線路板裝配中的無鉛工藝應(yīng)用原則

線路板裝配中的無鉛工藝應(yīng)用原則電子裝配對無鉛焊料的基本要求無鉛焊接裝配的基本工藝包括：a.無鉛PCB制造工藝；b.在焊錫膏中運用的96.5Sn/3.5Ag和95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu共晶和近似共晶合金系統(tǒng)；c.用于波峰焊運用的99.3Sn/0.7Cu共晶合金系統(tǒng)；d.用于手工焊接的99.3Sn/0.7Cu合金系統(tǒng)。雖然這些都是可行工藝，但詳細實施起來還存在幾個大效果，如原料本錢依然高于規(guī)范Sn/Pb工藝、對濕潤度的限制有所添加、要求在波峰焊工藝中堅持惰性空氣形狀(要有足量氮氣)以及能夠?qū)⒒亓骱笢囟壬綐O限溫度范圍(235～245℃之間)而提高了對各種元件的熱性要求等等。就無鉛替代物而言，如今并沒有一套取得普遍認可的規(guī)范，經(jīng)過與該范圍眾多專業(yè)人士的屢次討論，我們得出下面一些技術(shù)和運用要求：金屬價錢許多裝配廠商都要求無鉛合金的價錢不能高于63Sn/37Pb，但不幸的是現(xiàn)有的一切無鉛替代物本錢都比63Sn/37Pb高出至少35%以上。在選擇無鉛焊條和焊錫絲時，金屬本錢是其中最重要的要素；而在制造焊錫膏時，由于技術(shù)本錢在總體制形本錢中所占比例相對較高，所以對金屬的價錢還不那么敏感。熔點大少數(shù)裝配廠家(不是一切)都要求固相溫度最小為150℃，以便滿足電子設(shè)備的任務(wù)溫度要求,最高液相溫度那么視詳細運用而定。波峰焊用焊條：為了成功實施波峰焊，液相溫度應(yīng)低于爐溫260℃。手工/機器焊接用焊錫絲：液相溫度應(yīng)低于烙鐵頭任務(wù)溫度345℃。焊錫膏：液相溫度應(yīng)低于回流焊溫度250℃。對現(xiàn)有許多回流焊爐而言，該溫度是適用溫度的極限值。許多工程師要求最高回流焊溫度應(yīng)低于225～230℃，但是如今沒有一種可行的方案來滿足這種要求。人們普遍以為合金回流焊溫度越接近220℃效果越好，能防止出現(xiàn)較高回流焊溫度是最理想不過的，由于這樣能使元件的受損水平降到最低，最大限制減小對特殊元件的要求，同時還能將電路板變色和發(fā)作翹曲的水平降到最低，并防止焊盤和導(dǎo)線過度氧化。導(dǎo)電性好這是電子銜接的基本要求。導(dǎo)熱性好為了能分發(fā)熱能，合金必需具有快速傳熱才干。較小固液共存溫度范圍非共晶合金會在介于液相溫度和固相溫度之間的某一溫度范圍內(nèi)凝結(jié)，大少數(shù)冶金專家建議將此溫度范圍控制在10℃以內(nèi)，以便構(gòu)成良好的焊點，增加缺陷。假設(shè)合金凝結(jié)溫度范圍較寬，那么有能夠會發(fā)作焊點開裂，使設(shè)備過早損壞。低毒性合金及其成分必需無毒，所以此項要求將鎘、鉈和汞掃除在思索范圍之外；有些人也要求不能采用有毒物質(zhì)所提煉的副產(chǎn)品，因此又將鉍掃除在外，由于鉍主要來源于鉛提煉的副產(chǎn)品。具有良好的可焊性在現(xiàn)有設(shè)備和免清洗型助焊劑條件下該合金應(yīng)具有充沛的潤濕度，可以與慣例免清洗焊劑一同運用。由于對波峰停止惰性處置的本錢不太高，因此可以接受波峰焊加惰性環(huán)境的運用條件要求；但就SMT回流焊而言，合金最好要具有在空氣下停止回流焊的才干，由于對回流焊爐停止惰性處置本錢較高。良好的物理特性(強度、拉伸度、疲勞度等)合金必需可以提供63Sn/37Pb所能到達的機械強度和牢靠性，而且不會在通孔器件上出現(xiàn)突起的角焊縫(特別是對固液共存溫度范圍較大的合金)。消費可重復(fù)性/熔點分歧性電子裝配工藝是一種大批量制造工藝，要求其重復(fù)性和分歧性都堅持較高的水平，假設(shè)某些合金的成分不能在大批量條件下重復(fù)制造，或許其熔點在批量消費時由于成分變化而發(fā)作較大變化，便不能給予思索。