無鉛焊料的介紹.doc

無鉛焊料的介紹一、無鉛的背景（為什么需要無鉛）20世紀(jì)90年代中葉日本和歐盟，就已經(jīng)作出了相應(yīng)的立法。日本規(guī)定2001年在電子工業(yè)中淘汰鉛焊料，歐盟的淘汰期為2004年，美國也在做這方面工作（2008年全面使用無鉛產(chǎn)品）我們國家正在進(jìn)行研究和開發(fā)無鉛產(chǎn)品，順應(yīng)時(shí)代潮流 。 電子產(chǎn)品報(bào)廢以后，PCB板焊料中的鉛易溶于含氧的水中。污染水源，破壞環(huán)境。可溶解性使它在人體內(nèi)累積，損害神經(jīng)、導(dǎo)致呆滯、高血壓、貧血、生殖功能障礙等疾??；濃度過大，可能致癌。珍惜生命，時(shí)代要求無鉛的產(chǎn)品。 二、常用無鉛焊料成份 Zn可降低Sn的熔點(diǎn)，若Zn增加高于9%后，熔點(diǎn)會(huì)上升，Bi跟著降低Sn-Zn，但隨著Bi的增加，其脆性也會(huì)增大。 Zn可降低Sn的熔點(diǎn)，若Zn增加高于9%后，熔點(diǎn)會(huì)上升，Bi跟著降低Sn-Zn，但隨著Bi的增加，其脆性也會(huì)增大。 此類是目前最常用的一種無鉛焊料,它的性能比較穩(wěn)定,各種焊接參數(shù)特性接近有鉛焊料。 雖然In可使Sn合金的液相線和固相線降低，但是它的耐熱疲勞性、延展性、合金變脆性、加工性差等缺陷，所以目前很少使用此配方。 三、無鉛焊料的特性 vSn-Ag-Cu溶點(diǎn)（217）較高，高溫（2603)即可。v 無鉛產(chǎn)品是綠色環(huán)保的先鋒,有益人類身心健康,沒有腐蝕性。 比重略小,近次于錫的比重。 流動(dòng)性差四、無鉛焊接需要面對(duì)的問題 合金本身的結(jié)構(gòu)，使它跟有鉛焊料相比，比較脆，彈性不好 Sn-Zn合金的液相線和固相線的熔點(diǎn)會(huì)增高，但隨著Bi的質(zhì)量數(shù)的增大，焊料的熔化間隔即固液間隔增大，所以Bi就會(huì)使合金熔點(diǎn)降低、脆性也 比（有鉛）增大。 浸潤性差，只會(huì)擴(kuò)張，不會(huì)收縮 Sn-Ag系合金添加Cu時(shí)，共晶點(diǎn)會(huì)改變。當(dāng)Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加4.8%、Cu 增加約1.8%時(shí)產(chǎn)生共晶，如果在合金添加In時(shí)，將會(huì)造成提高合金微細(xì)化強(qiáng)度和擴(kuò)張?zhí)匦缘耐瑫r(shí)，表面會(huì)形成氧化膜，所以浸潤性稍差. 色彩暗淡，光澤度稍 因?yàn)樵跓o鉛焊料的搭配中，磷的元素限制了使用，所以光澤度稍差,但并不影響其它質(zhì)量問題。 錫橋、空焊、針孔等不良率有待降低 此類缺陷多于有鉛焊料，但是并不是無法解決的問題。助焊劑的種類質(zhì)量選購比有鉛要嚴(yán)格；預(yù)熱器恒溫要穩(wěn)定。波峰的焊接時(shí)間、接觸面、PCB板的溫度如第一波峰焊接時(shí)間1-1.5S，接觸面積10-13mm；第二波峰焊接2-2.5S，接觸面積為23-28mm左右，板面溫度不能超過140以上。