圍內(nèi)減小熱偏移。富磷現(xiàn)象可有力證明腐蝕發(fā)生，因鎳在腐蝕的地方被耗盡而使磷的比例富裕。第二脆化機理是指由于 Ni3Sn4 的增加引起 P 富集，在 Ni 與Ni3Sn4 之間形成 Ni3P 層，并在 Ni3P 層和 Ni3Sn4 層之間生成一種結(jié)合力很弱的三元相NiPSn 第三脆化機理是“ 黑盤”現(xiàn)象產(chǎn)生過程，焊接時 Au 全部熔于釬料中，釬料直接與 Ni 接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，焊點就附著在氧化的 Ni 表面，受到?jīng)_擊時焊點易發(fā)生失效。第一脆化機理是指在浸金過程中，由于過度腐蝕而使 Ni(P)表面缺乏可焊性，但也包括不同合金或合金化合物在界面附近產(chǎn)生的作用，反映在接點焊盤或附近出現(xiàn)明顯的脆弱性，降低機械耐疲勞強度。 “黑盤”問題是電化學(xué)對 ENIG 攻擊的結(jié)果，酸性浸 Au 槽對低 P 含量的化學(xué)鍍鎳層腐蝕嚴重，容易產(chǎn)生富 P 層，導(dǎo)致可焊性下降；而 Ni 的高自由能比別的晶界更易發(fā)生氧化，到達一定程度氧化層呈現(xiàn)灰色至黑色。 )21 / 38第 5章 無鉛焊接常見缺陷以及解決措施 缺陷的種類產(chǎn)生缺陷的種類很多，有“黑盤”現(xiàn)象；表面裂紋（龜裂） ；焊點剝離；晶須；離子遷移；元素污染等等下面重點研究“黑盤” ，表面裂紋（龜裂）焊點剝離現(xiàn)象。(注：在溶錫溫度超過錫膏溶化溫度不多時，錫膏溶化需要更多的時間。焊接區(qū)中的第一個加熱區(qū)用來急速升溫，使 PCB 的表面溫度達到無鉛錫的溶化溫度以上 10~20℃，焊接區(qū)中的第二個加熱區(qū)用來保持前一區(qū)的熔錫溫度，同時增加熔錫時間。e)無鉛標準溫度曲線①溶錫之前的助焊劑預(yù)熱溫度及時間基本不變。在控制最高再流溫度的同時，增加再流區(qū)溫度曲線寬度，延長小熱容量元器件的峰值時間，使大小熱容量的元器件均達到的要求的回流溫度，并避免小元器件的過熱。因此，適當延長預(yù)熱的預(yù)熱時間，使被焊元器件溫度平滑升到預(yù)定的預(yù)熱溫度。通常高 30℃左右，在 170℃190℃(傳統(tǒng)的預(yù)熱溫度一般在 140℃160℃)提高預(yù)熱區(qū)溫度的目的是為了減少峰值溫度以減少元器件間的溫度差。解決辦法是先用多溫區(qū)、高控溫精度的氮氣保護再流焊爐、精確調(diào)試再流焊曲線。這是無鉛再流焊的另一個主要特點。例如：Sn/Ag 成份的錫膏熔點范圍是 216℃ ~ 221℃。這個差別不會影響元器件壽命。這是無鉛再流焊的一個主要特點。多數(shù)無鉛合金，包括 SnAgCu 其熔點都超過 200℃，高于傳統(tǒng)的錫/ 鉛合金的共晶溫度。傳統(tǒng)錫膏的共晶成份是錫和鉛，錫鉛比為 Sn63/Pb37 的錫膏再流共晶溫度為 183℃，錫比為 Sn62/Pb36加 2%的錫膏再流共晶溫度為 179℃。我公司的產(chǎn)品一直遵循最大限度降低客戶成本原則，從助焊劑消耗，焊錫氧化量減少，電量損耗，氮氣損耗等方面進行綜合控制，達到節(jié)約客戶成本的目的。控制系統(tǒng)發(fā)展的另一個方向是客戶成本概念。冷卻速度。預(yù)熱溫度?？刂葡到y(tǒng)除了要求對運輸速度、助焊劑涂敷均勻度、預(yù)熱溫度,錫爐溫度、冷卻速度等精確控制外,還應(yīng)該對生產(chǎn)過程中所有的工藝參數(shù)(運輸速度。助焊劑無鉛焊料的特殊性,在焊接工藝中必須是對應(yīng)的助焊劑相匹配,基于環(huán)保的考慮,醇類溶劑的降低使用,逐步推廣 VOCFREE 環(huán)保助焊劑 .由于無鉛焊料潤濕性差,克服焊接缺陷在佷大程度上要通過助焊劑成分及噴霧方式來改變,傳統(tǒng)的發(fā)泡是噴霧結(jié)構(gòu)已不適應(yīng)現(xiàn)在的工藝, 噴霧結(jié)構(gòu)一些設(shè)備廠家經(jīng)過改良,一些廠家噴霧移動采用步進馬達方式,助焊劑供給采用衡壓系統(tǒng) ,強力抽風(fēng)過濾系統(tǒng),目的是使噴霧效果均勻,降低揮發(fā)性物質(zhì)的排放量。焊后急冷卻在無鉛焊接工藝應(yīng)用,通孔基板的波峰焊接時常常會發(fā)生剝離 缺陷(Liftoff,或 Fillet lifting),產(chǎn)生的原因在于冷卻過程中，焊料合金的冷卻速率與印刷電路板的冷卻速率不同所致。多數(shù)設(shè)備廠家采用改善錫爐噴口結(jié)構(gòu)來減少氧化物,當然最好的對策是加氮氣保護，氮氣保護系統(tǒng)設(shè)備前期投入較大，如果從長遠利益考慮是合理的?，F(xiàn)在國外大多數(shù)廠家的焊錫槽采用鑄鐵并鍍防護層，國內(nèi)大多數(shù)廠家采用鈦合金材料。從國內(nèi)外設(shè)備廠研制的波峰焊及客戶使用分析，采用熱風(fēng)預(yù)熱方式比較理想，因為采用全熱風(fēng)加熱，可提高熱效率，提高 PCB 板的溫度均勻性. 