无铅焊接的现状和课题PPT课件.ppt

The Leader for Superior QualityCS Management Center无铅焊接的现状和课题The Leader for Superior QualityCS Management Center三星的无铅化推进经过RoHS指令自2005年4月开始实施量产认证制(使用100项目的Check List）国内事业所:12家 海外法人:32家合作公司:182家 全部100结束认证CS经营 中心200120022003支援部门2004200520062000Mecha研究所PBA可靠性规格修改制定设计指南Solder/Flux 资源材料规格修改确定部件管理标准Lead Free辅材料可靠性评价Flow solder作业性研究实施量产认证制Lead Free替代辅材料选定作业条件最佳化(TestBoard)PCB Ass可靠性评价GBM量产开始Sn-Ag-Cu系列,Sn-Cu系列焊锡Sn-Zn系焊锡：流动装备：混装装备VCRCD-R：回流装备TVPrinterPCCDMAHDD量产引进现状The Leader for Superior QualityCS Management Center东芝引进无铅现状自2004年12月开始引进到生活用机器上。正在推进向产业用机器的引进工作。TV适用于家电、生活机器上，（插入装备为主）烹调机对象产品 PC医疗用品适用焊锡200120022003年度2004向家电、生活机器扩大（表面、混装装备)向办公、流通机器扩大向所有产品（包括产业机器）展开VPE 目标电路板技术集适用手册 HDDCATV照相机 POS手机条形码打印机测试仪20052006RoHS指令对应（废除所有焊锡)：流动装备：回流装备：混装装备照明仪器低价、低温化RoHS指令2000自动检票机包裹筛选机Sn-Ag-Cu焊锡（部分 Sn-Ag-B-I焊锡）Sn-cu系、Sn-Zn系焊锡空调冰箱洗衣机The Leader for Superior QualityCS Management CenterSn-Pb共晶Pb-5SnAuSn-Pb共晶Sn-PbAg-PdSn-Pb共晶Sn-Pb共晶Sn-PbSn-Ag系AuSn-AgSn-ZnSnSn-Ag-CuSn-Ag-Bi-InSn-Zn-BiSn-Ag-CuSn-Cu系Sn-ZnPdSn-AgSn-Bi装备部件印刷电路板焊锡材料流动装备（插入装备部件）回流装备（表面装备部件）芯片线头镀金电容器焊锡bump电路板电极处理芯片电极修理锡膏焊锡谷Si(FC)用于电路板装备上的焊锡材料现行无铅The Leader for Superior QualityCS Management Center环境问题：毒性小成本：较低合金特性：Sn-Pb共晶 （可湿性、材料特性等）合金熔点：200左右接合可靠性：Sn-Pb共晶 （境界面反应、装备质量等）无铅焊接要求特性Sn-Pb共晶Sn-9Zn共晶Sn-3.5Ag共晶Sn-0.7Cu共晶Sn-57Bi共晶（138）Sn-51In共晶（118）Sn-Pb共晶Sn-Ag系Sn-Cu系Sn-Zn系焊锡合金熔点183221227199机械特性可湿性 材料价格 现有水平已适用于产品正在开发已适用于产品The Leader for Superior QualityCS Management Center无铅候补组成和特性（回流）Sn-3.0g-0.51.0Cu（熔点：217）专利问题在千住金属/斯佩拉/爱荷华大学之间解决 热疲劳特性、高温放置特性基本上没有问题，可以确保很高的接合可靠性。虽然焊接温度稍高一些，但是量产性优秀，组成产品适用的主流。Sn-3.5Ag-0.53.0Bi-3.0In（熔点：210214）日本、美国、三井金属拥有专利(没有问题)热疲劳特性、高温放置特性基本上没有问题，但是可靠性略低于SnAgCu。熔点低于SnAgCu，曾经在低耐热性电路板上采用过。Sn-8Zn-03.0Bi（熔点：197199）千住金属、东芝等申请专利(几乎没有问题）能大幅度降低回流温度，NEC公司在笔记本电脑中采用。很容易氧化，所以还存在氮回流对应和粘贴稳定性方面需要解决的课题。The Leader for Superior QualityCS Management CenterSn-3Ag-0.51.0Cu（熔点：217）专利问题在千住金属/斯佩拉/爱荷华大学之间解决可在日常焊接温度(Max245)中进行焊接Sn-Cu系（0.3Ag,Ni）（熔点：227）SnCuNi由日本斯佩拉，SnCuAg由千住金属拥有专利虽然焊锡可湿性较低，但是材料费便宜。