無鉛化技術(shù)與工藝課件

第18章無鉛化技術(shù)與工藝現(xiàn)代印制電路原理和工藝第18章無鉛化技術(shù)與工藝現(xiàn)代印制電路原理和工藝1第18章無鉛化技術(shù)與工藝電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化的提出1無鉛化焊料及其特性2無鉛焊料的焊接3電子元器（組）件無鉛化4實(shí)施無鉛化對(duì)CCL的基本要求5實(shí)施無鉛化對(duì)PCB基板的主要要求6

電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化的某些規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)7第18章無鉛化技術(shù)與工藝電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化的提出12§1電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化的提出鉛及其合金具有優(yōu)良的機(jī)械、化學(xué)和電氣特性，在PCB加工、焊接與組裝等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用廢棄電子產(chǎn)品中的鉛元素的污染在20世紀(jì)90年代前后充分引起了人們的重視美國(guó)首先提出了無鉛工藝并相應(yīng)制定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來限制電子產(chǎn)品中的鉛的含量無鉛化是目前和未來推動(dòng)CCL材料、PCB生產(chǎn)和電子組裝等行業(yè)變革與發(fā)展的熱點(diǎn)§1電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化的提出鉛及其合金具有優(yōu)良的機(jī)械、化3§2無鉛化焊料及其特性2.1無鉛化焊料的基本條件

⑴無鉛焊料組成的合金低共（晶）熔點(diǎn)⑵無鉛焊料組成合金的可焊性⑶無鉛焊料的焊接點(diǎn)可靠性：

焊點(diǎn)焊料的耐熱疲勞強(qiáng)度焊點(diǎn)焊料的結(jié)合強(qiáng)度金屬間互化物（IMC）的影響焊點(diǎn)焊接的完整性（潤(rùn)濕性的表現(xiàn)）§2無鉛化焊料及其特性2.1無鉛化焊料的基本條件4

2.2無鉛焊料類型與主要特點(diǎn)

表1

無鉛焊料的類型、合金組成和低共（晶）熔點(diǎn)二元體系低共（晶）熔點(diǎn)（℃）回（再）流焊接溫度（℃）

95Sn/5Sb（銻）238260～280

99.3Sn/0.7Cu227250～270

96.5Sn/3.5Cu221250～270

96.5Sn/3.5Ag217240～260

91Sn/9Zn198220～240

97In/3Ag143170～190

42Sn/58Bi139160～180

48Sn/58In118140～160

63Sn/37Pb（屬有鉛系）183210～240三元或四元體系

95Sn/3.5Ag/1.5In223250～270

96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu217240～26095.2Sn/3.5Ag/0.8Cu/0.5In212235～255

91.8Sn/4.8Bi/3.4Ag210230～250

77.2Sn/20In/2.8Ag192220～2402.2無鉛焊料類型與主要特點(diǎn)表1無鉛焊5表2二元體系無鉛焊料的基本特性

無鉛焊料合金組成低共（晶）熔點(diǎn)基本優(yōu)點(diǎn)主要缺點(diǎn)Sn/0.7Cu227℃機(jī)械強(qiáng)度好、抗熱疲勞強(qiáng)度好、成本低合金熔點(diǎn)高、焊接溫度高、潤(rùn)濕性較差Sn/3.5Cu221℃機(jī)械強(qiáng)度好、抗熱疲勞強(qiáng)度較好、成本較低合金熔點(diǎn)高、焊接溫度高、潤(rùn)濕性較差Sn/3.5Ag217℃機(jī)械強(qiáng)度好、抗熱疲勞強(qiáng)度較好合金熔點(diǎn)高、焊接溫度高、潤(rùn)濕性較差、成本較高Sn/9.0Zn198℃機(jī)械強(qiáng)度好潤(rùn)濕性差、易氧化、脆性Sn/58Bi139℃低熔點(diǎn)、潤(rùn)濕良好機(jī)械強(qiáng)度低、易形成空洞、脆性大表2二元體系無鉛焊料的基本特性無鉛焊料合金組成低共（晶6性能類別SAC305

63Sn/37Pb備注低共（晶）熔點(diǎn)

217℃183℃前者高出34℃，則焊接溫度需提高20～40℃表面張力（達(dá)因/厘米）550（230℃）；471.8（240℃）；460（260℃）470（230℃）；396（240℃）；380（260℃）前者表面張力高出約80達(dá)因/厘米，則潤(rùn)濕性較差，易生裂縫缺陷等熔融焊料與Cu面接觸角44°11°前者接觸角大三倍，因此潤(rùn)濕性差，易露銅等缺陷焊接前預(yù)熱溫度接近200℃150℃左右前者預(yù)熱高50℃左右，這對(duì)元器件和基板皆不利高溫焊接溫度250～270℃220～250℃前者至少≥20℃，特別不利于元器件與基材的可靠性（見下述各項(xiàng)）熔融態(tài)停留時(shí)間90秒60秒前者不僅焊接溫度高，而且停留時(shí)間長(zhǎng)，這也是對(duì)PCB基板和元器件造成損害的重要原因焊料助焊劑焊接時(shí)揮發(fā)大、穩(wěn)定性差，形成焊渣多焊接時(shí)穩(wěn)定性好，揮發(fā)少，焊渣也少應(yīng)開發(fā)大于260℃（或300℃左右）的助焊劑體系濕潤(rùn)時(shí)間2秒0.6秒前者潤(rùn)濕性差，要延長(zhǎng)高溫焊接時(shí)間，才能得到較滿意的焊點(diǎn)焊接溫度曲線升溫速度3℃/S；降溫速度6℃/S升溫和降溫速度相同為3℃/S前者冷卻速度太快，易造成焊點(diǎn)微裂縫、氣泡等焊點(diǎn)特性抗熱疲勞良好，但焊點(diǎn)不易飽滿、結(jié)合力較差、各種缺陷多，可靠性較差抗熱疲勞較差，但焊點(diǎn)飽滿、結(jié)合力良好、各種缺陷少，可靠性高前者雖耐疲勞強(qiáng)度良好，但表面張力大、潤(rùn)濕性差等造成各種缺陷多表3無鉛焊料與有鉛焊料的比較性能類別SAC30563Sn/37Pb7§3無鉛焊料的焊接傳統(tǒng)而通用的電子產(chǎn)品的焊接方法主要有三種：

波峰焊接、回（再）流焊接（紅外焊接、熱風(fēng)焊接、汽相焊接等）、手工焊接（現(xiàn)在還興起激光焊接等）目前無鉛焊料的焊接還必須延續(xù)這些焊接方法，最關(guān)鍵的有三大問題：

（1）是無鉛焊料合金組成的低共（晶）熔點(diǎn)偏高（2）是無鉛焊料合金潤(rùn)濕性差，焊接需要有更高的焊接溫度、更長(zhǎng)的高溫停留時(shí)間和更快的冷卻速度（3）是無鉛焊料焊接后的焊點(diǎn)（或焊接）的可靠性問題§3無鉛焊料的焊接傳統(tǒng)而通用的電子產(chǎn)品的焊接方法主要有83.1無鉛焊料合金的低共（晶）熔點(diǎn)

從目前的無鉛焊料可實(shí)用性角度來看，大多數(shù)的無鉛焊料合金組成的低共（晶）熔點(diǎn)是很高的?，F(xiàn)在最佳的SAC305低熔（晶）點(diǎn)為217℃，比起傳統(tǒng)的63Sn/37Pb有鉛焊料的低共熔（晶）點(diǎn)（183℃）高出34℃無鉛焊料的焊接要求有更高的預(yù)熱溫度和焊接溫度、更長(zhǎng)的高溫焊接時(shí)間和更快的冷卻速度等，對(duì)熱敏感大的元器（組）件、PCB基板等都將帶來新的考驗(yàn)與挑戰(zhàn)。

3.1無鉛焊料合金的低共（晶）熔點(diǎn)9

3.2無鉛焊料合金的潤(rùn)濕性能無鉛焊料合金在高溫熔融焊接時(shí)，由于表面張力比傳統(tǒng)Sn-Pb焊料來得大，因而其潤(rùn)濕性能較差，要求潤(rùn)濕時(shí)間更長(zhǎng)圖1傳統(tǒng)63Sn/37Pb焊料和無鉛SAC305焊料的表面張力隨溫度變化情況

圖2傳統(tǒng)Sn-Pb焊料與兩種無鉛焊料的潤(rùn)濕時(shí)間與溫度的關(guān)系3.2無鉛焊料合金的潤(rùn)濕性能圖1傳統(tǒng)63Sn/3710

