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1、无铅焊接的特点及工艺控制,内容,一无铅工艺与有铅工艺比较二无铅焊接的特点（1）从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点（2）无铅波峰焊特点及对策三无铅焊接对焊接设备的要求四无铅焊接工艺控制（1）无铅PCB设计（2）印刷工艺（3）贴装（4）再流焊（5）波峰焊（6）检测（7）无铅返修五过渡阶段有铅、无铅混用应注意的问题 问题举例及解决措施,一无铅工艺与有铅工艺比较,通过无铅、有铅比较，正确认识无铅技术,（a）无铅工艺技术并不是高不可攀的技术 因为基本原理、工艺方法与有铅技术是相同的。（b）但由于无铅的焊接材料、元器件、PCB都发生了变化，因此工艺参数必须随之改变。主要变化是温度高、工艺窗口小、润湿性差、
2、工艺难度大，容易产生可靠性问题，因此要求比有铅时更加重视理论学习、工艺技术研究、工艺实践，尤其要掌握关键技术：印、焊。（c）进行设备改造或添置必要的焊接设备（d）提高管理水平。,二无铅焊接的特点,高温工艺窗口小润湿性差,1从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点,63Sn37Pb铅锡焊膏再流焊温度曲线,无铅焊接再流焊温度曲线,100200 sec,有铅、无铅再流焊温度曲线比较,从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点及对策,熔点高，要求无铅焊接设备耐高温，抗腐蚀。要求助焊剂耐高温。从温度曲线可以看出：无铅工艺窗口小。无铅焊接的工艺窗口比铅锡焊膏小，要求PCB表面温度更均匀。要求焊接设备横向温度均匀。a 2
3、5110/100200 sec，110150/4070 sec，要求缓慢升温，使整个PCB温度均匀，减小PCB及大小元器件t，因此要求焊接设备升温、预热区长度要加长。,b 150217/5070sec快速升温区（助焊剂浸润区）。有铅焊接从150升到183，升温33，可允许在3060 sec之间完成，其升温速率为0.551/sec；而无铅焊接从150升到217，升温67，只允许在5070sec之间完成，其升温速率为0.961.34/sec，要求升温速率比有铅高30%左右，另外由于无铅比有铅的熔点高34，温度越高升温越困难，如果升温速率提不上去，长时间处在高温下会使焊膏中助焊剂提前结束活化反应，严
4、重时会使PCB焊盘，元件引脚和焊膏中的焊料合金在高温下重新氧化而造成焊接不良，因此要求助焊剂浸润区有更高的升温斜率。,c 回流区峰值温度235与FR-4基材PCB的极限温度（240 0C）差（工艺窗口）仅为5。如果PCB表面温度是均匀的，那么实际工艺允许有5 的误差。假若PCB表面有温度误差t 5，那么PCB某处已超过FR-4基材PCB的极限温度240，会损坏PCB。对于简单的产品，峰值温度235240可以满足要求；但是对于复杂产品，可能需要260才能焊好。因此FR-4基材PCB就不能满足要求了。,在实际回流焊中，如果最小峰值温度为235，最大峰值温度取决于板面的温差t，它取决于板的尺寸、厚度
5、、层数、元件布局、Cu的分布以及元件尺寸和热容量。拥有大而复杂元件（如CBGA、CCGA等）的大、厚印制板，典型t高达2025。为了减小t，满足小的无铅工艺窗口。炉子的热容量也是很重要的因素。要求再流焊炉横向温差2，同时要求有两个回流加热区。,d 由于焊接温度高，为了防止由于焊点冷却凝固时间过长，造成焊点结晶颗粒长大；另外，加速冷却可以防止产生偏析，避免枝状结晶的形成，因此要求焊接设备增加冷却装置，使焊点快速降温。e 由于高温，PCB容易变形，特别是拼板，因此对于大尺寸的PCB需要增加中间支撑。f 为了减小炉子横向温差t，采取措施：带加热器的导轨、选用散热性小的材料、定轨向炉内缩进等技术。,浸