很少发生Dendrite。Sn-9（熔点：199）日本一些制造商已采用量产，NEC、SONY等正处于评估阶段。需要在高浓度氮环境中的焊接无铅候补组成和特征（flow)The Leader for Superior QualityCS Management Center材料选定熔点机械特性产品验证批量生产接合可靠性验证界面反应热疲劳特性制造性验证助焊剂选定程序差额产品可靠性功能验证接合部的热疲劳解释(例)动机选定焊接温度温度剖面图 (例)比率抗拉强度液状温度固体状态温度0246810含量（）050100抗拉强度240220200180160比率（）02040Sn-Ag系的Bi添加的影响接合部的截面解释(例)0501001502002503000100200300时间(s)焊接温度()183214SnAg系SnPb共晶无铅化的基本阶段(回流焊)The Leader for Superior QualityCS Management CenterSUS 316材的变更,表面处理Resistor 设计、清除Pb镀层SnCu系 Wave,强制冷却对策Sn Reflow,Dip 镀金Sn镀金法,接合应力5.Whiker（Connecter）PbBi 偏析,电路板变形保護保護 Coat,材料材料 變更變更清除Pb镀层对策水粉水粉 吸着吸着,屬屬 Ion化化SnPb 低熔点层形成原因回流不良Ion-Migraion4.Fillet 熔融,溶解区分SUS 304 Sn LeachingAg 偏析,凝固时间差异原因Wave不良Wave Solder Pot Erosion1.Dendrite区别Solder FilletSolder FilletLandLandIMCIMCSolderSolderHeaterHeaterSUS304SUS304 代表性不良和对策现状混載共同Lift-offThe Leader for Superior QualityCS Management Center现象在焊锡容积大的地方发生的裂痕在最终凝固的地方发生 原因 凝固时由于拉拽而发生固体和液体共存领域宽。即，从摆脱共晶到凝固需要时间，树枝状结晶(Dendrite)就会变大。在冷却速度慢，到凝固为止需要时间时发生。对策迅速冷却。(/秒）Sn-Ag-Cu DendriteThe Leader for Superior QualityCS Management Center凝固-Sn232Sn-Ag-Cu217首先-Sn凝固，然后共晶焊锡填充缝隙。表面凹凸不平，能看到Sn的结晶。白色化 最终凝固时由于没有确保体积而发生了裂痕。焊锡在熔融状态下体积更大。Dendrite(树枝状结晶)的发生原理The Leader for Superior QualityCS Management CenterDendrite(树枝状结晶)和裂纹的区别树枝状结晶裂纹The Leader for Superior QualityCS Management Center剥离以及land剥离现象【剥离现象】由于焊锡部分的不均衡凝固和电路板、部件的热收缩等原因，焊接部分分离的现象在Sn-Pb镀金线头上最为明显。【对策】迄今为止还没有可完全抑制剥离的手段，要在温度周期测试评价中进行判断。部件、电路板的无铅化。剥离外观和判断【land剥离现象】在没有发生剥离的地方，land从器材掉落的现象有时也会出现电路板配线短路的情况。【对策】提高线膨胀系数（厚的方向）小的电路板、land紧密性，land直径变大。可采取过电阻等对策land剥离部分截面The Leader for Superior QualityCS Management Center 剥离现象很容易发生在Sn-Pb镀金线头上。在无铅镀金线头上(Sn-Ag)，如果在solder bath内混入Pb时，发生概率就很高。在部件面一侧明显能够观察到。剥离发生率和Pb混入量的关系Sn-0.7Cu Sn-3.5Ag-0.7Cu0204060801000.00.20.40.60.81.0Pb 混入量(wt%)発生率 (%)Sn-Ag镀金线头Sn-Pb镀金线头0204060801000.00.20.40.60.81.0Pb 混入量(wt%)剥离发生率(%)Sn-Ag镀金线头Sn-Pb线头The Leader for Superior QualityCS Management Center剥离发生率和凝固温度范围的关系凝固温度范围的扩大（Pb,Bi的混入）剥离发生率的增大02040608010045678凝固温度范围 (K)剥离发生率(%)Sn-3.5Ag-0.7Cu Sn-Ag镀金线头Sn-0.7Cu Sn-Ag镀金线头The Leader for Superior QualityCS Management Center根据EPMA的焊锡接合部Pb浓度分析焊锡Fillet前端截面的Pb浓度分布分析结果（Sn-3.5Ag-0.7Cu Sn-Ag镀金线头）在发生剥离的接合部上，在焊锡/Cu land境界面附近Pb微偏析 估计Pb的微偏析部分凝固最慢。