无铅化培训教材ROHS.ppt

RoHS theRestritionoftheuseofcertainHazardousSubstauceinelectricalandelectronucequipment 禁止在电气电子设备中使用特定有害物质指令 内容 第一部分 电子产品实施无铅化是一个系统工程第二部分 无卤FR 4覆铜板 无铅 化第三部分 对无铅化的理解和PCB相关考虑 第一部分 电子产品实施无铅化是一个系统工程 1 电子产品实施无铅化的提出 长期以来 在机械 化工和电子等领域中 铅及其含铅物质 由于具有优良的机械 化学和电气特性 在地表内储藏量丰富 价格又便宜 因而在硫酸工业 巴比合金 以铅为主体的合金 电缆 蓄电池和防X 射线等范围得到了大量而广泛的应用 近五十年来 铅及其合金在电子产品中的PCB加工 电镀 HASL等 焊接与组装 焊料 焊膏等 等领域内也得到了广泛地应用 尽管铅及其合金 绝大部分是铅 锡合金 在电子产品的PCB工业 或电子产品行业 中所用的铅仅占全世界的铅耗用量的百分之二以内 但是由于电子产品的制造 特别是PCB和元组件的加工与焊接或组装等 使用 特别是废弃电子产品中的铅元素的污染与铅含量将随着电子产品的迅速发展而明显增加着 如果这些含铅产品的制造加工 特别是废弃的电子产品处理不当 事实也证明了这个问题 铅及其铅离子就会渗透入土壤和污染水源 并以 食物 链 通过鱼 虾 蔬菜等 和直接 呼吸 饮水等 进入人体内部 特别是极容易进入血液并积累起来 造成铅中毒 这种铅在人类中毒之前 大多呈现慢性症状隐匿不易觉察 当铅中毒之后 血浓度超标 通常会引起多动症 脾气急噪甚至攻击人 注意力短暂 嗜睡无精神 记忆力下降 智力底下甚至痴呆 消化系统常会引起食欲不振 反复腹痛 腹泻或便秘 造血系统表现为贫血 缺锌 还会引起反复呼吸道感染等 特别是对小孩影响更甚 还会引起发育迟缓等 从而在20世纪90年代前后充分引起了人们的重视 在20世纪90年代初 美国首先提出了无铅工艺并相应制定了一个标准来限制电子产品中的铅的含量 但主要是由于当时无铅 PCB加工及其焊接焊料 技术还不成熟 没有合适的取代品 加上若按这样做 不仅电子产品的可靠性成问题 而且势必加大相关制造商的制造成本 结果无铅工艺及其相应的标准被暂停下来 但是这个研究工作并没有停顿起来 而是加大了对锡 铅体系的取代品的开发研究 近十多年来 先后开发成功可实用化且接近锡 铅体系性能与可靠性的锡 银 铜体系 如SAC305 即Sn 96 5 Ag 3 0 Cu 0 5 和锡 铜体系 如Sn 99 2 Cu 0 8 等 条件和时机已接近成熟 于是 欧盟于2003年2月13日颁发了ROHS即 禁止在电气电子设备中使用特定有害物质指令 和WEEE即 废弃电气电子设备指令 的两个指令 并将在2006年7月1日起正式实施 接着 中国也相续进行了 电子信息产品污染防止管理办法 和 电子产品污染管理办法 等的相关立法 草案 工作 以便控制国内电子产品加工 组装 使用和废弃等对环境的污染与危害 并鼓励和推动电子产品走 绿色化的清洁生产与可持续发展的道路 这些 指令 等颁布和即将实施 意味着将对电子行业的和其它行业产生深远的影响 也意味着无铅等变革时代的开始与到来 需要有关的行业共同来大力改进与完善这项事业 两个 指令 的核心内容 一 2006年7月1日起 新投放市场的电气电子产品应不含铅 汞 镉 六价铬 多 聚 溴联苯 PBB 和多 聚 溴联苯醚 PBDE 等六种有害物质 而作为树脂阻燃剂的四溴双酚A TBBPA 没有列人 二 生产商负责回收废弃电气电子设备的收集 分类和处理 并负担相关的费用 三 处理废弃电气电子设备的机构应获得主管机关 部门 的许可 处理废弃电气电子设备的单位在存放和处理废弃电气电子设备时应符合WEEE附件三的要求 从上述两个 指令 中 可看出 作为电子产品中最重要的部件之一 PCB 或CCL基材 中用量最大的阻燃剂 四溴双酚A TBBPA 经过长期实践和反复完成的年科学试验表明是无害的 不在有害物质之例 列 接着 欧盟又在2004年12月最新修订的危险评估报告中确认 四溴双酚A 对人体健康是安全的 而对环境危险评估将在2005年内完成 2005年7月在深圳的 覆铜板及印制电路绿色环保生产与四溴双酚A的应用研讨会 上 BSEF主席DrRaymondBDawson又重申了这个观点 并指出四溴双酚A允许继续使用 从目前情况来看 对PCB或CCL的冲击是无铅化焊料问题而不是无卤化阻燃剂问题 因此 无铅化是目前和未来推动CCL材料 PCB生产和电子组装等行业变革与发展的热点 同时 无铅化电子产品是指电子产品 含原辅材料 PCB 元器件 在制造 加工 焊接 组装和使用等过程中不含铅成分的产品 即 实际规定质量比的Pb 0 1 wt RoHS限制的化学物质含量 RoHS指令记载的规制对象外项目 2 无铅化焊料及其特性 无铅焊料与传统Sn Pb焊料相比 不仅组成体系不同 而且在各种性能上有着很大的差别 同时 传统Sn Pb焊料体系已经应用50多年的历史了 有着成熟的应用技术工艺和丰富的使用实践经验 而无铅化焊料 尽管研究了20多年 到目前为止 比较成熟的或勉强能取代Sn Pb焊料体系的 主要是Sn Ag Cu SAC305 焊料体系 然而无铅焊料的实践应用 无论从应用时间 还是从由于应用领域与产量都是不多或者是有限的 因此 我们必须对其深入加以了解 掌握其应用中的基本特点 问题和发展方向 所以无铅焊料是电子产品整个无铅化工程的关键部分 同时 按无铅化焊料的诞生 发展和应用等过程来看 无铅化焊料还是个 新生事物 总需要有一个从无到有 从小到大 从弱到强的发展壮大的过程 但是 这个无铅焊料及其焊接的 新生事物 对整个电子产品的制造 加工 焊接 组装 检测和使用等所带来的冲击和影响的程度 毫无疑问会给我们带来新的认识 新的内容 新的方向和新的问题 必须加以了解和掌握 