無鉛焊膏再流焊分析畢業(yè)論文

1、電子組裝基礎(chǔ)課程論文 論文題目： 無鉛焊膏再流焊分析班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 無鉛焊膏再流焊分析摘要：隨著歐盟rohs關(guān)于2006年7月1日無鉛化期限的逼近，日本知名的電子、電器產(chǎn)品制造商panasonic/national、sony、toshtba、pioneer、nec等，從2000年開始導(dǎo)入無鉛化制程，至今已基本實施無鉛化制造，在日本及歐美市場上推出“綠色環(huán)?！奔译姰a(chǎn)品。因此，處于對環(huán)保的考慮，市場發(fā)展趨勢是使用含鉛焊料的電子、電器產(chǎn)品將無法進(jìn)入市場。對于電子組裝企業(yè)來說，無鉛焊技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)是擺在企業(yè)面前必須解決的現(xiàn)實問題。而國內(nèi)的制造企業(yè)包括原始設(shè)備廠商和電子制造廠商都已開始著手

2、導(dǎo)入適于自身產(chǎn)品的無鉛制程。通過幾年來的努力，國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)積累了較為豐富的經(jīng)驗，在焊膏方面，snag和snagcu系已經(jīng)廣為應(yīng)用，供應(yīng)商們?nèi)栽谂ρ芯浚嘈鸥鼉?yōu)性能更低成本地助焊劑和焊膏將會陸續(xù)出現(xiàn)；在設(shè)備方面，無鉛制程中受影響最多的再流焊機(jī)通過在加熱模塊、氮?dú)獗Ｗo(hù)、冷卻速率等方面的研究逐漸適應(yīng)了無鉛；工藝方面，通過制程優(yōu)化和精確的溫度控制，缺陷已經(jīng)大為減少，成品率和焊點可靠性逐漸得到提高。關(guān)鍵詞：無鉛焊料；再流焊無鉛化；爐內(nèi)氣氛；冷卻速率 1 新型無鉛焊料發(fā)展現(xiàn)狀：1.1 新型無鉛焊料成分的設(shè)計趨向于合金的多元化，理由有三點:1、已有無鉛錫基焊料的熔點要么太高，要么太低，要么是液固相線溫度相

3、差太大；2、二元共晶合金的力學(xué)性能可以通過添加多和中合金元素得到提高；3、通過優(yōu)化熔劑和焊料合金化，提高可焊性，因此，多元合金化是新型無鉛焊料設(shè)計的一大特點。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人民也更注重免清洗無鉛焊料的開發(fā)和應(yīng)用，這關(guān)系到電子、電器產(chǎn)品和汽車產(chǎn)品的焊接后續(xù)處理，直接影響到產(chǎn)品的性能和能耗，也是降低生產(chǎn)成本的有效途徑。(摘自中國機(jī)電企業(yè)網(wǎng))1.2 sn-ag-cu系焊料的發(fā)展國內(nèi)外近年來對二元無鉛焊料進(jìn)行了深入廣泛的研究，研究體系有：sn-bi系、sn-ag系、sn-zn系、sn-cu系、sn-sb系等等。作為一種新型無鉛電子封裝焊料，應(yīng)具有工藝性能良好（熔點低、熔化區(qū)間小、潤濕性好、抗腐蝕

4、氧化性能好、力學(xué)性能好、導(dǎo)電性好）、工藝良率高（鋪展速度快、焊接成品率高、成渣率高）、焊點可靠性好（焊點結(jié)合強(qiáng)度高、抗蠕變性能好）、成本低廉等特點。而無鉛焊料的發(fā)展正朝著多元化方向發(fā)展，三元及多元合金已發(fā)展有：日本市場應(yīng)用較多的sn-ag3.0-cu0.5、美國aim報道性價比較好的sn-ag2.5-cu0.5,日本開發(fā)研用的低成本再流焊料sn-zn-bi；美國推薦使用的sn-ag3.9-cu0.6(俗稱nemi合金)、歐盟推薦使用的sn-ag3.5-cu0.70等。其中還包括受專利權(quán)保護(hù)的sn-ag3.5-cu0.5和不受專利權(quán)保護(hù)的sn-ag4.0-cu0.5合金等。相比之下由于sn-ag

