线路板装配中的无铅工艺应用原则模板.doc

线路板装配中无铅工艺应用标准电子装配对无铅焊料基础要求 无铅焊接装配基础工艺包含：a. 无铅PCB制造工艺；b. 在焊锡膏中应用96.5Sn/3.5Ag和95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu共晶和近似共晶合金系统；c. 用于波峰焊应用99.3Sn/0.7Cu共晶合金系统；d. 用于手工焊接99.3Sn/0.7Cu合金系统。尽管这些全部是可行工艺，但具体实施起来还存在多个大问题，如原料成本仍然高于标准Sn/Pb工艺、对湿润度限制有所增加、要求在波峰焊工艺中保持惰性空气状态(要有足量氮气)和可能将回流焊温度升到极限温度范围(235245之间)而提升了对多种元件热性要求等等。 就无铅替换物而言，现在并没有一套取得普遍认可规范，经过和该领域众多专业人士数次讨论，我们得出下面部分技术和应用要求： 1. 金属价格 很多装配厂商全部要求无铅合金价格不能高于63Sn/37Pb，但不幸是现有全部没有铅替换物成本全部比63Sn/37Pb高出最少35%以上。在选择无铅焊条和焊锡丝时，金属成本是其中最关键原因；而在制作焊锡膏时，因为技术成本在总体制造成本中所占百分比相对较高，所以对金属价格还不那么敏感。 2. 熔点 大多数装配厂家(不是全部)全部要求固相温度最小为150，方便满足电子设备工作温度要求,最高液相温度则视具体应用而定。 波峰焊用焊条：为了成功实施波峰焊，液相温度应低于炉温260。 手工/机器焊接用焊锡丝：液相温度应低于烙铁头工作温度345。 焊锡膏：液相温度应低于回流焊温度250。对现有很多回流焊炉而言，该温度是实用温度极限值。很多工程师要求最高回流焊温度应低于225230，然而现在没有一个可行方案来满足这种要求。大家普遍认为合金回流焊温度越靠近220效果越好，能避免出现较高回流焊温度是最理想不过，因为这么能使元件受损程度降到最低，最大程度减小对特殊元件要求，同时还能将电路板变色和发生翘曲程度降到最低，并避免焊盘和导线过分氧化。 3. 导电性好 这是电子连接基础要求。 4. 导热性好 为了能散发烧能，合金必需含有快速传热能力。 5. 较小固液共存温度范围 非共晶合金会在介于液相温度和固相温度之间某一温度范围内凝固，大多数冶金教授提议将此温度范围控制在10以内，方便形成良好焊点，降低缺点。假如合金凝固温度范围较宽，则有可能会发生焊点开裂，使设备过早损坏。 6. 低毒性 合金及其成份必需无毒，所以此项要求将镉、铊和汞排除在考虑范围之外；有些人也要求不能采取有毒物质所提炼副产品，所以又将铋排除在外，因为铋关键起源于铅提炼副产品。 7. 含有良好可焊性 在现有设备和免清洗型助焊剂条件下该合金应含有充足润湿度，能够和常规免清洗焊剂一起使用。因为对波峰进行惰性处理成本不太高，所以能够接收波峰焊加惰性环境使用条件要求；但就SMT回流焊而言，合金最好要含有在空气下进行回流焊能力，因为对回流焊炉进行惰性处理成本较高。 8. 良好物理特征(强度、拉伸度、疲惫度等) 合金必需能够提供63Sn/37Pb所能达成机械强度和可靠性，而且不会在通孔器件上出现突起角焊缝(尤其是对固液共存温度范围较大合金)。 9. 生产可反复性/熔点一致性 电子装配工艺是一个大批量制造工艺，要求其反复性和一致性全部保持较高水平，假如一些合金成份不能在大批量条件下反复制造，或其熔点在批量生产时因为成份改变而发生较大改变，便不能给考虑。3种以上成份组成合金往往会发生分离或成份改变，使得熔点不能保持稳定，合金复杂程度越高，其发生改变可能性就越大。 10. 焊点外观 焊点外观应和锡/铅焊料靠近，即使这并非技术性要求，但却是接收和实施替换方案实际需要。 11. 供货能力 当试图为业界找出某种处理方案时，一定要考虑材料是否有充足供货能力。