無(wú)鉛波峰焊工程師技術(shù)制程手冊(cè)_圖文

1、 Page 1Lead FreeMar 2006無(wú)鉛波峰焊 Page 2內(nèi)容提要推行無(wú)鉛制程的背景及無(wú)鉛制程的發(fā)展史無(wú)鉛焊料、助焊劑及PCB 的選擇無(wú)鉛波峰焊的設(shè)備與工藝要求及設(shè)備選擇無(wú)鉛制程的優(yōu)化及設(shè)備校準(zhǔn)無(wú)鉛焊錫的常見缺陷及對(duì)策無(wú)鉛標(biāo)識(shí) 背景及發(fā)展史Page 3 Page 5六大有害物質(zhì)限制使用情況(12003年2月13日歐盟公佈了報(bào)廢電子電氣設(shè)備指令(WEEE和關(guān)于在電子電氣設(shè)備中禁止使用某些有害物質(zhì)指令(RoHsRoHs規(guī)定停止使用六大有害物質(zhì)的時(shí)間為:2006年7月1 日,在這個(gè)時(shí)間以前逐步限制使用。RoHs指令限定指標(biāo):鎘:100ppm 鉛:1000ppm汞:1000ppm 六價(jià)鉻

2、:1000ppm PBB、PBDE:1000ppm注:WEEE:Directive on W aste E lectrical and E lectronic E quipmentRoHS: Directive on R estriction o f the use of certain H azardous S ubstances in electrical and electronic equipment Page 6(2美國(guó):國(guó)家沒有制定限制六大有害物質(zhì)的文件,有些大的公司,像IBM認(rèn)為歐盟的限定時(shí)間太快,提出異議,但歐盟不改變限定日期。美國(guó)也只能跟隨歐盟的限定,各大公司提出了自己的限定

3、使用要求,我們了解到的有Dell 公司。Dell 的產(chǎn)品要求:鉛:a.電氣連接:(焊錫、觸點(diǎn)、引腳等目前不做要求,2006年6月1日起要求小于1000ppm;b.金屬部件:鋼合金3500ppm銅合金4000ppm鉛合金4000ppm Page 7c. 所有線材部件外部絕緣層300ppmd. 塑膠部件300ppme. 玻璃及陶瓷(顯像管玻璃和電子零件除外1000ppm f. 油漆、墨水、顏料、涂料(所有部件100ppmg. 顯示器產(chǎn)品包裝材料100ppmh. 其它應(yīng)用場(chǎng)合20ppm。b.鉛12004年底前:零件腳鍍層無(wú)鉛(鉛含量100ppm焊錫無(wú)鉛(鉛含量1000ppm Page 1022005

4、年1月1日:所有零部件和外部全部無(wú)鉛(鉛含量100ppm 3其他的無(wú)鉛要求見:(SONY標(biāo)準(zhǔn),SS-00259第三版表4.2c.汞2005年1月1日開始,小型日光燈,每支的含量5mg以下,其他場(chǎng)合禁止使用汞。d.六價(jià)鉻2005年1月1日開始,電鍍防銹處理;含顏料的墨水、涂料產(chǎn)品禁止含六價(jià)鉻。e. PBB、PBDE的禁用情況見(SONY標(biāo)準(zhǔn)SS-00259.表4.2 Page 12美國(guó)環(huán)保署(EPA :鉛及其化合物是嚴(yán)重危害人類生活與環(huán)境的17種有害物質(zhì)之一。鉛對(duì)人體的毒副作用主要表現(xiàn)為神經(jīng)系統(tǒng)紊亂、智能障礙、高血壓等,對(duì)兒童的有害作用更為明顯。美國(guó)職業(yè)安全與健康管理署(OSHA :人體血液中鉛

5、的含量應(yīng)控制在50mg/100ml 以下,打算生育子女的應(yīng)控制在30mg/100ml 以下。鉛的毒性 Page 14公元前370年史書記載從事金屬精煉的工人由于鉛中毒而引起腹絞痛1878年德國(guó)疾病與工作環(huán)境關(guān)系調(diào)查書中重點(diǎn)指出鉛中毒問題1883年英國(guó)制定預(yù)防鉛中毒的相關(guān)法規(guī)20世紀(jì)60年代,飲水管道焊接中禁止使用含鉛焊料20世紀(jì)70年代,顏料、涂料中禁止使用含鉛物質(zhì)20世紀(jì)80年代,全球范圍內(nèi)推廣使用無(wú)鉛汽油20世紀(jì)90年代,無(wú)鉛化電子組裝提出,成為業(yè)界不得不接受的事實(shí)人類對(duì)鉛中毒的認(rèn)識(shí)史 Page 15500萬(wàn)噸其中電子組裝焊料用鉛占:0.5%全世界每年消耗的鉛大約是:相關(guān)數(shù)字消耗量最大的是

