【正文】 ....................................................................................................30參考文獻 ....................................................................................................................................................................31附 錄 ....................................................................................................................................................................324 / 38無鉛焊接工藝技術(shù)第 1章 緒論 無鉛焊接工藝技術(shù)的產(chǎn)生現(xiàn)在的板卡設(shè)備上的芯片，都是通過芯片的封裝下面的小焊點和 PCB 板連接的。鉛的特性及對人體的危害：鉛（lead Pb） ，灰白色金屬，熔點為 ℃，加熱至400～500℃時即有大量鉛蒸氣逸出，并在空氣中迅速氧化成氧化亞鉛而凝集為煙塵并四處逸散。在以上接觸中鉛及其化合物主要通過呼吸和消化道入侵人體造成鉛中毒，對人體健康構(gòu)成危害。通常的職業(yè)性鉛中毒都是慢性中毒，其對人體的神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)和血液系統(tǒng)都將造成干擾和傷害，其臨訂癥狀表現(xiàn)為頭昏頭痛、乏力、記憶力下降、惡心、煩躁、食欲不振、腹部脹痛、貧血、精神障礙等。日本在 2022 年禁止生產(chǎn)或銷售使用有鉛材料焊接的電子生產(chǎn)設(shè)備；歐美在 2022 年禁止生產(chǎn)或銷售使用有鉛材料焊接的電子生產(chǎn)設(shè)備；中國在 2022 年已進入無鉛焊接。 歐盟為了限制有害物質(zhì)在電子電器產(chǎn)品中的使用，并透過妥善的回收及處理廢棄電子電器產(chǎn)品達到保護人類健康的目的，于 2022 年頒布 2022/95/EC 號法令，即 RoHS 法令（Restriction of the use of Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment Pirective）——電子電機產(chǎn)品之危害物質(zhì)限用法令。信息產(chǎn)業(yè)部根據(jù)《清潔生產(chǎn)促進法》和《固體廢物污染環(huán)境防治法》等有關(guān)法規(guī)制定的《電子信息產(chǎn)品污染防治管理辦法》已經(jīng)完成，并于2022 年 1 月 1 日起施行。對于 2022 年 7 月 1 日以前的一段時間，中國政府要求電子信息產(chǎn)品制造商們實行有毒有害物質(zhì)的減量化生產(chǎn)措施，并積極尋找可替代品。無鉛焊接工藝技術(shù)則是使用一種無鉛的合成物來取代鉛。無鉛焊接工藝技術(shù)帶來的并不全是革命性的轉(zhuǎn)變，它還是屬于一個“發(fā)展”技術(shù)。自有 SMT 技術(shù)時代開始，快速擴張的用戶市場，使工業(yè)界已經(jīng)認識到“ 革命” 式改變的害處，具備較多的“發(fā)展性”當(dāng)然是件好事，然而對于無鉛技術(shù)來說，這卻也非簡單。有些用戶可能對于這些技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)還記憶猶新。焊接技術(shù)實際上就是各種焊接方法、焊接材料、焊接工藝以及焊接設(shè)備等及其基礎(chǔ)理論的總稱。由于它具有較低的熔點、良好的性價比以及易獲得性，鉛錫焊料成為低溫焊料中最主要的焊料系列，被廣泛用于食品容器、有色金屬、建筑金屬構(gòu)件、運行機械、輸水系統(tǒng)管道以及其它流體和氣體管道裝置的焊接等領(lǐng)域。進入 20 世紀(jì)后期，隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對環(huán)境的保護意識越來越強，鉛錫合金帶來的負面影響日漸突出，引起全球范圍內(nèi)的高度重視。1994 年，北歐環(huán)境部長會議提出逐步取締鉛的使用，以減少鉛對人類健康和生存環(huán)境的危害。從 2022 年起在電子工業(yè)中禁止使用含鉛焊料材料。在中國，提出了廢舊電池統(tǒng)一回收的試行方案，其目的也是減少鉛對環(huán)境的污染。這導(dǎo)致了“無鉛焊料”成為全球性的研究熱點。由于當(dāng)時所有的電子產(chǎn)品都離不開有鉛焊料， 有鉛焊料發(fā)展得也相當(dāng)成熟，而在那時人們對生態(tài)環(huán)境的保護意識還不夠，對鉛對人體損傷的認識不足，因而沒有受到重視。(3)無鉛焊料的運用階段在 1998 年 10 月，第一款批量生產(chǎn)的無鉛電子產(chǎn)品PanasonicMiniDiscMJ30 問世。7 / 38 無鉛焊料的要求（1）使用產(chǎn)品時的材料消耗情況。（3）產(chǎn)品處理后的重復(fù)使用性。