知己知彼 做好相关的工作 才能把握与控制无铅化生产产品主动权 2 1 无铅化焊料的基本条件 电子产品采用Sn Pb 63 37或60 70 40 30 焊料已有50多年的历史了 形成了非常成熟的技术工艺和丰富的生产实践经验 因此要取代传统的有铅焊料无铅焊料必须符合或者接近有铅焊料的一些基本特性和要求 其中 最重要地是 1 无铅焊料组成的合金低共 晶 熔点 2 无铅焊料的可焊性 润湿性 3 无铅焊料的可靠性 形成的电子产品的可靠性 1 无铅焊料组成的合金低共 晶 熔点 从电子产品的焊接和组装等工艺技术条件的要求考虑 不能破坏电子产品中的元器件 组装件和PCB基板等的基本特性 因此无铅焊料组成的合金低共 晶 熔点应尽量接近传统Sn Pb焊料合金低共 晶 熔点183 在焊接时 过高的无铅焊料合金低共 晶 熔点温度将会破坏电子产品中的元器件 组装件和PCB基板等的基本特性 这是因为有如下诸多理由来决定了的 a 元器件 组装件和PCB基板在高温焊接时的适应性 由于长期以来采用传统的Sn Pb合金焊料体系 因此所建立起来的元器件 组装件和PCB基板等的耐热温度是与Sn Pb焊料合金体系的焊接条件与要求相适应的 如果无铅焊料合金的低共熔点温度过高 或远超过183 这意味着其焊接温度也会远超过Sn Pb焊料合金的焊接温度 当无铅焊料的焊接温度超过元器件 组装件和PCB基板的耐热温度时 则意味着不能保证 保持 焊接组装后的元器件 组装件和PCB基板等的基本性能 从目前来看 可以取代传统Sn Pb焊料的最佳无铅焊料组成为Sn Ag Cu合金体系 其低共 晶 熔点为217 高出Sn Pb焊料合金的低共 晶 熔点34 因此无铅Sn Ag Cu合金焊料的焊接温度也相应得高出20 40 之间 为了适应无铅化焊料的低共 晶 熔点温度的提高 对于耐热性能较差的某些少数元器件 组装件和PCB基板等应及时进行改进与提高 如常规的PCB基板所用的普通FR 4基材 其环氧树脂的分解温度 Td 太低 大多为310 左右 必须改进并提高到350 左右 才能适应目前无铅化焊料的焊接条件的要求 对于耐热性能较差的元器件 组装件和PCB基板 可以采用比传统Sn Pb焊料体系低共 晶 熔点温度低的无铅焊料进行焊接 如Sn Bi 58 wt 焊料合金的低共 晶 熔点为139 但由于Sn Bi焊料合金的性能决定着它仅适应于低成本 代档次或可靠性要求不高的低档电子产品的领域 b 焊接设备与设施在高温焊接时的适应性 目前绝大多数的焊接设备和设施是以传统的Sn Pb合金焊料的焊接温度与条件来建立的 同理 由于无铅化焊料的低共 晶 熔点温度的提高 随之而来必须提高焊接前的预热温度与时间 焊接的最高温度与时间等 这就意味着必须提高无铅焊料的焊接设备的耐热性能 甚至耐腐蚀性能 如无铅焊料会明显腐蚀不锈钢操 因而要改用钛钢材料等 和相应的设施条件 因此 很高的无铅合金焊料低共 晶 熔点会受到目前大多数现有的生产加工 焊接 组装设备与条件的制约 同时对电子产品性能 可靠性和成本等各方面都是不利的 2 无铅焊料组成合金的可焊性 湿润性 从电子产品的焊接工艺条件的基本要求上 最重要的是要求无铅焊料具有好的可焊性 也就是说在焊接温度下 熔融的无铅焊料对元器件的引脚 或凸块等 和PCB上的焊盘 垫 应具有良好的润湿性 只有良好的湿润性才能得到良好的可焊性的焊接点 这是非常重要的 无铅焊料的可焊性的好坏是指在焊接温度下润湿性程度而言的 而无铅焊接温度下的润湿性好坏是有其表面张力 参见表3 大小来决定的 表面张力越大 其润湿性就越差 可焊西就越好 因此 无铅焊料在焊接温度下润湿性 从而保证其焊接性 尽管提高焊接温度可以降低无铅焊料的表面张力和提高润湿性 但是 过高的处理温度和焊接温度对于电子产品的整体可靠性是非常不利的 而采用添加助焊剂可以改善焊接的表面张力和可焊性 但它仍然是十分有限的 在传统Sn Pb焊料的焊接中已经采用 不可能再降低表面张力 相反 由于无铅焊料的焊接温度更高会破坏助焊剂而失去降低表面张力的助焊剂作用 要开发和采用更耐高温的助焊剂 如 300 表面张力和可焊性的大小主要取决于无铅焊料本身的组成与特性的 3 无铅焊料的焊接点可靠性 影响电子产品可靠性的因素是非常多的 而无铅焊料所形成的焊点的可靠性是其中最重要的因素之一 a 焊点焊料的耐热疲劳强度 焊点的可靠性主要是由焊料本身的机械 物理特性来决定的 特别是焊料所形成的焊点的耐 抗 热疲劳强度大小是十分关键的 就是说焊料不仅要有能够与元器件的引脚和PCB上焊盘 垫 金属表面形成良好的结合力 而且焊料本身还有应具有良好的耐 抗 热疲劳强度 焊点总是不断地受到热的冲击 避免不了要发生 热胀 冷缩 现象 加上由于元器件的引脚的CTE 热膨胀系数 和PCB的X Y方向CTE之间的差别 在焊点内的焊料层必然由 热胀 或 冷缩 而形成残余 剪 应力 俗称为热应力 当这种残余应力大小 特别是超过 焊料的耐疲劳强度时 便会产生焊点处断裂 威胁着焊点的可靠性 b 焊点焊料的结合强度 在焊点处的结合强度是指元器件引脚金属表面与焊料之间 焊料与PCB焊盘 更确切地说应是PCB焊盘上的金属表面 可以说Cu Au Sn Ag Ni等 之间的结合强度 同理 也由于焊点处的CTE差别在焊接和随后的使用工程中的 热胀 冷缩 等引起的残余应力 或热应力 当这种残余应力 元器件的引脚金属表面与焊料之间的结合力 或者焊料与PCB焊盘金属表面之间的结合力时 在焊点的元器件引脚金属表面处或PCB焊盘上金属表面处 便会发生剥离现象而影响可靠性 c 焊点焊接的完整性 润湿性的表现 这是指焊点处的焊接缺陷率程度而言 大家知道 焊点处的焊接缺陷与焊料类型 组成和生产 设备 操作等 条件等有关 在这里主要是指焊料本身的物理特性来说的 特别是指焊料在焊接温度下的表面张力 或润湿性 大小关系更大 正如前面可焊性一节中所述的那样 焊料在焊接时的表面张力越大 焊料的湿润性就越差 