6、鉛酸電池 Page 161. 大型家用電器,如冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)等2. 小型家用電器,如吸塵器、熨斗、剃須刀等3. IT 與通訊設(shè)備,如計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、電話等4. 音像電子設(shè)備,如攝像機(jī)、音響、音樂器材等5. 醫(yī)療設(shè)備6. 玩具WEEE 和RoHS 指令所涉及的電子產(chǎn)品種類 Page 171991-1998年4月,研究階段,美國(guó)及歐盟各耗資數(shù)百萬(wàn)美元1998年10月,日本松下公司推出世界上第一款批量生產(chǎn)的無(wú)鉛電子產(chǎn)品Panasoinc MD Player1999年10月,日本NEC 公司率先推出采用無(wú)鉛電子組裝技術(shù)的Versopro NX 筆記本電腦2003年2月13日,歐盟WEEE 和RoH

7、S 指令正式生效2003年3月,中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部經(jīng)濟(jì)運(yùn)行司擬定電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理辦法ISO/TC44/SC12和IEC/IC91兩個(gè)工作組正在擬定無(wú)鉛焊料的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn).無(wú)鉛化電子組裝的發(fā)展歷程 Page 189北美: 鉛含量2000PPM (重量比9歐洲:鉛含量1000PPM (重量比9日本: 鉛含量1000PPM (重量比無(wú)鉛的定義 Page 19目前業(yè)界已達(dá)成的共識(shí):以Sn 為基礎(chǔ)原料,添加Cu 、Ag 、Bi 、Zn 、In 等金屬元素。需要考慮的因素有:資源與價(jià)格:高出錫鉛焊料2-4倍。毒性:必須考慮新的焊接材料的毒性。熔點(diǎn):因其成份不同而不同,在117-280oC 之間。潤(rùn)濕鋪

8、展性能:取決于焊料成分及助焊劑和焊接溫度。強(qiáng)度與可靠性:取決于焊料成份和制程控制。無(wú)鉛焊料的選擇 Page 20無(wú)鉛焊料的類別目前世界范圍內(nèi)已開發(fā)出的無(wú)鉛焊料合金種類繁多,根據(jù)合金成分,大體上分為二元合金、三元合金及其它多元合金:Sn-AgSn-Ag-CuSn-CuSn-ZnSn-BiSn-In等類別。人們對(duì)無(wú)鉛焊性能的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)是基于傳統(tǒng)Sn-Pb焊料的性能。要求無(wú)鉛焊料的性能,盡可能的接近Sn-Pb焊料,并且價(jià)格不能太高。 Page 21(1Sn-Zn系列焊料的缺點(diǎn):一、是在無(wú)鉛焊料中潤(rùn)濕性最差二、是容易氧化必須在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行回流焊和波峰焊,氮?dú)獗Ｗo(hù)的目的,是為了防止Sn-Zn焊料氧化,降

9、低焊料的表面張力,提高潤(rùn)濕力。有的公司想利用助焊劑改善Sn-Zn焊料的潤(rùn)濕性,現(xiàn)在還沒有取得顯著的效果。(2Sn-Cu,共晶點(diǎn)溫度較高:例如Sn0.7Cu共晶點(diǎn)227,焊接溫度接近280,現(xiàn)有的原器件和設(shè)備,有的承受不了這么高的溫度,另外焊點(diǎn)橋連,元器件引腳中的銅向焊料中溶解會(huì)改變焊料的成分配比和熔點(diǎn),使波峰焊工藝參數(shù)不穩(wěn)定。但由于它價(jià)格便宜,機(jī)械性能好,對(duì)雜質(zhì)元素敏感度低,等優(yōu)點(diǎn)得到一些公司的應(yīng)用。Sn-Cu中加入稀土元素可以改善性能日本開發(fā)一種產(chǎn)品SN100C(Sn0.7CuNi。 Page 22(3Sn-Ag系列:有優(yōu)異的力學(xué)性能和抗蠕變疲勞特性。Sn3.5Ag共晶溫度221,使用溫度較