从技术角度而言，铟是一个相当尤其材料，不过假如考虑全球范围内铟供货能力，大家很快就会将它根本排除在考虑范围之外。 另外业界可能更青睐标准合金系统而不愿选专用系统，标准合金获取渠道比较宽，这么价格会比较有竞争性，而专用合金供给渠道则可能受到限制，所以材料价格会大幅提升。 12. 和铅兼容性 因为短期之内不会立即全方面转型为无铅系统，所以铅可能仍会用在一些元件端子或印刷电路板焊盘上。有些含铅合金熔点很低，会降低连接强度，如某种铋/锡/铅合金熔点只有96，使得焊接强度大为降低。 金属及合金选择 在多种候选无铅合金中，锡(Sn)全部被用作基底金属，因为它成本很低，货源充足，并含有理想物理特征，如导电/导热性和润湿性，同时它也是63Sn/37Pb合金基底金属。通常和锡配合使用其它金属包含银(Ag)、铟(In)、锌(Zn)、锑(Sb)、铜(Cu)和铋(Bi)。 之所以选择这些材料是因为它们和锡组成合金时通常会降低熔点，得到理想机械、电气和热性能。表1列出了多种金属成本、密度、年生产能力和供货方面情况，另外在考察材料供货能力时，将用量原因加在一起作综合考虑得出结果会愈加清楚，比如现在电子业界每十二个月63Sn/37Pb消耗量在4.5万吨左右，其中北美地域用量约为1.6万吨，此时只要北美有3%装配工厂采取含铟20%锡/铟无铅合金，其铟消耗量就将超出该金属全球生产能力。 近5年来业界推出了一系列合金成份提议，幷且对这些无铅替换方案进行了评定。备选方案总数超出75个，不过关键方案则能够归纳为不到15个。面对全部候选合金，我们采取部分技术规范将选择缩到一个较小范围内便于进行挑选。 铟 铟可能是降低锡合金熔点最有效成份，同时它还含有很良好物理和润湿性质，不过铟很稀有，所以大规模应用太过昂贵。基于这些原因，含铟合金将被排除在深入考虑范围之外。即使铟合金可能在一些特定场所是一个比很好选择，但就整个业界范围而言则不太适宜，另外差分扫描热量测定也显示77.2Sn/20In/2.8Ag合金熔点很低，只有114，所以也不太适合一些应用。 锌 锌很廉价，几乎和铅价格相同，而且随时能够得到，同时它在降低锡合金熔点方面也含有很高效率。就锌而言，其关键缺点在于它会和氧气快速发生反应，形成稳定氧化物，在波峰焊过程中，这种反应结果是产生大量锡渣，而更严重是所形成稳定氧化物将造成润湿性变得很差。可能经过惰性化或特种焊剂配方能够克服这些技术障碍，但现在大家要求在更大工艺范围内对含锌方案进行论证，所以锌合金在以后考虑过程中也会被排除在外。 铋 铋在降低锡合金固相温度方面作用比较显著，但对液相温度却没有这么效果，所以可能会造成较大固液共存温度范围，而凝固温度范围太大将造成焊脚提升。铋含有很好润湿性质和很好物理性质，但铋关键问题是锡/铋合金碰到铅以后其形成合金熔点会比较低，而在元件引脚或印刷电路板焊盘上全部会有铅存在，锡/铅/铋熔点只有96，很轻易造成焊点断裂。另外铋供货能力可能会因铅产量受到限制而下降，因为现在铋关键还是从铅副产品中提炼出来，假如限制使用铅，则铋产量将会大大降低。尽管我们也能经过直接开采获取铋，但这么成本会比较高。基于这些原因，铋合金也被排除在外。 四种和五种成份合金 由四种或五种金属组成合金为我们提供了一系列合金成份组合形式，多种可能性不胜枚举。和双金属合金系统相比，大多数四或五金属合金能够大幅降低固相温度，但对降低液相温度却可能无所作为，因为大部分四或五金属合金全部不是共晶材料，这意味着在不一样温度下会形成不一样金相形式，其结果就是回流焊温度不可能比简单双金属系统所需低。 另外一个问题是合金成份时常会发生变动，所以熔点也会变，这在四或五金属合金中会常常碰到。由三种金属组成合金极难在焊锡膏内锡粉中实现“同批”和“逐批”一致，在四种和五种金属组成合金中实现一样一致性其复杂和困难程度更大。 