6、润性差,应对措施：改良助焊剂活性修改模板开口设计提高印刷、贴装精度,焊盘暴露铜,（2）无铅波峰焊特点及对策,用于波峰焊的焊料：Sn-Cu或 Sn-Cu-Ni，熔点227。少量的Ni可增加流动性和延伸率，减少残渣量。高可靠的产品可采用Sn/Ag/Cu焊料，但不推荐，因为Ag的成本高，同时也会腐蚀Sn锅。对不锈钢腐蚀率：Sn3Ag0.5Cu Sn0.7Cu Sn0.7Cu0.05Ni对Cu 腐蚀率：Sn3Ag.5Cu Sn37Pb Sn0.7Cu0.05Ni,特别注意：（由于浸析现象）采用Sn3Ag0.5Cu焊料进行波峰焊时对PCB的Cu布线有腐蚀作用，将Cu比例从0.5%提高到0.7%，使焊料中
7、Cu处于饱和状态，可以减轻或避免对Cu布线的腐蚀。,根据所选合金，需要255275炉温，Sn在高温下有溶蚀Sn锅的现象，采用钛合金钢Sn锅、或在锅内壁镀防护层。由于工艺窗口小，要求Sn锅温度均匀，2。由于润湿性差，需要改良助焊剂，并增加一些涂覆量。,由于助焊剂涂覆量多，同时由于水基助焊剂需要充分地将水分挥发掉，另外由于高熔点，为了使PCB内外温度均匀，促进润湿和通孔内的爬升高度，主要措施：预热区要加长，提高PCB预热温度到100130。但提高预热温度会加快氧化；增加中间支撑，预防高温引起 PCB变形。增加冷却装置，使焊点快速降温。但对Sn锅吹风会影响焊接温度，另外降温速度过快容易造成元件开裂（
8、尤其陶瓷电容）。,在预热区末端、两个波之间插入加热元件,在预热区末端与波峰之间插入加热元件，防止PCB降温。两个波之间的距离要短一些，或在第一波与第二波之间插入加热元件，防止由于PCB降温造成焊锡凝固，焊接时间34s；适当提高波峰高度，增加锡波向上的压力。,t,双波峰焊实时温度曲线,在预热区末端、两个波之间插入加热元件,要密切关注Sn-Cu焊料中Cu比例，Cu的成分改变0.2%，液相温度改变多达6。这样的改变可能导致动力学的改变以及焊接质量的改变。过量Cu会在焊料内出现粗化结晶物，造成熔融焊料的黏度增加，影响润湿性和焊点机械强度。Cu比例超过1%，必须换新焊料。由于Cu随工作时间不断增多，因此
9、一般选择低Cu合金，补充焊料时添加纯锡，但很难控制合金的比例。,Sn-Cu焊料中Cu比例0.75wt%为共晶点，此时的Lift-off（焊点剥离）的几率最小，离开0.75wt%越远越容易发生。,无铅波峰焊中的Pb是有害的质，经常监测焊料中Pb的比例，要控制焊点中Pb含量0.05%。插装孔内上锡可能达不到75%（传统Sn/Pb 75%），减慢速度和充N2 可以改善。波峰焊后分层Lift-off（剥离、裂纹）现象较严重。充N2可以减少焊渣的形成，可以不充氮气（N2），但一定要比有铅焊接更注意每天的清理和日常维护。波峰焊接设备需要对波峰焊部件、加热部件和焊剂管理系统进行特殊维护。,选择性波峰焊机是无
10、铅波峰焊的良好选择。,（3）无铅焊点的特点,浸润性差，扩展性差。无铅焊点外观粗糙。传统的检验标准与AOI需要升级。无铅焊点中气孔较多，尤其有铅焊端与无铅焊料混用时，焊端（球）上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘，助焊剂排不出去，造成气孔。但气孔不影响机械强度。缺陷多由于浸润性差，使自定位效应减弱。浸润性差，要求助焊剂活性高。,无铅再流焊焊点,无铅波峰焊焊点,插装孔中焊料填充不充分,热撕裂或收缩孔,无铅焊接常见缺陷,无铅焊点润湿性差要说服客户理解。气孔多 外观粗糙 润湿角大 没有半月形,无铅焊点评判标准,IPC-A-610D（后面专门介绍）,Lead Free Inspection,Lead Free S
11、older PasteGrainy Surface表面粗糙,Leaded Solder PasteSmooth&Shiny Surface表面光滑、光亮,Wetting is Reduced with Lead Free,Standard Eutectic Solder Joint,Lead Free Solder Joint,Typical Good Wetting Visible Fillet润湿好,Reduced WettingNo Visible Fillet润湿减少,三无铅焊接对焊接设备的要求,（1）无铅焊接对再流焊设备的要求（2）无铅焊接对波峰焊设备的要求（3）无铅焊接对返修设备的
