【正文】 要稍高，具體數(shù)值根據(jù)助焊劑和 PCB 板工藝等方面來(lái)定，但△ T1 必須控制在 50 度以?xún)?nèi)，以確保助焊劑的活化性能的充分發(fā)揮和提高焊錫的浸潤(rùn)性 。溫度曲線(xiàn)在時(shí)間上的要求主要是預(yù)熱時(shí)間 t浸錫時(shí)間 t t3 及冷卻時(shí)間 t4，這些時(shí)間的具體數(shù)值的確定要考慮元器件、 PCB 板的耐熱性及焊 錫的具體成份等多方面因素，通常 t1 在 分鐘左右， t2+t3 在 3～ 5S 之間。為保障預(yù)熱的熱穩(wěn)定性預(yù)熱結(jié)構(gòu)必須采用封閉式的結(jié)構(gòu)，預(yù)熱方式建議采用熱風(fēng)預(yù)熱方式。 由于高 Sn 含量的無(wú)鉛焊料更易氧化，另外無(wú)鉛焊料的成本較高，控制錫氧化物生成量是焊接設(shè)備廠(chǎng)家必須考慮的問(wèn)題，一些國(guó)內(nèi)外的廠(chǎng)家已推出新的波峰噴口結(jié)構(gòu)，氧化物生成量同過(guò)去相比減少一倍 . 腐蝕性 無(wú)鉛焊料的高 Sn 含量 ,在高溫下對(duì) Fe 有 佷 強(qiáng)的溶解能力，傳統(tǒng)的波峰焊焊料槽及噴口大多數(shù)采用不銹鋼材料，從而發(fā)生溶解反應(yīng)，隨著時(shí)間的推移，最終導(dǎo)致部件的溶蝕損壞，特別是噴口及葉輪部件。 氧 化 同 SnPb 合金焊料相比，高 Sn 含量的無(wú)鉛焊料在高溫焊接中更容易氧化，從而在錫爐液面形成氧化物殘?jiān)?(SnO2)，過(guò)多的氧化物不但影響焊接品質(zhì)，而且使焊料成本浪費(fèi)，尤其是對(duì)現(xiàn)在昂貴的無(wú)鉛焊料。國(guó)內(nèi)外 佷 多設(shè)備廠(chǎng)家都已推出氮?dú)獗Ｗo(hù)的波峰焊，技術(shù)已成熟。無(wú)鉛化推廣前期，無(wú)鉛焊料與鍍有 SnPb 的元器件會(huì)有一段時(shí)間共存，如果采用的是含 Bi 無(wú)鉛焊料此種現(xiàn)象更為突出，解決對(duì)策是在波峰焊出出口處加冷卻系統(tǒng)，北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 19 至于冷卻方式及冷卻速率的要求要根據(jù)具體情況而定，因?yàn)槔鋮s速率超過(guò) 6 度 /冷卻系統(tǒng)要采用冷源方式，大多數(shù)采用冷水機(jī)或冷風(fēng)機(jī)，國(guó)外的研究有提到用冷液方式，可達(dá)到 20 度 /，成本非常高，對(duì)于大規(guī)模電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠(chǎng)家是無(wú)法承受的，屬于早期實(shí)驗(yàn)，真正被推廣應(yīng)用的，在日本大多數(shù)廠(chǎng)家采用全無(wú)鉛化方案 (焊料 /元器件 /基板等全部無(wú)鉛化 )，設(shè)備冷卻結(jié)構(gòu)采用強(qiáng)制自然風(fēng)冷卻，對(duì)于國(guó)內(nèi)電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠(chǎng)家，建議采用 SnAgCu 合金或 SnCu 合金的焊料，快速冷卻速率控制在 6~80 度 /SEC.或 8~120 度 /SEC.,冷卻方式采用自然風(fēng)強(qiáng)制冷卻或帶冷水機(jī)冷源的方式。 控 制 控制系統(tǒng)發(fā)展的方向主要是數(shù)字化控制及管理。助焊劑涂敷厚度、濃度、寬度、角度 。錫爐溫度 。氮?dú)鉂舛鹊?)均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控 制，便于參數(shù)的重復(fù)利用。 客戶(hù)成本是指客戶(hù)在生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)一定數(shù)量的產(chǎn)品所消耗的材料，時(shí)間，能源等。無(wú)論生產(chǎn)焊料的廠(chǎng)家，還是生產(chǎn)設(shè)備的廠(chǎng)家，推出的產(chǎn)品既要符合焊接工藝又要兼顧最終用戶(hù)的成本投入，隨著技術(shù)的發(fā)展，無(wú)鉛焊接工藝會(huì)逐步走向成熟 . 