10、高,Ag含量超過(guò)3.5%,容易脆化引起龜裂,在Sn-Ag中添加Cu 可以降低焊料的熔點(diǎn),增加焊料的潤(rùn)濕力,提高機(jī)械強(qiáng)度。因此,Sn-Ag-Cu 得到普遍應(yīng)用,是目前用的最多的無(wú)鉛焊料。各個(gè)國(guó)家都推出了自己的產(chǎn)品:美國(guó)傾向于Sn-3.9Ag-0.6Cu歐洲傾向于Sn-3.8Ag-0.7Cu日本傾向于Sn-3Ag-0.5Cu和Sn-3.5Ag-0.7Cu 實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品:(見下表 Page 26合金成份對(duì)其性能的影響9銀含量在3.0%-4.7 %和銅含量在0.5%-1.7%比Sn63/Pb37具有更好的抗拉強(qiáng)度和抗疲勞性.9銀含量從3.0%增加到4.7 %對(duì)抗疲勞強(qiáng)度無(wú)任何幫助.9銀和銅都處于較高

11、含量時(shí)合金的塑性變壞.例如Sn 4.7 Ag 1.7 Cu .9合金浸潤(rùn)能力不及Sn63/Pb37. Page 27在焊料方面,由于眾多的供應(yīng)商都在推銷自己的“專利”產(chǎn)品,目前許多仍不成熟,我們可根據(jù)自身產(chǎn)品的特征選擇市場(chǎng)上較為成熟的焊料,從而降低風(fēng)險(xiǎn).可綜合參考以下項(xiàng)目進(jìn)行選擇:9熔點(diǎn)溫度9機(jī)械強(qiáng)度9氧化速度9可靠性9成本 Page 28與無(wú)鉛焊料配套的助焊劑的選擇與錫鉛焊料相比,可用的無(wú)鉛焊料在以下兩方面有很大不同:1. 熔點(diǎn)較高2. 潤(rùn)濕性較差因此相應(yīng)的助焊劑要在較高的溫度下保持充分的活性,其固態(tài)含量高于錫鉛焊料所用的助焊劑。無(wú)VOC (Volatile Organic Chemical

12、 .這是環(huán)保的必然趨勢(shì). Page 29無(wú)鉛焊料助焊劑由于無(wú)鉛焊料性能與Sn-Pb 有很大差異,所以必須研制適合無(wú)鉛焊料的焊劑。(1無(wú)鉛焊料助焊劑的要求:a.無(wú)鉛焊料的焊接溫度高,要求助焊劑的添加劑必須適合無(wú)鉛焊料的焊接溫度。b.要考慮無(wú)鉛焊料合金的性質(zhì),無(wú)鉛焊料助焊劑不能使無(wú)鉛焊料產(chǎn)生氧化。c.因?yàn)闊o(wú)鉛焊料比Sn-Pb 焊料的潤(rùn)濕能力差,無(wú)鉛焊料助焊劑提高無(wú)鉛焊料潤(rùn)濕能力要強(qiáng)。e.無(wú)鉛焊料助焊劑必須符合環(huán)保的要求。這一點(diǎn)非常重要,無(wú)鉛焊料是因?yàn)榄h(huán)保的要求采用的,如果用的助焊劑達(dá)不到環(huán)保要求,結(jié)果還是達(dá)不到環(huán)保要求。 Page 30(2環(huán)保型無(wú)鉛焊料助焊劑目前使用的有機(jī)溶劑(異丙醇助焊劑,不屬

13、于歐盟提議禁用的物質(zhì)。相對(duì)來(lái)說(shuō)是環(huán)保的,但是屬揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC 。VOC 散發(fā)到空氣中,對(duì)地表臭氧層有破壞作用,對(duì)人體有一定毒害作用,也屬于逐步禁用的物質(zhì),美國(guó)對(duì)VOC 的禁用非常積極,并研制出了無(wú)VOC 的助焊劑和無(wú)VOC 的清洗劑。像美國(guó)ALPHA 公司,比利時(shí)的Inteflux 公司都有產(chǎn)品出售。日本在無(wú)VOC 的助焊劑開發(fā)方面行動(dòng)較慢,還沒見有無(wú)VOC 的產(chǎn)品上市。雖然沒有限定在助焊劑中禁用VOC 的具體時(shí)間表,但無(wú)VOC 的無(wú)鉛焊料助焊劑是助焊劑發(fā)展的必然趨勢(shì)。 Page 31目前無(wú)鉛焊料助焊劑的種類及特性:(1種類:從無(wú)鉛焊料助焊劑使用的溶劑分,含VOC 和無(wú)VOC 的免清