3種以上成分構(gòu)成的合金往往會發(fā)作分別或成分變化，使得熔點不能堅持動搖，合金的復(fù)雜水平越高，其發(fā)作變化的能夠性就越大。焊點外觀焊點的外觀應(yīng)與錫/鉛焊料接近，雖然這并非技術(shù)性要求，但卻是接受和實施替代方案的實踐需求。供貨才干當(dāng)試圖為業(yè)界找出某種處置方案時，一定要思索資料能否有充足的供貨才干。從技術(shù)的角度而言，銦是一種相當(dāng)特別的資料，但是假設(shè)思索全球范圍內(nèi)銦的供貨才干，人們很快就會將它徹底掃除在思索范圍之外。另外業(yè)界能夠更喜愛規(guī)范合金系統(tǒng)而不愿選公用系統(tǒng)，規(guī)范合金的獲取渠道比擬寬，這樣價錢會比擬有競爭性，而公用合金的供應(yīng)渠道那么能夠遭到限制，因此資料價錢會大幅提高。與鉛的兼容性由于短期之內(nèi)不會立刻片面轉(zhuǎn)型為無鉛系統(tǒng)，所以鉛能夠仍會用在某些元件的端子或印刷電路板焊盤上。有些含鉛合金熔點十分低，會降低銜接的強度，如某種鉍/錫/鉛合金的熔點只要96℃，使得焊接強度大為降低。金屬及合金選擇在各種候選無鉛合金中，錫(Sn)都被用作基底金屬，由于它本錢很低，貨源充足，并具有理想的物理特性，如導(dǎo)電/導(dǎo)熱性和潤濕性，同時它也是63Sn/37Pb合金的基底金屬。通常與錫配合運用的其它金屬包括銀(Ag)、銦(In)、鋅(Zn)、銻(Sb)、銅(Cu)以及鉍(Bi)。之所以選擇這些資料是由于它們與錫組成合金時普通會降低熔點，失掉理想的機械、電氣和熱功用。表1列出了各種金屬的本錢、密度、年消費才干和供貨方面的狀況，另內(nèi)在調(diào)查資料的供貨才干時，將用量要素加在一同作綜合思索得出的結(jié)果會愈加明晰，例如如今電子業(yè)界每年63Sn/37Pb的消耗量在4.5萬噸左右，其中北美地域用量約為1.6萬噸，此時只需北美有3%的裝配工廠采用含銦20%的錫/銦無鉛合金，其銦消耗量就將超越該金屬的全球消費才干。近5年來業(yè)界推出了一系列合金成分建議，幷且對這些無鉛替代方案停止了評價。備選方案總數(shù)超越75個，但是主要方案那么可以歸結(jié)為不到15個。面對一切候選合金，我們采用一些技術(shù)規(guī)范將選擇縮到一個較小的范圍內(nèi)便于停止挑選。銦銦能夠是降低錫合金熔點的最有效成分，同時它還具有十分良好的物理和潤濕性質(zhì)，但是銦十分稀有，因此大規(guī)模運用太過昂貴。基于這些緣由，含銦合金將被掃除在進一步思索范圍之外。雖然銦合金能夠在某些特定場所是一個比擬好的選擇，但就整個業(yè)界范圍而言那么不太適宜，另外差分掃描熱量測定也顯示77.2Sn/20In/2.8Ag合金的熔點很低，只要114℃，所以也不太適宜某些運用。鋅鋅十分廉價，簡直與鉛的價錢相反，并且隨時可以失掉，同時它在降低錫合金的熔點方面也具有十分高的效率。就鋅而言，其主要缺陷在于它會與氧氣迅速發(fā)作反響，構(gòu)成動搖的氧化物，在波峰焊進程中，這種反響的結(jié)果是發(fā)生少量錫渣，而更嚴重的是所構(gòu)成的動搖氧化物將招致潤濕性變得十分差。也許經(jīng)過惰性化或特種焊劑配方可以克制這些技術(shù)阻礙，但如古人們要求在更大的工藝范圍內(nèi)對含鋅方案停止論證，因此鋅合金在今后思索進程中也會被掃除在外。鉍鉍在降低錫合金固相溫度方面作用比擬清楚，但對液相溫度卻沒有這樣的效果，因此能夠會形成較大的固液共存溫度范圍，而凝結(jié)溫度范圍太大將招致焊腳提升。鉍具有十分好的潤濕性質(zhì)和較好的物理性質(zhì)，但鉍的主要效果是錫/鉍合金遇到鉛以后其構(gòu)成的合金熔點會比擬低，而在元件引腳或印刷電路板的焊盤上都會有鉛存在，錫/鉛/鉍的熔點只要96℃，很容易形成焊點斷裂。另外鉍的供貨才干能夠會因鉛產(chǎn)量遭到限制而下降，由于如今鉍主要還是從鉛的副產(chǎn)品中提煉出來，假設(shè)限制運用鉛，那么鉍的產(chǎn)量將會大大增加。雖然我們也能經(jīng)過直接開采獲取鉍，但這樣本錢會比擬高?