經(jīng)過大量的比較后篩選出幾種好的錫合金，它們?yōu)殂~(Cu)、銀(Ag)、鋼(In)、鋅(Zn)、鉍(Bi)、銻(Sb)。 無鉛焊料的種類現(xiàn)在各種系別組成的無鉛焊料合金有很多種，其中主要有：Sn－Ag、Sn－Zn、Sn －Bi 、Sn－Cu 等二元合金以及在此基礎(chǔ)上添加其他合金元素形成的三元、四元乃至五元合金。 SnAg系列Sn－Ag 系焊料作為錫鉛替代品已在電子工業(yè)使用了多年。這種焊料所形成的合金組織是由不含銀的純 β－Sn 和微細的 Ag3Sn 相組成的二元共晶組織。隨著 Ag 含量的增加，其屈服強度和拉伸強度也相應(yīng)增加。添加 3％以上的 Ag，強度值顯著比 SnPb 共晶焊錫要高，但超過 ％以后，拉伸強度相對降低。形成粗大的金屬間化合物不僅使強度降低，而且對疲勞和沖擊性能也有不良影響，因此對 Ag 的含量和金屬界面的金屬間化合物要進行認真的考究。Sn－Ag－Cu 無鉛焊料是目前被認為最接近實用化的 Sn－Pb 焊料替代品，也是目前無鉛焊料得首選。Sn 與次要元素 Ag 和 Cu 之間的冶金反應(yīng)是決定應(yīng)用溫度、同化機制及機械性能的主要因素。在溫度動力學(xué)上 Sn 更適合與 Ag 或 Cu 反應(yīng)，來形成 Ag3Sn 或 Cu6Sn5 金屬間化合物。Ag 與 Cu 一樣也是幾乎不能固溶于 βSn 的元素。這些硬粒子也可有效地阻擋疲勞裂紋的蔓延。Ag3Sn 和 Cu6Sn5 粒子越細小，越可以有效地分隔錫基質(zhì)顆粒，結(jié)果是得到整體更細小的微組織。 焊點中 Sn 先結(jié)晶，以枝晶狀（樹狀）出現(xiàn)，中間夾 Cu6Sn5 和 Ag3Sn。 SnZn系列Sn－Zn 系無鉛合金的典型組成比例為 Sn9Zn，熔點是 199℃，被認為是最有發(fā)展?jié)摿Φ臒o鉛焊料。Zn 能均勻致密的分散在 Sn 中。近年來對 Sn－Zn 系合金潤濕的研究取得了明顯進展，在 Sn－Zn中添加 Bi 焊料是目前研究較為廣泛的無鉛合金材料。因此，Bi 的加入提高了合金的潤濕性能，研究表明在 Sn－9Zn 為共晶合金的基礎(chǔ)上加入 Bi 雖然提高了合金的潤濕性，但往往伴隨著焊料力學(xué)性能的下降，通過調(diào)節(jié)合金中 Zn 的含量，能夠減少初生 Zn 相的生成，在提高潤濕性（縮短潤濕時間）的條件下降低由于 Bi 的加入帶來的力學(xué)性能惡化效果。對于防止 Sn－Zn 系焊料的抗氧化一般可以通過在焊料中添加微量金屬的辦法來解決。 SnBi系列Sn－Bi 系合金是典型的低熔點無鉛焊料，Sn58Bi 熔點為 139℃。該合金形成化合物，并且共晶成分形成單純的共晶組織。Sn58Bi 共晶合金應(yīng)用于主板封裝已經(jīng)超過 20 年。所以考慮在 Sn58Bi 中添加 Ag 具有改善該合金塑性的效果，其延伸率的變化非常明顯。但是含 Bi 焊料在遇到含鉛合金包括元器件端焊頭重的鉛以及 PCB 焊盤中的含鉛涂層時，其焊點強度會明顯下降，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因之一是 Sn、Pb 、三元素混熔后會形成 SnPbBi 三元共晶析出，該合金的熔點僅為 97℃左右。 SnCu系列Sn－Cu 系合金中的合金化合物比較復(fù)雜，在共晶點處可以看作 SnCu6Sn5 的二元合金，熔點為 227℃。由于 Cu6Sn5 不像 Ag3Sn 那樣穩(wěn)定，所以在微細共晶組織在 100℃保持數(shù)十小時就會消失，變成分散的 Cu6Sn5 顆粒的粗大組織同時在 Cu 和 Cu6Sn5 之間會生成 Cu3Sn。為了細化該合金中的 Cu6Sn5 相，曾經(jīng)嘗試添加微量的 Ag、Ni、等元素。另外，添加 Ni 具有減少焊錫渣量的效果，已經(jīng)逐漸穩(wěn)定地用作波峰焊生產(chǎn)使用的焊錫?！盁o鉛電子產(chǎn)品”的理念，由美國傳到歐洲、日本和全世界發(fā)達國家。美國TMS (The Minerals ，Metalsamp。歐共體的奧地利、德國、法國、英國等16國聯(lián)合制定了COST531(無鉛焊料材料) 研究計劃。通過20多年的研究開發(fā)，各國材料工作者都取得了一定的研究成果，一些性能較好的無鉛焊料已經(jīng)商業(yè)化。近七、八年以來，日本、美國、澳大利亞、韓國等國家的一些公司，如日本鋁釬料株式社、日立制作，美國國際機械公司，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(nèi)申請并獲得專利，且產(chǎn)品獲得商業(yè)應(yīng)用價值和市場份額。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(chǎn)單位也在進行開發(fā)研制。而我國一些技術(shù)含量較高的機電產(chǎn)品，由于使用了鉛錫焊料，在出口時受到阻礙，已嚴(yán)重影響了這類產(chǎn)品在國際市場上的競爭力。我國是錫的生產(chǎn)和出口大國，也是消耗焊料的各種電器生產(chǎn)的大國，如無鉛焊料的研究沒有實質(zhì)性的突破，將會嚴(yán)重影響我國的機電、微電子行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品將失去市場競爭力。 無鉛焊料的問題對于無鉛焊料，主要的問題在以下幾方面：。