则焊接的焊点的完整性就越不好 如焊点不饱满 空洞 剥离 脆裂等 由于无铅焊料的表面张力 因而出现这些缺陷的几率和程度就较大 可从下面有关章节中得到答案或理解 2 2 无铅化焊料类型与主要特点 二十年来 欧美 日本等对无铅焊料体系进行了系统的研究和开发 到目前为止 已经取得许多成果和进步 某些体系的性能已经接近有铅 Sn Pb 焊料的特性 如Sn Ag Cu体系的SAC305等是目前最有可能取代Sn Pb体系的无铅焊料 并在工业电子产品开始得到了应用 尽管在航天 航空和国防等高可靠性的领域内 有铅 Sn Pb 焊料还要继续使用一段时间 但是 随着时间的推移和无铅焊料性能的不断改进 无铅焊料也一定会应用带这些高可靠性的领域上的 而对于低档次的民用电子产品可以采用低共 晶 熔点和性能较差的无铅焊料 在发达的欧美 特别是日本已经开始应用推广了 这些成果和进步已经表明 2006年7月1日起电子产品实施无铅化已经成为现实 全球无铅化电子时代已经到来了 1 无铅焊料的类型 以锡 Sn 金属为基础的无铅焊料可分为二元体系 三元体系 甚至四元体系等 表1列出的是目前认为有应用价值的无铅焊料成分和组成情况 从表1中可以看出无铅焊料类型 到目前为止 研究 实验和试用的二元体系主要集中于Sn Ag Sn Cu Sn Zn和SnBi等四个系列上 而从焊接性能 可靠性 和可靠性角度看 最好使用价值的应是三元体系的SnAgCu SAC305 其组成为96 5Sn 3 0Ag 0 5Cu wt 体系 2 无铅焊料的基本特性 实际上 表1不仅列出无铅焊料的类型 而且也列出了他们最基本特征 低共 晶 熔点和要求的回 再 流焊温度 通常应比低共熔点提高20 40 由于各种无铅焊料的研究不长 试用不多 使用 即批量生产 极少 大多还处于改进和在开发之中 加上相关的标准还没有指定出来或正在制定之中 一般说来 标准的出台是在产品实验和应用到一定时间之后才能制定出来的 所以有关无铅焊料的基本特性还没有完全统一起来 报道的也不多且特性相差甚远 表2列出的二元体系无铅焊料的基本特性大有关文章报道的综合数据 2 3 无铅焊料与有铅焊料的比较 正如前面所述 目前的无铅焊料 从可焊性和可靠性等各方面综合结果看 最有希望并能取代有铅焊料 系指传统的Sn Pb体系 的类型与组成应是三元体系的96 5Sn 3 0Ag 0 5Cu 又可写成SAC305 各种性能 化学 物理和机械等 都处在其他无铅焊料体系之上 因此 我们拿SAC305和传统63Sn 37Pb组成的有铅焊料进行比较 具体情况参见表3 表3无铅焊料与有铅焊料的比较 表4无铅的SAC305焊料与Sn Pb焊料的焊接性能的比较 从目前的无铅焊料和Sn Pb焊料的焊接性能与效果来看 Sn Pb焊料的焊接性能与效果仍然好于无铅焊料的焊接性能 主要性能比较见表4 从表3和表4的无铅焊料 SAC305 和有铅焊料 63Sn 37Pb 的主要特性比较中可以看出 除了无铅焊料SAC305的抗热疲劳强度较好外 其它性能只是以不同程度接近传统的有铅焊料 但是比才传统的有铅焊料 63Sn 37Pb 的性能来得差 这表明 无铅焊料要完全取代传统的有铅焊料 特别是在高可靠性要求的航天 航空和国防军事领域还有时日 但在民用 工业用等的电子产品领域肯定会从有铅焊料过渡到无铅焊料上来 并必然全面的实施起来 而无铅焊料会在实施过程中 通过 实践 发现 改进 的良性循环得到发长进步 最终在各个领域中必将得到全面地推广和应用 3 无铅化焊料的焊接 从上述的无铅焊料的提出 无铅焊料及其特性中得知 仅以目前无铅焊料的试用和有关报道来看 无铅焊料的焊接 不仅要研究解决自身的特征问题 而且更要研究无铅焊料焊接对电子产品实施无铅化带来的整个系统工程的影响问题 由于无铅焊料还没有正式实施 现有的报道大多是研究部门 如高校 研究所 大企业集团 的先行者和评论者等的报告与论文 但为数也不多 可能是由于市场竞争需要或先行实施无铅化应用和经验 特别是整个系统工程的相互关系 等还有限的缘故 传统的电子产品的焊接方法主要有三种 即波峰焊接 回 再 流焊接 红外焊接 热风焊接 汽相焊接等 和手工焊接 尽管无铅焊料的焊接还必须延续这些焊接方法 但是 就目前无铅焊料的焊接来看 最关键的有三大问题 一 是无铅焊料合金组成的低共 晶 熔点偏高 二 是无铅焊料合金润湿性差 焊接需要有更高的焊接温度和更长的高温停留时间 三 是无铅焊料焊接后的焊点 或焊接 的可靠性问题 3 1 是无铅焊料合金组成的低共 晶 熔点 从目前的无铅焊料可实用性角度来看 大多数的无铅焊料合金组成的低共 晶 熔点是很高的 如现在最佳的SAC305低 晶 熔点为217 比起传统的63Sn 37Pb有铅焊料的低共 晶 熔点 183 高出34 按照传统Sn Pb焊料合金的长期应用实践与经验 焊料的焊接温度要高出焊料合金的低共 晶 熔点40 60 左右 这就意味着无铅焊料 SAC305和SAC405 的焊接温度比传统的63Sn 37Pb焊料的焊接温度还得提高20 40 之间 同样 对于所焊接的元器件 PCB等的预热温度也得相应提高温度 目前大多提高50 左右 更高的预热温度和焊接温度 更长的高温焊接时间和更快的冷却速度等对元器件 PCB基板都带来了灵感大的考验与挑战 如图1所示 图1Sn Pb焊料与Sn Ag Cu焊料的焊接温度曲线 3 2 无铅焊料合金的润湿性能 无铅焊料合金 SAC305为例 在高温熔融时 由于表面张力比传统63Sn 37Pb焊料来得大 见图2 因此其润湿性能较差 其润湿时间要长 如在230 260 之间 无铅SAC305焊料的焊接润湿时间是传统Sn Pb焊料的2 3倍 见图3 这就意味着 无铅SAC305焊料的焊接温度不仅要有更高的温度 20 40 而且在高温焊接的停留时间也要长 大约要再增加1 3的时间 才能获得较满意的焊接效果 同时 高温焊接后的冷却速度应比传统Sn Pb焊料焊接后的 冷却速度快一倍才行 