Sn-Ag-Cu-0wt%Pb Sn-Ag-Cu-0.4wt%Pb Sn-Ag-Cu-1.0wt%Pb 没发生剥离 发生剥离PWBLeadSolderCu landCu land焊锡面部件面 发生剥离焊锡Cu landCu land焊锡The Leader for Superior QualityCS Management CenterComponents部件部件部件部件ComponentsComponentsComponentsComponentsComponents焊锡Cu land境界附近凝固最慢剥离剥离的发生原理在焊锡Cu land界面附近 Pb微偏析：凝固部热Components热热从接触到部件线头和外部空气的焊锡开始凝固从凝固部向熔融部排出Pb：熔融部部件部件部件在Solder base，部件外镀金中，在焊接结合部混入Pb焊锡的凝固温度范围扩大线头电路板焊锡Culand部件面焊锡面部件Pb剥离由于电路板热收缩等原因，应力集中。在熔融焊锡Cu land境界面附近发生剥离The Leader for Superior QualityCS Management CenterSn-0.7Cu焊锡(DIP,Sn-Pb镀金)初期TCT1000周期后TCT500周期后TCT和剥离进行性 在接合部的截面观测中没有发现直到贯通口(through hall)内部的裂纹的进展(剥离进行性)。在其它无铅焊锡接合部上也是同样的结果。必须根据充分的可靠性评价和产品功能评价最终判断适用与否。剥离剥离剥离剥离剥离剥离The Leader for Superior QualityCS Management Center关于剥离的对策方法设计不使用Sn-Pb镀金。要避免Bi的混入。电路板热收缩小的方法为宜。在land上面形成阻抗（注意已有NEC专利）扩大land面，确保强度。阻抗缩小land面，减少应力。成为积木对策。The Leader for Superior QualityCS Management Center波峰焊锡炉的腐蚀原因通过无铅化，焊锡和Sn base形成合金，侵蚀Fe。如果在旋转泵上始终有焊锡循环，侵蚀就严重。现象也发生在SUS304、SUS316上。多发生于助焊剂的整流部。多发生在加热器折弯加工内侧。曾经有过在Sn-Ag-CuSolder上以250连续发生6个月的例子。The Leader for Superior QualityCS Management Center焊锡炉的结构和发生场所虽然有程度差异，但随处都可能发生。螺旋桨螺旋桨侧面墙侧面墙底面底面舱室舱室液面附近液面附近通气口通气口轴轴加热器加热器The Leader for Superior QualityCS Management CenterErosion 发生事例螺旋桨加热器焊锡水槽The Leader for Superior QualityCS Management CenterErosion 发生和成长的结构熔融焊锡不动态保护膜不锈钢不动态保护膜不锈钢的内在缺陷缺陷中混入焊锡不锈钢内部缺陷区域扩大潜伏期缺陷区域进行由于内在的缺陷和外部因素，保护膜被破坏。dc/dtK(A/V)(Cs-C)C:反应时间 t(s)最终溶液中的溶质浓度K:净水、A：固体和液体的接合面积V:溶液的容积,Cs:溶液中的饱和溶质浓度The Leader for Superior QualityCS Management Center确定事项发生的地方各自不同，无法一概定论。温度、流速、压力或助焊剂会加速侵蚀。316 比SUS304涌出速度慢。(c的效果）Fe不会引起各部侵蚀。（均匀侵蚀）表面处理会延迟侵蚀开始时期。根据氮化处理方法，也有不起效果的时候。在外部缺陷或保护膜强度较弱时，表面处理不会起到效果。现在对发生侵蚀的原理的解释还不够充分，很难预测准确的寿命。最好是通过正确的管理和预防对策提前防止损害。