14、洗無(wú)鉛焊料助焊劑兩大類。(2特點(diǎn):a 含VOC 的免清洗無(wú)鉛焊料助焊劑為了達(dá)到降低無(wú)鉛焊料表面張力增加潤(rùn)濕力的要求,固含都較高,日本的產(chǎn)品固含都在12-16%左右,可焊性較好,但后殘留物較多。b不含VOC 無(wú)鉛焊料助焊劑,固含較低,板面殘留物少,酸價(jià)較高。 Page 339預(yù)防錫須的方法:在元件鍍層外再鍍一層鎳,或?qū)⒃?500C 的條件下烘烤1小時(shí).下圖是烘烤后錫須的生長(zhǎng)情況.可見烘烤后錫須不再生長(zhǎng),且生長(zhǎng)情況與鍍純錫的厚度無(wú)關(guān). Page 35PCB的表面處理不同的表面處理直接影響到成本和焊錫效果.9鍍金板,最穩(wěn)定,價(jià)格最高.9OSP板,最便宜,性能較差.9化銀板,次于鍍金板.9化錫板.

15、9錫銀銅或錫銅熱風(fēng)平整,性能穩(wěn)定,價(jià)格適中.考慮到成本因素,目前很多公司仍使用OSP板,值得注意的是,OSP板在過(guò)回流焊和波峰焊之間的時(shí)間間隔要控制好,否則直接影響上錫效果.OSP板只有波峰焊一道工序時(shí),其板子從真空包裝到過(guò)爐之間的時(shí)間間隔也要控制. Page 36 不同PCB的表面處理的過(guò)錫效果很顯然熱風(fēng)平整的PCB 要比OSP 板過(guò)錫能效果好得多. Page 37無(wú)鉛波峰焊設(shè)備及工藝要求 Page 38全面推行無(wú)鉛波峰焊之前,先要明白無(wú)鉛波峰焊在設(shè)備和工藝方面的要求,為設(shè)備的選擇及工藝設(shè)計(jì)作好準(zhǔn)備. Page 39設(shè)備材料及結(jié)構(gòu)必須具有良好的耐熱性,在高溫下不變形。因助焊劑使用量增大,必須

16、配備良好的抽風(fēng)系統(tǒng)。噴霧系統(tǒng)必須與環(huán)保型助焊劑(低VOC 或無(wú)VOC 兼容。預(yù)熱部分要加長(zhǎng).錫缸及噴咀的材料要耐腐蝕.無(wú)鉛波峰焊的設(shè)備要求 Page 40噴霧機(jī).助焊劑涂布效果的好壞直接影響焊接效果.免洗助焊劑在密封環(huán)境下工作,其比重比較容易控制,關(guān)鍵是控制好流量.推薦使用帶流量計(jì)的助焊劑噴霧系統(tǒng).使用內(nèi)置噴霧機(jī)時(shí),噴霧機(jī)與預(yù)熱段之間一定要加裝風(fēng)刀以防止火災(zāi)發(fā)生! Page 44錫爐問題的解決方案:使用特殊材料(鈦或其合金材料或?qū)Σ牧线M(jìn)行表面處理,處理方法有不銹鋼表面噴陶瓷、表 面滲氮等.與焊錫接觸的部件都需要進(jìn)行處理. Page 45前波峰噴咀寬度:根據(jù)助焊劑供應(yīng)商推薦的浸錫時(shí)間,選用合適的前噴咀,值得注意的是,噴咀寬度并非越寬越好. Page 46前后波峰噴咀的間距對(duì)于無(wú)鉛焊錫爐,前后兩個(gè)噴咀的間距應(yīng)盡可能小, 這個(gè)間距較為理想的值為50mm 左右,主要目的在于:避免焊點(diǎn)從前波峰出來(lái)后有過(guò)大的溫降,再過(guò)后波峰時(shí)必然導(dǎo)致較大的熱沖擊