(183℃)接近，不應(yīng)超過 200℃。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。，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(yù)成型。11 / 38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(jīng)應(yīng)用了近一個世紀(jì)。是一種極為理想的電子焊接材料。據(jù)統(tǒng)計，某些地區(qū)地下水的含鉛量已超標(biāo) 30 倍，施行無鉛焊接工藝技術(shù)是大勢所趨。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。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(yīng)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(yīng)用最多的用于再流焊的無鉛焊料。無鉛合金焊料較仍然有以下問題：(A)熔點高 34℃左右。(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。目前無鉛焊接工藝技術(shù)處于過渡和起步階段雖然國際國內(nèi)都在不同程度的應(yīng)用無鉛技術(shù)，但目前還處于過渡和起步階段，從理論到應(yīng)用都還不成熟。12 / 38(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。(C)工藝窗口小，質(zhì)量控制難度大。(B)無鉛焊點外觀粗糙。(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。(D)缺陷多由于浸潤性差，使自定位效應(yīng)減弱。(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(xué)反應(yīng)，因此不同合金成分要選擇不同的助焊劑。(C)提高助焊劑的活化溫度，要適應(yīng)無鉛高溫焊接溫度。(2) 焊膏印刷性、可焊性的關(guān)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(zhì)量如何。(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(zhì)量以及優(yōu)良工藝性的關(guān)鍵材料。(4) 波峰焊中無 VOC 免清洗焊劑也需要特殊配制。(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13 / 38PCB 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。連接器和其他塑料封裝元件在高溫時失效明顯增加。解決措施是盡量降低峰值溫度。(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(jīng)做了分析，高溫容易 PCB 的熱變形、因樹脂老化變質(zhì)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。(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(dǎo)電體之間可能會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致表面絕緣電阻的下降。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。(B)溫度高 (簡單 PCB235℃，復(fù)雜 PCB260℃)。② 無鉛返修注意事項：(A)選擇適當(dāng)?shù)姆敌拊O(shè)備和工具。(C)正確選擇焊膏、焊劑、焊錫絲等材料。除了要適應(yīng)無鉛焊料的高熔點和低潤濕性。(9) 關(guān)于過度時期無鉛和有鉛混用情況總結(jié)。(B)無鉛焊料和有鉛焊端――目前普通使用，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)，否則會造成可靠性問題。目前無鉛工藝當(dāng)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。如果能將錫渣的產(chǎn)生量降低則對于材料消耗方面的成本控制是有益的。每個工廠可根據(jù)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。(2)氮氣應(yīng)用的優(yōu)點擴大工藝窗口，提高工藝適應(yīng)性；提高焊接質(zhì)量(防止氧化，浸潤性良好，高質(zhì)量焊點)；做到免清洗，適應(yīng)環(huán)保要求；達到細間距芯片高密度裝配要求；簡化操作。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%。. 無鉛焊接工藝的五個步驟選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾头椒ㄔ跓o鉛焊接工藝中，焊接材料的選擇是最具挑戰(zhàn)性的。在選擇這些材料時15 / 38還要考慮到焊接元件的類