12、要求,（1）无铅焊接对再流焊设备的要求,耐350 以上高温，抗腐蚀。设备横向温度均匀，横向温差2，必要时对导轨加热或采用特殊材料的导轨。升温、预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。要求有两个回流加热区或提高加热效率。增加冷却装置，使焊点快速降温。对于大尺寸的PCB需要增加中间支撑。增加助焊剂回收装置，减少对设备和环境的污染。,无铅再流焊设备是否一定要求8温区、10温区？,要对现有设备进行分析，做工艺试验、可靠性分析或认证，只要温度曲线和可靠性满足无铅要求、就可以使用。,对无铅再流焊设备的主要要求：缓慢升温助焊剂活化区快速升温，要求回流区热效率高，能够快速升到回流温度。快速冷却,（2）无铅焊接对
13、波峰焊设备的要求,耐高温，抗腐蚀，采用钛合金钢Sn锅、或在锅内壁镀防护层。并要求Sn锅温度均匀，2。预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。预热区采用热风加热器或通风，有利于水汽挥发。增加中间支撑，预防高温引起 PCB变形。增加冷却装置，使焊点快速降温。充N2可以减少焊渣的形成。增加助焊剂回收装置，减少对设备和环境的污染。,（3）无铅焊接对返修设备的要求,耐高温，抗腐蚀。提高加热效率。增加底部预热面积和预热温度，尽量使PCB温度均匀。增加中间支撑，预防高温引起 PCB变形。,四无铅焊接工艺控制,（1）无铅PCB设计（2）印刷工艺（3）贴装（4）再流焊（5）波峰焊（6）检测（7）关于无铅返修（8）
14、无铅清洗,（1）无铅PCB设计,提倡为环保设计，需要考虑WEEE在选材、制造、使用、回收成本等方面因素，但到目前为止还没有对无铅PCB焊盘设计提出特殊要求，没有标准。有一种说法值得讨论：由于浸润性（铺展性）差，无铅焊盘设计可以比有铅小一些。还有一种说法：无铅焊盘设计应比有铅大一些。业界较一致的看法：（a）为了减小焊接过程中PCB表面t，应仔细考虑散热设计，例如均匀的元器件分布、铜箔分布，优化PCB板的布局。尽量使印制板上t达到最小 值。（b）椭圆形焊盘可减少焊后焊盘露铜现象。,过度阶段BGA、CSP采用“SMD”焊盘设计减少“孔洞”,SMD NSMDSMD(soldermask defined
15、)NSMD non-soldermask defined）,有利于排气,不有利于排气,（c）BGA、CSP 采用SMD焊盘设计有利于排气。（d）过度时期双面焊（A面再流焊，B面波峰焊）时，A面的大元件也可采用SMD焊盘设计，可减轻焊点剥离现象。（e）为了减少气孔，BGA、CSP 焊盘上的过孔应采用盲孔技术，并要求与焊盘表面齐平。,（2）印刷工艺,无铅焊膏的选择、评估、与管理模板设计印刷工艺参数,无铅焊膏的选择、评估、与管理,（a）无铅焊膏与有铅焊膏一样，生产厂家、规格很多。即便是同一厂家，也有合金成分、颗粒度、黏度、免清洗、溶剂清洗、水清洗等方面的差别。主要根据电子产品来选择。例如尽量选择与元
16、件焊端一致的合金成分。（b）应多选择几家公司的焊膏做工艺试验，对印刷性、脱膜性、触变性、粘结性、润湿性以及焊点缺陷、残留物等做比较和评估，有条件的企业可对焊膏进行认证和测试。有高品质要求的产品必须对焊点做可靠性认证。（c）由于润湿性差，因此无铅焊膏的管理比有铅更加严格。,模板设计应考虑的因素（无铅焊膏和有铅焊膏在物理特性上的区别）,无铅焊膏的浸润性远远低于有铅 焊膏；无铅焊膏的助焊剂含量通常要高于有铅焊膏，铅合金的比重较低；由于缺少铅的润滑作用，焊膏印刷时填充性和脱膜性较差。,无铅模板开口设计,开口设计比有铅大，焊膏尽可能完全覆盖焊盘 对于Pitch0.5mm的器件 一般采取1:1.02 1:
17、1.1的开口，并且适当增大模板厚度。对于Pitch0.5mm的器件 通常采用1:1开口，原则上至少不用缩小 对于0402的器件 通常采用1:1开口，为防止元件底部锡丝、墓碑、回流时旋转等现象，可将焊盘开口内侧修改成弓形或圆弧形；,无铅模板宽厚比和面积比,由于无铅焊膏填充和脱膜能力较差，对模板开口孔壁光滑度和宽厚比/面积比要求更高，无铅要求：宽厚比1.6，面积比0.71,T,L,W,开口宽度(W)/模板厚度(T)1.5 开口面积(WL)/孔壁面积2(L+W)T 0.66（IPC7525标准）,无铅模板制造方法的选择,0201等高密度的元器件采用激光+电抛光、或电铸更有利于提高无铅焊膏填充和脱膜能