否则会使焊点的润湿性 或饱满程度 变差和产生裂缝等 但快速冷却也会容易引起微空洞等 只能采取折衷的方案 无铅焊料的润湿性较差和高温焊接需要停留时间较长的根本原因是由于这些无铅化焊料在焊接的高温下具有较大的表面张力的结果 因为表面张力是使熔融的无铅焊料的液体表面缩小 即反抗表面扩展 的一种力 也就是说是反抗焊接润湿性能的 因此表面张力大是无铅焊料的润湿性较差的主要原因 同时 也正因为无铅焊料的表面张力大 为了保持焊接的焊点的完 饱 满性 从而必须采用高温下快速地冷却 一般为6c s 下来 以便能满足这种要求 而采用常规Sn Pb焊料的缓慢的冷却速度的 一般为3C s 不仅润湿性差 而且会带来更多的焊点缺憾 当然 更快冷却速度可以得到很好的润湿性焊点 但是会引起更大大热应力问题 所以通过实验兼顾各种性能而采用的折中方案是最科学的 图2传统63Sn 37Pb焊料和无铅SAC305焊料的表面张力随温度变化情况 图3传统Sn Pb焊料与两种无铅焊料的润湿时间与温度的关系 3 3 无铅焊料焊接的可靠性 1 无铅焊料的焊接点可靠性 从目前无铅焊料的实验 试用和报道等来看 无铅焊料的焊接点在抗热疲劳性能 强度 较优于传统Sn Pb焊料外 其他的性能皆劣与传统Sn Pb焊料所形成的焊接点 无铅焊料所形成的焊接点比起传统Sn Pb焊料主要有如下不足和缺陷 易于形成微空洞 micro voids 这些微空洞主要发生在PCB焊盘 垫 表面与焊接接触的界面处 见图4 尤其是铜焊盘的铜与锡界面之间将较为严重 因此焊盘上涂覆有OSP 化学镀银 化学镀锡等是较易于形成微空洞的 这些涂 镀 覆层很薄而仅仅是保护铜表面 防氧化 作用 在焊接时无铅焊料与铜表面发生作用 而热风整平 HASL或HAL 和化学镍 金与无铅焊料的界面处 在焊接时引起的微空洞是较少的 主要原因是无铅焊料的表面张力大 再加上0SP 化学银 化学锡和化学镍 金的涂 镀 覆层总会含有不同程度微量有机物 主要来自添加剂 两者的共同左右都会引起有不同程度的微空洞存在 图4无铅焊料与焊盘界面处的微空洞 微空洞的危害性 无铅焊料焊接点处的微空洞是指焊料与焊盘界面处的微空洞 其空洞最大直径可达40um 危害是很大的 它关系到焊接的可靠性问题 因为 a 焊料与焊接界面处的空洞就意味着接触面积减少了 由于焊接点的结合力大小是由结合强度和接触面积来决定的 也就是说焊接点的结合力减少了 结合力减少的程度将取决于微空洞的多少 b 随着PCB等的高密度化的发展 焊接点和焊盘的接触面积将越来越小 也就是说焊接点的结合力也越来越小 假设焊料与焊盘的结合强度不变 如果这些微空洞的仍然存在 则其结合力将变得更小 c 这些微空洞的存在也是焊接点可靠性潜在的危险因素 在产品使用过程中 由于环境条件 特别是温度变化 的变化 使这些微空洞发生变化 如热胀冷缩 形成内应力 从而削弱或破坏结合力 d 这些微空洞甚至可祸藏或滋生有害气体与物质等 当然也会损害焊接点的结合力 这些微空洞影响焊接的可靠性主要表现在焊接外焊料与焊盘虚 假 焊 剥离 断裂等现象 好在无铅焊料具有较好的抗热疲劳强度 较少的微空洞存在仍然可以保证可靠性所必须的结合力的 微空洞的成因 从无铅焊料在焊接中会出现较多的微空洞结构 并且主要存在于焊盘的铜表面与焊料的锡的界面之处 因此 产生这些微空洞的原因 除了上述 理由外 还与在制板上的铜表面状态和无铅焊料的锡特征等有关 对于在制板铜表面来说主要是表面粗糙度和清洁性方面 很显然较小的粗糙度和清洁的铜表面是有利于降低微空洞机率的 因此PCB的焊盘表面应该尽量降低粗糙度和提高表面清洁度 但是 我们还应该看到无铅焊料不仅含有更多的锡 比传统Sn Pb焊料的Sn含量 而且它的焊接是在更高的熔融温度和更长的时间下进行的 这就意味着锡和铜之间形成的界面合金化合物 IMC 会更加严重 这些IMC 主要是Sn和Cu之间的各种合金化合物 由于是富Sn的条件 因此以Cu6Sn5合金化合物为多 但是无铅焊料在高温焊接时 焊接温度比传统Sn Pb焊料更高 加上无铅焊料在焊接温度时的表面张力大 润湿性差 因此使Sn和Cu流动与扩散 主要是 n向Cu表面流动与扩散 不均匀 来不及形成整体而均匀的Cu6Sn5等IMC润湿层 而是出现大小不一的微空洞 即所谓的Kirkendallvoids 因此 从这种微空洞的成因上看 降低无铅焊料的表面张力 可加入某些微量金属元素 降低铜表面粗糙度和提高清洁度也是有利的 2 无铅焊料在焊接时PCB的可靠性 由于无铅焊料要求更高的预热温度 焊接温度和更长的高温焊接时间 因此PCB基板将受到比传统Sn Pb焊料体系焊接更大 高 的热冲击和热应力 从而使PCB基板也带来更大的损害 其结果必然要影响PCB基板的可靠性 无铅焊料在焊接时影响常规PCB基板的可靠性 主要在有五个方面 基板分层 裂缝 变色等 层间连接的导通孔发生裂缝 断开 甚至剥离 类似凹缩 焊盘 连接盘 翘起 脱落 PCB基板扭曲 翘曲 更易于发生CAF现象 这五个方面发生的危害皆是与热成正比例的 因而其危害程度将比传统Sn Pb焊料在焊接时带来机率更多 几率更高 程度更大 这些危害与克服 既是对CCL的要求 又是向PCB基板的挑战 PCB基板分层 裂缝 变色等问题 PCB基板分层 裂缝和变色等的程度都是与热成正比例的由于无铅焊接温度传统Sn Pb焊料要高20 40 见表5 而在高溫焊接 熔融态 时的停留时间要长1 3 1 2 见表3 这样便易发生如下问题 a 由于基板内材料CTE 热膨胀系数 的差异 在常规PCB基板发生层内半固化片与CCL基片之间 含导电图形 之间更易于发生分层起泡 b 基板介质层内玻纤布与树脂或板面树脂发生微裂缝 这是由于玻纤布的CTE 5 7ppm 和树脂的CTE 常规环氧树脂小于Tg温度下 CTE约为80ppm 而 g温度时 其CTE将超过200ppm 差别 或者是铜箔 CTE为17ppm 与介质层 CTE为14 17ppm 