3.3無鉛焊料焊接的可靠性

⑴無鉛焊料的焊接點(diǎn)可靠性無鉛焊料的焊接點(diǎn)在抗熱疲勞性能較優(yōu)于傳統(tǒng)Sn-Pb焊料外，其它的性能皆劣于傳統(tǒng)Sn-Pb焊料所形成的焊接點(diǎn)無鉛焊料形成的焊接點(diǎn)比起傳統(tǒng)Sn-Pb焊料主要有如下不足與缺陷：無鉛焊接易于形成微空洞微空洞的存在導(dǎo)致焊接處焊料與焊盤虛（假）焊、剝離、斷裂等現(xiàn)象降低無鉛焊料的表面張力、降低銅表面粗糙度和提高清潔度有利于減少微空洞。

圖3無鉛焊料與焊盤界面處的微空洞3.3無鉛焊料焊接的可靠性圖3無鉛焊料與焊盤界面處的11⑵無鉛焊料在焊接時(shí)PCB的可靠性無鉛焊料在焊接時(shí)影響常規(guī)PCB基板的可靠性，主要在有五個(gè)方面：

（一）基板分層、裂縫、變色等

（二）層間連接的導(dǎo)通孔發(fā)生裂縫、斷開，甚至剝離（類似凹縮）

（三）焊盤（連接盤）翹起、脫落

（四）PCB基板扭曲、翹曲

（五）更易于發(fā)生CAF現(xiàn)象⑵無鉛焊料在焊接時(shí)PCB的可靠性123.4無鉛焊料焊接的類型與注意點(diǎn)表4無鉛焊料的焊接類型與注意點(diǎn)焊接類型無鉛焊料類型與組成注意點(diǎn)波峰焊接Sn-Cu系：99.3Sn/0.7Cu（可加入微量AgAuNiGeIn等）Sn-Ag系：96.5Sn/3.5Ag；

96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu焊接溫度高，易于產(chǎn)生焊盤剝離，損傷基材（分層、起泡裂縫、變色等）；如為單面板可添Bi，降低焊接溫度。再流焊接高溫系Sn-Ag系：96.5Sn/3.5Ag；

96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu；

92～95Sn/2～4Ag/1～6Bi焊接溫度較高，注意：再流焊溫度的管理；Bi與鍍層的兼容性。中溫系Sn-Zn系：91Sn/9Zn；

89Sn/8Zn/3Bi。Sn-Ag-In系：89～92Sn/3.0Ag/6～8In較適用于NiAu的焊盤，與銅表面兼容性較差（即潤(rùn)濕性較差）低溫系Sn-Bi系：42.5～42Sn/57Bi/0.5～1Ag脆性大，機(jī)械強(qiáng)度低，空洞多，適用于低檔次場(chǎng)合手工焊接大多采用高溫系Sn-Ag系：96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu注意：不同焊料焊接與檢修的匹配（兼容）性3.4無鉛焊料焊接的類型與注意點(diǎn)表4無鉛焊料的焊接類型13目前無鉛焊料存在的問題主要有：最佳的無鉛焊料（SAC305）還沒有達(dá)到有鉛焊料（Sn/Pb）性能（特別是表面張力、濕潤(rùn)性和可焊性等方面）的等級(jí)；無鉛焊料焊接的焊點(diǎn)，其潤(rùn)濕性差、各種缺陷較多，這些問題嚴(yán)重威脅著電子產(chǎn)品的可靠性；目前最佳的無鉛焊料（SAC305）的焊接溫度偏高20～40℃之多，高溫焊接的停留時(shí)間偏長(zhǎng)（約增長(zhǎng)30%以上），這對(duì)元器件、CCL基材、PCB基板、焊接條件等都帶來了新的沖擊與要求電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化的相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)必須相應(yīng)跟上目前無鉛焊料存在的問題主要有：14§4電子元器（組）件無鉛化4.1元器（組）件的耐熱性能

無鉛化焊料與焊接的最本質(zhì)的問題是需要有更高的焊接溫度、更長(zhǎng)的高溫焊接時(shí)間，這就決定了用于無鉛化的元器（組）件需要有更好的耐熱性能，特別是對(duì)于熱敏感的元器（組）件必須改進(jìn)其耐熱性能，否則會(huì)損害其特性，甚至產(chǎn)生可靠性問題

§4電子元器（組）件無鉛化4.1元器（組）件的耐熱性能154.2電子元器（組）件引腳表面涂（鍍）層無鉛化⑴電子元器（組）件引腳表面涂（鍍）覆可焊性金屬與合金

目前，電子元器（組）件引腳（線）表面涂（鍍）可焊性金屬或合金層有：Sn、Ag、Au、Sn-Pb、Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Bi、Au-Sn等。它們除了起著引腳（線）表面保護(hù)（不被氧化等）作用外，還起著與無鉛焊料的焊接作用，或者還與焊料在焊接時(shí)形成界面合金（IMC）作用⑵電子元器（組）件引腳（線）的焊接可靠性

在元器（組）件引腳表面的各種涂（鍍）覆層進(jìn)行SAC305無鉛焊料焊接中，發(fā)現(xiàn)含鉛的Sn-10Pb層會(huì)形成熔融性剝離。其它各種表面涂（鍍）層在SAC305焊料的焊接中仍然有較好可靠性。在引腳（端子）鍍金的情況下，如果鍍金層太厚，金會(huì)熔入熔融的焊料中，當(dāng)金的含量超過3%時(shí)，會(huì)發(fā)生脆裂或斷離等可靠性問題

4.2電子元器（組）件引腳表面涂（鍍）層無鉛化⑴電子元器（16§5實(shí)施無鉛化對(duì)CCL的基本要求決定著PCB基板在焊接中的要求無鉛焊料：1.低共（晶）熔點(diǎn)高2.潤(rùn)濕性差更高的預(yù)熱溫度與更長(zhǎng)的預(yù)熱時(shí)間更高的焊接溫度更長(zhǎng)的焊接時(shí)間焊接后需要有更快的冷卻速度需提高和改善PCB基板的耐熱性能

最根本的是選用高耐熱的CCL基材§5實(shí)施無鉛化對(duì)CCL的基本要求決定著PCB基板在焊接中17能適應(yīng)無鉛焊料焊接條件的CCL應(yīng)具備如下要求：高的熱分解溫度Td、高的Tg溫度、低的溫度膨脹系數(shù)CTE好的耐CAF特性等能適應(yīng)無鉛焊料焊接條件的CCL應(yīng)具備如下要求：185.1高的熱分解溫度（Td）CCL的耐熱性能主要是取決于樹脂的熱分解溫度，應(yīng)選擇低Tg和高分解溫度Td樹脂組成的基材（LGHD）或高Tg和高Td的樹脂組成的基材（HGHD），才能得到更好的耐熱的PCB可靠性性能表5四種FR-4材料層壓為2.36mm（93mil）厚的十層板耐熱性能情況基材特性LGLDHGLDLGHDHGHDTg（DSC），（℃）140172142175Td（℃）32031035035050～250℃的Z向膨脹（%）4.403.404.303.15T260（min）4.5212.5155.1高的熱分解溫度（Td）CCL的耐熱性能主要19目前最佳的途徑應(yīng)是具有高分解溫度的常規(guī)FR-4或耐熱（高分解溫度）FR-4基材和先進(jìn)的電鍍（精細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)）技術(shù)相結(jié)合的方法。但是，在選擇FR-4基材時(shí)，最好選用低玻璃化溫度（LG）與高分解溫度（HD），或高玻璃化溫度（HG）和高分解溫度（HD）的材料目前最佳的途徑應(yīng)是具有高分解溫度的常規(guī)FR-4或耐熱（高分解205.2采用高Tg的樹脂基材

高Tg樹脂層壓板基材具有較高的耐熱特性，因而在無鉛焊料焊接時(shí)具有更好的熱尺寸穩(wěn)定性。同時(shí)，較高的Tg溫度也具有較低的CTE，利于PCB無鉛化加工或電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化表6各種基材樹脂的Tg和CTE樹脂名稱Tg溫度（℃）CTE（ppm）備注常規(guī)環(huán)氧樹脂125～13580～85耐熱（改性）環(huán)氧樹脂150～17050～70PPE/PPO樹脂180～24040～45聚苯醚BT樹脂185～23040～45雙馬來酰胺-三嗪樹脂PI樹脂220～26040～45聚酰亞胺5.2采用高Tg的樹脂基材表6各種基材樹脂的Tg和CT21

5.3選用低熱膨脹系數(shù)CTE的CCL材料無鉛焊料合金低共熔點(diǎn)更高，則無鉛化焊接的PCB的CTE與元組件的CTE之間的CTE會(huì)差別更大，這意味著其熱殘余應(yīng)力會(huì)更大，為了保證無鉛化焊接的PCB的可靠性，兩者的CET的允差要求比常規(guī)的5ppm/℃更小，例如≤3ppm/℃從而，要求無鉛化用的PCB的CCL的X-Y向的CTE進(jìn)一步減小表7PCB高密度化發(fā)展要求CCL的CTE（X-Y方向）越來越小年份1998200220052010ΔCTE（ppm）≤7≤5≤5≤3X-Y的CTE（ppm）13～1512～1310～128～105.3選用低熱膨脹系數(shù)CTE的CCL材料表7PC225.4提高耐CAF特性

