无铅工艺和有铅工艺

第30卷第4期电子工艺技术200年7月Electronics Process Technology无铅工艺和有铅工艺邵志和(株洲南车时代电气股份有限公司,湖南株洲412001)摘要:随着国际环保要求逐步提高,无铅工艺成为电子产业发展的一个必然过程。详细介绍了有铅工艺和无铅工艺的焊料合金成分、焊料成本、焊料合金熔点温度、焊料合金可焊性、焊焊接后出现的各种故障现象和焊接工艺特点,同时指出了有铅和无铅工艺对电子元器件和PCB要求的不同点,指出了它们的利弊以及使用设备的通用性。关键词:焊接;无铅工艺;表面贴装工艺中图分类号:TN605文献标识码:A文章编号:1001-3474(200)04-0203-04Discussion of Lead -free and Lead TechnicsSHAO Zhi-heZhuzhou CSR Times Electric Co. Ltd, Zhuzhou 412001)Abstract: With the development of enviromental protection, lead -free process has become an inevi-table trend in electronics industry. Introduce the solder alloy, solder cost, soldering temperature, solder-bility, soldering defects and soldering process characteristic of lead -free and lead technics in detailsPoint out the different requirements of lead -free and lead technics for components and PCB, give out theadvantages and disadvantages of each process and the universal properties of the equipmentKey words Sodering; Lead-free: Surface mount technologyDocument Code: AArticle l:1001-3474(2009)04-0203-04据统计,当前国内的许多大公司也没有完全采批有铅工艺专家研究,具有较好的焊接可靠性和稳用无铅工艺,而是采取有铅工艺技术来提高可靠性,定性,拥有成熟的生产工艺技术,这主要取决于有铅在机车行业中西门子和庞巴迪等国际著名公司也没焊料合金的特点。有完全采用无铅工艺进行生产,而是尽量争取豁免。有铅焊料合金熔点低,焊接温度低,对电子产品当前有许多专家也认为无铅技术还有许多问题的热损坏少;有铅焊料合金润湿角小,可焊性好,产有待于进一步认识,如著名工艺专家李宁成博士也生焊点“假焊”的可能性小;焊料合金的韧性好,形认为当前的无铅工艺技术的发展还没有有铅技术成成的焊点抗振动性能好于无铅焊点。熟,如先前无铅焊接采用的最多的Sn3Ag0.5Cu焊无铅焊接工艺从目前的研究结果中,所有可替料合金,最近发现由于Cu的含量稍低,焊点可靠性代合金的熔点温度都高于现有的锡铅合金。例如从有些问题,有人建议将Cu的质量分数提高到1目前较可能被业界广泛接受的“锡一银-铜”合金2%,但是现在市场上还没有这种焊料合金的产品。看来,其熔点是217℃,这将在焊接工艺中造成工同时无铅焊接的电子产品的可靠性数据远远没有有艺窗口的大大缩小。理论上工艺窗口的缩小为从锡铅焊接生产的电子产品丰富3铅焊料的37℃降到23℃如图1所示。实际上1无铅工艺和有铅工艺的比较工艺中国煤化工为在实际工作中有铅工艺技术有上百年的发展历史,经过一大我们的CNMHG,加上DFM的限作者简介:邵志和(1970-),男,毕业于东南大学,高级工程师,主要从事电源及其控制、电子可靠性设计研究和应用工作。204电子工艺技术第30卷第4期制,以及要很好地照顾到焊点“外观”等,回流焊接由于无铅焊接工艺窗口比起含铅焊接工艺窗口工艺窗口其实只有约14℃有显著的缩小,业界有些人认为氮气焊接环境的使20122力,增加其湿性。也能防止预热期间适成的氧化飞家过冷国冷但氮气非万能,它不能解决所有无铅带来的问题尤其是不可能解决焊接工艺前已经造成的问题。图1有铅工艺窗口和无铅工艺窗口对比在目前的回流焊接设备中,使用强制热风对流不只是工艺窗口的缩小给工艺人员带来巨大的原理的炉子设计是主流。热风对流技术在升温速度挑战,焊接温度的提高也使得焊接工艺更加困难。的可控性以及恒温能力方面较强。