的CTE差别 甚至CCL基片和半固化片的CTE 即主要是 新 旧 介质层 之间差别等而引起的 也有可能是与树脂的分解温度 Td 较低有关 c PCB基板表面变色 开始炭化的象征 这表明高的温度下已经使树脂结构发生了变化或发生分解现象 表5在焊接时无铅焊料与Sn Pb焊料的操作条件 层间连接导通孔的裂缝 断开与剥离 这是指PCB基板厚度 Z 方向发生可靠性问题 同理 她也是基板内介质层和导通孔铜镀层之间CTE差别而引起的可靠性问题 所不同的是这种CTE的差别 主要是树脂与孔内镀铜层在Z方向的CTE差别大而发生的 PCB多层板的显微切片金相图中 所引起的裂缝 断开和剥离主要发生在 a 在第2层和第 n 1 层与通孔铜镀层断开 因为在这两个连接处是多层PCB基板内铜结合较差 与最外层比 和第二大的膨胀处 当然也是CTE差别最大处 b 在孔内壁某处局部裂缝 大多是发生在孔内镀层有缺陷处 如空洞 杂质或镀铜层较薄地方等 c 在孔内壁某处发生环行断开 裂 主要是由于孔内铜镀层厚度不均匀 往往发生在最薄处 造成的 特别是常规的直流电镀的情况 当然这三种缺陷情况也可能由于铜镀层的延展性不高 如铜镀层的延展性 12 时 在无铅焊料的焊接条件下加剧了这些缺陷的发生几率与程度 焊盘翘起与脱落 在无铅焊料焊接时 PCB基板上的焊盘会出现几率更多的翘起与脱落 从研究与报道的情况来看 主要有两个方面的原因 a 是在高热 高温焊接 冲击下 由于不同材料 铜泊与树脂 CTE差别引起的高热应力而产生的 这意味着高的热应力 注意 这里是指无铅焊料的焊接后的高凝固点和快速的冷却速度等产生的 已超过了焊盘铜箔与树脂之间的结合力 b 除了 a 的原因外 焊盘铜箔处具有更高的温度 铜的导热率高 传热也高 使焊盘下的树脂表面具有更高的温度 从而使树脂 特别是常规的环氧树脂的分解温度较低 即Td 310 320 之间 发生局部的高温分解所致 c 其它方面 如CCL基板的等级与性能 加工处理等也不无关系 PCB基板发生扭曲与翘曲 目前从国内几家PCB企业 公司 的实验和试用都表明 无论是单面板 双面板 还是多层板 无铅焊料的焊接比Sn Pb焊料有更大的翘曲度和扭曲性 这是由于无铅焊料必须在更高温度与更长时间的条件下进行 加工焊接后需要更快的冷却速度和更高的凝固点 与低共熔点相同 因此使得整体的PCB基板内部的各种材料的CTE差别更大 注意 这里系指无铅焊料焊接后的高凝固点和快速冷却温度带来的结果 响应的综合热应力也较大 因而在冷却下来的 自由 态下 表现出有更大的翘曲度和扭曲性 关于CAF 离子迁移 问题 采用无铅焊料的焊接会产生CAF更大的几率 有关这方面的研究与报道看得不多 但是 从CAF产生的机理可以知道 七条件简述有 a 存在可移动的离子 可以是内部固有的或外来的 b 潮湿 湿气 水分 溶液等 条件 c 形成电极的电压 d 形成通道 如导电层 或孔 线 之间的介质层内有裂缝 分离 或表面污染的 很显然 无铅焊料要求有更高焊接温度和更长的焊接时间 因而使PCB基板在焊接时产生的缺陷将带来更大的几率和程度 这无疑是给CAF打开了更多与更大的通道 因此无铅焊料的焊接条件与要求 必然会加重CAF的几率与程度 再加上PCB不断走向高密度化 使导通孔与导通孔 导线与导线 层与层 介质层越来越薄 等的间距越来越小 这些也是给CAF发生增加了几率与程度 所以 在PCB实施无铅焊料焊接和不断发展高密度化的过程中 PCB的CAF问题是应值得引起业界重视 研究和解决的一个重要课题 3 4 无铅焊料焊接的类型与注意点 目前 无铅焊料焊接的类型与方法仍然延续统Sn Pb焊料焊接的设施与方法 主要是波峰焊接 再流焊接 可分为红外焊接 热风和汽相焊接等 和手工焊接等 目前还开展激光焊接 但主要用于封装基 载 板上 表6无铅焊料的焊接类型与注意点 从上述的无铅焊料的类型与特性 无铅焊料的焊接及其特征中得知 仅以目前无铅焊料 实施无铅化工程的首要内容 状态来看 要在2006年7月1日起电子产品实施无铅化 总觉得十分勉强 仍然存在着不少疑难和问题 显然还需要有一个过渡时间 而不是全面的铺开来 但是 无铅化工程仍然必须实施的 首先会在民用电子产品和工业用电子产品等领域实施起来 随着无铅焊料 CCL等原辅材料 PCB基板等的改善和进步 必然会逐步或迅速推广和应用到其它电子产品的领域 目前无铅焊料存在的问题主要有 a 最佳的无铅焊料 SAC305 还没有达到有铅焊料 63Sn 37Pb 性能 特别是表面张力和湿润性方面 的等级 b 无铅焊料焊接的焊点 其润湿性差 各种缺陷较多 这些问题严重威胁着电子产品的可靠性 c 更重要的是目前最佳的无铅焊料 SAC305 的焊接温度偏高20 40 之多 而且高温焊接的停留时间偏长 约增长30 以上 这对元器件 CCL基材 PCB基材 焊接条件 设备 助焊剂等 等都带来了新的冲击与要求 必须系统地加以解决才行 d 电子产品实施无铅化的规范和标准必须相应跟上 当然无铅化电子产品的规范和标准是 实践 中来的 需要经过产品的试验 应用等一定时间加上综合总结才能制定出来 但是 无铅化的规范和标准是可以结合传统的有铅焊料的主要特征和差异等制定相应 即使是草案或过度性的 规范与标准 特别是可靠性的试验 如热冲击 热应力等 将会有更严格的要求 4 实施无铅化对CCL和PCB基板的基本要求 从上述几节的无铅焊料的评述中 对CCL基材的最基本的要求是具有好的耐热性能 或者说要提高抗高温性能 这是由无铅焊料特性来决定的 与传统Sn Pb焊料比起来 无铅焊料的最根本的两大特征 1 最有希望与应用的无铅SAC305焊料的低共 晶 熔点为217 比传统Sn Pb系高出34 2 在高温焊接时表面张力大 因而润湿性差 无铅焊料的这两大特征决定着PCB基板在焊接中比传统Sn Pb焊料有更高的要求 1 需要有更高的预热温度 提高50 左右 与更长的预热时间 增加15秒以上 2 