在CCL基材介質(zhì)層中，提高耐CAF性能可以采取如下措施：提高樹脂對(duì)玻纖布的浸潤(rùn)性選用新型結(jié)構(gòu)玻纖布（開纖布或扁平布）為增強(qiáng)材料降低樹脂中的離子含量降低CCL板的吸水率（性）5.4提高耐CAF特性23§6實(shí)施無鉛化對(duì)PCB基板的主要要求電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化對(duì)PCB基板的主要要求是

進(jìn)一步提高其耐熱性能

除了提高基材CCL的耐熱可靠性外，在PCB的生產(chǎn)加工過程中也必須提高耐熱可靠性，主要是：

提高多層板的層之間粘接力、孔壁的光潔度、銅層之間結(jié)合力、銅鍍層的延展性和板面清潔度等同時(shí)，為了提高和改善PCB的耐熱性能，需改進(jìn)PCB板內(nèi)外的導(dǎo)（散）熱性能§6實(shí)施無鉛化對(duì)PCB基板的主要要求電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化對(duì)246.1PCB在制板的加工改進(jìn)除了CCL基材影響PCB耐熱可靠性外，在PCB生產(chǎn)中也會(huì)影響其耐熱可靠性、耐CAF性能，特別是孔內(nèi)鍍銅層的結(jié)合力、延展性和厚度均勻性對(duì)PCB產(chǎn)品耐熱可靠性的影響是不可忽視的⑴提高多層板的層間的粘接力多數(shù)是采用“黑氧化”或“紅（棕）氧化”的辦法來達(dá)到目的。“黑氧化”呈樹枝結(jié)構(gòu)，有較高的集合力，但工藝控制要求嚴(yán)格，熔融樹脂充填較難；“紅（棕）氧化”是呈顆粒狀結(jié)構(gòu)的，容易控制而穩(wěn)定，因此目前大多數(shù)采用“紅（棕）氧化”的技術(shù)。但是，它們都會(huì)產(chǎn)生“暈環(huán)（粉紅圈）”，解決辦法是“紅（棕）氧化”后，經(jīng)過處理除去氧化層或者經(jīng)過化學(xué)工藝處理形成的銅表面粗糙度來達(dá)到目的。6.1PCB在制板的加工改進(jìn)除了CCL基材影響PCB耐熱可25⑵提高基銅（CCL上的銅）和電鍍銅的結(jié)合力

采用“直接電鍍”等工藝與技術(shù)，消除化學(xué)鍍銅層結(jié)合力差的缺點(diǎn)，提高PCB內(nèi)層與孔壁的結(jié)合力⑶提高鍍銅層的延展性

其延展性不高主要原因是由于銅鍍層中的晶粒過大、鍍層中C、S（來自添加劑）含量較高等而造成的，從而使鍍層結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力較大。因此，在鍍銅過程中控制好“晶核形成大于‘結(jié)晶成長(zhǎng)’的比率，可獲得較小的晶粒和表面粗糙度（凹凸）的結(jié)構(gòu)，可明顯提高鍍銅層的延展性（18～20%），因而可大大提高了PCB（Z方向）導(dǎo)通孔的耐熱可靠性。⑵提高基銅（CCL上的銅）和電鍍銅的結(jié)合力26⑷提高鍍銅層厚度均勻性除了采用低電流密度和高分散能力鍍液等條件外，目前已走向脈沖電鍍技術(shù)而且是最理想并易于達(dá)到鍍銅層的均勻厚度的，均勻的孔內(nèi)銅鍍層無疑可提高Z方向的耐熱性能⑸提高耐CAF性能

CAF的發(fā)生主要在孔與孔、導(dǎo)線與導(dǎo)線、層與層、孔與導(dǎo)線等之間，尤其是孔與孔之間的CAF問題占據(jù)著絕大多數(shù)影響PCB的CAF性能，除CCL基材外，改善層間致密性和結(jié)合力、提高鉆孔的對(duì)位度、改進(jìn)鉆孔參數(shù)、降低孔壁粗糙度、提高在制板表面清潔度等，這些措施皆能提高耐CAF性能⑷提高鍍銅層厚度均勻性276.2改善PCB導(dǎo)（散）熱措施PCB中的介質(zhì)層導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）很小，散熱差，所以在PCB使用過程中極易使PCB內(nèi)部溫升過高、傳熱又太慢，從而變形過大，最后也會(huì)引起耐熱可靠性問題采取的措施：

⑴在CCL的介質(zhì)層中加入高導(dǎo)熱性的材料⑵采用導(dǎo)熱性能材料堵塞（充填）導(dǎo)通孔⑶改進(jìn)導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來改善和提高導(dǎo)熱性能⑷在PCB內(nèi)部夾入金屬芯形成‘金屬芯印制板’⑸在PCB的表面形成散熱片的結(jié)構(gòu)6.2改善PCB導(dǎo)（散）熱措施PCB中的介質(zhì)層導(dǎo)熱系數(shù)28圖4已填孔的各種導(dǎo)通孔

圖5盤內(nèi)孔及其盤上疊孔

圖6AGSP技術(shù)：（a）AGSP制造工藝；（b）三階AGSP積層板；（c）全積層板圖4已填孔的各種導(dǎo)通孔圖5盤內(nèi)孔及其盤上296.3PCB焊盤表面涂覆（鍍）層的要求表8PCB表面涂（鍍）覆材料的基本要求內(nèi)容1生產(chǎn)成本低原輔材料、設(shè)備儀器、廢水處理、人力、產(chǎn)能、成品率等2可焊性好耐熱性能、焊料濕潤(rùn)性、保存期3可靠性高焊接（點(diǎn)）內(nèi)應(yīng)力、缺陷、使用壽命4適用（范圍）性大無鉛化、精細(xì)化、阻焊劑、剛撓性板5環(huán)保性良易于處理，環(huán)境污染少6.3PCB焊盤表面涂覆（鍍）層的要求表8PCB表面涂30目前PCB焊盤表面涂（鍍）覆層的類型主要有：熱風(fēng)焊料整平化學(xué)鎳/金OSP（有機(jī)可焊性保護(hù)劑）化學(xué)錫化學(xué)銀等五大工藝技術(shù)目前PCB焊盤表面涂（鍍）覆層的類型主要有：316.3.1熱風(fēng)焊料整平（HASL）

HASL所遇到的挑戰(zhàn)方面主要如下：

⑴HASL的熔融焊料（Sn-Pb系和無Pb系）的表面張力大——帶來焊點(diǎn)（盤）的可焊（濕潤(rùn)）性和可靠性問題⑵HASL使PCB在焊接前受到高溫的熱沖擊——降低PCB的使用壽命⑶HASL使用的無鉛焊料是SnCuNi系、SnCuCo和SnCu系⑷HASL時(shí)熔融焊料耐熱助焊（保護(hù)）劑應(yīng)具有更高的熱分解溫度

6.3.1熱風(fēng)焊料整平（HASL）HASL所遇到的挑戰(zhàn)326.3.2化學(xué)鍍鎳/金（ENIG）由于化學(xué)鍍Ni/Au的鍍層厚度均勻，平（共）面性好，表面金層是優(yōu)良的耐腐蝕性、耐磨性和可搭接（線）焊（WB）性，因而廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話、電腦等領(lǐng)域⑴化學(xué)鍍鎳化學(xué)鍍鎳是在酸性（也可在堿性）的次磷酸鹽（還原劑）溶液中實(shí)現(xiàn)的。

①化學(xué)鍍鎳層的厚度為3～5μm，并作為阻擋層而加入的，目的是用于阻止銅/金界面之間互相擴(kuò)散，保證焊（接）接點(diǎn)和產(chǎn)品使用的可靠性。