所以多元合金将被排除在深入考虑范围之外，除非某种多元合金成份含有比二元系统愈加好特征。但就现在来看，业界还没有找到哪种四或五金属合金比二元或三元替换方案愈加好(不管在成本上还是性能上)。 表2列出部分关键无铅替换方案，和最终选择或不选择原因，表中包含了单位重量价格、单位体积价格(对焊锡膏而言单位体积价格更具成本意义)和熔点等信息，这些合金根据其液相温度递增次序排列。现依据每种焊接应用特殊要求分别选出适宜合金。 先考虑焊条(波峰焊)和焊线(手工和机器焊接)。 对波峰焊用焊条要求包含：a. 能在最高260锡炉温度下进行连续焊接；b. 焊接缺点(漏焊、桥接等)少；c. 成本尽可能低；d. 不会产生过多焊渣。 结果全部选中合金全部符合波峰焊要求，但99.3Sn/0.7Cu和95Sn/5Sb合金和其它替换方案相比能够节省更多成本。比较而言，99.3Sn/0.7Cu液相温度比Sn/Sb合金低13，所以99.3Sn/0.7Cu成为波峰焊最好候选方案。 手工焊用锡线要求和上面焊条应用很相同，成本考虑仍然居于优先地位，同时也要求能够提供很好润湿和焊接能力。焊线用合金必需能够很轻易地拉成丝线，而且能用345370烙铁头进行焊接，99.3Sn/0.7Cu合金能够满足这些要求。 和焊条和焊线相比，焊锡膏较少考虑合金成本，因为金属成本在使用焊锡膏制造步骤总成本中所占比重较少，选择焊锡膏合金关键要求是尽可能降低回流焊温度。考察表中所列合金，能够发觉液相温度最低是95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu(熔点217218)和96.5Sn/3.5Ag(熔点221)。 这两种合金全部是较为适宜选择并各具特点，相比之下Sn/Ag/Cu合金液相温度更低(即使只有4)，而Sn/Ag合金则表现出更强一致性和可反复制造性，并已在电子业界应用多年，一直保持很好可靠性。有些关键跨国企业已经选择共晶Sn/Ag合金进行评定作为无铅替换方案，大多数大型跨国企业也开始对Sn/Ag/Cu合金作初步高级测试。 实测评定结果 波峰焊评测 将99.3Sn/0.7Cu合金装入标准Electrovert Econopak Plus波峰焊机进行测试，这种波峰焊机配置有USI超声波助焊剂喷涂系统、Vectaheat对流式预热和“A”波CoN2tour惰性系统。测试在两种无铅印刷电路板上进行：带OSP涂层裸铜板和采取浸银抛光裸铜板(Alpha标准)，两种电路板全部采取固态含量2%且不含VOC免清洗助焊剂(NR300A2)。另外作为对照，将一样电路板在相同设备上采取相同条件进行焊接，只是焊料用传统63Sn/37Pb合金。 经过试验可得出以下结论： 1. 假如采取99.3Sn/0.7Cu合金，则有必需对波峰焊机进行惰性处理以确保得到合适润湿度，但不需要对波峰焊机或风道进行完全惰性处理，用CoN2tour企业边界惰性焊接系统即已足够。 2. 使用99.3Sn/0.7Cu焊接电路板外观和用63Sn/37Pb合金焊接电路板没有区分，焊点光亮程度、焊点成型、焊盘润湿和通孔上端上锡情况也基础一样。 3. 和Sn/Pb合金相比，Sn/Cu合金桥接现象较少，但因为测试条件有限，所以对这一点还需要作更深入研究。 4. 99.3Sn/0.7Cu合金在260温度条件下焊接很成功，在245条件下也没有问题。 5. 采取Sn/Cu合金多个星期内铜含量没有发生改变，之所以关注这一问题，是因为铜在锡中溶解度很低，而且和温度有很大关系。在大批量生产中，电路板铜吸收情况和用Sn/Pb合金时相同。 印制和回流焊评测 针对Sn/Ag和Sn/Ag/Cu合金开发了一个新助焊剂，方便在更高回流焊温度下得到很好润湿效果，因为回流焊温度较高时(比常规回流焊温度高20)要求援焊剂中活性剂应含有更高热稳定性。