5、-cu焊料在原使用性較好的sn-ag焊料基礎(chǔ)上加入了cu，在保證其良好機(jī)械性能的前提下使得熔點也有所降低，而且還可減少焊接材料中cu的溶劑，逐漸成為國際標(biāo)準(zhǔn)的無鉛焊料。由于還未研制出真正能替代sn-pb共晶的合金，因此，只能將性能較好且應(yīng)用較多的稱為主流無鉛焊膏，即sn-ag-cu三元共晶型焊膏。應(yīng)指出的是，目前對這種合金的正確成分尚有爭論，根據(jù)ipc/eia j-std-006a的規(guī)定，sn95.5ag3.8cu0.7、sn95.8ag3.5cu0.7、sn96.4ag3.2cu0.4均屬sn-ag-cu共晶焊料，因此，當(dāng)前所稱主流焊膏即指由上述三種sn-ag-cu共晶合金配置而成的焊膏。2

6、 再流焊無鉛化相關(guān)理論知識及現(xiàn)狀：2.1 無鉛再流焊研究現(xiàn)狀。再流焊，本意為通過重新熔化預(yù)先放置的焊料而形成焊點的一種方法，它是smt中一個非常關(guān)鍵的工序。無鉛化進(jìn)程的推進(jìn)使傳統(tǒng)的錫鉛再流焊工藝發(fā)展到無鉛再流焊，相對于錫鉛再流焊工藝，無鉛再流焊最主要的技術(shù)難點在于工藝窗口很窄。由于電子元件的耐熱性能的限制，再流焊接峰值溫度一般不超過250。對于傳統(tǒng)錫鉛焊錫膏，其熔點僅為183，因此存在67左右的較寬工藝窗口。但對于無鉛焊錫膏，例如sn-ag-cu合金，其熔點為217221范圍，此時僅有一個30左右很窄的工藝窗口。對于目前開發(fā)出的無鉛焊料合金來說，這正是無鉛再流焊工藝的技術(shù)難點所在。對于無鉛再流

7、焊設(shè)備而言，評價其整體設(shè)計或者說設(shè)備能力時需要從以下幾個方面進(jìn)行考慮：（1） 均勻的溫度分布。該要求是主要為了保證在焊接過程中，pcb板以及元件溫度分布均勻，將不會造成板子變形及部分已焊接上，部分未焊接上的缺陷。（2） 盡可能小的t。對于有鉛再流焊接來說，如果熱容量最小的元件溫度達(dá)到240，而熱容大的元件只有210，由于工藝窗口很寬，依然可以實現(xiàn)良好的焊接。但是對于無鉛再流焊接來說，熱容量小的元件仍然可以達(dá)到240，而熱容大的元件溫度則需要升到230，否則焊錫膏將不會熔化，也就是說t只有10左右。當(dāng)然這一問題涉及的不僅是再流設(shè)備自身的熱容問題，而且是熱容量最大的元件溫度能夠被升到多少度的問題。