18、力。,印刷工艺参数,（a）一般情况下，印刷工艺不会受到太大的影响。（b）因为无铅的低浸润力问题。回流时自校正（Self-align）作用非常小，因此印刷精度比有铅时要求更高。（c）无铅焊膏的助焊剂含量高于有铅焊膏，合金的比重较低，印刷后焊膏图形容易坍塌；另外由于无铅焊剂配方的改变，焊膏的粘性和流变性、化学稳定性、挥发性等也会改变。因此有时需要调整印刷工艺参数。特别对于大尺寸PCB、开口尺寸大小悬殊大、以及高密度的产品，有可能需要重新设置印刷参数。（d）由于粘性和流变性变化，每次印刷后会有些无铅焊膏粘附在刮刀上，因此印刷周期可能需要放慢。,（3）贴装工艺,（a）一般情况下，贴装工艺也不会受到太大
19、的影响。（b）因为无铅的低浸润力问题。回流时自校正（Self-align）作用非常小，因此，贴片精度比有铅时要求更高。精确编程、控制Z轴高度、采用无接触拾取可减小震动等措施。（c）由于无铅焊膏粘性和流变性的变化，贴装过程中要注意焊膏能否保持粘着性，从贴装、直到进炉前能否保持元件位置不发生改变。,（4）无铅回流焊接技术,无铅焊料高熔点、润湿性差给回流焊带来了焊接温度高、工艺窗口小的工艺难题，使回流焊容易产生虚焊、气孔、立碑等缺陷，还容易引起损坏元器件、PCB等可靠性问题。,如何设置最佳的温度曲线，既保证焊点质量，又保证不损坏元器件和PCB，就是无铅回流焊接技术要解决的根本的问题,无铅再流焊的特点
20、及对策,设置再流焊温度曲线的依据与有铅工艺相同。,正确设置和调整无铅回流焊温度曲线,设置再流焊温度曲线的依据：,a 不同金属含量的焊膏有不同的温度曲线，应按照焊膏加工厂提供的温度曲线进行设置（主要控制各温区的升温速率、峰值温度和回流时间）。b 根据PCB板的材料、厚度、是否多层板、尺寸大小。c 根据表面组装板搭载元器件的密度、元器件的大小以及有无BGA、CSP等特殊元器件进行设置。,d 还要根据设备的具体情况，例如加热区长度、加热源材料、再流焊炉构造和热传导方式等因素进行设置。热风炉和红外炉有很大区别，红外炉主要是辐射传导，其优点是热效率高，温度陡度大，易控制温度曲线，双面焊时PCB上、下温度
21、易控制。其缺点是温度不均匀。在同一块PCB上由于器件的颜色和大小不同、其温度就不同。为了使深颜色器件周围的焊点和大体积元器件达到焊接温度，必须提高焊接温度。热风炉主要是对流传导。其优点是温度均匀、焊接质量好。缺点是PCB上、下温差以及沿焊接炉长度方向温度梯度不易控制。,e 还要根据温度传感器的实际位置来确定各温区的设置温度。f 还要根据排风量的大小进行设置。g 环境温度对炉温也有影响，特别是加热温区短、炉体宽度窄的再流焊炉，在炉子进出口处要避免对流风。,三角形回流温度曲线,对于PCB相对容易加热、元件与板材料有彼此接近温度、PCB表面温差t较小的产品可以使用三角形温度曲线。,当锡膏有适当配方，
22、三角形温度曲线将得到更光亮的焊点。但助焊剂活化时间和温度必须符合无铅温度曲线的较高温度。三角形曲线的升温速度是整体控制的，与传统的升温-保温-峰值曲线比较，能量成本较低。,（a）简单的产品的无铅回流焊温度曲线,（b）推荐的升温-保温-峰值温度曲线,通过缓慢升温，充分预热PCB，降低PCB表面温差t，使 PCB表面温度均匀，从而实现较低的峰值温度（235 2450C），避免损坏元器件和FR-4基材PCB。,峰值温度235245可以满足要求,升温-保温-峰值温度曲线,升温-保温-峰值温度曲线的要求,升温速度应限制到0.510C/秒或40C/秒以下，取决于锡膏锡膏中助焊剂成分配方应该符合曲线，保温温
23、度过高会损坏锡膏的性能；在氧化特别严重的峰值区助焊剂必须保持足够的活性。第二个温度上升斜率在峰值区入口，典型的斜率为30C/秒液相线以上时间的要求5060秒,峰值温度2352450C。冷却区，为了防止焊点结晶颗粒长大，防止产生偏析，要求焊点快速降温，但还应特别注意减小应力。例如，陶瓷片状电容的最大冷却速度为-2-40C/秒。因此，要求有一个受控的冷却过程。,如果温度曲线控制不当，可能造成材料中的应力过大,（c）低峰值温度曲线,由于小元件比大元件、散热片的升温速度快，为了满足所有元件液相线以上时间的要求，采用升温-保温-峰值温度曲线。保温的目的是要减小T。大元件等大热容量位置一般都滞后小元件到达
