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PCB工厂实施无铅焊接的折衷方案

  实施无铅有三个主要步骤必不可少- 了解无铅背后的科技,选择“适当”的工艺和材料系统并充分理解其优点和局限,然后把选定的工艺和材料结合到现有的基础架构中。
  对于PCBA组装制造商来说,一个好消息是他们不用再担心焊锡合金的选择问题。NEMI、JEITA、IDEALS、NCMS等组织及其他焊锡材料供应商已经证明了SnAgCu (SAC)合金是近中期推行无铅生产工艺最理想的焊锡合金,理由如下:
  1. SAC不含Bi,而且不会与铅形成低熔点相。形成低熔点合金相是含Bi合金最主要的问题,你不能假设元件脚或线路板表面处理不会给焊接工艺造成铅污染,特别是在无铅转换的早期阶段。只要铅污染含量达3%,即会形成以SnBi10.5或SnBi12形式存在的Sn/Bi/Pb共晶体,其熔点只有96℃。
  低熔点不仅影响组件在高温环境下(如在汽车内)的使用,而且对所有温度下的疲劳测试都有不良影响。既然元件引脚及印刷线路板(PWB)表面在未来至少几年内极可能仍会造成铅污染,所以含Bi焊锡合金就不是无铅焊接理想的选择。不过从某种意义上来讲是一件可惜的事,Sn/Bi合金会在低于150℃的温度下熔化,而这是个非常低的焊接温度。当制造装配过程中铅含量变得很低时,Sn/Bi及Sn/Bi/Ag也许是不错的选择。含Zn的无铅焊锡合金在日本以外基本上不受重视,其原因是制造过程较难以及出于可靠性方面的考虑。
  现在留给制造商们的时间已经不多,必须考虑为无铅化生产做好准备。
  2. SAC的熔点相对比较低,当SAC合金中银低于5.35%及铜低于2.3%时,液固相温差将低于3℃,最理想的SAC合金熔点为217℃。
  3. SAC只含有3种成份。当合金中成分种类变多时,就易产生杂质的问题,制造起来也比较困难,批量生产时熔点或液固相温差会变得难以控制。
  4. 总的来说,SAC不是受专利权保护的合金,当然对某些地区或是组织来说也有例外,在选择SAC合金前你必须确认你要使用的地区或产品销售目的地。
  5. 前期试验证明SAC可靠性等于或优于SnPb合金。
  试验证明,银含量在3.0%至4.0%之间变化及铜含量在0.5%到0.7%之间变化时,焊锡性能不会受到影响。基于此,SnAg3.9Cu0.6 (+/0.2%银或铜)是无铅焊锡的第一选择。不过后续工作证明,SnAg3.0Cu0.5可能是一个更好的折衷方案,在空洞不良率可接受水平下能将墓碑效应减到最低。
  印刷线路板与零件表面处理
  在无铅焊接过程中,PWB焊盘表面处理必须与所用的无铅焊锡材料完全匹配。现有几种无铅表面处理工艺,包括OSP、浸银、浸铅、无电镀镍/浸金(ENIG)等。虽然这些表面处理工艺很可靠且适用于大多数场合,但每种均有其优点与不足。对于具体工艺而言,最适合的表面处理应通过评估工艺要求以及将其与各种不同的PWB表面处理特性进行匹配来确定。不过值得注意的是,尽管OSP表面处理被认为不那么可靠,但相对来说成本是最低的,使用OSP表面处理的小型及大型线路板均可成功实现无铅焊接。也有在ENIG表面处理线路板上成功进行无铅焊接的经验,一些PWB表面处理供应商则为无铅工艺推荐浸银表面处理。
  引脚经过无铅表面处理的元器件现在逐渐可以在市面上采购得到,同线路板表面处理一样,其无铅焊接工艺必须能与所有普通的表面如SnPb、100% Sn、Pd/Ag、Ni/Pd、Ni/Sn、Ni/Pd/Au及NiAu实现焊接。短期内,可能有很多元器件还是Sn/Pb处理,因此无铅焊接工艺必须能适应无铅锡膏、无铅PWB及有铅元器件。当然,要实现真正的无铅焊接,就必须要求所有的元器件都是无铅的。