要有更高的焊接温度 提高20 40 3 需要有更长的焊接时间 在熔融态的停留时间从60秒延长到90秒 4 焊接后需要有更快的冷却速度 由3 秒提高到6 秒 即快一倍的冷却速度 另外 如采用无铅焊料进行HASL时 PCB基板还要先受到更高温度的热伤害 无铅焊料在焊接时对PCB基板的主要伤害 我们在本文第3 3节中有讲到 除了持续改进无铅焊料及其焊接技术外 主要的是提高PCB基板的耐热性能和散热性能 其途径主要是通过PCB用的CCL基材 PCB制造工艺和热设计 对于板外的散热和导热措施 如风冷 液冷 板面贴压散热片等 来加以解决 4 1 提高CCL的耐热性能 要提高和改善PCB基板的耐热性能 最根本的是选用高耐热的CCL基材 能适应无铅焊料焊接条件的CCL应具备如下要求 即高的热分解温度Td 高的Tg温度 低的温度膨胀系数CTE和好的耐CAF特性等 1 高的热分解温度 Td 无铅焊料焊接的PCB实验和应用表明 采用高分解温度 Td 树脂的CCL基材是最重要 或者说CCL的耐热性能主要是取决树脂的热分解温度 所以 仅仅采用高Tg和低CTE基材是远远不够的 即如果CCL中树脂的分解温度 Td 低 如 320 的话 不仅制造 CCL 成本增加了 而且耐热性能也不能提高和改善的 参见表7 从表中可看出 因选择低Tg和高分解温度Td 最好 305 树脂组成的基材 HGHD 或高Tg和高Td的树脂组成的基材 HGHD 才能得到更好的耐热的PCB可靠性性能 因此 影响无铅焊接PCB耐热可靠性的最重要因素是CCL基材中树脂的热分解温度 Td 只有提高CCT基材中树脂的热分解温度 如Td 350 最近IPC草案规定 330 或 340 才能保证无铅焊接PCB的耐热可靠性问题 表7四种FR 4材料层压为2 36mm 93mil 厚的十层板耐热性能情况 2 采用高Tg的树脂基材 高Tg树脂层压板基材具有较高的耐热特性 因而对PCB无铅化是有利的 这意味着 比常规的PCB的Tg提高多少温度就可相应地提高了PCB基材的 软化 温度 见表8 因而在无铅焊料焊接时具有更好的热尺寸稳定性 同时 一般来说 较高的Tg温度也具有较低的CTE 这对于PCB无铅化也是有利的 表8各种基材树脂的Tg和CTE 3 选用低热膨胀系数CTE的CCL材料 4 提高耐CAF特性 在CCL基材介质中 提高耐CAF性能可采取如下措施 提高树脂对玻纤布的浸润性 选用新型结构玻纤布 开纤布或扁平布 为增强材料 降低树脂中的离子含量 降低CCL吸水性 4 2 PCB在制板的加工改进 除了CCL基材影响PCB耐热可靠性外 在PCB生产中也会影响其耐热可靠性 耐CAF性能 特别是孔内镀铜层的结合力 延展性和厚度均匀性对PCB产品耐热可靠性的影响是不可忽视的 1 提高基铜 CCL上的铜 和电镀铜的结合力 采用 直接电镀 工艺与技术 消除化学镀铜层结合力差的缺点 提高PCB内层与孔壁的结合力 2 提高镀铜层的延展性 目前大多数的镀铜层延展性处于8 12 之间 其延展性不高主要原因是由于铜镀层中的晶粒过大 镀层中C S 来自添加剂 含量较高等而造成的 从而使镀层结构内应力较大 因此 在镀铜过程中控制好 晶核形成大于 结晶成长 的比率 从而可获得较小的晶粒和表面粗糙度 凹凸 小的结构 可明显提高镀铜层的延展性 18 20 因而大大提高了PCB Z方向 导通孔的耐热可靠性 目前采用这种技术形成的电沉积的铜箔的延展性已经达到 甚至超过冷扎的铜箔的延展性 并大量地使用于挠性印制板 FPC 上 同时 在常规的FR 4基材上采用这种镀铜工艺与技术而生产的刚性多层板 也明显地提高了镀铜层的延展性 其耐热应力可达30次 在299 10秒下 以上 高 低温循环 热冲击 次数高达1800次以上 3 提高镀铜层厚度均匀性 除了采用低电流密度和高分散能力镀液等条件外 目前已走向脉冲电镀技术而且是最理想并易于达到镀铜层的均匀厚度的 均匀的孔内铜镀层无疑可提高Z方向的耐热性能 4 提高耐CAF性能 从PCB制造加工角度看 提高钻孔的对位度 降低孔壁粗糙度 如小于15um等 提高在制板 penals 表面清洁度 改善层间致密性和结合力等 这些措施皆能提高耐CAF性能 从通用的耐热高可靠性角度看或者从成本与市场竞争观点上看 最佳的途径应是具有高分解温度的常规FR 4或耐热 高分解温度 FR 4基材和先进的电镀 精细晶粒结构 技术相结合的方法 但是 在选择FR 4基材时 最好选用低玻璃化温度 LG 与高分解温度 HD 或高玻璃化温度 HG 和高分解温度 HD 的材料 如前面表7所示 这样 可以得到更好的耐热性能的PCB产品 4 3 该善PCB导 散 热措施 大家知道 PCB中的介质导热系数 热导率 是很小的 由于其散热差 不能把PCB上由于焊接和使用过程产生的高热快速地传递 导 或释放出去 所以 在PCB使用过程中极易使PCB内部温度升过高而变形 不同材料CTE差别等形成的热应力 过大 从而也会引起耐热可靠性问题 为了了解决这个问题 我们可以采取下述五种有效措施来降低PCB的温升和高热 温 问题 1 在CCL的介质层中加入高导热性的材料 填料 提高PCB的热导率 从而把相当的热量快速散发出去 使PCB中的热量不会聚集过多引起高温 从而降低了PCB整体温升 提高了可靠性 这种在PCB介质中加入导热性材料以 粉末颗粒 如氮化硼 陶瓷粉料等 加入到树脂中来形成介质层的 因此这些材料大多是由CCL制造商来完成的 这些材料的散热性能 程度 是取决于加入导热率材料的种类与数量 由所占体积比率和导热率 来确定的 同时 这些导热率高的材料加入还可带来CTE下降 有利于改善PCB的尺寸稳定性和耐热可靠性 随着电子产品便携化进步与发展 要求PCB进一步高密度化和薄型化的发展 改善和提高PCB介质层的导热性能是今后发展的一个重要方向 2 采用导热性能材料堵塞 充填 导通孔来改善和提高导热性能 在PCB的导通孔中采用堵塞导电胶 如含银 铜颗粒 