24、峰值温度，可采取保持低峰值温度，较宽峰值时间，让小元件等一等大元件，然后再降温的措施。以防损坏元器件。,低峰值温度(230240C)曲线（接近Sn63/Pb37）,230240C,小元件 大元件*低峰值温度损坏器件风险小，能耗少；*但对PCB的布局、热设计、回流焊接工艺曲线的调整、工艺控制、以及对设备横向温度均匀性等要求比较高；*对于复杂产品，可能需要260。,（d）对于复杂产品，可能需要260才能焊好。因此FR-4基材PCB就不能满足要求了。,无铅回流焊工艺控制,由于工艺窗口变小了，因此更要严格控制温度曲线,再流焊工艺过程控制,（a）设备控制不等于过程控制再流焊炉中装有温度（PT）传感器来控
25、制炉温。例如将加热器的温度设置为230，当PT传感器探测出温度高于或低于设置温度时，就会通过炉温控制器（可控硅继电器）停止或继续加热（新的技术是控制加热速度和时间）。然而，这并不是实际的工艺控制信息。由于PCB的质量、层数、组装密度、进入炉内的PCB数量、传送速度、气流等的不同，进入炉子的PCB的温度曲线也是不同的，因此，再流焊工序的过程控制不只是监控机器的控制数据，而是对制造的每块PCB的温度曲线进行监控。否则它就只是机器控制，算不上真正的工艺过程控制。,必须监控实时温度曲线,（b）必须对工艺进行优化设置最佳温度曲线,再流焊温度曲线优化依据：焊膏供应商提供的温度曲线 元件能承受的最高温度及其
26、它要求。PCB材料能承受的最高温度，PCB的质量、层数、组装密度以及铜的分布等情况。在实施过程控制之前，必须了解再流焊的焊接机理，具有明确的技术规范。,再流焊技术规范一般包括：最高的升温速率、预热温度和时间、焊剂活化温度和时间、熔点以上的时间及峰值温度和时间、冷却速率。,Sn-Ag3.0-Cu0.5 焊料再流焊技术规范,（c）再流焊炉的参数设置必须以工艺控制为中心,根据再流焊技术规范对再流焊炉进行参数设置（包括各温区的温度设置、传送速度、风量等），但这些一般的参数设置对于许多产品的焊接要求是远远不够的。例如较复杂的印制板要使最大和最小元件都能达到0.54m界面合金层厚度，当PCB进炉的数量发生
27、变化时、当环境温度或排风量发生变化时、当电源电压和风机转速发生波动时，都可能不同程度的影响每个焊点的实际温度。因此如果产生的实时温度曲线接接近于上限值或下限值，这种工艺过程就不稳定。由于工艺过程是动态的，即使出现很小的工艺偏移，也可能会发生不符合技术规范的现象。由此可见，再流焊炉的参数设置必须以工艺控制为中心，避开技术规范极限值。这种经过优化的设备设置可容纳更多的变量，同时不会产生不符合技术规范的问题。,（d）必须正确测试再流焊实时温度曲线确保测试数据的精确性,需要考虑以下因素：热电偶本身必须是有效的：定期检查和校验必须正确选择测试点：能如实反映PCB高、中、低温度热电偶接点正确的固定方法并必
28、须牢固还要考虑热电偶的精度、测温的延迟现象等因素,最简单的验证方法：1、将多条热电偶用不同方法固定在同一个焊盘上进行比较2、将热电偶交换并重新测试,（e）通过监控工艺变量，预防缺陷的产生,当工艺开始偏移失控时，工程技术人员可以根据实时数据、进行分析、判断（是热电偶本身的问题、接点固定的问题、还是炉子温度失控、传送速度、风量发生变化），然后根据判断结果进行处理。通过快速调整工艺的最佳过程控制，预防缺陷的产生。目前能够连续监控再流焊炉温度曲线的软件和设备也越来越流行。,现代检测设备软件技术的先进性例如AOI设备,（1）AOI设备产生两种类型的过程控制信息 定量的信息，如元件偏移的测量等 定性信息，
29、可通过直接报告缺陷信息来决定全部装配过程的品质。该信息可用于决定制造过程的系统缺陷。（2）AOI具有强大的统计功能 能够直接统计出ppm数据（3）AOI能够直接生成控制图,AOI能够直接生成控制图当绘出的点超出预设的极限，操作员可以纠正缺陷,选择一个控制图作为主监视图这个图经常在检查设备或返工站显示,操作员可以选择一个点来作进一步的调查，并且可产生一个更详细的缺陷分类图,左图是一个总结Pareto图分类的缺陷的报告。该图告诉过程工程师什么类型的缺陷正在出现。在本例中，最重要的缺陷是桥接，它占了缺陷的42%。线性图显示与Pareto条形图有联系的缺陷的累积百分率。它表明最多的三种缺陷占产品上发生