所以無鉛焊料對(duì)于設(shè)備性能要求高，特別上雙波峰的距離，如果設(shè)計(jì)很近，會(huì)造成板面的溫度, 增高損壞元件和增加了助焊劑揮發(fā)，錫橋等缺陷產(chǎn)生過多現(xiàn)象。 濺錫的影響在回流之后，內(nèi)存模塊的連接器“金手指”可能出現(xiàn)濺錫的污染，這意味著產(chǎn)品的品質(zhì)和可靠性問題和制造流程問題。 濺錫只是表面污染的一種，其它類型包括水漬污染和助焊劑飛濺。這些影響較小，但由于焊錫飛濺，焊錫已實(shí)際上熔濕了“金手指”的表面。 “小爆炸” 濺錫有許多原因，不一定是回流焊接時(shí)熱的或熔化的焊錫爆發(fā)性的排氣結(jié)果。例如，通過觀察過程，以保證錫膏絲印時(shí)的最佳清潔度，濺錫問題可以減少或消除。 任何方法，如果使錫膏粉球可能沉積在金手指上，并在回流過程時(shí)仍存在，都可以產(chǎn)生濺錫。包括： 在絲印期間沒有擦拭模板底面(模板臟) 誤印后不適當(dāng)?shù)那鍧嵎椒?絲印期間不小心的處理 機(jī)板材料和污染物中過多的潮汽 極快的溫升斜率(超過每秒4 C) 在后面的原因中，助焊劑的激烈排氣可能引起熔化焊接點(diǎn)中的小爆炸，促使焊錫顆粒變成在回流腔內(nèi)空中亂飛，飛濺在PCB上，污染連接器的“金手指”。PCB材料內(nèi)夾住潮氣的情況是一樣的，和助焊劑排氣有相同的效果。類似地，板表面上的外來污染也引起濺錫。 濺錫的影響 雖然人們對(duì)濺錫可能對(duì)連接器接口有有害的影響的關(guān)注，還沒有得到證實(shí)，但它仍然是個(gè)問題，因?yàn)檩p微的飛濺“錫塊”產(chǎn)生對(duì)連接器金手指平面的破壞。這些錫塊是不柔順的，錫本身比金導(dǎo)電性差，特別是遭受氧化之后。 第一個(gè)最容易的消除濺錫的方法是在錫膏的模板絲印過程。如果這個(gè)過程是產(chǎn)生濺錫的原因的話，那么通過良好的設(shè)備的管理及保養(yǎng)來得到控制，包括適當(dāng)?shù)慕z印機(jī)設(shè)定和操作員培訓(xùn)。如果原因不在這里，那么必須檢查其它方面。 水印污染：其根本原因還未完全理解，雖然可能涉及許多根源。因?yàn)橐呀?jīng)顯示清潔的、未加工的、無錫膏的和沒有加元件的板，在回流后也會(huì)產(chǎn)生水印污染，所以其中包括了許多的原因：PCB制造殘留、爐中的凝結(jié)物、干助焊劑的飛濺、清洗板的殘留和導(dǎo)熱金的變色等。 水印污染經(jīng)常難于發(fā)現(xiàn)，但其對(duì)連接器接口似乎并無影響。事實(shí)上內(nèi)存模塊的使用者并不關(guān)心這類表面污染，常常看作為金的變色。 助焊劑飛濺：一般理解為，助焊劑水滴在回流爐中變成空中亂飛，分散和附著在整個(gè)板上，包括金手指。有兩種理論試圖說明助焊劑飛濺：溶劑排放理論和合并理論(絲印期間的清潔再次認(rèn)為有影響，但可控制)。 溶劑排放理論：認(rèn)為錫膏助焊劑中使用的溶劑必須在回流時(shí)蒸發(fā)。如果使用過高溫度，溶劑會(huì)“閃沸”成氣體(類似于在熱鍋上滴水)，把固體帶到空中，隨機(jī)散落到板上，成為助焊劑飛濺。 為了證實(shí)或反駁這個(gè)理論，使用熱板對(duì)樣板進(jìn)行導(dǎo)熱性試驗(yàn)，并作測(cè)試。