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關于無鉛焊的介紹

    傳統的錫鉛焊料在電子裝聯中已經應用了近一個世紀。共晶焊料的導電性、穩定性、抗蝕性、抗拉和抗疲勞、機械強度、工藝性都是非常優秀的,而且資源豐富,價格便宜。是一種極為理想的電子焊接材料。但由于鉛污染人類的生活環境。據統計,某些地區地下水的含鉛量已超標30倍,由于Pb是一種有毒的金屬,對人體有害,并且對自然環境有很大的破壞性,所以引進了無鉛焊絲。

一. 無鉛焊接的起源:
    由于環境保護的要求,特別是ISO14000的導入,世界大多數國家開始禁止在焊接材料中使用含鉛的成分。
    日本在2004年禁止生產或銷售使用有鉛材料焊接的電子生產設備。歐美在2006年禁止生產或銷售使用有鉛材料焊接的電子生產設備。據估計,中國沒有多久也將采用無鉛焊接。
   因此,在這種情況下,電子材料開始生產無鉛焊料。例如:美國 Alpha metal焊絲:reliacore 15的主要組成成分為S nAgCu.
二、 無鉛焊接技術的現狀
    無鉛焊料合金成分的標準化目前還沒有明確的規定。IPC等大多數商業協會的意見:鉛含量<0.1-0.2WT%(傾向<0.1%,并且不含任何其它有毒元素的合金稱為無鉛焊料合金。
1、 無鉛焊料合金
無鉛化的核心和首要任務是無鉛焊料。正公認能用的有:
(1) 目前最有可能替代Sn/Pb焊料的合金材料
(2) 目前應用最多的無鉛焊料合金三元共晶形式的Sn95.8\Ag3.5\Cu0.7(美國)和三元近共晶形式的Sn96.5\Ag3.0\Cu0.5(日本)是目前應用最多的用于再流焊的無鉛焊料。其熔點為216-220℃左右。
無鉛合金焊料較仍然有以下問題:
(A)熔點高34℃左右。
(B)表面張力大、潤濕性差。
(C)價格高
2、PCB焊盤表面鍍層材料
    無鉛焊接要求PCB焊盤表面鍍層材料也要無鉛化,PCB焊盤表面鍍層的無鉛化相對于元器件焊端表面的無鉛化容易一些。目前無鉛標準還沒有完善,因此無鉛元器件焊端表面鍍層的種類很多。
3、 目前無鉛焊接工藝技術處于過渡和起步階段
    雖然國際國內都在不同程度的應用無鉛技術,但目前還處于過渡和起步階段,從理論到應用都還不成熟。沒有統一的標準,對無鉛焊接的焊點可靠性還沒有統一的認識,因此無論國際國內無鉛應用技術非;靵y,因此目前迫切需要加快對無鉛焊接技術從理論到應用的研究。
三、 無鉛焊接的特點和對策
1、 無鉛焊接和焊點的主要特點
(1) 無鉛焊接的主要特點
(A)高溫、熔點比傳統有鉛共晶焊料高34℃左右。
(B)表面張力大、潤濕性差。
(C)工藝窗口小,質量控制難度大。
(2) 無鉛焊點的特點
(A)浸潤性差,擴展性差。
(B)無鉛焊點外觀粗糙。傳統的檢驗標準與AOI需要升級。
(C)無鉛焊點中氣孔較多,尤其有鉛焊端與無鉛焊料混用時,焊端(球)上的有鉛焊料先熔,覆蓋焊盤,助焊劑排不出去,造成氣孔。但氣孔不影響機械強度。
(D)缺陷多-由于浸潤性差,使自定位效應減弱。
    無鉛焊點外觀粗糙、氣孔多、潤濕角大、沒有半月形,由于無鉛焊點外觀與有鉛焊點有較明顯的不同,如果有原來有鉛的檢驗標準衡量,甚至可以認為是不合格的,隨著無鉛技術的深入和發展,由于助焊劑的改進以及工藝的進步,無鉛焊點的粗糙外觀已經有了一些改觀。
四、 無鉛工藝對助焊劑的挑戰
(1) 無鉛工藝對助焊劑的要求
(A)由于焊劑與合金表面之間有化學反應,因此不同合金成分要選擇不同的助焊劑。
(B)由于無鉛合金的浸潤性差,要求助焊劑活性高。
(C)提高助焊劑的活化溫度,要適應無鉛高溫焊接溫度。