30、的错误的75%。如果这些缺陷被消除，那么可得到重大的过程改进。,再进一步深究这数据，可以确定焊锡短路的位置。,左图显示焊锡短路缺陷发生在哪里。通过逐个位置的检查特殊缺陷的发生，工程师可更好地分析缺陷的根源。在本例中，最多缺陷的位置造成锡桥总数量的15%。由于这个至关重要，缺陷的根源将要求进一步的调查。,AOI的放置位置,主要有三个放置位置：（1）锡膏印刷之后（2）回流焊前（3）回流焊后多品种、小批量生产时可以不连线。,（1）AOI置于锡膏印刷之后,可检查：焊膏量不足。焊膏量过多。焊膏图形对焊盘的重合不良。焊膏图形之间的粘连。PCB焊盘以外处的焊膏污染,（2）AOI置于回流焊前,可检查：是否缺件
31、元件是否贴错极性方向是否正确有无翻面和侧立元件位置的偏移量焊膏压入量的多少。,（3）AOI置于回流焊后,可检查：是否缺件元件是否贴错极性方向是否正确有无翻面、侧立和立碑元件位置的偏移量焊点质量：锡量过多、过少（缺锡）、焊点错位焊点桥接,（5）无铅波峰焊特点及及对策,无铅波峰焊温度曲线,（6）无铅检测,检测设备、工具、方法、以及检测项目与有铅工艺相同。检测标准：IPC-A-610D（下面专门介绍）AOI的检测软件需要升级。对检测人员进行培训。,（7）关于无铅返修和手工焊,无铅返修相当困难，主要原因：无铅焊料合金润湿性差。温度高(熔点从183 上升到 217)（简单PCB235，复杂PCB260）
32、（由于手工焊接暴露在空气中焊接，散热快，因此无铅焊接烙铁头温度需要在280360 左右）工艺窗口小。造成PCB和元件损坏的最高温度没有变化(290),无铅返修注意事项,选择适当的返修设备和工具正确使用返修设备和工具正确选择焊膏、焊剂、焊锡丝等材料正确设置焊接参数(温度曲线)适应无铅焊料的高熔点和低润湿性。同时返修过程中一定要小心，将任何潜在的对元件和PCB的可靠性产生不利影响的因素降至最低。,返修温度曲线,理想的手工锡焊温度 时间曲线:（Sn-Pb）,尽量缩短加热过程时间,温度(),0 2 4 6 8(时间sec),有铅和无铅手工锡焊实时温度 时间曲线比较:,sec,造成PCB和元件损坏的最高
33、温度没有变化(290 C),无铅工艺窗口小,Sn-Pb,Sn-Ag-Cu,焊接五步法,1.准备焊接：清洁烙铁2.加热焊件：烙铁头放在被焊金属的连接点3.熔锡润湿：添加锡丝，锡丝放在烙铁头处4.撤离焊锡：撤离锡丝5.停止加热：撤离烙铁（每个焊点焊接时间23s）,手工焊接中的错误操作,1.过大的压力：对热传导未有任何帮助（氧化的烙铁），凹痕、焊盘翘起。2.错误的烙铁头尺寸：接触面积、热容量、形状长度。3.过高的温度和过长时间。4.锡丝放置位置不正确，不能形成热桥。焊料的传输不能有效传递热量。5.不合适的使用助焊剂。6.其他：剪腿、元件不平、导线之间的连接、热缩管。,无铅手工焊接的要点,无铅手工焊接
34、的要点（1）选择加热效率高的烙铁，使迅速达到熔化温度,选择专用烙铁。如果采用普通烙铁，烙铁的瓦数比有铅提高一倍左右。烙铁头前端的形狀和尺寸要有利于热传导。烙铁头长度要适当短一些。,烙铁头的选择,无铅手工焊接的要点（2）焊锡丝的线径不要太粗,焊锡丝的线径越粗，烙铁的热量越容易被夺取。,无铅手工焊接的要点（3）烙铁头的接触方法有利于热传导,无铅手工焊接的要点（4）烙铁头前端必须保持清洁,烙铁头前端因助焊剂污染，易引起焦黑残渣，妨碍烙铁头前端的热传导。最好每个焊点焊接前都要对烙铁头进行清洁。每天早上用清洁剂将海绵清洗干净，沾在海棉上的焊锡附着在烙铁头上，会导致助焊剂不足，同时海棉上的残渣也会造成二次
35、污染烙铁头。,无铅手工焊接的要点（5）焊锡丝、助焊剂材料必须与原始工艺相同,（8）无铅清洗,无铅组装工艺过程后的焊剂残余是可以清洗的。但由于高熔点，增加了清洗难度。,无铅清洗对策,需要增加压力、清洗时间，必要时增加清洗剂浓度。,五.过渡阶段有铅、无铅混用应注意的问题,1.目前国内无铅进展情况大致如下:,只有极少数独资、合资企业完全实现了无铅；大约有1/3企业有了不同程度和规模的无铅（个别产品或12条生产线）；有的正处在实验室做试验，准备上无铅；大部分国企还在观望或正在考虑；还有些军工口单位在等待政策，等待豁免,2.目前无铅焊接技术处于过渡和起步阶段,虽然国际国内都在不同程度的应用无铅技术，但目