②

化學(xué)鍍鎳層，實(shí)際上是在Cu表面沉積著Ni-P呈層狀的無定形結(jié)構(gòu)層。Ni-P中的磷含量應(yīng)控制在7～11%之間。磷含量太少時(shí)，形成顆粒狀結(jié)構(gòu)，易于被腐蝕與氧化，磷含量過多時(shí)，會(huì)使Ni-P層產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力過大而產(chǎn)生脆裂，這些現(xiàn)象都會(huì)引起黑斑等③化學(xué)鍍鎳的鍍液的維護(hù)極為重要?；瘜W(xué)鍍鎳的質(zhì)量，不僅與鍍液的組成、工藝操作參數(shù)有關(guān)，而且與鍍液使用周期有關(guān)，所以化學(xué)鍍鎳溶液的管理與維護(hù)是較困難的。6.3.2化學(xué)鍍鎳/金（ENIG）33⑵化學(xué)鍍金目前有三種類型鍍金的要求與應(yīng)用場(chǎng)合：插頭（金手指）鍍金。由于是反復(fù)使用插拔，金層不僅要求耐磨，而且要求有較高的厚度（目前規(guī)定應(yīng)大于0.5μm，而過去要求≥2μm）。焊接用鍍金。由于焊接的實(shí)質(zhì)是在鎳表面進(jìn)行，金層是為了保護(hù)新鮮鎳表面（不被氧化）的，在保證鎳表面不氧化條件下，金層應(yīng)越薄越好。這不僅可降低成本問題，更重要的是保證焊點(diǎn)可靠性問題。金屬絲（WB）焊（搭）接用鍍金。由于金屬絲是直接焊接在金層上的。因此，要求有較厚的金層，一般金層厚度應(yīng)在0.5μm左右。

⑵化學(xué)鍍金目前有三種類型鍍金的要求與應(yīng)用場(chǎng)合：34⑶化學(xué)鍍鎳/金主要缺陷①黑點(diǎn)、黑（褐色）斑缺陷：主要是由于銅面處理、鎳層太薄、缺鎳鍍、缺金鍍或金層氣孔率以及Ni原電池反應(yīng)或Ni腐蝕等造成的。②淺白或顏色不一：主要是由于鎳鍍層薄或鎳鍍層厚度不同而引起的③在焊接時(shí)，于鎳表面上首先形成Ni3Sn4平整針狀表面形態(tài)。這層化合物能夠降低焊料與Ni-P層之間的反應(yīng)，成為很好的阻擋層。但熔融的錫易于通過NiSn的空隙進(jìn)入到Ni3Sn4的界面，形成Ni3SnP的IMC，引起Ni3Sn4破裂，造成可焊性問題。④高溫（80℃以上化學(xué)鍍鎳）操作，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)（30min≒5μm），高溫也對(duì)阻焊劑（膜）尺寸穩(wěn)定性不利。⑤鎳鍍液壽命短。一般在7MTO后，必須重新開缸。采用冷卻或化學(xué)沉淀亞磷酸鹽方法，可以延長(zhǎng)鎳鍍液的使用壽命。⑶化學(xué)鍍鎳/金主要缺陷①黑點(diǎn)、黑（褐色）斑缺陷：主要是356.3.3化學(xué)鍍錫

由于所有焊料是以錫為主體，所以錫鍍層能與任何類型焊料相兼容，因而，化學(xué)鍍錫可能是PCB表面涂（鍍）覆技術(shù)最有發(fā)展前途的方法?；瘜W(xué)鍍錫厚度為0.8～1.2μm之間，常規(guī)鍍錫會(huì)出現(xiàn)如下問題：

（一）經(jīng)不起多次焊接，因?yàn)楹鼙″a層在一次焊接溫度下就形成Cu3Sn2的IMC化合物而變成不可焊表面；（二）在合適條件下會(huì)產(chǎn)生錫須，威脅可靠性；（三）鍍液易攻擊阻焊膜，使阻焊膜溶解變色，并易對(duì)銅層產(chǎn)生側(cè)蝕；（四）操作溫度高（≥60℃），時(shí)間長(zhǎng)，1μm厚度需要10min。6.3.3化學(xué)鍍錫由于所有焊料是以錫為主體，所以錫鍍層366.3.4化學(xué)鍍銀目前無鉛化焊料的最佳選擇是含銀的SAC305體系，因此化學(xué)鍍銀便得到了快速的發(fā)展。化學(xué)鍍銀是在PCB在制板連接盤表面Cu被Ag—離子置換而沉積上Ag層的。從理論上講，置換反應(yīng)形成的銀層應(yīng)是一個(gè)Ag原子的厚度，但是，由于連接盤Cu表面是經(jīng)過微蝕刻處理而形成粗糙的Cu表面，使沉積的Ag層呈多孔性結(jié)構(gòu)，其結(jié)果導(dǎo)致置換反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，使Ag的沉積厚度持續(xù)增加，一般控制Ag沉積厚度在0.15～0.50μm之間，主要取決于Cu表面的粗糙度。為了防止Ag鍍層腐蝕和銀遷移問題，在化學(xué)鍍銀溶液中要加入特制的有機(jī)添加劑6.3.4化學(xué)鍍銀37表9酸性化學(xué)鍍銀與堿性化學(xué)鍍銀主要特性比較特性酸性化學(xué)鍍銀堿性化學(xué)鍍銀沉銀鍍液非絡(luò)合物形式存在，含緩蝕劑、滲透劑，有機(jī)物多。絡(luò)合物形式存在，不含緩蝕劑、滲透劑，有機(jī)物少。對(duì)Cu有明顯腐蝕性（有硝酸成分）沒有腐蝕性對(duì)阻焊膜沒有“攻擊”性PH≤9，穩(wěn)定，對(duì)硫化物、鹵化物很敏感，容變色敏感低，變色慢銀鍍層含有機(jī)物多，焊接易起泡純Ag層，可多次焊接各種可靠性試驗(yàn)一般高表9酸性化學(xué)鍍銀與堿性化學(xué)鍍銀主要特性比較酸性化386.3.5有機(jī)可焊性保護(hù)劑（OSP）⑴烷基苯并咪唑類的OSP⑵烷基苯基咪唑類的HT-OSP表10HT-OSP與常規(guī)OSP主要性能比較

主要性能烷基苯并咪唑類（常規(guī)OSP）烷基苯基咪唑類（HT-OSP）溶液含Cu2+離子的水溶液不含Cu2+離子的水溶液涂膜厚度（μm）0.3～0.60.1～0.2分解溫度（℃）

250354涂覆性能全部（Au、Ag、Sn、Cu和焊料）涂覆選擇性（僅Cu）涂覆對(duì)金屬表面污染性污染明顯，影響外觀、焊料伸展和殘物，影響金接觸電阻，不污染或極小無鉛焊接可焊性不適用，界面易起泡、微空洞等好，可多次焊接無鉛焊接可靠性無鉛焊接可靠性差可靠6.3.5有機(jī)可焊性保護(hù)劑（OSP）⑴烷基苯并咪唑類的OSP396.3.6五大表面涂（鍍）覆膜應(yīng)用與選擇項(xiàng)目HASLENIG化學(xué)鍍錫化學(xué)鍍銀HT-OSP制造成本中高高中中低處理溫度≥240℃≥80℃≥60℃50℃常溫至40℃處理時(shí)間1～3秒40分鐘6～10分鐘60～120秒30～90秒表面狀態(tài)表面張力大易黑斑、脆裂錫須、攻擊阻焊膜、黑/灰變色穩(wěn)定、防劃傷厚度（μm）3～53～5（鎳）0.8～1.20.3～0.50.1～0.2保存期1年1年半年半年（防硫、鹵化物）半年表11五類表面涂（鍍）覆層的主要特征與評(píng)價(jià)

6.3.6五大表面涂（鍍）覆膜應(yīng)用與選擇HASLENIG化40表12各種PCB銅焊盤表面涂覆（鍍）層在SAC305無鉛焊料焊接

涂（鍍）層類型焊接界面IMC焊接界面狀態(tài)可靠性評(píng)價(jià)HT-0SPCu3Sn→Cu6Sn5，晶粒小（約3μm）。空洞極少焊點(diǎn)結(jié)合力（強(qiáng)度）好化學(xué)鍍銀Cu3Sn→Cu6Sn5，晶粒較小約5μm，因Ag3Sn薄片結(jié)構(gòu)阻擋作用?？斩礃O少焊點(diǎn)結(jié)合力好化學(xué)鍍錫Cu3S→Cu6Sn5，樹枝狀結(jié)構(gòu)、晶粒較大空洞少焊點(diǎn)結(jié)合力好化學(xué)鍍鎳-金Au熔入焊料成AuSn、AuSn2、AuSn3，界面為Ni3Sn4，顆粒很小空洞很少焊點(diǎn)結(jié)合好。但Au層要覆蓋好Ni表面，以薄為宜，否則焊點(diǎn)發(fā)脆。無鉛焊料熱風(fēng)整平Cu3Sn→Cu6Sn5空洞少需較厚涂覆層、表面張力大、平整性差，PCB受熱傷害大表12各種PCB銅焊盤表面涂覆（鍍）層在SAC305無鉛焊41§7電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化的某些規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)從無鉛焊料及其焊接的特性與要求來看，可以預(yù)計(jì)或理解到即將實(shí)施的無鉛化規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的最大變動(dòng)（與傳統(tǒng)Sn-Pb系比較）或最突出的內(nèi)容，除了CCL的熱分解溫度（Td）、Tg和CTE外，主要是對(duì)PCB的熱應(yīng)力和熱沖擊的兩大試驗(yàn)方法與要求上，或者再加上離子遷移（CAF）的試驗(yàn)。