  当采用100%锡进行元器件引脚处理时,锡须是一个需要考虑的问题,尤其是对那些高可靠性长时间使用的电子产品。这引起了人们的关注,并开展很多相关研究,感兴趣的读者可从互联网上搜索到有关信息。一些元器件制造商,如是德州仪器实现了完全不用锡的引脚表面处理,因此避免了锡须现象。
  另一个对PWB及元器件的担心是它们是否能承受无铅焊接过程中比较高的回焊温度。既然SAC合金大约在217℃熔化,元器件及线路板就必须能承受235-240℃的回焊温度。对于大型线路板来说,这种担忧更甚,因为回焊温度必须在250℃或更高。
  无铅焊接中回流焊工艺的控制非常重要。
  无铅焊接所需的更高回焊温度同样加重了对湿度敏感元件(MSD)如BGA的担忧,在无铅焊接所需高回焊温度下,元器件MSD水平可前能移一到两级。因此,能适应普通铅锡合金焊接过程的湿度敏感零件,可能需要更好的贮存及运输条件以确保无铅焊接过程中不会产生MSD的问题。
  其它因素
  被动元件的立碑效应是铅锡焊接过程中经常需要考虑的问题,无铅焊锡更高的熔点及更大的表面张力将使这一问题更加严重。锡膏在被动元件的一端比另一端先熔化是此不良产生的主要原因,另外,线路板焊盘上锡膏过多以及元件贴装不对称也会导致立碑。可能因为有沉埋孔的焊盘升温更快,当被动元件焊盘处在沉埋孔上时立碑效应特别明显,原因是沉埋孔上的焊盘热容量低导致升温非常快。
  改变钢网网孔大小以减少印刷在被动元件焊盘的锡膏量可减少此类不良,后续的研究工作显示,在回流温度曲线上比液相线温度低10℃处保持短暂的温度不变可有效降低此不良。
  BGA及CSP焊点上的空洞也是使用铅锡焊膏时经常遇到的缺陷。空洞是由于锡膏中助焊剂产生的气体不能从熔化的焊锡中排出造成的,BGA及CSP上焊锡凸点、焊盘及锡粉等的氧化也会加剧空洞的产生。
  无铅焊接会引起一个新的潜在空洞产生源,即某些BGA只有铅锡焊球。当使用无铅锡膏及铅锡凸点BGA时,焊锡球会在比锡膏熔点低35℃处熔化。在焊锡球是液态而锡膏不是液态时,助焊剂会放出气体直接进入熔化的锡球中,从而可能产生大量的空洞。有人做过一项DOE试验来确定回流温度曲线温升速率对空洞产生数量及大小的影响,使用的温升速率为0.5、0.8和1.5℃/秒,试验结果表明较高的温升速率能显着地减少所产生空洞的大小。
  温升速率对产生的空洞数量没有影响,也就是说,有同样多空洞产生,但它们平均尺寸都很小,空洞尺寸减小程度非常显着而使其能够符合规范的要求。
  惠普公司对大型线路板的无铅焊接工艺进行了重要的研究工作,研究结果有以下不同:
  1. 对于较厚的线路板(厚度3.5mm)最好用高Tg的FR4树脂;
  2. 需要采用更热但更严格的回流温度曲线(Tm=240±2.5℃);
  3. 用OSP及NiAu焊盘表面处理的线路板效果会更好。
  实现无铅焊接必须要确保含铅与无铅的焊锡材料、线路板及元器件分开保存,不能混放。所有无铅产品制造商都必须有一个“无铅物料保障工作组”来制定防止混放的相关程序及规章制度。正如前文所说,MSD也是运输储藏必须考虑的头等大事之一。
  统计过程控制(SPC)对于确保装配过程中高合格率以及为将来的持续改进提供数据非常有用,在锡铅焊接过程中SPC可能只是起辅助作用,但在无铅焊接过程中它却是至关重要的,因为无铅焊接要求更窄的工艺参数窗口。特别是回流焊过程中,为避免损伤元件及线路板,工艺参数窗口通常很窄。

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