在加热效率和加其中一项就是高温焊接过程中的氧化现象。我们都热均匀性以及重复性等方面较弱。这些弱点,在含知道,氧化层会使焊接困难、润湿不良以及造成虚铅技术中体现的并不严重,许多情况下还可以被接焊。氧化程度除了器件来料本身要有足够的控制受。随着无铅技术工艺窗口的缩小和对重复性的更外,用户的库存条件和时间、加工前的处理(例如除高要求,热风对流技术将受到挑战。湿烘烤)以及焊接中预热(或恒温)阶段所承受的热无铅和有铅工艺技术特点对比见表14-7。能(温度和时间)等都是决定因素。表1无铅工艺和有铅工艺技术特点对比(1)无铅工艺特点有铅工艺特点有多种焊料合金可供选择,目前逐步统一为Sn96.5Ag3C0.5焊料合(SAC305);最好回流焊接和波峰焊接都选择同一款焊料合金无论是何种焊接方式,焊料合金金成份但是考虑到威本,许多厂家波峰焊接会选择S0.3C0.7焊直采用Sn63Ph37,不会对生产料。对生产现场焊料合金的使用造威混乱现场焊料合金的使用造成混乱焊合金焊料合金使用混乱,目前有人提倡使用Cu的质量分数在1%使用混乱2%的合金,但是市场上还没有此类产品焊料合金单/科成本/波峰焊接用的锡条和手工焊接用的锔线,成本提高2.7倍。回焊接用的锡青成本提高约1.5倍焊料成本低金「焊料合金熔点温度|温度高217℃温度低183℃焊料可焊性差焊点特点焊点脆,不适合手持和振动产品焊点韧性好焊料/焊端兼容性焊端中不能含铅焊端中可以含铅能耗焊接能牦「无论是波峰焊/回流焊/手工焊接能耗比有铅焊接多10%能耗较低波峰焊需要添加新的波峰焊机不需要(提升产能例外)备回流坪|设备温区数量要多,以增加调整回流温度曲线灵活性。炉体长也可以采用多温区的设备,增强温度曲线调整的灵活性需求手工焊接更换烙铁头不需要更换印刷/贴片机不需要更换但是印刷贴片精度要求更高不需要更换水清洗工艺|不建议使用可以使用回流焊搂工艺窗口小,温度曲线调整较难。焊点空洞难以消除。焊点上工艺窗口大,温度曲线调整较锡不好易。焊点空泂较好消除,焊点上艺波峰焊接焊点上锡不妤,需要加快冷却,锡槽合金杂中国煤化工好,锡槽合金杂质含加大,有可能生产现场需要检测仪器CNMHG度不大,不需要生产器手工焊接「烙铁头损耗加快烙铁头损耗较慢2009年7月部志和:无铅工艺和有铅工艺205表1无铅工艺和有铅工艺技术特点对比(2)无铅工艺特点有铅工艺特点可以沿用有铅时用的板材,最好采用高Tg板材。采用高Tg板材,板材成本上升10%-15%板材不需要改变焊盘处理方式有机可焊性保护(OSP),化学镍金热风整平,也可采用有机可焊性保护(OSP),化学镍金要OSP特点焊盘平整,对印刷工序要求高,PCB保存时间短,对计划要求对ICT测试有影响化学鍊金/焊盘平整,对印刷工序要求不高PCB保存时间长,对计划要求不高。对ICT测试没有影响,存在“黑盘”的可能性耐热性耐热性要求高耐热性要求不是非常高件焊端可焊性要求高要求一般外观焊点粗糙,检验较难焊点光亮,检验较易由于温度的升高,在无铅焊接中许多C的防潮敏感性都会提高一到两个等级。也就是说,用户的防潮控制或处理必须加强。这对于那些很小批量生产的用户将有较严重的影响。因为许多很小批量生产的用户都有较长时间的来料库存时间“爆米花”如果库存的防潮设施不理想就必须通过组装前烘烤除湿的做/lC的防潮敏感性只要加以注意现象法来防止“爆米花”问题。烘烤虽然能够解决“爆米花”问题,但和管理即可,容易得到控制烘烤过程会加剧器件焊端的氧化,带来了焊接的难度。一个可行的做法是使用惰性环境烘烤,但这在设备、耗材(惰性气)和管理上都大大增加了成本焊点检验一在无铅技术中更加严重。这是因为无铅合金的表面张力较强的原因。解决的原理和含铅技术一样,其中通过DFM控制器立碑”件焊端和焊盘尺寸以及两端热容量最为有效。其次可通过工|在有铅技术中存在,但有铅工艺现象艺调整减少器件两螨的温差。该注意的是,虽然原理不变,但窗口会宽一些,容易解决无铅的工艺窗口会小一些,所以用户必须首先确保本身使用的炉子有足够的能力,即有良好的加热效率以及稳定的气流在锡铅技术中已经是个不容易完全解决的问題。而进入无铅技术后,这问题还会随无铅合金表面张力的提高而显得更严“气孔”重。要消除“气孔”问题,有三个因素必须注意:锡膏特性(锡膏在杨铅技术中“气孔”问题是个现象选择)、DFM(器件焊端结构、焊盘和模板开口设计)以及回流不容易完全解决的问题工艺(溫度曲线的设置)。其控制原理和含铅技术中没有不同,只是工艺窗口小了些业界可靠性教据「可靠性数裾不足,还有许多未知的特点或缺点没有发现可靠性数据很多,已使用多年2无铅和有铅工艺成本和设备通用性比较表2有铅工艺和无铅工艺设备对比绝大多数的有铅设备都适用于无铅工艺,包括:无铅设备无铅工艺有铅工艺印刷机、贴片机、回流炉、BGA返修台、分板机和测波峰焊机适用可用于有铅工艺,但用过后试设备。