或者采用电镀铜填孔技术等方法 皆能得到良好的导热性能 快速地降低板内的温度 改善PCB耐热的可靠性 采用电镀铜填孔方法具有最好的导热性能 3 改进导通孔结构设计来改善和提高导热性能 采用叠孔 盘内孔和AGSP积层 advancedgradesolid bump 凸块等都能得到最好的导热效果 并改善PCB加工 焊接和使用的耐热的可靠性 这些结构不仅能够改善PCB的导热性能 而且还能够提高电气性能 因此在便携式电子产品中得到了广泛的应用 4 在PCB内部夹入金属芯形成 金属芯印制板 由于PCB内部加入金属芯 如铜或铝等 可以把PCB内部产生的高热速度的传导出来 从而降低了PCB整体的温度 金属芯 特别是AI基板 结构的PCB主要应用于大功率的场合 如电源板 汽车电装板等 5 在PCB的表面形成 粘结 属于高导热性的 散热片的结构 如铜板 铝板等按PCB结构加工的散热片 然后与粘结剂一起热压而成 这样 可以把大功率与高密度的组件产生的热PCB内部传导出来的热通过散热片而散发出去 从而降低了产品的整体温度 提高PCB体系的耐热可靠性 以上的多种措施可分开或结合起来灵活使用 可得到很好的耐热 导热或降温效果 提高产品的耐热可靠性 结论 从上述几节的评述中 电子产品即将实施无铅化的过程中 我们可以清楚地看到并得出如下结论 充分和必要条件 1 电子产品实施无铅化工程或者无铅焊料时代已经到来了 尽管还有不少疑虑与问题 但是这些都是前进中的课题 在有铅焊料的过渡中会迅速得到克服 改进和提高 最终会得到全面推广和应用 2 最有希望取代传统 n Pb焊料的无铅焊料是Sn Ag Cu体系的SAC305焊料 但它的低共 晶 熔点高出34 加上熔融焊接时的表面张力又增加1 5 1 6 造成润湿性差 润湿时间由0 6秒增如到2秒 等 这些关键因素决定了无铅焊料在焊接时要有更高的焊接温度 20 50 和延长高温焊接的停留时间 熔融态由60秒延长到90秒 加上 要求快一倍的冷却速度 由 秒增加到6 秒 这些焊接环境条件的变化要求其上下游作相应的改变 主要是提高耐 抗 热性能 或者提高抗热 残余 应力性能 3 提高CCL的耐热性能 其实最关键的是提高热分解温度 Td 其次才是降低CTE 提高Tg温度和提高耐 抗 CAF能力 从目前产品等次 密度等 与成本来看 应优先采用高分解温度 Td 低Tg温度等为宜 然后再向高Td和Tg等过渡 4 改进 革 PCB制造工艺技术 除了选用适合无铅焊料护理的CCL基材外 PCB在制板制造过程中的主要方面是 降低钻孔位置度偏差 孔壁粗糙度 15um 和表面清洁度 有利于改善CAF能力 提高铜镀层的延展性 厚度均匀性 增加PCB 特别是多层板 耐 抗 热能力 采用导热材料或电镀铜等填孔 改善散热条件 5 制定实施无铅化相关的规范和标准要有个提出与完善过程 但是会相继制定出来 主要是在Sn Pb体系基础结合锡 铅焊料焊接的特性而制定出 过渡性 的规范和标准 规范和标准将突出产品可靠性和使用寿命为特点 重点是在热冲击 热应力的CAF等的试验要求与方法上 第二部分 无卤FR 4覆铜板 无铅 化 前言 2006年7月1日 欧盟两个指令 即ROHS 禁止在电气电子设备中使用特定有害物质指令 和WEEE 废弃电气电子设备指令 的正式实施 标志着全球电子行业将进入无铅焊接时代 由于焊接温度的提高 对覆铜板热可靠性的要求 将大幅提高 对无卤FR 4覆铜板来说 也不例外 为了满足市场的需求 抓紧研发适合 无铅 化要求的无卤FR 4覆铜板 势在必行 一 产品标准 2004年4月 在美国IPC年会上 日本印制电路行业协会 JPCA 代表团出示了一套无卤覆铜板标准 其中包括了无卤FR 4覆铜板标准 标准号JPCA ES 04 在JPCA标准中 对无卤覆铜板作了以下明确规定 按照JPCA ES 01实验方法进行检测 氯 C1 溴 Br 含量分别小于0 09wt 氯 C1 和溴 Br 总含量小于0 15wt 的覆铜板 为无卤覆铜板 近年来 有关 无铅 化的技术 发展速度 产品标准化工作 相对滞后 无铅 无卤FR 4覆铜板 目前国际上尚无标准 出于技术发展和市场需要 有关 无铅 FR 4覆铜板产品标准化 美国IPC标准机构正在推动相关标准的讨论和制定 今年 IPC先后发布了两个标准草案 在全球内征求意见和讨论 在草案中 对板材的耐热性提出了多项新的要求 见表 1 表 1 无铅 FR 4覆铜板 二 无卤FR 4 无铅 化思路 1 多官能环氧树脂的应用在传统FR 4覆铜板的制造工艺中 采用的是二官能溴化环氧树脂 由于固化后交联密度低 板材耐热性不理想 要满足高焊接温度的要求 有困难 若将多官能环氧树脂引入树脂体系中 由于固化后树脂交联密度提高 板材Tg 热分解温度 热分层时间等耐热性将得到改善 2 引入非双氰胺的固化剂 双氰胺 DICY 是典型的潜伏性固化剂 具有优秀的综合效果 在FR 4覆铜板生产中 一直被广泛采用 但 美中不足是吸湿性偏大 热解温度偏低 耐离子迁移性 CAF 欠佳等 为了提高热可靠性 选用分双氰胺的固化剂 很有必要 综合考量 线型酚醛树脂是比较理想的固化剂之一 引入线型酚醛树脂 有利于板材耐热性 吸湿性 耐CAF性等性能的改善和提高 3 无卤化 传统FR 4覆铜板 是通过溴化环氧树脂中溴 Br 的作用 使板材具有阻燃效果 对于无卤FR 4覆铜板来说 近几年的主要工艺路线是采用含磷 P 环氧树脂取代溴化环氧树脂 但是 当前对无卤FR 4覆铜板提出了 无铅 化 单一依靠含磷环氧树脂这种工艺线路 要同时满足高耐热性和阻燃性的要求 有一定困难 若采用含P 含N的树脂 P和N的协同作用 则可取得耐热性和阻燃性兼优的综合效果 三 树脂组份 综合上述设计思路 选择了下列树脂组份 见表 2 表 2树脂组份 四 测试结果 在无卤FR 4 无铅 化的研发中 重点考察板材中卤素含量 IPC标准 草案 1 对板材的要求及其它相关性能 1 卤素含量采用JPCA