The Leader for Superior QualityCS Management Center装置寿命改善对策方案不发生局部的侵蚀需要结果控制和检查Fe 合金材料材料变更表面处理分类Cost 上涨少效果验证不充分和过去的结构有所不同。SUS 材质变更其它Ti 涂层 利用数m的氮化膜延迟侵蚀。(SP处理等)防湿方法(确保膜的强度）陶瓷涂层氮化处理表面很脆弱。（多种清扫方法）高度防止法(陶瓷涂层、Ti涂层)价格贵 如果可适用的部位受到限制，就利用陶瓷涂层等。表面氧化(改良）优、缺点特征处理方法气流方式改良定压方式电子诱导方式发生突发性破损重量增加废除螺旋桨油路设计变更废除螺旋桨流速/冲突类的影响小贯通口的改善焊锡量少The Leader for Superior QualityCS Management Center管理和检查的基本方针1.履历、装置、开始时期、运转状况、检查员的确认制度化2.发现异常症状为优先(在焊接部分是否由于焊锡熔融温度而发生了凹凸)3.确认异常症状后增加检查次数，实施详细的检查。4.采取适合异常症状的对策方案、预算措施，以备破损和替换。The Leader for Superior QualityCS Management CenterQFPIC线头焊锡fillet焊锡剥离【再熔融剥离】对电路板表面实施回流焊接后，对背面实施流动焊接(Wave)时，表面装备部件(QFP,BGA)的接合部剥离的现象在回流/流动中的Fillet剥离【对策】QFP,BGA线头的 Sn-Pb镀金废除（防止Pb的混入）防止线头的温度上升（采用流动 Pallet,散热器、冷却等）The Leader for Superior QualityCS Management CenterSn-Ag-Cu焊锡/Sn-Pb线头接合部的热分析179.4在约17上吸热peak再熔融Fillet剥离和推测原因【推测原因】SnAgPb的低熔点相（Mp约179）的形成装备电路板和package的弯曲状态发生再熔融的剥离(例)线头侧(焊锡)条件:5Bi回流照片:剥离部表面状态 Land侧(化合物)温度M31 流动(250)The Leader for Superior QualityCS Management Center80801001001201201401401601601801802002002202202402400 01 12 23 34 45 56 6添加量添加量（wtwt）温度温度（）SnAgCuSnAgBi8InSnZn3BiSnAgCu5BiSnBi因Pb混入L/F Solder中而引起的凝固点变化The Leader for Superior QualityCS Management Center再熔融Fillet剥离对策DOWN 线头温度（）UP线头温度和再熔融剥离的关系【对策】采用无铅电镀部件，以扩大不发生再熔融剥离的温度领域。流动焊接时防止回流面(1次面)的温度上升。(流动用 Pallet,散热器,送风机的采用)Sn-Ag-Cu焊锡/SnBi线头接合部的热分析没有低熔点上的peak.再熔融剥离的发生率（）温度The Leader for Superior QualityCS Management CenterFPC/FFC 连接器短路不良SnCu 镀金连接器本身没有问题，但是在结合状态下发生晶须 由于结合压力(外部应力)，Sn原子被挤到表面。晶须发生倾向:SnPb SnBi,SnAg,Reflow-Sn matt Sn SnCu对策:Ni 基础金属(2um),Sn-2Bi、Reflow-Sn镀金（m）0.5mm pitch以下 Ni基础 Au镀金The Leader for Superior QualityCS Management Center纯Sn层厚度和接触电阻以及晶须长度纯Sn层厚度（）晶须长度接触电阻最佳镀锡厚度为13m(有i基础镀金）The Leader for Superior QualityCS Management Center晶须成长原理lCu 元素扩散到 Sn镀层(形成IMC)l根据热膨胀系数差发生压缩应力(环境)lSn 镀层的氧化(混合镀层)l原子受力而移动（Dislocation)为了缓解Sn镀层的压缩残留应力而成长虽然从力学、金属学角度企图解释晶须发生/成长原理，但迄今仍没有找到很好的解释方法。