運用遠紅外預(yù)熱和遠紅外加熱風(fēng)預(yù)熱的 PCB 板的時間和溫度的變化曲線如下圖所示：18 / 38錫爐噴口要克服無鉛焊料潤濕性(鋪展能力)差給焊接帶來的缺陷，需要 4 秒以上的浸錫時間，如果采用雙波峰焊接，兩波峰之間的最低溫度要在 220 度以上錫爐噴口結(jié)構(gòu)必須能達到符合以上的溫度曲線，設(shè)備廠家通過減小兩噴口之間距離的設(shè)計，來達到這個要求。B 從以上溫度曲線分析可確定設(shè)備的結(jié)構(gòu)及控制要求：預(yù)熱方式預(yù)熱時間 t1 在 分鐘左右輸送 PCB 板的速度 ,預(yù)熱長度要保障 以上。焊接后的冷卻從溫度 T3(250 度)降至溫度T4(100～150 度) ，建議按 7～11 度/S 的降幅梯度控制 。20 度( 比有鉛錫的溫度要求更嚴) ，一般有高可靠要求的軍用產(chǎn)品，△ T300C，對于普通民用產(chǎn)品，建議溫差可放寬到△ T250 度(根據(jù)日本松下的要求)。 焊接設(shè)備的無鉛化1 波峰焊設(shè)備:由于無鉛焊料的特殊性，無鉛焊接工藝進行要求無鉛焊接設(shè)備必須解決無鉛焊料帶來的焊接缺陷及焊料對設(shè)備的影響，預(yù)熱/錫爐溫度升高，噴口結(jié)構(gòu)，氧化物，腐蝕性，焊后急冷，助焊劑涂敷，氮氣保護等。 新的無鉛焊接工藝及設(shè)備 元器件及 PCB板的無鉛化在無鉛焊接工藝流程中，元器件及 PCB 板鍍層的無鉛化技術(shù)相對要復(fù)雜，涉及領(lǐng)域較廣，這也是國際環(huán)保組織推遲無鉛化制程的原因之一，在相當時間內(nèi)，無鉛焊料與SnPb 的 PCB 鍍層共存，而帶來 剝離(LiftOff) 等焊接缺陷,設(shè)備廠商不得不從設(shè)備上克服這種現(xiàn)象。(3) 焊接時間一般為 4 秒左右。(1) 熔點高，比 SnPb 高約 30 度。到目前為止，全世界已報道的無鉛焊料成分有近百種，但真正被行業(yè)認可并被普遍采用是 SnAgCu 三元合金，也有采用多元合金，添加 In,Bi,Zn 等成分。2)元器件及 PCB 板的無鉛化 。對于任何無鉛焊接工藝來說，改進焊接材料，以及更新設(shè)備都可改進產(chǎn)品的焊接性能。控制和改進工藝無鉛焊接工藝是一個動態(tài)變化的舞臺。一旦焊接產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)轉(zhuǎn)變到工業(yè)化生產(chǎn)。還需要對焊接樣品進行可靠性試驗，以鑒定產(chǎn)品的質(zhì)量是否達到要求。在這一步還要弄清無鉛合金焊接工藝可能產(chǎn)生的沾染知道如何預(yù)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。開發(fā)健全焊接工藝這一步是第二步的繼續(xù)。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。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。這時就要根據(jù)焊接工藝要求選擇設(shè)備及相關(guān)的工藝控制和工藝檢查儀器，或進行升級。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。 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。對于通孔插裝元件，可根據(jù)情況選擇波峰焊、浸焊或噴焊法來進行焊接。板上元件的多少及分布情況等。對于焊接方法，要根據(jù)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。選擇的這些材料應(yīng)該是在自己的研究中證明了的，或是權(quán)威機構(gòu)或文獻推薦的，或是已有使用的經(jīng)驗。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(guān)鍵的，也是最困難的。另外，助焊劑的殘留量可以減少 5%。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。(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(xué)惰性；膨脹性能好，安全，適用于高壓工藝；儲存及使用方便。錫渣主要是錫在高溫環(huán)境下和氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)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(xué)置換還原反應(yīng)將錫渣中的氧分子置換后還原成純錫而重復(fù)使用。在生產(chǎn)加工過程中，其錫渣的產(chǎn)生