36、前还处于过渡和起步阶段，从理论到应用都还不成熟。主要表现在以下几方面：理论认识不成熟 传统Sn/Pb焊料已经应用了近一个世纪、研究了五十多年，而无铅只有十余年。对无铅焊接机理研究、对不同无铅焊料合金与不同被焊接金属表面（包括元器件端头和PCB焊盘）焊接后形成的界面合金层的结构等认识还不成熟。,没有统一的标准 对无铅焊接的材料、工艺、设备、焊点检验标准等方面都没有统一的认识和标准。美国IPC没有标准（04年11月推出IPC A-610D草案）。日本只有企业标准，也没有国家标准。对无铅焊接的焊点可靠性还没有统一的认识 对无铅焊接的焊点以及焊接界面合金层的结合强度研究还没有研究清楚。,举例：,a 对
37、实施无铅及其制造技术认识不一致，各种各样的说法：二元合金比三元合金更“稳定”；三元合金比四元合金更“稳定”；不同的无铅合金混合会引发问题；无铅焊点可靠性的不同认识b 美国认为Sn95.8Ag3.5Cu0.7合金实用性强并有了专利。日本大多使用Sn96.5Ag3.0Cu0.5合金。c 日本认为含1%Bi可提高润湿性，而美国认为得不到这个结论,无铅应用技术混乱 无论国际国内无铅应用技术非常混乱，大多企业虽然焊接材料无铅化了，但元器件焊端仍然有铅。究竟哪一种无铅焊料更好？哪一种PCB焊盘镀层对无铅焊更有利？哪一种元器件焊端材料对无铅焊接焊点可靠性更有利？什么样的温度曲线最合理？无铅焊对印刷、焊接、检
38、测等设备究竟有什么要求都没有明确的说法。对无铅焊接技术众说纷纭，各有一套说法、各有一套做法。这种状态对无铅焊接产品的可靠性非常不利。因此目前迫切需要加快对无铅焊接技术从理论到应用的研究。,3.问题举例,（1）有铅工艺也遇到了无铅元器件 BGACSP LLP,特别警惕！有的日本元件镀Sn-Bi，必须在无铅焊料中使用。如果焊料中有Pb，Bi与Pb会形成93的熔点，将严重影响可靠性。,（2）有铅工艺也遇到纯Sn热风整平的PCB（3）波峰焊问题比较多遇到无铅元器件；插装孔、导通孔不上锡；分层Lift-off现象较严重；桥接、漏焊等缺陷多；锡锅表面氧化物多,（4）分层Lift-off（焊点剥离、裂纹）现
39、象,无Pb和有Pb混用时，焊接后在焊点与焊端交界处会加剧分层Lift-off（剥离、裂纹）现象。Pb在1%左右的微量时发生焊点剥离的概率最高。这意味着来自元件、PCB镀层的微量Pb混入，将容易发生Lift-off。关于分层Lift-off（焊点剥离、裂纹）现象的机理还要继续研究。当焊料、元件、PCB全部无Pb化后是否不会产生Lift-off现象了，也要继续研究。,Lift-off（焊点剥离）现象的机理锡釺焊时的凝固收缩现象,63Sn37Pb合金的CTE是24.510-6，从室温升到183，体积会增大1.2%，而从183降到室温，体积的收缩却为4%，故锡铅焊料焊点冷却后有时有缩小现象。因此有铅焊
40、接时也存在Lift-off，尤其在PCB受潮时。,无铅焊料焊点冷却时也同样有凝固收缩现象。由于无铅熔点高、与PCB的CTE不匹配更严重、出现偏析现象，因此当存在PCB受热变形等应力时，很容易发生Lift-off，严重时甚至会造成焊盘剥落。,PCB焊盘与Sn-0.7Cu焊后发生Lift-off,凝固收缩,冷却时由于基板温度高，焊点先凝固收缩，基板焊盘界面处残留液相，基板越厚，基板内部储存的热量越多，越容易发生焊点剥离。,热传导,收缩,（5）A面回流焊B面波峰焊复合工艺中的问题,完成了A面回流焊，进行B面波峰焊时，在A面大的QFP和PLCC等元件的引脚镀层为Sn-Pb合金时，虽然焊点本身熔点在21
41、7，不会熔化，但在焊锡与焊盘界面容易形成Pb偏析形成Sn-Ag-Pb的174的低熔点层，使界面发生熔化，在热应力的作用下造成焊点从焊盘上剥离。类似Lift-off（焊点剥离）。,QFP,焊盘处Lift-off,防止Lift-off（焊点剥离）的方法,（a）采用单面板。（b）不使用Bi、In合金（低熔点更容易发生Lift-off）。（c）无铅工艺不使用Sn-Pb镀层元件。（d）加快冷却速度，消除偏析。（e）添加微量元素，消除偏析。（f）考虑PCB的热设计，使基板内部的热有效释放。（g）回流焊波峰焊复合工艺时，采用SMD焊盘设计。（h）减小基板热收缩（尤其厚度方向）。,无铅和有铅混用时可靠性讨论,