8、（3） 溫度曲線的良好再現(xiàn)性，即溫度的穩(wěn)定性。（4） 足夠的潤濕時間。綜合而言，就是說無鉛再流焊需要更有效的加熱方式。目前再流焊的加熱方式主要有熱板傳導(dǎo)加熱、紅外輻射加熱、熱風(fēng)對流加熱、氣相加熱以及激光加熱等五大類，其中以紅外輻射加熱最為普遍。紅外輻射加熱法一般采用隧道加熱爐，熱源以紅外線輻射為主，適用于流水線大批量生產(chǎn)，且設(shè)備成本較低。紅外線有遠(yuǎn)紅外線與近紅外線兩種。一般前者多用于預(yù)熱，后者多用于再流加熱，整個加熱爐分為幾段問去分別進(jìn)行溫度控制。資料顯示，紅外輻射配合強(qiáng)制熱風(fēng)對流的加熱方式是相當(dāng)有效的。要獲得優(yōu)良的焊接質(zhì)量，再流設(shè)備以及溫度設(shè)定的關(guān)鍵因素。2.2 再流焊無鉛化的現(xiàn)狀及趨勢：再

9、流焊作為smt中的關(guān)鍵工序，其無鉛化不僅取決于焊膏的無鉛化，而且還與印制板焊盤的鍍層和元器件引腳鍍層無鉛化密切相關(guān)。因此有鉛和無鉛混雜的局面必然存在。在pcba裝聯(lián)工藝中，主要采用焊接方法有三種，即：再流焊、波峰焊、手工焊。由于電子元器件越來越小型化、片式化，因此再流焊的比例在不斷擴(kuò)大，目前一般都在70%以上。這說明再流焊在pcba過程中所起的作用越來越重要，而且大量資料也表明在未來相當(dāng)長時間內(nèi)該項技術(shù)也難以被取代。因此，在當(dāng)前全球性的電子產(chǎn)品制造無鉛化進(jìn)程中，再流焊及其無鉛化仍然是主流技術(shù)。2.3 再流焊無鉛化的主要技術(shù)難題：所謂再流焊無鉛化，是指采用再流焊技術(shù)形成的焊點中，鉛的含量要求達(dá)到

10、接近于零的10-6 級，要實現(xiàn)上述焊點無鉛化的目標(biāo)，遇到的重要技術(shù)難題主要有四個方面： 2.3.1焊膏的無鉛化 由于sn-pb合金（習(xí)慣上稱焊錫）是久經(jīng)考驗的一種量大面廣的電子材料，它具有一系列優(yōu)秀的甚至難以替代的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能，要取代它特別是要在短時間內(nèi)尋找一種類似的合金代替十分困難。 2.3.2再流焊設(shè)備的無鉛化 由于現(xiàn)有的再流焊爐是適用于sn-pb合金焊膏的，而無鉛焊膏所需的焊接溫度比有鉛焊膏高40左右，這給再流焊爐帶來了新的挑戰(zhàn)，需要重新設(shè)計或?qū)υ醒b備進(jìn)行改造。 2.3.3再流焊工藝無鉛化 由于無錢焊膏所要求的再流焊峰值溫度比有鉛焊膏高，無鉛焊膏的潤濕性又比有鉛焊膏的差，無鉛焊膏的密

11、度又比有鉛焊膏的小、這些種種的區(qū)別給無鉛焊膏的印刷性、焊膏黏性、塌落性、焊球產(chǎn)生幾率等帶來一系列新的問題。2.3.4被焊對象（母材）無鉛化作為再流焊對象的pcb焊盤與元器件引腳（焊端）的表面鍍層材質(zhì)，目前大部分是含鉛的，如何使其無鉛化，這將涉及新型鍍層材質(zhì)開發(fā)、生產(chǎn)工藝與設(shè)備的研制等許多問題。這是無鉛化進(jìn)程的又一障礙。2.4 克服再流焊無鉛化對策： 2.4.1無鉛焊膏的研制與選用 世界各國都傾注了大量的人力和財力尋找能全面取代sn-pb合金的新型合金，但至今尚未找到一種真正能替代sn-pb共晶的新型合金，迫于電子產(chǎn)品制造無鉛化要求的強(qiáng)大壓力，人們提出了無鉛化過渡期方案。經(jīng)研究，sb-ag-cu