§7電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化的某些規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)從無鉛427.1熱沖擊試驗(yàn)要求熱沖擊試驗(yàn)指PCB產(chǎn)品在高、低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)下的可靠性情況。如果把高、低溫（熱）循環(huán)試驗(yàn)條件與使用（操作）溫度條件之比定為‘加速（老化）因子f’，則有下述關(guān)系：f=（ΔT試驗(yàn)/ΔT操作）2ΔT試驗(yàn)為高、低溫循環(huán)溫度差；ΔT操作為操作（使用）溫度差，‘加速因子’越大，使用壽命越長(zhǎng)，可靠性越高。

由于PCB走向無鉛化焊接和高密度化連接等帶來焊接和使用（操作）溫度的提高，則原來規(guī)定的試驗(yàn)溫度和條件等應(yīng)加以拓寬或嚴(yán)格化

⑴拓寬熱沖擊的高-低溫范圍。⑵增加了高低溫（熱沖擊）循環(huán)次數(shù)要求

7.1熱沖擊試驗(yàn)要求熱沖擊試驗(yàn)指PCB產(chǎn)品在高、低溫循環(huán)實(shí)437.2熱應(yīng)力試驗(yàn)表13無鉛化對(duì)FR-4覆銅板（CCL）的耐熱要求項(xiàng)目IPC標(biāo)準(zhǔn)—方案1IPC標(biāo)準(zhǔn)—方案2Tg（℃）≥170≥155熱分解溫度（℃）≥330≥340熱分層時(shí)間（T-260，分鐘）-≥30熱分層時(shí)間（T-288，分鐘）≥30≥15熱分層時(shí)間（T-300，分鐘）≥30≥2熱分層時(shí)間（T-320，分鐘）≥10-Z軸CTE（小于Tg，ppm/℃）≤75≤60Z軸CTE（≥Tg，ppm/℃）≤300≤3007.2熱應(yīng)力試驗(yàn)表13無鉛化對(duì)FR-4覆銅板（CCL）44表14無鉛化對(duì)PCB的熱應(yīng)力試驗(yàn)要求PCB類型?。ń┖笢囟龋ā妫└『笗r(shí)間（秒）浮焊次數(shù)備注（能承受次數(shù)）常規(guī)PCB288±51015～7次耐熱高可靠性PCB288±51030耐熱高可靠性PCB299±51030耐熱高可靠性PCB320±51010或更多表14無鉛化對(duì)PCB的熱應(yīng)力試驗(yàn)要求PCB類型?。ń┖?57.3離子遷移試驗(yàn)隨著無鉛化PCB的焊接溫度和加工與使用溫度的提高，加上PCB高密度化的不斷進(jìn)步與發(fā)展，因而產(chǎn)生離子遷移的機(jī)率也明顯增加了。所以加強(qiáng)PCB離子遷移的可靠性試驗(yàn)突出起來了。一般采用濕熱試驗(yàn)方法，如在85℃/85%RH/30V/1000小時(shí)下，其絕緣電阻應(yīng)大于1*108Ω以上。或者采用高壓斧（壓力鍋）蒸煮（PCT，pressurecookertest）試驗(yàn)7.3離子遷移試驗(yàn)隨著無鉛化PCB的焊接溫46§8結(jié)論電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化工程或者無鉛焊料的焊接時(shí)代已經(jīng)到來最有希望取代傳統(tǒng)Sn-Pb焊料的無鉛焊料是Sn-Ag-Cu體系的SAC305焊料組裝的元器件必須無鉛化。提高CCL的耐熱性能改進(jìn)（革）PCB制造工藝技術(shù)制定實(shí)施無鉛化相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

§8結(jié)論47ThankYou!ThankYou!www.themegallery.co48第18章無鉛化技術(shù)與工藝現(xiàn)代印制電路原理和工藝第18章無鉛化技術(shù)與工藝現(xiàn)代印制電路原理和工藝49第18章無鉛化技術(shù)與工藝電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化的提出1無鉛化焊料及其特性2無鉛焊料的焊接3電子元器（組）件無鉛化4實(shí)施無鉛化對(duì)CCL的基本要求5實(shí)施無鉛化對(duì)PCB基板的主要要求6

電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化的某些規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)7第18章無鉛化技術(shù)與工藝電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化的提出150§1電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化的提出鉛及其合金具有優(yōu)良的機(jī)械、化學(xué)和電氣特性，在PCB加工、焊接與組裝等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用廢棄電子產(chǎn)品中的鉛元素的污染在20世紀(jì)90年代前后充分引起了人們的重視美國(guó)首先提出了無鉛工藝并相應(yīng)制定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來限制電子產(chǎn)品中的鉛的含量無鉛化是目前和未來推動(dòng)CCL材料、PCB生產(chǎn)和電子組裝等行業(yè)變革與發(fā)展的熱點(diǎn)§1電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化的提出鉛及其合金具有優(yōu)良的機(jī)械、化51§2無鉛化焊料及其特性2.1無鉛化焊料的基本條件

⑴無鉛焊料組成的合金低共（晶）熔點(diǎn)⑵無鉛焊料組成合金的可焊性⑶無鉛焊料的焊接點(diǎn)可靠性：

焊點(diǎn)焊料的耐熱疲勞強(qiáng)度焊點(diǎn)焊料的結(jié)合強(qiáng)度金屬間互化物（IMC）的影響焊點(diǎn)焊接的完整性（潤(rùn)濕性的表現(xiàn)）§2無鉛化焊料及其特性2.1無鉛化焊料的基本條件52

2.2無鉛焊料類型與主要特點(diǎn)

表1

無鉛焊料的類型、合金組成和低共（晶）熔點(diǎn)二元體系低共（晶）熔點(diǎn)（℃）回（再）流焊接溫度（℃）

95Sn/5Sb（銻）238260～280

99.3Sn/0.7Cu227250～270

96.5Sn/3.5Cu221250～270

96.5Sn/3.5Ag217240～260

91Sn/9Zn198220～240

97In/3Ag143170～190

42Sn/58Bi139160～180

48Sn/58In118140～160

63Sn/37Pb（屬有鉛系）183210～240三元或四元體系

95Sn/3.5Ag/1.5In223250～270

96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu217240～26095.2Sn/3.5Ag/0.8Cu/0.5In212235～255

91.8Sn/4.8Bi/3.4Ag210230～250

77.2Sn/20In/2.8Ag192220～2402.2無鉛焊料類型與主要特點(diǎn)表1無鉛焊53表2二元體系無鉛焊料的基本特性

無鉛焊料合金組成低共（晶）熔點(diǎn)基本優(yōu)點(diǎn)主要缺點(diǎn)Sn/0.7Cu227℃機(jī)械強(qiáng)度好、抗熱疲勞強(qiáng)度好、成本低合金熔點(diǎn)高、焊接溫度高、潤(rùn)濕性較差Sn/3.5Cu221℃機(jī)械強(qiáng)度好、抗熱疲勞強(qiáng)度較好、成本較低合金熔點(diǎn)高、焊接溫度高、潤(rùn)濕性較差Sn/3.5Ag217℃機(jī)械強(qiáng)度好、抗熱疲勞強(qiáng)度較好合金熔點(diǎn)高、焊接溫度高、潤(rùn)濕性較差、成本較高Sn/9.0Zn198℃機(jī)械強(qiáng)度好潤(rùn)濕性差、易氧化、脆性Sn/58Bi139℃低熔點(diǎn)、潤(rùn)濕良好機(jī)械強(qiáng)度低、易形成空洞、脆性大表2二元體系無鉛焊料的基本特性無鉛焊料合金組成低共（晶54性能類別SAC305

63Sn/37Pb備注低共（晶）熔點(diǎn)

