第30卷第4期電子工藝技術200年7月Electronics Process Technology無鉛工藝和有鉛工藝邵志和(株洲南車時代電氣股份有限公司,湖南株洲412001)摘要:隨著國際環(huán)保要求逐步提高,無鉛工藝成為電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個必然過程。詳細介紹了有鉛工藝和無鉛工藝的焊料合金成分、焊料成本、焊料合金熔點溫度、焊料合金可焊性、焊焊接后出現(xiàn)的各種故障現(xiàn)象和焊接工藝特點,同時指出了有鉛和無鉛工藝對電子元器件和PCB要求的不同點,指出了它們的利弊以及使用設備的通用性。關鍵詞:焊接;無鉛工藝;表面貼裝工藝中圖分類號:TN605文獻標識碼:A文章編號:1001-3474(200)04-0203-04Discussion of Lead -free and Lead TechnicsSHAO Zhi-heZhuzhou CSR Times Electric Co. Ltd, Zhuzhou 412001)Abstract: With the development of enviromental protection, lead -free process has become an inevi-table trend in electronics industry. Introduce the solder alloy, solder cost, soldering temperature, solder-bility, soldering defects and soldering process characteristic of lead -free and lead technics in detailsPoint out the different requirements of lead -free and lead technics for components and PCB, give out theadvantages and disadvantages of each process and the universal properties of the equipmentKey words Sodering; Lead-free: Surface mount technologyDocument Code: AArticle l:1001-3474(2009)04-0203-04據(jù)統(tǒng)計,當前國內(nèi)的許多大公司也沒有完全采批有鉛工藝專家研究,具有較好的焊接可靠性和穩(wěn)用無鉛工藝,而是采取有鉛工藝技術來提高可靠性,定性,擁有成熟的生產(chǎn)工藝技術,這主要取決于有鉛在機車行業(yè)中西門子和龐巴迪等國際著名公司也沒焊料合金的特點。有完全采用無鉛工藝進行生產(chǎn),而是盡量爭取豁免。有鉛焊料合金熔點低,焊接溫度低,對電子產(chǎn)品當前有許多專家也認為無鉛技術還有許多問題的熱損壞少;有鉛焊料合金潤濕角小,可焊性好,產(chǎn)有待于進一步認識,如著名工藝專家李寧成博士也生焊點“假焊”的可能性小;焊料合金的韌性好,形認為當前的無鉛工藝技術的發(fā)展還沒有有鉛技術成成的焊點抗振動性能好于無鉛焊點。熟,如先前無鉛焊接采用的最多的Sn3Ag0.5Cu焊無鉛焊接工藝從目前的研究結(jié)果中,所有可替料合金,最近發(fā)現(xiàn)由于Cu的含量稍低,焊點可靠性代合金的熔點溫度都高于現(xiàn)有的錫鉛合金。例如從有些問題,有人建議將Cu的質(zhì)量分數(shù)提高到1目前較可能被業(yè)界廣泛接受的“錫一銀-銅”合金2%,但是現(xiàn)在市場上還沒有這種焊料合金的產(chǎn)品。看來,其熔點是217℃,這將在焊接工藝中造成工同時無鉛焊接的電子產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)遠遠沒有有藝窗口的大大縮小。