42、(a)无铅焊料与有铅焊端混用的问题无铅焊料中的Pb对长期可靠性的影响是一个课题，需要更进一步研究。初步的研究显示：焊点中Pb含量的不同对可靠性的影响是不同的，当含量在某一个中间范围时，影响最大，这是因为在最后凝固形成结晶时，在Sn枝界面处，有偏析金相形成，这些偏析金相在循环负载下开始形成裂纹并不断扩大。例如：25的Pb可以决定无铅焊料的疲劳寿命，但与Sn-Pb焊料相比，可靠性相差不大。,无铅焊料与有铅焊端混用时要控制焊点中Pb含量0.05%,目前正处在无Pb和有Pb焊接的过度转变时期，大部分无Pb工艺是使用无铅焊料与有铅引脚的元件混用。在“无铅”焊点中，铅的含量可能来源于元件的焊端、引脚或BG
43、A的焊球。对于波峰焊，由于元件引脚Pb-Sn电镀层不断融解，焊点中铅的含量需要进行监测。Pb在1%左右的微量时发生焊点剥离的概率最高。,气孔多,有铅焊球与无铅焊料混用时，焊球上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘与元件焊端，助焊剂排不出去，造成气孔。,气孔,(b)有铅焊料与无铅焊端混用的质量最差,有铅焊料与无铅焊球混用时，如果采用有铅焊料的温度曲线，有铅焊料先熔，而无铅焊端（球）不能完全熔化，使元件一侧的界面不能生成金属间合金层，BGA、CSP一侧原来的结构被破坏而造成失效，因此有铅焊料与无铅焊端混用时质量最差。因此BGA、CSP无铅焊球是不能用到有铅工艺中的。,在元件一侧的界面失效,高温对元件的不利影响
44、,陶瓷电阻和特殊的电容对温度曲线的斜率（温度的变化速率）非常敏感，但对实际的温度并不敏感。铝电解电容对温度极其敏感。连接器和其他塑料封装元件（如QFP、PBGA）在高温时失效明显增加（如分层、苞米花、变形等）。粗略统计，温度每提高10，潮湿敏感元件（MSL）的敏感度升一级，可靠性降级。措施：尽量降低峰值温度；对潮湿敏感元件进行去潮烘烤。,高温损坏元件,目前使用最普遍的PCB材料FR4的Tg只有125140。FR4的极限温度为240左右。a 造成PCB的热变形，严重时会使元件损坏。b 使PCB材料中聚合物老化、变质，使PCB的机械强度和电性能下降。c FR4材料中的溴化环氧树脂含卤素阻燃材料，在
45、高温下释放高毒物质（二恶英dioxin，TCDO）。措施：控制温度曲线；对焊接设备进行改造；大、厚、复杂和高可靠的板采用耐高温的PCB材料；用含N酚醛树脂取代双氰胺作固化剂，通过N和P作用提高阻燃性。,高温对PCB的不利影响,PCB 龟裂、气泡、分层,电气可靠性（助焊剂性能与枝状结晶生长问题）,回流焊、波峰焊、返修形成的助焊剂残留物，在潮湿环境和一定电压下，导电体之间可能会发生电化学反应，引起表面绝缘电阻（SIR）的下降。如果有电迁移和枝状结晶生长的出现，将发生导线间的短路，造成电迁移（俗称“漏电”）的风险。为了保证电气可靠性，需要对不同免清洗助焊剂的性能进行评估。,电迁移和枝状结晶造成导线间
46、的短路,无铅和有铅混用情况总结,a 无铅焊料和无铅焊端效果最好。b 无铅焊料和有铅焊端目前普遍使用，可以应用，但必须控制Pb、Cu等的含量，要配制相应的助焊剂，还要严格控制温度曲线等工艺参数，否则会造成可靠性问题。c 有铅焊料和无铅焊端效果最差，BGA、CSP无铅焊球是不能用到有铅工艺中的，不建议采用。,（1）备料注意元器件的焊端材料是否无铅，特别是BGACSP和新型封装例如LLP等(有铅工艺也要注意)。（2）有铅工艺遇到无铅元器件,必须提高焊接温度到235左右。（3）严格物料管理有铅和无铅的元器件、焊膏不能混淆。（4）无铅印刷加大模板开口尺寸：宽厚比1.6，面积比 0.71；提高印刷精度。（
47、5）严格控制温度曲线，尽量降低峰值温度；对潮湿敏感元件进行去潮烘烤。（6）复杂和高可靠产品采用耐高温的PCB材料（FR5或其它）,4.解决措施,无铅工艺总结：,根据具体产品选择材料，并进行系统评估锡膏（合金和焊剂）器件（焊端和本体材料）基板（基材、焊盘表层和阻焊层）评估现有炉子是否满足无铅要求检查并修改PCB焊盘设计（散热、布局），钢网设计严格物料管理 采购、包装保护、库存条件/管理、使用正确设置、仔细优化温度曲线 正确选择测试点和连接热耦、温度/时间控制采用无铅质量检查标准,把工艺做得更细,目前无铅焊接还处于过渡和起步阶段，从理论到应用都还不够成熟。目前迫切需要加快对无铅焊接技术从理论到应用的研究。过渡阶段无铅焊接的可靠性问题值得警惕和研究。面临2006年7月1日即将到来，我们应该做好准备，例如收集资料、理论学习等。,