；谶@些緣由，鉍合金也被掃除在外。四種和五種成分合金由四種或五種金屬構(gòu)成的合金為我們提供了一系列合金成分組合方式，各種能夠性不勝枚舉。與雙金屬合金系統(tǒng)相比，大少數(shù)四或五金屬合金可以大幅降低固相溫度，但對降低液相溫度卻能夠無所作為，由于大局部四或五金屬合金都不是共晶資料，這意味著在不同的溫度下會構(gòu)成不同的金相方式，其結(jié)果就是回流焊溫度不能夠比復(fù)雜雙金屬系統(tǒng)所需的低。另外一個效果是合金成分時常會發(fā)作變化，因此熔點也會變，這在四或五金屬合金中會經(jīng)常遇到。由三種金屬組成的合金很難在焊錫膏內(nèi)的錫粉中完成〝同批〞和〝逐批〞分歧，在四種和五種金屬組成的合金中完成異樣的分歧性其復(fù)雜和困難水平更大。所以多元合金將被掃除在進一步思索范圍之外，除非某種多元合金成分具有比二元系統(tǒng)更好的特性。但就目前來看，業(yè)界還沒有找到哪種四或五金屬合金比二元或三元替代方案更好(無論在本錢上還是功用上)。表2列出一些主要無鉛替代方案，以及最終選用或不選用的緣由，表中包括了單位重量價錢、單位體積價錢(對焊錫膏而言單位體積價錢更具本錢意義)以及熔點等信息，這些合金依照其液相溫度遞增順序陳列。現(xiàn)依據(jù)每種焊接運用的特殊要求區(qū)分選出適宜的合金。先思索焊條(波峰焊)和焊線(手工和機器焊接)。對波峰焊用焊條的要求包括：a.能在最高260℃錫爐溫度下停止延續(xù)焊接；b.焊接缺陷(漏焊、橋接等)少；c.本錢盡能夠低；d.不會發(fā)生過多焊渣。結(jié)果一切選中的合金都契合波峰焊要求，但99.3Sn/0.7Cu和95Sn/5Sb合金與其它替代方案相比可以節(jié)省更多本錢。比擬而言，99.3Sn/0.7Cu的液相溫度比Sn/Sb合金低13℃，因此99.3Sn/0.7Cu成為波峰焊最正確候選方案。手工焊用錫線的要求與下面焊條運用十分相似，本錢思索依然居于優(yōu)先位置，同時也要求可以提供較好的潤濕和焊接才干。焊線用合金必需可以很容易地拉成絲線，而且能用345～370℃的烙鐵頭停止焊接，99.3Sn/0.7Cu合金可以滿足這些要求。與焊條和焊線相比，焊錫膏較少思索合金本錢，由于金屬本錢在運用焊錫膏的制造流程總本錢中所占比重較少，選擇焊錫膏合金的主要要求是盡量降低回流焊溫度。調(diào)查表中所列合金，可以發(fā)現(xiàn)液相溫度最低的是95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu(熔點217～218℃)和96.5Sn/3.5Ag(熔點221℃)。這兩種合金都是較為適宜的選擇并各具特點，相比之下Sn/Ag/Cu合金的液相溫度更低(雖然只要4℃)，而Sn/Ag合金那么表現(xiàn)出更強的分歧性和可重復(fù)制造性，并已在電子業(yè)界運用多年，不時堅持很好的牢靠性。有些主要跨國公司曾經(jīng)選擇共晶Sn/Ag合金停止評價作為無鉛替代方案，大少數(shù)大型跨國公司也末尾對Sn/Ag/Cu合金作初步初級測試。實測評價結(jié)果波峰焊評測將99.3Sn/0.7Cu合金裝入規(guī)范ElectrovertEconopakPlus波峰焊機停止測試，這種波峰焊機裝備有USI超聲波助焊劑噴涂系統(tǒng)、Vectaheat對流式預(yù)熱和〝A〞波CoN2tour惰性系統(tǒng)。測試在兩種無鉛印刷電路板上停止：帶OSP涂層的裸銅板和采用浸銀拋光的裸銅板(Alpha規(guī)范)，兩種電路板都采用固態(tài)含量2%且不含VOC的免清洗助焊劑(NR300A2)。另外作為對照，將異樣的電路板在相反設(shè)備上采用相反條件停止焊接，只是焊料用傳統(tǒng)63Sn/37Pb合金。經(jīng)過實驗可得出以下結(jié)論：假設(shè)采用99.3Sn/0.7Cu合金，那么有必要對波峰焊機停止惰性處置以確保失掉適當(dāng)?shù)臐櫇穸龋恍枨髮Σǚ搴笝C或風(fēng)道停止完全惰性處置，用CoN2tour公司的邊界惰性焊接系統(tǒng)即已足夠。