只有一个例外,那就是波峰焊机,无铅/有就无法再转回无铅工艺铅波峰焊机要严格区分8。锡锅适用可用于有铅工艺,但用过后2.1成本大大提高就无法再转回无铅工艺有铅工艺转化为无铅工艺,其成本提高主要是回流焊通用印刷机无铅辅助材料和无铅印制电极板成本提高,无铅器贴片机通通通用用用通用件的成本基本差不多。回流炉通用22无铅和有铅工艺设备通用性比较BGA中国煤化工通有铅工艺转化为无铅工艺,在设备上基本通用分通用CNMHG只是在波峰焊机和锡锅两种设备要严格区分,有铅通用工艺和无铅工艺设备对比见表2(下转第209页)20年7月张玲芸:印制电路组件的清洗工艺防腐剂,以中和碱性清洗液的腐蚀作用。这样就必物数量水平等。总之,随着相关技术的发展和研究须专门针对这些表面或标识为喷漆型和易破坏的元人员的不懈努力我们一定会解决好清洗工艺技术器件进行补充清洗试验:调配防腐剂比例,重新调配参考文献:清洗液比例,调整清洗时间和清洗温度等工艺参数,[]任溥成,刘艳新.SM连接技术手册[M]·北京:电子使淸洗工艺能适合这类元器件。解决措施:增加少工业出版社,2008量防腐剂。[2]周德俭,吴兆华.表面组装工艺技术[M]北京:国防5.3.3器件标识掉落工业出版社,2002清洗时经常出现清洗件上元器件标识掉落现3]陈正浩印制电路板组装件绿色清洗技术[J电子工艺技术,2007,28(6):367-369象。据统计,我所关于模块清洗后部分元件标识掉[4]林伟成如何对电路板进行正确的超声波清洗[J.电落上升趋势:2003年为2.3%,2004年为6.9%子工艺技术,2005,26(2):88-91.2005年为95%,2006年半年为16%,数据表明元5]林伟成电路板清洗后白渣的形成原因及解决办法器件标识易掉落问题自2005年至今尤为突出,上升[J].电子工艺技术,2006,27(3):145-149态势陡增,原在印制板电路组件的器件标识处涂覆收稿日期:2009-05-16阻焊膜或是用其它方法遮蔽清洗的工艺方法已经不适用。调查发现凡标识掉落的器件原标识方法一般为墨印,我们知道一般油墨的耐溶剂性是很差的。在不能改变器件标识方法也不更换器件供应厂家的(上接第205页)情况下,只能从工艺着手解决。一方面,针对同样品3结论种规格、不同厂家供应的元件以及同样品种规格、同是否采用无铅工艺,应考虑到公司制造生产设一供方不同批次的元件在相同清洗工艺规范下清洗备,当然也要顾及今后的无铅工艺技术的发展,因此后存在有的元件标识完好和有的被洗掉的现象,希对于各个制造厂应该慎重考虑和抉择采用无铅工望从供方找原因;另一方面,针对以往生产中标识易艺。脱落的元器件做专项清洗试验,摸清其是否会影响参考文献:元件的性能。工艺试验中经过5次正常清洗后的器1]马鑫何鹏电子组装中的无铅软钎焊技术[M].黑龙件标识终于掉落,将标识掉落后的器件做5个低温、江:哈尔滨工业大学出版社,2006高温冲击试验后再送相关权威部门检测。检测结果[2]刘汉诚,汪正平,李宁成等.电子制造技术一利用无为器件性能全部合格。试验结果表明,清洗后密封铅、无卤素和导电胶材料[M].北京:化学工业出版元件标识、外壳漆层掉落对元器件的性能指标无影社,2005[3]李宇君,秦连城杨道国.无铅焊料在电子组装与封响,清洗后对元器件标识的完整性可以不作检验要中的应用研究[J].电子工艺技术,206,27(1):1-3.求元件标识作为可追溯性的功能,可由产品档案和[4]杨光育徐欣,董义无铅合金与锡铅合金性能对比分析[J].电子工艺技术,2008,29(6):328-330工艺中对密封器件标识、外皮清洗掉不做要求。[5]史建卫无铅焊接工艺中常见缺陷与防止措施[J].电6结论子工艺技术,2008,29(1):53-59目前国内外有关清洗的标准机理及方法的论[6]王文利阎焉服吴波无铅焊接高温对元器件可靠性证已经很充足,但针对每家企业不同的产品运用还的影响[J电子工艺技术,2008,29(6):317-318是会有所区别,特别是一些理论上很正确,但在实践]袁宜耀,孙明,吴敏无铅Sn4gb与Smhm润湿性研中无法实现的参数,还是应该根据自己企业的产品究[冂].电子工艺技术,2007,28(3):135-138进行充分试验得出适合于本单位的经验参数值及8]刘艳新无铅再流焊的兼容性研究[J]电子工艺术,2006,27(1):14-18标准检测值。另外面对越来越多的非离子污染物,[9]唐畅,阮建云无铅回流焊接的实施[刀电子工艺技我们必须发展新的工艺技术来应对新的挑战。目前).269-271已有洁净度测试仪引入了色谱分析手段,它能帮助中国煤化工05定义污染物种类,确定元器件和组件表面所含污染CNMHG