12、系的無鉛釬料綜合性能最好。而作為電子產(chǎn)品實際應(yīng)用無鉛化的初期階段，目前我國實際應(yīng)用無鉛焊料的狀況是：焊膏采用的是sn-ag-cu系合金,這一點與國際上的無鉛焊料應(yīng)用現(xiàn)狀也是基本一致的。 2.4.2再流焊設(shè)備的結(jié)構(gòu)性改進(jìn)在研制無鉛合金的同時，為滿足無鉛合金的工藝要求，再流焊爐從結(jié)構(gòu)上也要作出相應(yīng)改變。（1）加熱介質(zhì)（熱風(fēng)）由垂直作用改為水平作用。水平對流設(shè)計是再流焊爐的一種最新設(shè)計，這種設(shè)計使熱氣流在每一個獨(dú)立的腔體內(nèi)運(yùn)行，保證了每個溫區(qū)參數(shù)的精確控制。（2）對傳統(tǒng)的強(qiáng)制空氣對流再流焊爐進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。 2.4.3精心設(shè)置溫度曲線再流焊溫度曲線是再流焊核心工藝參數(shù)，它的設(shè)置必須考慮：無鉛焊膏的熔點

13、及 相關(guān)特性，元器件的耐溫性能，再流焊爐溫度的均勻性以及相關(guān)的溫度誤差。再流焊技術(shù)是smt乃至整個pcba制程中的核心工藝，因此在實施pcba制程無鉛化的過程中，應(yīng)特別關(guān)注再流焊的無鉛化。需要注意的是，要全面實現(xiàn)再流焊無鉛化，除焊膏和再流焊爐的無鉛化外，還要進(jìn)一步解決pcb焊盤、元器件引腳（焊端）保護(hù)層的無鉛化。面對無鉛化還有許多工作和試驗需要開展。3 無鉛再流焊的爐內(nèi)氣氛影響因素再流焊工藝參數(shù)對錫/銀，錫/銀/銅兩種系列無鉛焊膏影響的最新研究表明，焊爐爐道內(nèi)的氣氛是十分敏感的再流焊工藝因素之一。人們將無鉛焊料與共晶鉛錫焊料進(jìn)行比較時,最常用的參數(shù)是焊料合金的熔點,鉛錫(sn63/pb37)焊

14、料的熔點為183。無鉛焊料合金的熔點就高得很多。在氮?dú)夥?低氧分量/氮)再流焊,改善濕潤性,在每個焊膏圖形存在環(huán)形減薄層。氮?dú)夥赵倭骱笥猩倭繜o色殘余物，空氣氣氛再流焊后存留大量黑色殘余物。待添加的隱藏文字內(nèi)容3cu0.5無鉛焊膏在峰值溫度230/250再流,焊膏的鋪展度增加。所以液相溫度以上的持續(xù)時間及溫度不是濕潤的主要因素。cu0.5焊膏在空氣中210予熱,再流焊點呈塊狀,顯示不完全再流。這些焊點的形狀與boettinger的非可焊表面類似。氮?dú)夥赵倭骱笡]有發(fā)生這些情況。實驗再流焊工藝過程使用兩種爐內(nèi)氣氛；空氣，氮?dú)猓ǖ脱醴至?氮）。充氮再流焊工藝，爐內(nèi)維持22-36ppm的氧分量。氮?dú)獗Ｗo(hù)

15、有利于改善無鉛釬料的潤濕性，形成良好的焊點，減少工藝缺陷率，但使用時要注意的是，氮?dú)獗Ｗo(hù)可以降低橋連，元件偏移等缺陷率，減少焊劑殘留程度，但對于豎碑，焊球和錫珠等缺陷，應(yīng)該根據(jù)焊膏性能和具體氧含量值來具體問題具體分析。 在氮?dú)夥衷倭骱腹に囍?與空氣相比cu0.5焊膏焊料合金的濕潤性得到改善。在低氧分量的條件下，濕潤性實際與使用的再流焊工藝曲線無關(guān)。由此可得，對接觸角大的界面改善可焊性，來保證產(chǎn)品的可靠性。予熱區(qū)溫度高，可適與大尺寸印制板再流焊，也不會損壞溫度敏感器件。這個結(jié)果也得到三菱，松下的確認(rèn)。準(zhǔn)確的再流過程控制對于使用狹小過程窗口的無鉛焊接是基本條件；無鉛焊料的熔點需要高的溫度，而器件的