CuCuSnSnSnOx layerSnOx layerWeak SpotCuCuSnSnSnOxSnOxTin WhiskerTin WhiskerCuCu6 6SnSn5 5CompressionCompressionIMCIMCTensionTensionThe Leader for Superior QualityCS Management Center根据原子移动的晶须成长模式局部应力平均分配组织细微（粒子直径:数）应力多轴性原子移动破坏AtomtransportationSubstrateExternalload例：应力移动电子移动根据连接器Contact的压缩应力The Leader for Superior QualityCS Management Center接点下地母材接点镀金基础镀金母材利用球形压子的镀膜负荷加载试验标准化采用二氧化锆（人造钻石）,没有表面处理（表面凹凸,表面处理的影响,从相对侧镀金的和粘接差开始）压子面的Sn镀膜转印度肉眼确认,可以清扫负荷试验的优点组装产品时可在各种镀板上容易进行评价在一定条件下可通过大大改变接触力进行评价在一定条件下可评价各种镀膜质量压子的形状和反复性评价的不均衡较少。确定连接器晶须评价试验方法1IEC标准化负荷The Leader for Superior QualityCS Management Center线路板Cu2+2e-负极正极水膜CuCu2+2e-Cu2+2e-CuIon Migration是指在水分存在的条件下，Solder或电极端子的金属被溶解Ion化，在电场中被正极所吸引后析出的现象。作为影响因素包括温度、湿度、电气化学序列（Galvanic 电位序列）、PH、施加电压、合金元素、Flux残沙、线路板中的Ion性溶出元素、附着的异物等，必须要牢固控制这些因素。Ion Migration The Leader for Superior QualityCS Management Center Ion Migration的成长过程 Migration发生 附霜 初期(冷却)附水分 The Leader for Superior QualityCS Management Center Ion Migration的成长过程 Migration 成长 Short Short ShortThe Leader for Superior QualityCS Management CenterAg和Ag paste最容易发生Migration。0.010.0010.1110010Solid Ag Ag-15Cu Ag-30Pd Ag50Pd Ag-75Au AgPaste Cu Cu-85Sn Cu-35Zn Cu-20Ni Ni Pb Pb-60Sn Sn-4AgMigration 感受性（Ag为100时）Solder材料的耐感受性以下面为准。Sn-Cu Sn-Pb Sn-Ag Sn-Bi Sn-Zn Sn-Zn在Lead-Free Solder中Migration耐性最高。各种材料的Ion Migration感受性 The Leader for Superior QualityCS Management Center Ion Migration的防止方法 尽可能抑制金属的Ion化。不实施金属的Ion化。防止金属的析出。方法 内容 对策事例 保护保护用吸湿性附水性较低的树脂覆盖线路。环氧树脂，清漆，聚氨酯树脂等利用真空或注入干燥Gas的容器。半导体的真空包等。涂抹填充binder的抑制涂料(接点等)。涂抹添加碳的抑制涂料。材料材料Ag-Pd系合金如果Pd浓度较高，实际上就可以起到抑制Migration的效果。降低Migration感受性。Ag-Pd的合金化。在Ag-Cu系合金中Ag变成稳定的固溶体，成为以Cu的Migration进行的铜的特性。降低Migration感受性。Ag-Cu的合金化。排除排除IonIon性性不纯物不纯物 洗净或清除含在熔剂内部或树脂和粘接剂等中的离子性不纯物。不仅是溶剂，转换成利用脱Ion水的焊锡更为有效。添加添加IonIon补补助体助体 在树脂中包括吸附Ion的无机物质，以降低树脂中的Ion性不纯物。分子中的化合物抑制Ag的过渡。避免使用Migration感受性高的材料。(Ag等)防止吸湿/附水分。排除Ion性不纯物。The Leader for Superior QualityCS Management Center对策项目对策项目内容内容变更材料变更材料废止Ag paste的使用，变更为导体电路的Cu以及在Connector接点上的Whisker对策 镀金(变更为 Ni 下地 Au镀金,Sn-AgSn-Ag镀金镀金 ,eflow-Sneflow-Sn 镀镀金金,Sn-BiSn-Bi镀金镀金等。等。