2 回流焊設(shè)備 : a)無(wú)鉛再流焊技術(shù)是應(yīng)用再流焊對(duì)無(wú)鉛錫膏進(jìn)行再流的焊接技術(shù)。對(duì)于無(wú)鉛錫膏，在合金成份中去掉了鉛，接近共晶的合金是錫 /銀 /銅合金。這使再流焊接溫度升高。 b)傳統(tǒng)的鉛 /鉛合金再流時(shí)，共晶溫度為 179℃ ~ 183℃，焊接時(shí)小元器件上引腳的峰值溫度達(dá)到 240℃，而大元器件上溫度 210℃左右，大 /小元器件溫度差近 30℃。當(dāng)使用無(wú)鉛錫膏時(shí)，由于無(wú)鉛錫膏的熔點(diǎn)溫度高于錫 /鉛的共北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 20 晶溫度。這就使得被加墊的大元器件引腳溫度要高于 230℃以保證溶溫，而小元器件引腳的峰值溫度要保持在 240℃左右，大小元器件的溫度差小于 10℃。 c)鑒于無(wú)鉛再流焊的主要特點(diǎn)，技術(shù)上要解決的主要問(wèn)題是再流溶融溫度范圍內(nèi)， 盡可能小地減小被焊元器件之間的溫度差，確保熱沖擊不影響元器件的壽命。因此，在 無(wú)鉛回流焊的設(shè)計(jì)中，在各獨(dú)立溫區(qū)尺寸減小的同時(shí)增加溫區(qū)數(shù)目，增加助焊劑分離及回收裝置，設(shè)計(jì)新型中心支撐 . d)再流焊曲線(xiàn)調(diào)試應(yīng)注意 ①提高預(yù)熱溫度 無(wú)鉛再流焊接時(shí)，再流焊爐的預(yù)熱區(qū)溫度應(yīng)比錫 /鉛合金再流的預(yù)熱溫度要高一些。 ②延長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)間 適當(dāng)延長(zhǎng)預(yù)熱的預(yù)熱時(shí)間，預(yù)熱太快一方面會(huì)引起熱沖擊，不利于減少在形成峰值再流溫度之衫，元器件之間的溫度差。 ③延長(zhǎng)再流區(qū)梯形溫度曲線(xiàn) 延長(zhǎng)再流區(qū)梯形溫度曲線(xiàn)。 ④調(diào)整溫度曲線(xiàn)的一致性 測(cè)試調(diào)整溫度曲線(xiàn)時(shí)，雖然各測(cè)試點(diǎn)的溫度曲線(xiàn)有一定的離散性，不可能完全一致，但要認(rèn)真調(diào)整，使其各測(cè)試點(diǎn)溫度曲線(xiàn)盡量趨向一致。 ②使用 2 個(gè)以上的 回流焊機(jī) 加熱區(qū)作為焊接區(qū)。從溫度曲線(xiàn)來(lái)看，在焊接區(qū)產(chǎn)生了一個(gè)溫度平臺(tái)。比如：用 5℃的水熔化同樣大小的冰塊，將比用 10℃的水需要更多的時(shí)間。 ?黑盤(pán)? 現(xiàn)象 產(chǎn)生此現(xiàn)象的表現(xiàn) ?黑盤(pán)?現(xiàn)象的宏觀(guān)表現(xiàn)為經(jīng)過(guò) ENIG 表面處理的 焊盤(pán)會(huì)偶發(fā)性的出現(xiàn)可焊性不良 , 并導(dǎo)致隨后的焊點(diǎn)強(qiáng)度不厚，甚至開(kāi)裂，開(kāi)裂后焊盤(pán)表面多呈深灰色或黑色。 圖如下 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 22 產(chǎn)生機(jī)理 ?黑盤(pán)?現(xiàn)象與焊點(diǎn)的脆化有關(guān)，涉及了許多發(fā)生在 Ni(P)/Ni3Sn4 界面或附近的焊點(diǎn)斷裂現(xiàn)象。根據(jù)這種機(jī)理，看上去很完美的金屬間化合物結(jié)構(gòu)會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化。 三個(gè)基本的現(xiàn)象可用來(lái)證明焊點(diǎn)失效與 ?黑盤(pán)?現(xiàn)象有關(guān)： 1）暴露在破碎 Ni 表面中的腐蝕裂紋（可通過(guò) IMC 觀(guān)察）； 2）拋光的橫截面觀(guān)察到的腐蝕及腐蝕穿透鎳層的深度； 3）相對(duì) Ni 體積中磷含量而言，在腐蝕處出現(xiàn)富磷現(xiàn)象。?黑盤(pán)?