(D)焊后殘留物少,并且無腐蝕性,滿足ICT探針能力和電遷移。
(2) 焊膏印刷性、可焊性的關鍵在于助焊劑。
確定了無鉛合金后,關鍵在于助焊劑。選擇焊膏要做工藝試驗,看看印刷性能否滿足要求,焊后質量如何?傊x擇適合自己產品和工藝的焊膏。
(3) 無鉛焊劑必須專門配制焊膏中的助焊劑是凈化焊接表面,提高潤濕性,防止焊料氧化和確保焊膏質量以及優良工藝性的關鍵材料。高溫下助焊劑對PCB的焊盤,元器件端頭和引腳表面的氧化層起到清洗作用,同時對金屬表面產生活化作用。
(4) 波峰焊中無VOC免清洗耳恭聽焊劑也需要特殊配制。無鉛焊膏和波峰焊的水溶性焊劑對某些產品也是需要的。
(5) 高溫對元件的不利影響
    陶瓷電阻和特殊的電容對溫度曲線的斜率(溫度的變化速率)非常敏感,由于陶瓷體與PCB的熱膨脹系數CTE相差大,在焊點冷卻時容易造成元件體和焊點裂紋,元件開裂現象與CTE的差異、溫度、元件的尺寸大小成正比。
鋁電解電容對清晰度極其敏感。
連接器和其他塑料封裝元件在高溫時失效明顯增加。主要是分層、爆米花、變形等、粗略統計,溫度每提高10℃,潮濕敏感元件(MSL)的可靠性降1級。解決措施是盡量降低峰值溫度;對潮濕敏感元件進行去潮烘烤處理。
(6) 高溫對PCB的不利影響
    高溫對PCB的不利影響在第三節中已經做了分析,高溫容易PCB的熱變形、因樹脂老化變質而降低強度和絕緣電阻值,由于PCB的Z軸與XY方向的CTE不匹配造成金屬化孔鍍層斷裂而失效等可靠性問題。
    解決措施是盡量降低峰值溫度,一般簡單的消費類產品可以采用FR-4基材,厚板和復雜產品需要采用耐高溫的FR-5或CEMn來替代FR-4基材。
(7) 電氣可靠性
    回流焊、波峰焊、返修形成的助焊劑殘留物,在潮濕環境和一定電壓下,導電體之間可能會發生電化學反應,導致表面絕緣電阻的下降。如果有電遷移和枝狀結晶(錫須)生長的出現,將發生導線間的短路,造成電遷移(俗稱“漏電”)的風險。為了保證電氣可靠性,需要對不同免清洗助焊劑的性能進行評估。
(8) 關于無鉛返修
① 無鉛焊料的返修相當困難,主要原因:
(A)無鉛焊料合金潤濕性差。
(B)溫度高(簡單PCB235℃,復雜PCB260℃)。
(C)工藝窗口小。
② 無鉛返修注意事項:
(A)選擇適當的返修設備和工具。
(B)正確作用返修設備和工具。
(C)正確選擇焊膏、焊劑、焊錫絲等材料。
(D)正確設置焊接參數。
除了要適應無鉛焊料的高熔點和低潤濕性。同時返修過程中一定要小心,將任何潛在的對元件和PCB的可靠性產生不利影響的因素降至最低。
(9) 關于過度時期無鉛和有鉛混用情況總結。
(A)無鉛焊料和無鉛焊端――效果最好。
(B)無鉛焊料和有鉛焊端――目前普通使用,可以應用,但必須控制Pb,Cu等的含量,要配制相應的助焊劑,還要嚴格控制溫度曲線等工藝參數,否則會造成可靠性問題。
(C)有鉛焊料和無鉛焊端――效果最差,BGA、CSP無鉛焊球是不能用到有鉛工藝中的,不建議采用。
    目前無鉛工藝當中采用的釬焊料相對比原來的焊料成分方面錫的含量增大很多,其合金成分相對有很大的提升。在生產加工過程中,其錫渣的產生量比原來普通焊料的產生量也有很大幅度的提高。如果能將錫渣的產生量降低則對于材料消耗方面的成本控制是有益的。
錫渣主要是錫在高溫環境下和氧氣發生反應產生的氧化物,通過物理高溫攪拌可以將大部分的錫氧分離(即錫渣還原),將分離的錫重新使用,也可利用化學置換還原反應將錫渣中的氧分子置換后還原成純錫而重復使用。
    每個工廠可根據自身的機器及工藝安排等方面綜合考慮得到較好的無鉛化的道路。
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