217℃183℃前者高出34℃，則焊接溫度需提高20～40℃表面張力（達(dá)因/厘米）550（230℃）；471.8（240℃）；460（260℃）470（230℃）；396（240℃）；380（260℃）前者表面張力高出約80達(dá)因/厘米，則潤(rùn)濕性較差，易生裂縫缺陷等熔融焊料與Cu面接觸角44°11°前者接觸角大三倍，因此潤(rùn)濕性差，易露銅等缺陷焊接前預(yù)熱溫度接近200℃150℃左右前者預(yù)熱高50℃左右，這對(duì)元器件和基板皆不利高溫焊接溫度250～270℃220～250℃前者至少≥20℃，特別不利于元器件與基材的可靠性（見下述各項(xiàng)）熔融態(tài)停留時(shí)間90秒60秒前者不僅焊接溫度高，而且停留時(shí)間長(zhǎng)，這也是對(duì)PCB基板和元器件造成損害的重要原因焊料助焊劑焊接時(shí)揮發(fā)大、穩(wěn)定性差，形成焊渣多焊接時(shí)穩(wěn)定性好，揮發(fā)少，焊渣也少應(yīng)開發(fā)大于260℃（或300℃左右）的助焊劑體系濕潤(rùn)時(shí)間2秒0.6秒前者潤(rùn)濕性差，要延長(zhǎng)高溫焊接時(shí)間，才能得到較滿意的焊點(diǎn)焊接溫度曲線升溫速度3℃/S；降溫速度6℃/S升溫和降溫速度相同為3℃/S前者冷卻速度太快，易造成焊點(diǎn)微裂縫、氣泡等焊點(diǎn)特性抗熱疲勞良好，但焊點(diǎn)不易飽滿、結(jié)合力較差、各種缺陷多，可靠性較差抗熱疲勞較差，但焊點(diǎn)飽滿、結(jié)合力良好、各種缺陷少，可靠性高前者雖耐疲勞強(qiáng)度良好，但表面張力大、潤(rùn)濕性差等造成各種缺陷多表3無鉛焊料與有鉛焊料的比較性能類別SAC30563Sn/37Pb55§3無鉛焊料的焊接傳統(tǒng)而通用的電子產(chǎn)品的焊接方法主要有三種：

波峰焊接、回（再）流焊接（紅外焊接、熱風(fēng)焊接、汽相焊接等）、手工焊接（現(xiàn)在還興起激光焊接等）目前無鉛焊料的焊接還必須延續(xù)這些焊接方法，最關(guān)鍵的有三大問題：

（1）是無鉛焊料合金組成的低共（晶）熔點(diǎn)偏高（2）是無鉛焊料合金潤(rùn)濕性差，焊接需要有更高的焊接溫度、更長(zhǎng)的高溫停留時(shí)間和更快的冷卻速度（3）是無鉛焊料焊接后的焊點(diǎn)（或焊接）的可靠性問題§3無鉛焊料的焊接傳統(tǒng)而通用的電子產(chǎn)品的焊接方法主要有563.1無鉛焊料合金的低共（晶）熔點(diǎn)

從目前的無鉛焊料可實(shí)用性角度來看，大多數(shù)的無鉛焊料合金組成的低共（晶）熔點(diǎn)是很高的?，F(xiàn)在最佳的SAC305低熔（晶）點(diǎn)為217℃，比起傳統(tǒng)的63Sn/37Pb有鉛焊料的低共熔（晶）點(diǎn)（183℃）高出34℃無鉛焊料的焊接要求有更高的預(yù)熱溫度和焊接溫度、更長(zhǎng)的高溫焊接時(shí)間和更快的冷卻速度等，對(duì)熱敏感大的元器（組）件、PCB基板等都將帶來新的考驗(yàn)與挑戰(zhàn)。

3.1無鉛焊料合金的低共（晶）熔點(diǎn)57

3.2無鉛焊料合金的潤(rùn)濕性能無鉛焊料合金在高溫熔融焊接時(shí)，由于表面張力比傳統(tǒng)Sn-Pb焊料來得大，因而其潤(rùn)濕性能較差，要求潤(rùn)濕時(shí)間更長(zhǎng)圖1傳統(tǒng)63Sn/37Pb焊料和無鉛SAC305焊料的表面張力隨溫度變化情況

圖2傳統(tǒng)Sn-Pb焊料與兩種無鉛焊料的潤(rùn)濕時(shí)間與溫度的關(guān)系3.2無鉛焊料合金的潤(rùn)濕性能圖1傳統(tǒng)63Sn/3758

3.3無鉛焊料焊接的可靠性

⑴無鉛焊料的焊接點(diǎn)可靠性無鉛焊料的焊接點(diǎn)在抗熱疲勞性能較優(yōu)于傳統(tǒng)Sn-Pb焊料外，其它的性能皆劣于傳統(tǒng)Sn-Pb焊料所形成的焊接點(diǎn)無鉛焊料形成的焊接點(diǎn)比起傳統(tǒng)Sn-Pb焊料主要有如下不足與缺陷：無鉛焊接易于形成微空洞微空洞的存在導(dǎo)致焊接處焊料與焊盤虛（假）焊、剝離、斷裂等現(xiàn)象降低無鉛焊料的表面張力、降低銅表面粗糙度和提高清潔度有利于減少微空洞。

圖3無鉛焊料與焊盤界面處的微空洞3.3無鉛焊料焊接的可靠性圖3無鉛焊料與焊盤界面處的59⑵無鉛焊料在焊接時(shí)PCB的可靠性無鉛焊料在焊接時(shí)影響常規(guī)PCB基板的可靠性，主要在有五個(gè)方面：

（一）基板分層、裂縫、變色等

（二）層間連接的導(dǎo)通孔發(fā)生裂縫、斷開，甚至剝離（類似凹縮）

（三）焊盤（連接盤）翹起、脫落

（四）PCB基板扭曲、翹曲

（五）更易于發(fā)生CAF現(xiàn)象⑵無鉛焊料在焊接時(shí)PCB的可靠性603.4無鉛焊料焊接的類型與注意點(diǎn)表4無鉛焊料的焊接類型與注意點(diǎn)焊接類型無鉛焊料類型與組成注意點(diǎn)波峰焊接Sn-Cu系：99.3Sn/0.7Cu（可加入微量AgAuNiGeIn等）Sn-Ag系：96.5Sn/3.5Ag；

96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu焊接溫度高，易于產(chǎn)生焊盤剝離，損傷基材（分層、起泡裂縫、變色等）；如為單面板可添Bi，降低焊接溫度。再流焊接高溫系Sn-Ag系：96.5Sn/3.5Ag；

96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu；

92～95Sn/2～4Ag/1～6Bi焊接溫度較高，注意：再流焊溫度的管理；Bi與鍍層的兼容性。中溫系Sn-Zn系：91Sn/9Zn；

89Sn/8Zn/3Bi。Sn-Ag-In系：89～92Sn/3.0Ag/6～8In較適用于NiAu的焊盤，與銅表面兼容性較差（即潤(rùn)濕性較差）低溫系Sn-Bi系：42.5～42Sn/57Bi/0.5～1Ag脆性大，機(jī)械強(qiáng)度低，空洞多，適用于低檔次場(chǎng)合手工焊接大多采用高溫系Sn-Ag系：96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu注意：不同焊料焊接與檢修的匹配（兼容）性3.4無鉛焊料焊接的類型與注意點(diǎn)表4無鉛焊料的焊接類型61目前無鉛焊料存在的問題主要有：最佳的無鉛焊料（SAC305）還沒有達(dá)到有鉛焊料（Sn/Pb）性能（特別是表面張力、濕潤(rùn)性和可焊性等方面）的等級(jí)；無鉛焊料焊接的焊點(diǎn)，其潤(rùn)濕性差、各種缺陷較多，這些問題嚴(yán)重威脅著電子產(chǎn)品的可靠性；目前最佳的無鉛焊料（SAC305）的焊接溫度偏高20～40℃之多，高溫焊接的停留時(shí)間偏長(zhǎng)（約增長(zhǎng)30%以上），這對(duì)元器件、CCL基材、PCB基板、焊接條件等都帶來了新的沖擊與要求電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化的相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)必須相應(yīng)跟上目前無鉛焊料存在的問題主要有：62§4電子元器（組）件無鉛化4.1元器（組）件的耐熱性能

無鉛化焊料與焊接的最本質(zhì)的問題是需要有更高的焊接溫度、更長(zhǎng)的高溫焊接時(shí)間，這就決定了用于無鉛化的元器（組）件需要有更好的耐熱性能，特別是對(duì)于熱敏感的元器（組）件必須改進(jìn)其耐熱性能，否則會(huì)損害其特性，甚至產(chǎn)生可靠性問題

§4電子元器（組）件無鉛化4.1元器（組）件的耐熱性能634.2電子元器（組）件引腳表面涂（鍍）層無鉛化⑴電子元器（組）件引腳表面涂（鍍）覆可焊性金屬與合金

目前，電子元器（組）件引腳（線）表面涂（鍍）可焊性金屬或合金層有：Sn、Ag、Au、Sn-Pb、Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Bi、Au-Sn等。它們除了起著引腳（線）表面保護(hù)（不被氧化等）作用外，還起著與無鉛焊料的焊接作用，或者還與焊料在焊接時(shí)形成界面合金（IMC）作用⑵電子元器（組）件引腳（線）的焊接可靠性

在元器（組）件引腳表面的各種涂（鍍）覆層進(jìn)行SAC305無鉛焊料焊接中，發(fā)現(xiàn)含鉛的Sn-10Pb層會(huì)形成熔融性剝離。其它各種表面涂（鍍）層在SAC305焊料的焊接中仍然有較好可靠性。在引腳（端子）鍍金的情況下，如果鍍金層太厚，金會(huì)熔入熔融的焊料中，當(dāng)金的含量超過3%時(shí)，會(huì)發(fā)生脆裂或斷離等可靠性問題