現(xiàn)象易出現(xiàn)在 BGA 器件四個(gè)角落， Ronald A 等人對(duì) BGA 失效部位進(jìn)行 EDS 分析，腐蝕處 BGA 焊球底部 P 含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)溶液中磷含量，出現(xiàn)明顯的富磷區(qū)，如下圖所示。 （ 1）減少回流焊工藝液相線(xiàn)以上時(shí)間（ TAL）； （ 2）降低回流焊工藝峰值溫度； （ 3）二次回流焊工藝中再次減少峰值溫度和液相線(xiàn)以上時(shí)間（ TAL）； （ 4）減少波峰焊工藝熱參數(shù)和停留時(shí)間； （ 5）降低鍍層表面存在的裂縫和水分； （ 6）鍍鎳后及時(shí)清洗酸性鍍液，防止長(zhǎng)時(shí)間鎳被腐蝕。 （ 1）控制 EN 層 P 含量，一般為 7～ 8wt%以實(shí)現(xiàn)良好的抗腐蝕性； （ 2）控制 EN 層厚度，一般為 5um。 表面裂紋（龜裂） 產(chǎn)生此現(xiàn)象的表現(xiàn) 由于 PCB 基板材料及 PCB 上銅箔導(dǎo)線(xiàn)、銅過(guò)孔及元件引腳之間的熱膨脹系數(shù)存在差異，焊接過(guò)程中 PCB 在 Z 軸方向出現(xiàn)的熱膨 脹遠(yuǎn)大于銅過(guò)孔臂的熱膨脹，從而引起焊點(diǎn)和焊盤(pán)變形，如圖 下圖 1 所示。一旦固化熱能輻射結(jié)束，焊點(diǎn)就開(kāi)始緩慢下降至環(huán)境溫度， PCB 開(kāi)始冷卻恢復(fù)平板狀，這就在焊點(diǎn)表面產(chǎn)生很大的應(yīng)力，引起焊盤(pán)起翹或焊點(diǎn)剝離（有 Pb、 Bi 污染時(shí)）或表面裂紋，如圖 下圖 2 所示。 IPC610D 指出：只要裂紋底部不深入 到焊點(diǎn)內(nèi)部影響電氣及力學(xué)性能就判定為合格，但實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免表面裂紋的產(chǎn)生。在后續(xù)固化過(guò)程中，由于焊點(diǎn)內(nèi)部熱量要釋放，其熱量會(huì)流向引腳，導(dǎo)致大塊釬料凝固過(guò)程期間元件引腳繼續(xù)膨脹。再加上焊點(diǎn)固化后 PCB 在 Z 方向有很大的收縮，造成焊點(diǎn)存在大的應(yīng)力應(yīng)變。當(dāng)實(shí)際發(fā)生的應(yīng)變量超過(guò)材料本身所具有的塑性變形能力時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生開(kāi)裂，因此裂紋一般從高應(yīng)力應(yīng)變位置產(chǎn)生。 快速冷卻使凝固等溫線(xiàn)移動(dòng)速度快，沒(méi)有足夠的時(shí)間產(chǎn)生應(yīng)變，如果產(chǎn)生的有效應(yīng)力低于金屬自身強(qiáng)度，焊點(diǎn)雖然沒(méi)有發(fā)生應(yīng)變，但殘余應(yīng)力會(huì)保留在其內(nèi)部。慢速冷卻使凝固等溫線(xiàn)移動(dòng)速度慢，有效應(yīng)力通過(guò)兩相區(qū)收縮變形得以釋放，形成的通道空間被液態(tài)釬料 填充，如果通道空間靠近表面，凝固后就以表面裂紋的形式保存下來(lái)。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 26 解決措施 （ 1）控制合適的釬焊溫度和浸錫時(shí)間，減少變形量，比如提高預(yù)熱溫度，降低焊接溫度； （ 2）控制適當(dāng)?shù)睦鋮s速度。 （ 3）控制材料工藝性。 剝離 產(chǎn)生此現(xiàn)象的表現(xiàn) 剝離起源于接近焊盤(pán)拐角附近的環(huán)形區(qū)域。剝離一般發(fā)生在結(jié)晶后期，在釬料偏析產(chǎn)生的低熔相液相線(xiàn)以上稍高溫度期間， 屬于熱裂紋之列，發(fā)生機(jī)制同結(jié)晶裂紋發(fā)生機(jī)制相似。此外，如果釬料中含 Bi 或 P b 污染時(shí)剝離的概率更大，因?yàn)榇藭r(shí)低熔相熔點(diǎn)很低。釬料中 Bi 的存在是形成焊點(diǎn)剝離現(xiàn)象的主要原因， SnBi 二元合金中存在一熔點(diǎn)只有 138℃的共晶相，如果無(wú)鉛釬料中含 有 Bi 元素，在焊點(diǎn)凝固過(guò)程中，釬料主體在 220℃左右的溫度區(qū)間內(nèi)已凝固，但凝固過(guò)程中偏析出來(lái)的 SnBi 共晶卻要等到 138℃左右才開(kāi)始凝固，由此造成了釬料的非同步凝固現(xiàn)象。