運用99.3Sn/0.7Cu焊接的電路板外觀與用63Sn/37Pb合金焊接的電路板沒有區(qū)別，焊點的光亮水平、焊點成型、焊盤潤濕和通孔上端上錫狀況也基本一樣。與Sn/Pb合金相比，Sn/Cu合金的橋接現(xiàn)象較少，但由于測試的條件有限，因此對這一點還需求作更進一步的研討。99.3Sn/0.7Cu合金在260℃溫度條件下焊接十分成功，在245℃條件下也沒有效果。采用Sn/Cu合金的幾個星期內(nèi)銅的含量沒有發(fā)作變化，之所以關(guān)注這一效果，是由于銅在錫中的溶解度很低，而且與溫度有很大關(guān)系。在大批量消費中，電路板的銅吸收狀況與用Sn/Pb合金時相反。印制和回流焊評測針對Sn/Ag和Sn/Ag/Cu合金開發(fā)了一種新的助焊劑，以便在更高回流焊溫度下失掉較好的潤濕效果，由于回流焊溫度較高時(比慣例回流焊溫度高20℃)要求助焊劑中的活性劑應(yīng)具有更高的熱動搖性。另外假設(shè)在空氣中任務(wù)，回流焊溫度較高還能夠使普通免清洗助焊劑變色，所以這種助焊劑對高溫要有很強的接受才干。在95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金中運用UP系列焊錫膏時，即使空氣溫度到達240℃，它也不會變?yōu)樽厣蜱晟?。UP系列焊錫膏在印刷測試中表現(xiàn)十分好，測試時采用的是MPMUP2000印刷機，印刷條件包括6mil厚激光切割網(wǎng)板、印刷速度25mm/秒、網(wǎng)板啟齒間距16～50mil以及接觸式印刷，焊膏印出的輪廓十分明晰且表現(xiàn)出良好的脫模功用。另外這種焊錫膏在中止印刷后(停放超越一小時)再末尾運用時無需停止攪拌，其網(wǎng)板運用壽命在8小時以上，粘性也可堅持8小時。回流焊采用ElectrovertOmniflo七溫區(qū)回焊爐，在空氣環(huán)境下停止焊接?；睾盖€如圖1，從圖中可看出溫度在200秒時間里以近似線性的速率上升到240℃，溫度高于熔點(221℃)的時間為45秒。得出結(jié)論如下：UP系列焊錫膏95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu88-3-M13表現(xiàn)出良好的印刷性。無鉛焊錫膏能提供良好的粘力且能堅持足夠的時間。對測試板而言，95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金所需的240℃最高溫度是可以接受的。回流焊無需氮氣也能取得很好效果。焊點光亮度好，與規(guī)范Sn/Pb合金相反。助焊劑殘留物外觀(顏色及透明度)比采用Sn/Pb合金及普通助焊劑在規(guī)范熱風(fēng)回流焊(峰值溫度220℃，高于183℃的時間為45秒)后的情形好得多。潤濕和分散特性與Sn/Pb規(guī)范合金相反。當(dāng)運用沒有阻焊膜的裸FR-4板子時，過高的回流焊溫度會使線路板出現(xiàn)嚴重變色(變深)，淺綠色阻焊膜會使變色看起來較輕，中/深綠色阻焊膜那么使變色基本上看不出來。有些元件經(jīng)高溫回流焊后會出現(xiàn)變色和氧化跡象，將這種無鉛焊料用于兩面都有外表裝置器件的電路板上時，建議在回流焊后再裝置需作波峰焊接的底面SMD器件，以免過度受熱影響可焊性。用UP系列96.5Sn/3.5Ag合金停止的測試所獲結(jié)果相似，只是回流溫度提高了3～5℃。其它特性選擇一種復(fù)雜普通二元合金的最大益處在于它曾經(jīng)完成了少量測試且已被普遍接受，如96.5Sn/3.5Ag合金已在某些電子范圍運用了很長的時間。95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu現(xiàn)正接受異樣嚴厲的測試，并在一些中央顯示出十分相似的功用和優(yōu)點。