ES 01 无卤型覆铜板实验方法 通过离子色谱分析检测板材中卤素含量 检测结果见表 3 结果表明 在无卤方面完全符合JPCA标准要求 表 3卤素含量 2 阻燃性 阻燃性测试方法 按美国UL 94标准规定 结果见表 4 结果表明 板材具有优秀的阻燃性能 达到V 0级水平 表 4阻燃性 3 玻璃化温度 Tg 测试方法采用差示扫描分析法 DSC 结果见图 1 结果表明 材料具有较高的玻璃化温度 Tg为186 48 189 84 4 热分层时间 T 300 测试方法采用热机械分析 TMA 结果见图 2 结果表明 板材具有优秀的耐热性 热分层时间 T 300 大于60分钟 5 热分解温度 Td 测试方法采用热解重量分析法 TGA 结果见图 3 结果表明 板材具有较高的热分解温度 按升温速率5 min条件测试 热失重在5 时的热分解温度为385 6 6 耐碱性 测试条件 80 10 NaOH水溶液 浸泡60分钟 结果 目测法 试样外观无异常 7 一般性能 按IPC 4101A标准规定进行检测 结果见表 5 结果表明 板材所有技术指标均符合要求 表 5例行检测 结论 无卤覆铜板 无铅 化 是环保和市场需求的产物 从以上的实验数据可知 我国在无卤FR 4 无铅 化研发方面 已取的成功表明 为06年欧美PCB市场的打入奠定基础 第三部分 对无铅化的理解和PCB相关考虑 汇总 一 无铅化的定义 测量方法 1 什么是无铅的定义 无铅的定义目前尚未有统一的标准 只能从欧 美 日中某些重要协会组织的定义而加以说明 RoHS 0 1wt PbJEIDA 0 1wt PbEUELVD 0 1wt Pb注意 1 焊料组分中含有 0 85 wt Pb以上材料属于赦免的范围 2 对于无铅化的材料 并非100 绝对不含铅 3 对于 0 1wt Pb的表述 请不要等同描述为 1000PPMwtPb因从数理统计概念上 两者存在本质上的区别 2 如何测定无铅物质中铅的含量呢 首先 需要对需检测的物品的物质组成成分进行区分 形成各种均匀的材质 然后 对各种均匀的材质进行测量 所谓均匀的材质是指 构成的物质不能用机械的方式进行拆分 构成的物质是完全相同的 因此 诸如PCB板 我们可拆分为阻焊油墨 基材 字符油墨 铜等然后对其含铅量分别测量 任一成份超标均不符合无铅化 二 无铅焊料评选的准则 种类及其基本的特征 1 无毒性2 供应有保障 为可量产的物料3 抗拉强度强4 具有良好的湿润性 可焊性 5 制程温度不致太高而能被广泛认同6 焊点可焊性好7 可接受的成本价格8 焊料的可再生处理 方便维护9 焊料可供波峰焊 回流焊共用 且可用于制作锡丝 锡膏 锡粒10 相应温度 固 液相线温度 与Sn Pb相近 11 与现有元件基板 引线及PCB材料在金属学性能上兼容 现在最热门的无铅焊料为SnAgCu共熔合金 其中各国推荐的最具可行性的锡银铜配方为 美国NEMI 回流焊用 95 5Sn 3 9Ag 0 6Cu波峰焊用 99 3Sn 0 7Cu欧盟 兼用型 95 5Sn 3 8Ag 0 7Cu日本JIEDA 兼用型 96 5Sn 3 0Ag 0 5Cu锡银铜共熔合金的熔点为217 在氮气环境下波峰的焊接的质量与Sn63 Pb37不相上下 但在一般空气中进行锡膏熔焊时 不但沾锡性差 而且焊点粗糙 机械强度也很低 三 无铅焊料对PCB板的影响和克服的办法 无铅焊料的成本较贵 焊接温度比Sn Pb约高出30 焊点的焊接的强度也远不如Sn Pb合金 易出现空洞 漏焊 锡球 搭桥 竖碑等缺点 无铅焊料的熔点与焊接温度平均比Sn Pb上升30 以上 为避免板件和元器件受热冲击 预热的时间与焊接的时间也需要相应延长 因此 需要对PCB进行分析并寻求对应的方法 对于PCB板而言 首先表现在 1 长时间高温后引起的板弯板翘 2 可能造成目前含卤板材的裂解 有出现剧毒戴奥星 Dioxin 的风险 以上2点克服的办法是通过选用高Tg 高Td等合适的板材或通过降低工艺温度和适当延长预热的时间来实现 3 Turbini等人研究了回流温度对于CAF的影响 测试发现对于大多数水洗助焊剂来说 较高的基板工艺温度会导致CAF数量的增加 克服的办法是采用免清洗的助焊剂 尽可能用较低的工艺温度 使用耐CAF材料 4 无铅焊料通常表现为颗粒状的 暗淡的表面 而非光亮的平滑的表面 这种颗粒状的外观是高锡合金的晶体结构造成的 研究人员发现 表面形貌对冷却速度相当敏感 冷却速度较快时 表面光亮平滑 冷却速度较慢时 则呈现颗粒状粗糙表面 大颗粒状结构会引起焊点寿命降低 5 易引起PCB阻焊剂与基材 线路的剥离现象 克服办法是 粗化基铜界面 增加其结合力 选用耐热性较佳的阻焊油墨 6 焊缝剥离和SMT焊料断裂的现象 其主要的原因是各种材料的CTE值不匹配 焊料从液态开始冷却的时候 由于焊料在X Y方向比PCB的CTE要高而产生了剪切应力 而PCB在z轴方向的CTE比焊料高从而产生了拉应力 在这两种应力的共同作用下 最终造成了焊缝的剥离 在此过程中 为什么其他无铅的焊料比Sn Pb表现更加明显呢 这主要是由于无铅合金存在熔融范围 熔融的范围愈大表现愈加突出 因为冷却时 合金是逐渐凝固的 当焊料部分凝固时 熔融态会使合金板不牢固且容易撕裂 当更进一步冷却时 应力增大到了熔融态合金不能承受的程度时就会发生撕裂 由于PCB吸热更大所以在基板界面上的焊料温度更高 CTE失配使得焊缝末端承受的应力最大 因此发生了焊缝剥离 Filletlifting 现象 7 高温度下 更易发生浸析的现象 因此 需选用合适的锡缸材料 防止Fe C对锡成分的影响 Fe杂质大于0 02 时 易产生焊粒涂层的沙粒外貌 8 较高的温度或返工 易形成较厚的IMC层 一般控制在2 3um 厚的IMC层易导致拉力强度下降 同时 会降低基底金属与后来的焊接工艺的可焊性 较薄的IMC层有较高的机械强度和较好的疲劳性能 且有利于较低的焊接温度和较短焊接时间 9 锡须的问题