理論上工藝窗口的縮小為從錫鉛焊接生產(chǎn)的電子產(chǎn)品豐富3鉛焊料的37℃降到23℃如圖1所示。實際上1無鉛工藝和有鉛工藝的比較工藝中國煤化工為在實際工作中有鉛工藝技術有上百年的發(fā)展歷史,經(jīng)過一大我們的CNMHG,加上DFM的限作者簡介:邵志和(1970-),男,畢業(yè)于東南大學,高級工程師,主要從事電源及其控制、電子可靠性設計研究和應用工作。204電子工藝技術第30卷第4期制,以及要很好地照顧到焊點“外觀”等,回流焊接由于無鉛焊接工藝窗口比起含鉛焊接工藝窗口工藝窗口其實只有約14℃有顯著的縮小,業(yè)界有些人認為氮氣焊接環(huán)境的使20122力,增加其濕性。也能防止預熱期間適成的氧化飛家過冷國冷但氮氣非萬能,它不能解決所有無鉛帶來的問題尤其是不可能解決焊接工藝前已經(jīng)造成的問題。圖1有鉛工藝窗口和無鉛工藝窗口對比在目前的回流焊接設備中,使用強制熱風對流不只是工藝窗口的縮小給工藝人員帶來巨大的原理的爐子設計是主流。熱風對流技術在升溫速度挑戰(zhàn),焊接溫度的提高也使得焊接工藝更加困難。的可控性以及恒溫能力方面較強。在加熱效率和加其中一項就是高溫焊接過程中的氧化現(xiàn)象。我們都熱均勻性以及重復性等方面較弱。這些弱點,在含知道,氧化層會使焊接困難、潤濕不良以及造成虛鉛技術中體現(xiàn)的并不嚴重,許多情況下還可以被接焊。氧化程度除了器件來料本身要有足夠的控制受。隨著無鉛技術工藝窗口的縮小和對重復性的更外,用戶的庫存條件和時間、加工前的處理(例如除高要求,熱風對流技術將受到挑戰(zhàn)。濕烘烤)以及焊接中預熱(或恒溫)階段所承受的熱無鉛和有鉛工藝技術特點對比見表14-7。能(溫度和時間)等都是決定因素。表1無鉛工藝和有鉛工藝技術特點對比(1)無鉛工藝特點有鉛工藝特點有多種焊料合金可供選擇,目前逐步統(tǒng)一為Sn96.5Ag3C0.5焊料合(SAC305);最好回流焊接和波峰焊接都選擇同一款焊料合金無論是何種焊接方式,焊料合金金成份但是考慮到威本,許多廠家波峰焊接會選擇S0.3C0.7焊直采用Sn63Ph37,不會對生產(chǎn)料。對生產(chǎn)現(xiàn)場焊料合金的使用造威混亂現(xiàn)場焊料合金的使用造成混亂焊合金焊料合金使用混亂,目前有人提倡使用Cu的質(zhì)量分數(shù)在1%使用混亂2%的合金,但是市場上還沒有此類產(chǎn)品焊料合金單/科成本/波峰焊接用的錫條和手工焊接用的鋦線,成本提高2.7倍?；睾附佑玫腻a青成本提高約1.5倍焊料成本低金「焊料合金熔點溫度|溫度高217℃溫度低183℃焊料可焊性差焊點特點焊點脆,不適合手持和振動產(chǎn)品焊點韌性好焊料/焊端兼容性焊端中不能含鉛焊端中可以含鉛能耗焊接能牦「無論是波峰焊/回流焊/手工焊接能耗比有鉛焊接多10%能耗較低波峰焊需要添加新的波峰焊機不需要(提升產(chǎn)能例外)備回流坪|設備溫區(qū)數(shù)量要多,以增加調(diào)整回流溫度曲線靈活性。爐體長也可以采用多溫區(qū)的設備,增強溫度曲線調(diào)整的靈活性需求手工焊接更換烙鐵頭不需要更換印刷/貼片機不需要更換但是印刷貼片精度要求更高不需要更換水清洗工藝|不建議使用可以使用回流焊摟工藝窗口小,溫度曲線調(diào)整較難。焊點空洞難以消除。焊點上工藝窗口大,溫度曲線調(diào)整較錫不好易。焊點空泂較好消除,焊點上藝波峰焊接焊點上錫不妤,需要加快冷卻,錫槽合金雜中國煤化工好,錫槽合金雜質(zhì)含加大,有可能生產(chǎn)現(xiàn)場需要檢測儀器CNMHG度不大,不需要生產(chǎn)器手工焊接「烙鐵頭損耗加快烙鐵頭損耗較慢2009年7月部志和:無鉛工藝和有鉛工藝205表1無鉛工藝和有鉛工藝技術特點對比(2)無鉛工藝特點有鉛工藝特點可以沿用有鉛時用的板材,最好采用高Tg板材。