另外假如在空气中工作，回流焊温度较高还可能使一般免清洗助焊剂变色，所以这种助焊剂对高温要有很强承受能力。在95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金中使用UP系列焊锡膏时，即使空气温度达成240，它也不会变为棕色或琥珀色。 UP系列焊锡膏在印刷测试中表现很好，测试时采取是MPM UP印刷机，印刷条件包含6mil厚激光切割网板、印刷速度25mm/秒、网板开口间距1650mil和接触式印刷，焊膏印出轮廓很清楚且表现出良好脱模性能。另外这种焊锡膏在中止印刷后(停放超出一小时)再开始使用时无需进行搅拌，其网板使用寿命在8小时以上，粘性也可保持8小时。 回流焊采取Electrovert Omniflo七温区回焊炉，在空气环境下进行焊接。回焊曲线图1，从图中可看出温度在200秒时间里以近似线性速率上升到240，温度高于熔点(221)时间为45秒。 得出结论以下： 1. UP系列焊锡膏95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu 88-3-M13表现出良好印刷性。 2. 无铅焊锡膏能提供良好粘力且能保持足够时间。 3. 对测试板而言，95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金所需240最高温度是能够接收。 4. 回流焊无需氮气也能取得很好效果。 5. 焊点光亮度好，和标准Sn/Pb合金相同。 6. 助焊剂残留物外观(颜色及透明度)比采取Sn/Pb合金及一般助焊剂在标准热风回流焊(峰值温度220，高于183时间为45秒)后情形好得多。 7. 润湿和扩散特征和Sn/Pb标准合金相同。 8. 当使用没有阻焊膜裸FR-4板子时，过高回流焊温度会使线路板出现严重变色(变深)，浅绿色阻焊膜会使变色看起来较轻，中/深绿色阻焊膜则使变色基础上看不出来。 9. 有些元件经高温回流焊后会出现变色和氧化迹象，将这种无铅焊料用于两面全部有表面安装器件电路板上时，提议在回流焊后再安装需作波峰焊接底面SMD器件，以免过分受热影响可焊性。 10. 用UP系列96.5Sn/3.5Ag合金进行测试所获结果相同，只是回流温度提升了35。 其它特征 选择一个简单一般二元合金最大好处于于它已经完成了大量测试且已被广泛接收，如96.5Sn/3.5Ag合金已在一些电子领域应用了很长时间。95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu现正接收一样严格测试，并在部分地方显示出很相同性能和优点。 福特汽车企业对使用Sn/Ag合金测试板和实际电子组件进行了热循环试验(-40140)，已完成全方面热疲惫测试研究，另外她们还将无铅组件用于整车中，测试结果显示Sn/Ag合金可靠性和Sn/Pb合金相差无几甚至愈加好。摩托罗拉企业也已经完成了Sn/Ag和Sn/Pb合金热循环和振动研究，测试表明Sn/Ag合金完全合格，其它OEM厂商在各自Sn/Ag和Sn/Ag/Cu合金研究中也得到了类似结论。 依据研究结果，Sn/Ag和Sn/Pb在导电性、表面张力、导热性和热膨胀系数等各方面所取得结果大致相当(见表3)。 本文结论 经过上述讨论，我们能够得到一个实际可行标准无铅焊接工艺，其基础内容包含： 1. 对焊锡膏应用而言，可将95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu或96.5Sn/3.5Ag合金和UP系列助焊剂配合使用。 2. 对波峰焊应用而言，焊锡条可使用99.3Sn/0.7Cu合金。 3. 对手工/机器焊接而言，焊锡线可使用99.3Sn/0.7Cu合金。 