00106焊接工藝技術(shù)匯編06到日本的無鉛之旅

1、到日本的無鉛之旅 by bob willis本文介紹，一個英國的專家小組在日本考查無鉛工藝的報告，值得我們借鑒。無鉛中有什么新的東西？在二月份我與七個工程師的小組去日本旅行，訪問了許多為我們工業(yè)提供電子產(chǎn)品的主要供應(yīng)商和生產(chǎn)商。代表團訪問了 sony, panasonic/matsushita, nec, denso, tdk, senju, koki和 meti政府機關(guān)，以獲取立法、無鉛材料發(fā)展、商業(yè)產(chǎn)品和現(xiàn)在使用的裝配工藝的狀態(tài)。討論了許多問題： 立法與環(huán)境問題 焊接材料的生產(chǎn)與世界范圍的銷售 裝配設(shè)備設(shè)計與制造 裝配工藝與合約制造 無鉛研究與可靠性問題 檢查和質(zhì)量控制小組成員將在全英國的

2、研討會上提出有關(guān)在日本公司內(nèi)無鉛裝配的現(xiàn)實狀況的報告。這些研討會，與伴隨的報告，將覆蓋在整個世界范圍內(nèi)企圖適應(yīng)日本對無鉛產(chǎn)品過于進取的實施的那些公司所面臨的問題。以下是從報告中節(jié)錄的一個章節(jié)。印刷電路板設(shè)計規(guī)則對于無鉛裝配與焊接，沒有特殊的設(shè)計規(guī)則或設(shè)計變化在日本廣泛實施。作了一些修改來克服諸如圓腳失效的工藝缺陷，或?qū)宓脑O(shè)計調(diào)整到替代的焊接工藝。日本的產(chǎn)品一直總是設(shè)計的很好適應(yīng)制造工藝 -這種情況有許多年了。實施了許多消除焊接缺陷的設(shè)計方法。這些方法是必要的，因為在這個市場上有大規(guī)模的消費產(chǎn)品的生產(chǎn)。雖然日本產(chǎn)品傳統(tǒng)上是為消費與電訊市場生產(chǎn)，但是許多可制造設(shè)計(dfm, design for

3、 manufacturing)規(guī)則可使所有的電子產(chǎn)品受益。消除焊接短路的排泄焊盤(drainage pad)的使用、消除焊接點破裂的窄焊盤(narrow pad)的使用、和在波峰焊接系統(tǒng)的允許中心板支持的禁區(qū)都是在日本電路板上常見的，但在歐洲和美國則較少見。用于減少焊錫焊腳失效的唯一特殊設(shè)計變化是電路板上可焊接焊盤尺寸的變化。該變化是通過使用阻焊(resist)界定的焊盤來達到的，這里阻焊圖形交迭焊盤表面。圖一：阻焊層圖形變化以克服焊腳失效。圖一顯示該設(shè)計規(guī)則變化前后的一個例子。它顯示使用阻焊層開口來界定焊盤表面的變化。代表團研討會之后，在英國大使館舉行的初次圓桌討論會上，sony, pana

4、sonic和 toshiba特別強調(diào)這個減少焊腳失效的技術(shù)，但在訪問期間只有 sony再次強調(diào)。通過減少在板的頂面焊盤表面積，焊腳的擴展范圍減少；這種焊腳沒有增加太多的焊點強度。在傳統(tǒng)的設(shè)計規(guī)則情況中，常見到焊錫沒有完全濕潤在頂部焊盤表面，也導致外觀的缺陷。通過減少焊盤表面積，它使得比較容易達到對這個縮小的焊盤表面積的完全覆蓋。雖然不是特別與板的布局有關(guān)，但是對模板的設(shè)計進行了修改。例如，sony采用多印(over print)或增加修改的開孔，來保證錫膏將完全濕潤焊盤的表面。許多日本公司正企圖完全覆蓋表面貼裝焊盤，但是在歐洲和美國，在諸如金、銅 osp(有機可焊性保護層)和銀等選擇性的印刷電