采用高Tg板材,板材成本上升10%-15%板材不需要改變焊盤處理方式有機可焊性保護(OSP),化學鎳金熱風整平,也可采用有機可焊性保護(OSP),化學鎳金要OSP特點焊盤平整,對印刷工序要求高,PCB保存時間短,對計劃要求對ICT測試有影響化學鍊金/焊盤平整,對印刷工序要求不高PCB保存時間長,對計劃要求不高。對ICT測試沒有影響,存在“黑盤”的可能性耐熱性耐熱性要求高耐熱性要求不是非常高件焊端可焊性要求高要求一般外觀焊點粗糙,檢驗較難焊點光亮,檢驗較易由于溫度的升高,在無鉛焊接中許多C的防潮敏感性都會提高一到兩個等級。也就是說,用戶的防潮控制或處理必須加強。這對于那些很小批量生產(chǎn)的用戶將有較嚴重的影響。因為許多很小批量生產(chǎn)的用戶都有較長時間的來料庫存時間“爆米花”如果庫存的防潮設施不理想就必須通過組裝前烘烤除濕的做/lC的防潮敏感性只要加以注意現(xiàn)象法來防止“爆米花”問題。烘烤雖然能夠解決“爆米花”問題,但和管理即可,容易得到控制烘烤過程會加劇器件焊端的氧化,帶來了焊接的難度。一個可行的做法是使用惰性環(huán)境烘烤,但這在設備、耗材(惰性氣)和管理上都大大增加了成本焊點檢驗一在無鉛技術中更加嚴重。這是因為無鉛合金的表面張力較強的原因。解決的原理和含鉛技術一樣,其中通過DFM控制器立碑”件焊端和焊盤尺寸以及兩端熱容量最為有效。其次可通過工|在有鉛技術中存在,但有鉛工藝現(xiàn)象藝調(diào)整減少器件兩螨的溫差。該注意的是,雖然原理不變,但窗口會寬一些,容易解決無鉛的工藝窗口會小一些,所以用戶必須首先確保本身使用的爐子有足夠的能力,即有良好的加熱效率以及穩(wěn)定的氣流在錫鉛技術中已經(jīng)是個不容易完全解決的問題。而進入無鉛技術后,這問題還會隨無鉛合金表面張力的提高而顯得更嚴“氣孔”重。要消除“氣孔”問題,有三個因素必須注意:錫膏特性(錫膏在楊鉛技術中“氣孔”問題是個現(xiàn)象選擇)、DFM(器件焊端結(jié)構、焊盤和模板開口設計)以及回流不容易完全解決的問題工藝(溫度曲線的設置)。其控制原理和含鉛技術中沒有不同,只是工藝窗口小了些業(yè)界可靠性教據(jù)「可靠性數(shù)裾不足,還有許多未知的特點或缺點沒有發(fā)現(xiàn)可靠性數(shù)據(jù)很多,已使用多年2無鉛和有鉛工藝成本和設備通用性比較表2有鉛工藝和無鉛工藝設備對比絕大多數(shù)的有鉛設備都適用于無鉛工藝,包括:無鉛設備無鉛工藝有鉛工藝印刷機、貼片機、回流爐、BGA返修臺、分板機和測波峰焊機適用可用于有鉛工藝,但用過后試設備。只有一個例外,那就是波峰焊機,無鉛/有就無法再轉(zhuǎn)回無鉛工藝鉛波峰焊機要嚴格區(qū)分8。錫鍋適用可用于有鉛工藝,但用過后2.1成本大大提高就無法再轉(zhuǎn)回無鉛工藝有鉛工藝轉(zhuǎn)化為無鉛工藝,其成本提高主要是回流焊通用印刷機無鉛輔助材料和無鉛印制電極板成本提高,無鉛器貼片機通通通用用用通用件的成本基本差不多?；亓鳡t通用22無鉛和有鉛工藝設備通用性比較BGA中國煤化工通有鉛工藝轉(zhuǎn)化為無鉛工藝,在設備上基本通用分通用CNMHG只是在波峰焊機和錫鍋兩種設備要嚴格區(qū)分,有鉛通用工藝和無鉛工藝設備對比見表2(下轉(zhuǎn)第209頁)20年7月張玲蕓:印制電路組件的清洗工藝防腐劑,以中和堿性清洗液的腐蝕作用。這樣就必物數(shù)量水平等?？傊?隨著相關技術的發(fā)展和研究須專門針對這些表面或標識為噴漆型和易破壞的元人員的不懈努力我們一定會解決好清洗工藝技術器件進行補充清洗試驗:調(diào)配防腐劑比例,重新調(diào)配參考文獻:清洗液比例,調(diào)整清洗時間和清洗溫度等工藝參數(shù),[]任溥成,劉艷新.SM連接技術手冊[M]·北京:電子使淸洗工藝能適合這類元器件。解決措施:增加少工業(yè)出版社,2008量防腐劑。[2]周德儉,吳兆華.