4.2電子元器（組）件引腳表面涂（鍍）層無鉛化⑴電子元器（64§5實(shí)施無鉛化對(duì)CCL的基本要求決定著PCB基板在焊接中的要求無鉛焊料：1.低共（晶）熔點(diǎn)高2.潤(rùn)濕性差更高的預(yù)熱溫度與更長(zhǎng)的預(yù)熱時(shí)間更高的焊接溫度更長(zhǎng)的焊接時(shí)間焊接后需要有更快的冷卻速度需提高和改善PCB基板的耐熱性能

最根本的是選用高耐熱的CCL基材§5實(shí)施無鉛化對(duì)CCL的基本要求決定著PCB基板在焊接中65能適應(yīng)無鉛焊料焊接條件的CCL應(yīng)具備如下要求：高的熱分解溫度Td、高的Tg溫度、低的溫度膨脹系數(shù)CTE好的耐CAF特性等能適應(yīng)無鉛焊料焊接條件的CCL應(yīng)具備如下要求：665.1高的熱分解溫度（Td）CCL的耐熱性能主要是取決于樹脂的熱分解溫度，應(yīng)選擇低Tg和高分解溫度Td樹脂組成的基材（LGHD）或高Tg和高Td的樹脂組成的基材（HGHD），才能得到更好的耐熱的PCB可靠性性能表5四種FR-4材料層壓為2.36mm（93mil）厚的十層板耐熱性能情況基材特性LGLDHGLDLGHDHGHDTg（DSC），（℃）140172142175Td（℃）32031035035050～250℃的Z向膨脹（%）4.403.404.303.15T260（min）4.5212.5155.1高的熱分解溫度（Td）CCL的耐熱性能主要67目前最佳的途徑應(yīng)是具有高分解溫度的常規(guī)FR-4或耐熱（高分解溫度）FR-4基材和先進(jìn)的電鍍（精細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)）技術(shù)相結(jié)合的方法。但是，在選擇FR-4基材時(shí)，最好選用低玻璃化溫度（LG）與高分解溫度（HD），或高玻璃化溫度（HG）和高分解溫度（HD）的材料目前最佳的途徑應(yīng)是具有高分解溫度的常規(guī)FR-4或耐熱（高分解685.2采用高Tg的樹脂基材

高Tg樹脂層壓板基材具有較高的耐熱特性，因而在無鉛焊料焊接時(shí)具有更好的熱尺寸穩(wěn)定性。同時(shí)，較高的Tg溫度也具有較低的CTE，利于PCB無鉛化加工或電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化表6各種基材樹脂的Tg和CTE樹脂名稱Tg溫度（℃）CTE（ppm）備注常規(guī)環(huán)氧樹脂125～13580～85耐熱（改性）環(huán)氧樹脂150～17050～70PPE/PPO樹脂180～24040～45聚苯醚BT樹脂185～23040～45雙馬來酰胺-三嗪樹脂PI樹脂220～26040～45聚酰亞胺5.2采用高Tg的樹脂基材表6各種基材樹脂的Tg和CT69

5.3選用低熱膨脹系數(shù)CTE的CCL材料無鉛焊料合金低共熔點(diǎn)更高，則無鉛化焊接的PCB的CTE與元組件的CTE之間的CTE會(huì)差別更大，這意味著其熱殘余應(yīng)力會(huì)更大，為了保證無鉛化焊接的PCB的可靠性，兩者的CET的允差要求比常規(guī)的5ppm/℃更小，例如≤3ppm/℃從而，要求無鉛化用的PCB的CCL的X-Y向的CTE進(jìn)一步減小表7PCB高密度化發(fā)展要求CCL的CTE（X-Y方向）越來越小年份1998200220052010ΔCTE（ppm）≤7≤5≤5≤3X-Y的CTE（ppm）13～1512～1310～128～105.3選用低熱膨脹系數(shù)CTE的CCL材料表7PC705.4提高耐CAF特性

在CCL基材介質(zhì)層中，提高耐CAF性能可以采取如下措施：提高樹脂對(duì)玻纖布的浸潤(rùn)性選用新型結(jié)構(gòu)玻纖布（開纖布或扁平布）為增強(qiáng)材料降低樹脂中的離子含量降低CCL板的吸水率（性）5.4提高耐CAF特性71§6實(shí)施無鉛化對(duì)PCB基板的主要要求電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化對(duì)PCB基板的主要要求是

進(jìn)一步提高其耐熱性能

除了提高基材CCL的耐熱可靠性外，在PCB的生產(chǎn)加工過程中也必須提高耐熱可靠性，主要是：

提高多層板的層之間粘接力、孔壁的光潔度、銅層之間結(jié)合力、銅鍍層的延展性和板面清潔度等同時(shí)，為了提高和改善PCB的耐熱性能，需改進(jìn)PCB板內(nèi)外的導(dǎo)（散）熱性能§6實(shí)施無鉛化對(duì)PCB基板的主要要求電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化對(duì)726.1PCB在制板的加工改進(jìn)除了CCL基材影響PCB耐熱可靠性外，在PCB生產(chǎn)中也會(huì)影響其耐熱可靠性、耐CAF性能，特別是孔內(nèi)鍍銅層的結(jié)合力、延展性和厚度均勻性對(duì)PCB產(chǎn)品耐熱可靠性的影響是不可忽視的⑴提高多層板的層間的粘接力多數(shù)是采用“黑氧化”或“紅（棕）氧化”的辦法來達(dá)到目的?！昂谘趸背蕵渲Y(jié)構(gòu)，有較高的集合力，但工藝控制要求嚴(yán)格，熔融樹脂充填較難；“紅（棕）氧化”是呈顆粒狀結(jié)構(gòu)的，容易控制而穩(wěn)定，因此目前大多數(shù)采用“紅（棕）氧化”的技術(shù)。但是，它們都會(huì)產(chǎn)生“暈環(huán)（粉紅圈）”，解決辦法是“紅（棕）氧化”后，經(jīng)過處理除去氧化層或者經(jīng)過化學(xué)工藝處理形成的銅表面粗糙度來達(dá)到目的。6.1PCB在制板的加工改進(jìn)除了CCL基材影響PCB耐熱可73⑵提高基銅（CCL上的銅）和電鍍銅的結(jié)合力

采用“直接電鍍”等工藝與技術(shù)，消除化學(xué)鍍銅層結(jié)合力差的缺點(diǎn)，提高PCB內(nèi)層與孔壁的結(jié)合力⑶提高鍍銅層的延展性

其延展性不高主要原因是由于銅鍍層中的晶粒過大、鍍層中C、S（來自添加劑）含量較高等而造成的，從而使鍍層結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力較大。因此，在鍍銅過程中控制好“晶核形成大于‘結(jié)晶成長(zhǎng)’的比率，可獲得較小的晶粒和表面粗糙度（凹凸）的結(jié)構(gòu)，可明顯提高鍍銅層的延展性（18～20%），因而可大大提高了PCB（Z方向）導(dǎo)通孔的耐熱可靠性。⑵提高基銅（CCL上的銅）和電鍍銅的結(jié)合力74⑷提高鍍銅層厚度均勻性除了采用低電流密度和高分散能力鍍液等條件外，目前已走向脈沖電鍍技術(shù)而且是最理想并易于達(dá)到鍍銅層的均勻厚度的，均勻的孔內(nèi)銅鍍層無疑可提高Z方向的耐熱性能⑸提高耐CAF性能

CAF的發(fā)生主要在孔與孔、導(dǎo)線與導(dǎo)線、層與層、孔與導(dǎo)線等之間，尤其是孔與孔之間的CAF問題占據(jù)著絕大多數(shù)影響PCB的CAF性能，除CCL基材外，改善層間致密性和結(jié)合力、提高鉆孔的對(duì)位度、改進(jìn)鉆孔參數(shù)、降低孔壁粗糙度、提高在制板表面清潔度等，這些措施皆能提高耐CAF性能⑷提高鍍銅層厚度均勻性756.2改善PCB導(dǎo)（散）熱措施PCB中的介質(zhì)層導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）很小，散熱差，所以在PCB使用過程中極易使PCB內(nèi)部溫升過高、傳熱又太慢，從而變形過大，最后也會(huì)引起耐熱可靠性問題采取的措施：

⑴在CCL的介質(zhì)層中加入高導(dǎo)熱性的材料⑵采用導(dǎo)熱性能材料堵塞（充填）導(dǎo)通孔⑶改進(jìn)導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來改善和提高導(dǎo)熱性能⑷在PCB內(nèi)部夾入金屬芯形成‘金屬芯印制板’⑸在PCB的表面形成散熱片的結(jié)構(gòu)6.2改善PCB導(dǎo)（散）熱措施PCB中的介質(zhì)層導(dǎo)熱系數(shù)76圖4已填孔的各種導(dǎo)通孔