16、溫度敏感需要中等溫度。cu0.5焊料合金在osp銅焊盤上,再流焊溫度230,其濕潤性未得到改善。在217液相溫度以上，再流峰值溫度230，保持30sec對此類合金達(dá)到平衡濕潤條件是有利的。在氮?dú)夥罩?，cu0.5合金的鋪展性明顯好于sn96.5合金。（實驗資料來源：德科泰合科技發(fā)展有限公司）4 無鉛再流焊的冷卻速率影響因素?zé)o鉛焊接工藝的冷卻速率逐漸引起人們的關(guān)注，因為：（1）無鉛焊接溫度升高，pcb組裝板出爐溫度高。需要可靠的冷卻手段降低出爐溫度。（2）焊點焊料液相線以上時間必須加以控制，以減少焊料和焊盤的反應(yīng)時間，防止脆性的金屬間化合物生長過厚，影響接頭強(qiáng)度。（3）無鉛焊點表面發(fā)黑，改變冷速可

17、以改變焊點光亮。美國的amkor公司對snagcu系列的釬料bga焊接進(jìn)行了全面的可靠性研究。在快速冷卻的情況下，sncu、sn3.4ag0.7cu及sn4.0ag0.5cu焊點可靠性提高了超過20。日立公司在便攜式信息產(chǎn)品mopailegea上的應(yīng)用sn3.5ag0.75cu焊料，冷速為4/s。該產(chǎn)品基板裝有1.27mm間距的bga、0.5mm間距的qfp，0.5間距的連接器，1.0mm0.5mm的片式元件。焊后焊點外觀漂亮，很少外觀缺陷，可靠性測試結(jié)果十分好，產(chǎn)品進(jìn)入批量化生產(chǎn)。在nepcon華南展會上，各大知名焊膏生產(chǎn)廠商的無鉛焊膏即使是同一成分，推薦冷速卻大不一樣。senju要求冷速最

18、大達(dá)到5，alphamal沒有給出冷速限制，genma的冷速卻最大達(dá)到10。而ipc標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為出于元器件的安全性能考慮，冷速一般不宜超過4/s。在然而會在展會上，世界上一些主要設(shè)備制造商展出的再流爐冷卻能力大致在同一水平。如btu、senjiu、rehm等冷卻能力都在48/s以內(nèi)。國內(nèi)生產(chǎn)的再流爐如日東等冷速也在該范圍內(nèi)。在設(shè)備的冷卻能力這個指標(biāo)上，國內(nèi)外都趨于一致。當(dāng)前全球再流爐的冷卻模塊總趨勢是強(qiáng)制冷卻冷速可控。冷卻手段多為循環(huán)水冷風(fēng)冷。冷卻速率的確定對無鉛再流焊工藝至關(guān)重要。對于無鉛釬料合金冷卻增加可以細(xì)化微觀組織，改變imc的形態(tài)和分布，提高釬料合金的力學(xué)性能。對于實際生產(chǎn)中的無鉛焊接，在不對元器件產(chǎn)生不利影響的情況下，冷卻速率的提高通常也能減少缺陷提高可靠性。如果冷速過快，將會造成對元件的沖擊，造成應(yīng)力集中，使產(chǎn)品的焊點在使用過程中過早失效，但就目前國內(nèi)外的再流爐的冷卻能力來看，對于pcb板和元器件尺寸都比較小的情況，一般的再流爐都可以滿足要求，對于大尺寸、高密度元件的