表面組裝工藝技術[M]北京:國防5.3.3器件標識掉落工業(yè)出版社,2002清洗時經(jīng)常出現(xiàn)清洗件上元器件標識掉落現(xiàn)3]陳正浩印制電路板組裝件綠色清洗技術[J電子工藝技術,2007,28(6):367-369象。據(jù)統(tǒng)計,我所關于模塊清洗后部分元件標識掉[4]林偉成如何對電路板進行正確的超聲波清洗[J.電落上升趨勢:2003年為2.3%,2004年為6.9%子工藝技術,2005,26(2):88-91.2005年為95%,2006年半年為16%,數(shù)據(jù)表明元5]林偉成電路板清洗后白渣的形成原因及解決辦法器件標識易掉落問題自2005年至今尤為突出,上升[J].電子工藝技術,2006,27(3):145-149態(tài)勢陡增,原在印制板電路組件的器件標識處涂覆收稿日期:2009-05-16阻焊膜或是用其它方法遮蔽清洗的工藝方法已經(jīng)不適用。調(diào)查發(fā)現(xiàn)凡標識掉落的器件原標識方法一般為墨印,我們知道一般油墨的耐溶劑性是很差的。在不能改變器件標識方法也不更換器件供應廠家的(上接第205頁)情況下,只能從工藝著手解決。一方面,針對同樣品3結(jié)論種規(guī)格、不同廠家供應的元件以及同樣品種規(guī)格、同是否采用無鉛工藝,應考慮到公司制造生產(chǎn)設一供方不同批次的元件在相同清洗工藝規(guī)范下清洗備,當然也要顧及今后的無鉛工藝技術的發(fā)展,因此后存在有的元件標識完好和有的被洗掉的現(xiàn)象,希對于各個制造廠應該慎重考慮和抉擇采用無鉛工望從供方找原因;另一方面,針對以往生產(chǎn)中標識易藝。脫落的元器件做專項清洗試驗,摸清其是否會影響參考文獻:元件的性能。工藝試驗中經(jīng)過5次正常清洗后的器1]馬鑫何鵬電子組裝中的無鉛軟釬焊技術[M].黑龍件標識終于掉落,將標識掉落后的器件做5個低溫、江:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2006高溫沖擊試驗后再送相關權威部門檢測。檢測結(jié)果[2]劉漢誠,汪正平,李寧成等.電子制造技術一利用無為器件性能全部合格。試驗結(jié)果表明,清洗后密封鉛、無鹵素和導電膠材料[M].北京:化學工業(yè)出版元件標識、外殼漆層掉落對元器件的性能指標無影社,2005[3]李宇君,秦連城楊道國.無鉛焊料在電子組裝與封響,清洗后對元器件標識的完整性可以不作檢驗要中的應用研究[J].電子工藝技術,206,27(1):1-3.求元件標識作為可追溯性的功能,可由產(chǎn)品檔案和[4]楊光育徐欣,董義無鉛合金與錫鉛合金性能對比分析[J].電子工藝技術,2008,29(6):328-330工藝中對密封器件標識、外皮清洗掉不做要求。[5]史建衛(wèi)無鉛焊接工藝中常見缺陷與防止措施[J].電6結(jié)論子工藝技術,2008,29(1):53-59目前國內(nèi)外有關清洗的標準機理及方法的論[6]王文利閻焉服吳波無鉛焊接高溫對元器件可靠性證已經(jīng)很充足,但針對每家企業(yè)不同的產(chǎn)品運用還的影響[J電子工藝技術,2008,29(6):317-318是會有所區(qū)別,特別是一些理論上很正確,但在實踐]袁宜耀,孫明,吳敏無鉛Sn4gb與Smhm潤濕性研中無法實現(xiàn)的參數(shù),還是應該根據(jù)自己企業(yè)的產(chǎn)品究[冂].電子工藝技術,2007,28(3):135-138進行充分試驗得出適合于本單位的經(jīng)驗參數(shù)值及8]劉艷新無鉛再流焊的兼容性研究[J]電子工藝術,2006,27(1):14-18標準檢測值。另外面對越來越多的非離子污染物,[9]唐暢,阮建云無鉛回流焊接的實施[刀電子工藝技我們必須發(fā)展新的工藝技術來應對新的挑戰(zhàn)。目前).269-271已有潔凈度測試儀引入了色譜分析手段,它能幫助中國煤化工05定義污染物種類,確定元器件和組件表面所含污染CNMHG