镀金厚度为m）变更为Migration 感受性低于Ag paste的Ag-PdAg-Pd合金合金P Pasteaste。Pd浓度越高，就更能抑制Migration。（只是，在使用含5%Pd的Ag Paste时，Cost为Ag Paste的1.5倍左右。)CoatingCoating涂抹保护涂料涂抹保护涂料（碳素墨水碳素墨水）。碳素墨水在普通导电墨水的特性中为了抑为了抑制银离子的溶出，必须具有良好的和器材之间的粘着性，在涂膜上不应制银离子的溶出，必须具有良好的和器材之间的粘着性，在涂膜上不应发生细微的发生细微的Pin HolePin Hole。而且很好的覆盖下地的银回路，同时保持能适当维持回路间Gap的FineFine印刷性，印刷性，同时不要具有反复插入Connector时能耐得住程度的涂膜硬度和表面平滑性。在MBSW中的FPC Migration对策如果是Connector连接用FPC，就必须注意Migration的同时发生的Whisker。需要可信性，Total Cost中的比较评价。Coating前Coating后里表The Leader for Superior QualityCS Management CenterL/F生产方面的世界性课题NoNo存在的问题存在的问题对策内容对策内容低温低温/F Soldering/F Soldering技术开发技术开发(适应适应部件耐热性的熔点部件耐热性的熔点200200以下的焊以下的焊接接）以以Sn-ZnSn-Zn系系、Sn-BiSn-Bi系为中心的新材料实用系为中心的新材料实用化技术化技术 (可靠性评价试验方法可靠性评价试验方法,焊接试验法焊接试验法,VoidVoid允许标准允许标准,细微接合部的评价方法细微接合部的评价方法)的确的确定定连接器晶须对策连接器晶须对策（没有确定连接器和连接器以及没有确定连接器和连接器以及FFC/FPCFFC/FPC的表面处理方法的表面处理方法）电镀技术的确定电镀技术的确定（SnSn系系：无光泽回流处理无光泽回流处理 ,23m23m厚度厚度 (有有NiNi基础镀金基础镀金)Sn-B)Sn-B系系 NiNi基基础镀金础镀金）眼下眼下0.5mm Pitch0.5mm Pitch以下推荐以下推荐AuAu镀金镀金连接器晶须标准试验方法的确定连接器晶须标准试验方法的确定Wave Wave Soldering Soldering 焊锡炉的侵蚀焊锡炉的侵蚀（Pot,Pot,加热器加热器,翼翼,轴等轴等）SUS304316L,SUSSUS304316L,SUS表面氮化处理等表面氮化处理等,定期定期整备整备(预防预防),),新材料开发新材料开发Lead Lead 含量含量10001000PPMPPM以下的管理方以下的管理方法法ICP,XRFICP,XRF等简单的测定方法等简单的测定方法测定方法和测定标准的标准化测定方法和测定标准的标准化(IEC)(IEC)Wave Wave SolderSolder的低成本化的低成本化 （在贯通口在贯通口(Through-Hole)PCBThrough-Hole)PCB的的 FillingFilling上采用上采用Sn-3Ag-0.5CuSn-3Ag-0.5Cu）开发变为开发变为Sn-3Ag-0.5CuSn-3Ag-0.5Cu的低成本焊锡的低成本焊锡（ExExAgAg含量减少等含量减少等）The Leader for Superior QualityCS Management Center对今后应对L/F的要求对代表性产品需要判断和收集可靠性的主要基础数据，并予以确认。对代表性产品需要判断和收集可靠性的主要基础数据，并予以确认。（温度周期温度周期,高温高湿高温高湿,高温装置高温装置,晶须试验等晶须试验等）在和国外法人的合作公司中需要彻底实施在和国外法人的合作公司中需要彻底实施的的L/L/技术教育和管理。技术教育和管理。(学科教育和实际操作学科教育和实际操作(Manual Soldering)(Manual Soldering)的双重教育和认证的双重教育和认证)需要利用曾在需要利用曾在L/FL/F认证中使用过的认证中使用过的Check-ListCheck-List，定期实施自我诊断。定期实施自我诊断。(包括包括Check-ListCheck-List的临的临时性修改时性修改）Lead-FreeLead-Free技术还没有完成。在低温技术还没有完成。在低温Lead-FreeLead-Free等领域，今天仍在进行新技术的开发，所等领域，今天仍在进行新技术的开发，所以希望正确了解世界性动向，迅速采取相应对策。以希望正确了解世界性动向，迅速采取相应对策。