使用的溫度設(shè)定點(diǎn)分別為190 C，200 C和220 C。膏狀的助焊劑(不含焊錫粉末)在任何情況下都不出現(xiàn)飛濺?？墒?，錫膏(含有粉末的助焊劑)在焊錫熔化和焊接期間始終都有飛濺。表一和表二是結(jié)果。 表一、溶劑排氣模擬試驗(yàn) 測(cè)試描述材料 結(jié)果 助焊劑載體(無粉末)印于銅箔試樣，放于設(shè)定為190 C、200 C和220 C的熱板上 助焊劑載體B 助焊劑載體D 在試樣上沒有明顯的助焊劑飛濺，第二次結(jié)果相似 將錫膏印于銅箔試樣，放于設(shè)定為190 C、200 C和220 C的熱板上回流 錫膏B：90%金屬含量，Sn63/Pb37，-325/+500 錫膏D：92%金屬含量，Sn63/Pb37，-325/+500 兩種金屬含量都可以看到助焊劑飛濺，金屬含量較高的產(chǎn)生飛濺可能較少，但很難說。第二次結(jié)果相似 助焊劑A：Kester244，助焊劑B：92，助焊劑C：92J，助焊劑D：51SC，助焊劑E：73D，助焊劑F：75 表二、從金屬焊接中的助焊劑飛濺模擬試驗(yàn) 測(cè)試描述 材料 結(jié)果 錫膏(有粉末)印于銅箔試樣，放于設(shè)定為190 C、200 C和220 C的熱板上 錫膏B，90%，Sn63/Pb37，-325/+500 錫膏D，90%，Sn63/Pb37，-325/+500 在所有溫度設(shè)定上，錫膏B明顯比錫膏D濕潤較快，結(jié)合更積極，結(jié)果助焊劑飛濺較多 也看到錫膏D在所有溫度上的助焊劑飛濺，但比錫膏程度要小 溫度越高，飛濺越厲害 保溫區(qū)(干燥)模擬-錫膏印于銅箔試樣，在設(shè)定不同的溫度熱板上預(yù)熱不同的時(shí)間，保溫范圍150 C170 C，時(shí)間14分鐘。試樣然后轉(zhuǎn)到第二塊熱板上，以220 C回流，并觀察助焊劑飛濺。 錫膏B，90%，Sn63/Pb37，-325/+500 在較高溫度下保溫超過2分鐘，減少或消除了助焊劑飛濺 Sn62的錫膏和Sn63的錫膏比較，看是否Sn62較慢的結(jié)合速度會(huì)減少飛濺 錫膏B：90%金屬含量，Sn63/Pb37，-325/+500 錫膏B：90%，Sn62/Pb36/Ag2，-325/+500 Sn62和Sn63都觀察到助焊劑飛濺，飛濺數(shù)量的差別肉眼觀察不出，觀察到Sn62的結(jié)合速度較慢 助焊劑A：Kester244，助焊劑B：92，助焊劑C：92J，助焊劑D：51SC，助焊劑E：73D，助焊劑F：75 可以推斷，如果助焊劑沸騰引起飛濺，那么當(dāng)助焊劑單獨(dú)加熱時(shí)應(yīng)該看到?？墒?，由于飛濺是在焊錫結(jié)合時(shí)觀察到的，這里應(yīng)該可找到其作用原理。測(cè)試說明溶劑排氣理論不能解釋助焊劑飛濺。 結(jié)合理論：當(dāng)焊錫熔化和結(jié)合時(shí)熔化材料的表面張力一個(gè)很大的力量在被夾住的助焊劑上施加壓力，當(dāng)足夠大時(shí)，猛烈地排出。這一理論得到了對(duì)BGA裝配內(nèi)焊錫空洞的研究的支持，其中描述了表面張力和助焊劑排氣之間的聯(lián)系(助焊劑排氣率模型)。因此，有力的噴出是助焊劑飛濺最可能的原因。接下來的實(shí)驗(yàn)室助焊劑飛濺模擬說明