圖5盤內(nèi)孔及其盤上疊孔

圖6AGSP技術(shù)：（a）AGSP制造工藝；（b）三階AGSP積層板；（c）全積層板圖4已填孔的各種導(dǎo)通孔圖5盤內(nèi)孔及其盤上776.3PCB焊盤表面涂覆（鍍）層的要求表8PCB表面涂（鍍）覆材料的基本要求內(nèi)容1生產(chǎn)成本低原輔材料、設(shè)備儀器、廢水處理、人力、產(chǎn)能、成品率等2可焊性好耐熱性能、焊料濕潤(rùn)性、保存期3可靠性高焊接（點(diǎn)）內(nèi)應(yīng)力、缺陷、使用壽命4適用（范圍）性大無鉛化、精細(xì)化、阻焊劑、剛撓性板5環(huán)保性良易于處理，環(huán)境污染少6.3PCB焊盤表面涂覆（鍍）層的要求表8PCB表面涂78目前PCB焊盤表面涂（鍍）覆層的類型主要有：熱風(fēng)焊料整平化學(xué)鎳/金OSP（有機(jī)可焊性保護(hù)劑）化學(xué)錫化學(xué)銀等五大工藝技術(shù)目前PCB焊盤表面涂（鍍）覆層的類型主要有：796.3.1熱風(fēng)焊料整平（HASL）

HASL所遇到的挑戰(zhàn)方面主要如下：

⑴HASL的熔融焊料（Sn-Pb系和無Pb系）的表面張力大——帶來焊點(diǎn)（盤）的可焊（濕潤(rùn)）性和可靠性問題⑵HASL使PCB在焊接前受到高溫的熱沖擊——降低PCB的使用壽命⑶HASL使用的無鉛焊料是SnCuNi系、SnCuCo和SnCu系⑷HASL時(shí)熔融焊料耐熱助焊（保護(hù)）劑應(yīng)具有更高的熱分解溫度

6.3.1熱風(fēng)焊料整平（HASL）HASL所遇到的挑戰(zhàn)806.3.2化學(xué)鍍鎳/金（ENIG）由于化學(xué)鍍Ni/Au的鍍層厚度均勻，平（共）面性好，表面金層是優(yōu)良的耐腐蝕性、耐磨性和可搭接（線）焊（WB）性，因而廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話、電腦等領(lǐng)域⑴化學(xué)鍍鎳化學(xué)鍍鎳是在酸性（也可在堿性）的次磷酸鹽（還原劑）溶液中實(shí)現(xiàn)的。

①化學(xué)鍍鎳層的厚度為3～5μm，并作為阻擋層而加入的，目的是用于阻止銅/金界面之間互相擴(kuò)散，保證焊（接）接點(diǎn)和產(chǎn)品使用的可靠性。

②

化學(xué)鍍鎳層，實(shí)際上是在Cu表面沉積著Ni-P呈層狀的無定形結(jié)構(gòu)層。Ni-P中的磷含量應(yīng)控制在7～11%之間。磷含量太少時(shí)，形成顆粒狀結(jié)構(gòu)，易于被腐蝕與氧化，磷含量過多時(shí)，會(huì)使Ni-P層產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力過大而產(chǎn)生脆裂，這些現(xiàn)象都會(huì)引起黑斑等③化學(xué)鍍鎳的鍍液的維護(hù)極為重要。化學(xué)鍍鎳的質(zhì)量，不僅與鍍液的組成、工藝操作參數(shù)有關(guān)，而且與鍍液使用周期有關(guān)，所以化學(xué)鍍鎳溶液的管理與維護(hù)是較困難的。6.3.2化學(xué)鍍鎳/金（ENIG）81⑵化學(xué)鍍金目前有三種類型鍍金的要求與應(yīng)用場(chǎng)合：插頭（金手指）鍍金。由于是反復(fù)使用插拔，金層不僅要求耐磨，而且要求有較高的厚度（目前規(guī)定應(yīng)大于0.5μm，而過去要求≥2μm）。焊接用鍍金。由于焊接的實(shí)質(zhì)是在鎳表面進(jìn)行，金層是為了保護(hù)新鮮鎳表面（不被氧化）的，在保證鎳表面不氧化條件下，金層應(yīng)越薄越好。這不僅可降低成本問題，更重要的是保證焊點(diǎn)可靠性問題。金屬絲（WB）焊（搭）接用鍍金。由于金屬絲是直接焊接在金層上的。因此，要求有較厚的金層，一般金層厚度應(yīng)在0.5μm左右。

⑵化學(xué)鍍金目前有三種類型鍍金的要求與應(yīng)用場(chǎng)合：82⑶化學(xué)鍍鎳/金主要缺陷①黑點(diǎn)、黑（褐色）斑缺陷：主要是由于銅面處理、鎳層太薄、缺鎳鍍、缺金鍍或金層氣孔率以及Ni原電池反應(yīng)或Ni腐蝕等造成的。②淺白或顏色不一：主要是由于鎳鍍層薄或鎳鍍層厚度不同而引起的③在焊接時(shí)，于鎳表面上首先形成Ni3Sn4平整針狀表面形態(tài)。這層化合物能夠降低焊料與Ni-P層之間的反應(yīng)，成為很好的阻擋層。但熔融的錫易于通過NiSn的空隙進(jìn)入到Ni3Sn4的界面，形成Ni3SnP的IMC，引起Ni3Sn4破裂，造成可焊性問題。④高溫（80℃以上化學(xué)鍍鎳）操作，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)（30min≒5μm），高溫也對(duì)阻焊劑（膜）尺寸穩(wěn)定性不利。⑤鎳鍍液壽命短。一般在7MTO后，必須重新開缸。采用冷卻或化學(xué)沉淀亞磷酸鹽方法，可以延長(zhǎng)鎳鍍液的使用壽命。⑶化學(xué)鍍鎳/金主要缺陷①黑點(diǎn)、黑（褐色）斑缺陷：主要是836.3.3化學(xué)鍍錫

由于所有焊料是以錫為主體，所以錫鍍層能與任何類型焊料相兼容，因而，化學(xué)鍍錫可能是PCB表面涂（鍍）覆技術(shù)最有發(fā)展前途的方法?；瘜W(xué)鍍錫厚度為0.8～1.2μm之間，常規(guī)鍍錫會(huì)出現(xiàn)如下問題：

（一）經(jīng)不起多次焊接，因?yàn)楹鼙″a層在一次焊接溫度下就形成Cu3Sn2的IMC化合物而變成不可焊表面；（二）在合適條件下會(huì)產(chǎn)生錫須，威脅可靠性；（三）鍍液易攻擊阻焊膜，使阻焊膜溶解變色，并易對(duì)銅層產(chǎn)生側(cè)蝕；（四）操作溫度高（≥60℃），時(shí)間長(zhǎng)，1μm厚度需要10min。6.3.3化學(xué)鍍錫由于所有焊料是以錫為主體，所以錫鍍層846.3.4化學(xué)鍍銀目前無鉛化焊料的最佳選擇是含銀的SAC305體系，因此化學(xué)鍍銀便得到了快速的發(fā)展?；瘜W(xué)鍍銀是在PCB在制板連接盤表面Cu被Ag—離子置換而沉積上Ag層的。從理論上講，置換反應(yīng)形成的銀層應(yīng)是一個(gè)Ag原子的厚度，但是，由于連接盤Cu表面是經(jīng)過微蝕刻處理而形成粗糙的Cu表面，使沉積的Ag層呈多孔性結(jié)構(gòu)，其結(jié)果導(dǎo)致置換反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，使Ag的沉積厚度持續(xù)增加，一般控制Ag沉積厚度在0.15～0.50μm之間，主要取決于Cu表面的粗糙度。為了防止Ag鍍層腐蝕和銀遷移問題，在化學(xué)鍍銀溶液中要加入特制的有機(jī)添加劑6.3.4化學(xué)鍍銀85表9酸性化學(xué)鍍銀與堿性化學(xué)鍍銀主要特性比較特性酸性化學(xué)鍍銀堿性化學(xué)鍍銀沉銀鍍液非絡(luò)合物形式存在，含緩蝕劑、滲透劑，有機(jī)物多。絡(luò)合物形式存在，不含緩蝕劑、滲透劑，有機(jī)物少。對(duì)Cu有明顯腐蝕性（有硝酸成分）沒有腐蝕性對(duì)阻焊膜沒有“攻擊”性PH≤9，穩(wěn)定，對(duì)硫化物、鹵化物很敏感，容變色敏感低，變色慢銀鍍層含有機(jī)物多，焊接易起泡純Ag層，可多次焊接各種可靠性試驗(yàn)一