此外，電子組裝件在焊接過(guò)程中要吸收熱量，冷卻過(guò)程中印刷電路板上的熱量會(huì)通過(guò)鍍層向熱導(dǎo)率非常好的 Cu 焊盤(pán)傳遞，從而造成了與焊盤(pán)接觸部分的釬料不能與其他部分釬料同步凝固，這是由局部溫度不平衡造成的非同步凝固。首先，已冷卻釬料的凝固收縮會(huì)對(duì)焊盤(pán)界面處殘存液相產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力的約束；其次， PCB 板 Z 方向熱脹冷縮系數(shù)一般很大，冷卻過(guò)程中的收縮將促使焊盤(pán)與焊點(diǎn)脫離，研究發(fā)現(xiàn) SAC305 和 焊點(diǎn)都有剝離現(xiàn)象發(fā)生，前者發(fā)生率極少，而后者發(fā)生概率極高并存在規(guī)律性； 和 釬料焊點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)剝離現(xiàn)象。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 28 需要指出的是，如果無(wú)鉛釬料中含有 In，同樣會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)剝 離現(xiàn)象的發(fā)生，原因與含 Bi 釬料合金的情況一致， SnIn 之間可以形成熔點(diǎn)只有 120℃的共晶相。如果此時(shí)釬料中含有 Bi，情況會(huì)變得更為嚴(yán)重，因?yàn)?SnPbBi 之間可以形成一熔點(diǎn)只有 96℃的共晶相。釬焊溫度過(guò)低、浸錫時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)濕不良，釬焊溫度過(guò)高、浸錫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使熱應(yīng)變?cè)龃?，促使剝離發(fā)生； （ 4）保持 PCB 焊盤(pán)和元件引線(xiàn)清潔，增加焊劑活性，防止焊點(diǎn)潤(rùn)濕不良； （ 5）開(kāi)發(fā) PCB 材料與制作工藝，減少 Z 方向的熱膨脹系數(shù)； （ 6）考慮 PCB 熱設(shè)計(jì)，使基板內(nèi)部熱量盡量釋放； （ 7）在回流＋波峰復(fù)合工藝中，盡量采用 SMD 焊盤(pán)結(jié)構(gòu)； （ 8）控制適當(dāng)冷卻速度。但過(guò)大的冷卻速率隨能夠抑制偏析，卻不能完全抑制剝離，而且還會(huì)導(dǎo)致表面裂紋增加（當(dāng)冷卻速率達(dá)到 10℃ /s 以上時(shí)）。而無(wú)鉛焊料替代鉛錫焊料將是必然的趨勢(shì)。 另外， 無(wú)鉛焊 接工藝技術(shù)的應(yīng)用致使組裝材料、設(shè)備和工藝等發(fā)生了許多變化，相應(yīng)的也出現(xiàn)了許多新的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 30 致 謝 本文是在我的指導(dǎo)老師梁萬(wàn)雷的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的，從開(kāi)題伊始到論文結(jié)束，老師給予我很大的指導(dǎo)和幫助 在今后的學(xué)習(xí)工作中，我將銘記恩師對(duì)我的教誨和鼓勵(lì)，盡自己最大的努力取得更好的成績(jī)。 同時(shí)思想，覺(jué)悟，人生觀(guān)，世界觀(guān)有了很大的變化，更能適應(yīng)未來(lái)全球化的挑戰(zhàn)，并且理解了終生學(xué)習(xí)的重要性。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 31 參考文獻(xiàn) [1] （日）營(yíng)沼克昭 ． 無(wú)鉛焊接技術(shù) ， 2020， 38． [2] 陳國(guó)海，耿志挺，馬莒生．新型無(wú)鉛焊料合金 SnAgCuInBi 的研究 .電 子元件與材料， 2020， 2(4):36. 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