即使上述方案还未能达成研究无铅替换方案工程师们所确定每项目标，但基础上能令人满意，该方案最大限制在于96.5Sn/3.5Ag合金所要求回流焊温度比Sn/Pb合金要高2030，所以回流焊对元件要求也有所提升。元器件供给商应和电子装配厂亲密合作以处理高温回流焊带来种种问题。 伴随新技术发展，未来还会有更多愈加好替换方案推出，这里讨论系统最大价值在于其它复杂系统能够依据它提供标准进行参考比较。在考察愈加复杂系统之前，应多问下面部分能够定量回复问题： 焊锡膏 1. 新合金系统是否能将回流焊温度降至和Sn/Ag合金差不多程度(Sn/Ag合金最低回流焊温度为240，而95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金最低回流焊温度则为235)？ 2. 和Sn/Ag或Sn/Ag/Cu合金相比，金属和焊锡膏成本怎样？ 3. 合金中各材料有没有技术参数限制？各材料在技术参数范围内改变时其固相和液相温度改变情况怎样？ 焊条 1. 合金成本怎样？和Sn/Cu合金比较哪一个更贵？ 2. 合金是否含有Sn/Cu合金所没有优点？ 为何要采取无铅方案？ 在谈论健康和安全问题时，大家通常考虑两个原因危害和危险。危害是指某物质存在毒性和食入、吸入或吸收后对人体影响，危险更多是指采取正确预防方法后材料安全性或危害发生可能性。 铅是一个有毒物质，人体吸收了过量铅会引发铅中毒，摄入低剂量铅则可能对人智力、神经系统和生殖系统造成影响。在评定铅危险性时，通常是经过调查饮食或呼吸摄入可能性。就电子业而言，通常正常条件下铅不会达成使其气化温度，所以这方面危险无法定量测出，只能经过监测确定。 能够采取部分简单预防方法，包含在保养波峰焊锡炉和清理残渣时戴上面罩，在有铅区域严禁抽烟，尽可能降低在工作区摄入铅可能性。另外当接触焊锡膏、焊条、焊线等含铅物体后，务必在吃饭、饮水和抽烟之前清洗双手，根本消除摄入铅可能路径。 通常地说，从铅吸收起源来看食入铅危险要高于呼吸吸入，所以应强调养成良好卫生习惯关键性，在含铅区域严禁饮食和抽烟以将危险降到最低。事实证实，只要采取了正确预防方法，在工作场所使用铅还是相对较为安全。 既然在电子工业中使用铅危险如此之小，那么大家为何还在考虑根本消除铅使用呢？其实关键担心是含铅材料处理问题，如印刷线路板等。之所以有这种担心，是因为那些被作为垃圾处理废印刷电路板在埋入地下后，其中所含铅可能会从电路板渗出进入地下水，继而流入我们饮用水之中。 现在存在部分技术争论，关键围绕铅从PCB渗出可能性和饮用水可接收含铅量(假如确实含铅)应该低于多少。 无铅立法是否立即出台？ 立法过程政策性很强，所以极难预知，比如现在美国国会就还未采取主动立法方法来限制在电子工业中使用铅。因为电子业所用铅在人类铅使用总量中仅占很小份额，而且电子业在国民生产总值中所占百分比很关键并呈增加趋势，所以对电子工业限制用铅会碰到很大阻力。另外全部没有铅焊料替换品全部会增加电子制造成本，部分地域相关无铅焊料研究还没有开始，所以从某种意义上说对此立法可能会减弱本国电子制造业竞争力。 欧洲则在推进无铅立法上采取了更为主动态度，欧盟计划进行一项投票表决，要求1月之前在除车用和一些特殊场所之外全部电子产品中严禁用铅，荷兰和瑞士则早已实施了相关电子废料法令。 亚洲方面已经有国家就电子废料回收利用问题发表申明。日本电子产业开发协会和日本电子封装研究所在1998年1月制订了无铅方案研究标准和计划，有些OEM厂商已经成功开发出回收利用方法，索尼、东芝、松下、日立和NEC等大企业也已承诺将遵守日本法律，于在一些电子产品中实现无铅化。 电子业是否正在实施无铅工艺？ 很多跨国电子企业已经开始开启无铅技术项目，对无铅替换方案进行评定，以做好准备在限制性法律生效后实施无铅系统方案。 也有很多企业将实施无铅工艺作为一个营销战略，她们期望在营销过程中将其电子产品作为无铅和环境保护产品进行宣传。