福特汽車公司對運用Sn/Ag合金的測試板和實踐電子組件停止了熱循環(huán)實驗(-40℃～140℃)，已完成片面熱疲勞測試研討，另外他們還將無鉛組件用于整車中，測試結(jié)果顯示Sn/Ag合金的牢靠性與Sn/Pb合金相差無幾甚至更好。摩托羅拉公司也曾經(jīng)完成了Sn/Ag和Sn/Pb合金的熱循環(huán)和振動研討，測試說明Sn/Ag合金完全合格，其它OEM廠商在各自的Sn/Ag和Sn/Ag/Cu合金研討中也失掉了相似的結(jié)論。依據(jù)研討結(jié)果，Sn/Ag和Sn/Pb在導(dǎo)電性、外表張力、導(dǎo)熱性和熱收縮系數(shù)等各方面所取得結(jié)果大致相當(dāng)(見表3)。本文結(jié)論經(jīng)過上述討論，我們可以失掉一個實踐可行的規(guī)范無鉛焊接工藝，其基本內(nèi)容包括：對焊錫膏運用而言，可將95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu或96.5Sn/3.5Ag合金與UP系列助焊劑配合運用。對波峰焊運用而言，焊錫條可運用99.3Sn/0.7Cu合金。對手工/機器焊接而言，焊錫線可運用99.3Sn/0.7Cu合金。雖然上述方案還未能到達研討無鉛替代方案工程師們所確定的每項目的，但基本上能令人滿意，該方案最大限制在于96.5Sn/3.5Ag合金所要求的回流焊溫度比Sn/Pb合金的要高20～30℃，因此回流焊對元件的要求也有所提高。元器件供應(yīng)商應(yīng)與電子裝配廠親密協(xié)作以處置高溫回流焊帶來的種種效果。隨著新技術(shù)的開展，未來還會有更多更好的替代方案推出，這里討論的系統(tǒng)最大價值在于其它復(fù)雜系統(tǒng)可以依據(jù)它提供的規(guī)范停止參照比擬。在調(diào)查愈加復(fù)雜的系統(tǒng)之前，應(yīng)多問下面一些可以定量回答的效果：焊錫膏1.新的合金系統(tǒng)能否能將回流焊溫度降至與Sn/Ag合金差不多的水平(Sn/Ag合金最低回流焊溫度為240℃，而95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金的最低回流焊溫度那么為235℃)？2.與Sn/Ag或Sn/Ag/Cu合金相比，金屬和焊錫膏的本錢如何？3.合金中各資料有沒有技術(shù)參數(shù)限制？各資料在技術(shù)參數(shù)范圍內(nèi)變化時其固相和液相溫度的變化狀況如何？焊條1.合金的本錢如何？與Sn/Cu合金比擬哪一個更貴？2.合金能否具有Sn/Cu合金所沒有的優(yōu)點？為什么要采用無鉛方案？在議論安康和平安效果時，人們普通思索兩個要素——危害和風(fēng)險。危害是指某物質(zhì)存在毒性以及食入、吸入或吸收后對人體的影響，風(fēng)險更多是指采取正確預(yù)防措施后資料的平安性或許危害發(fā)作的能夠性。鉛是一種有毒物質(zhì)，人體吸收了過量的鉛會惹起鉛中毒，攝入低劑量的鉛那么能夠?qū)θ说闹橇Α⑸窠?jīng)系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)形成影響。在評定鉛的風(fēng)險性時，通常是經(jīng)過調(diào)查飲食或呼吸攝入的能夠性。就電子業(yè)而言，普通正常條件下鉛不會到達使其氣化的溫度，因此這方面的風(fēng)險無法定量測出，只能經(jīng)過監(jiān)測確定。可以采用一些復(fù)雜的預(yù)防措施，包括在保養(yǎng)波峰焊錫爐和清算殘渣時戴下面罩，在有鉛區(qū)域制止抽煙，盡能夠增加在任務(wù)區(qū)攝入鉛的能夠性。另外當(dāng)接觸焊錫膏、焊條、焊線等含鉛物體后，務(wù)必在吃飯、飲水和抽煙之前清洗雙手，徹底消弭攝入鉛的能夠途徑。普通地說，從鉛吸收來源來看食入鉛的風(fēng)險要高于呼吸吸入，所以應(yīng)強調(diào)養(yǎng)成良好衛(wèi)生習(xí)氣的重要性，在含鉛的區(qū)域嚴禁飲食和抽煙以將風(fēng)險降到最低。理想證明