5、路板(pcb)最終表面涂層上，經(jīng)常在回流(reflow)后看到基礎(chǔ)涂層。疊層板(laminate)在我們的訪問期間，只討論了三種疊層材料，這些材料是現(xiàn)在使用的或者將來考慮用于未來產(chǎn)品的：fr4玻璃環(huán)氧樹脂、cem3合成物、和 fr5玻璃環(huán)氧樹脂。fr4疊層板被認為是工業(yè)的疊層板支柱。這種材料有多層灌注有環(huán)氧樹脂的玻璃纖維織物制成，是最廣泛使用的材料，因為它提供成本、電氣和機械性能之間最好的折衷。在過去，玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(tg)已經(jīng)達到 125，但是對于基本的 fr4的現(xiàn)行規(guī)格已經(jīng)增加到 130135，因為在樹脂技術(shù)的改進。cem3疊層板是有環(huán)氧樹脂的無紡玻璃纖維布的一種化合物核心。外層表面是以灌

6、注有環(huán)氧樹脂的玻璃纖維織物。該材料主要作為一種低價材料用于電鍍通孔(plated through hole)。fr5疊層板使用多層具有一種多重性環(huán)氧樹脂系統(tǒng)的玻璃纖維織物，來提供更大的機械穩(wěn)定性。材料的 tg通常在 150160。fr4與 cem3現(xiàn)在正用于或者計劃用于未來的生產(chǎn)。有一個汽車生產(chǎn)商提到過 fr5，因為他們正在考慮這種材料，由于這種材料改進的 tg適合于汽車應(yīng)用。可焊性表面涂層(solderable finishes)日本的公司比世界上其他地方的公司在所制造產(chǎn)品的 pcb上更多地使用經(jīng)過保護的銅表面。表面涂層描述為銅箔上涂蓋預上助焊劑(preflux)。傳統(tǒng)上，預上助焊劑描述為在

7、清潔的銅箔上的一種樹脂基涂層，但是這個術(shù)語在我們的會談期間用來描述 osp(有機可焊性保護劑)表面涂層。與我們交談的公司不打算因為轉(zhuǎn)到無鉛焊接而改變這類表面涂層，雖然也提到評估現(xiàn)在可以獲得的浸銀工藝的計劃。象在歐洲一樣，日本公司認識到無鉛合金在銅表面的濕潤和擴散比錫/鉛的少。有一個公司使用這個信息作為在錫/銀/銅合金內(nèi)增加鉍的論點。我們觀察到鎳/金無電鍍表面涂層的例子。沒有人提到這些會由于轉(zhuǎn)移到無鉛焊錫合金而改變。我們也咨詢了無鉛的熱風均勻法(hasl)表面涂層，包括正在評估取代錫/鉛合金的錫/銀和錫/鋅/鉍合金。無鉛缺陷類型在制造期間，可能發(fā)生許多缺陷，由于在無鉛工藝期間需要的焊接溫度增加了

8、，因此隨后在現(xiàn)場的產(chǎn)品上也會發(fā)生缺陷。多年來，在歐洲和美國的公司都認為最好的替代合金將是那些具有比現(xiàn)有的錫/鉛合金較高焊接溫度的材料。在日本的公司都傾向于尋找一種可以在較低的工藝溫度下使用的合金。今天，大多數(shù)公司都同意，一個最終的解決方案將是基于錫/銀/銅的一種合金。在日本的會談期間，除標準的工藝缺陷之外，還討論了濕潤差、焊接焊腳失效和焊錫污染(氧化物)。這些缺陷特別與現(xiàn)在正在使用的無鉛工藝有關(guān)。無鉛焊錫與傳統(tǒng)的合金相比會增加濕潤差或者有限的情況，因此有必要對現(xiàn)在的檢查標準作可能的改變。在歐洲和美國，有限的濕潤經(jīng)常是視為理所當然，因為多數(shù)工程師都印刷比焊盤面積小的錫膏。至今，幾乎所有的焊腳失效

9、的例子都是與波峰焊接工藝有關(guān)的。在英國的試驗也已經(jīng)看到發(fā)生在通孔元件上的這類缺限，這些通孔元件已經(jīng)使用錫膏中的引腳工藝(pin-in-paste)或插入回流焊接工藝進行了焊接。在日本，用錫膏的通孔元件焊接叫做多點焊接(multi-spot soldering)。sony已經(jīng)在其 discman(類似于 walkman)的裝配線上使用多點焊接技術(shù)超過十年之久。在使用無鉛合金的波峰焊接之后，看到焊腳失效，一般在電鍍通孔板的板頂面出現(xiàn)。焊腳從板的表面升起，如圖二所示。待添加的隱藏文字內(nèi)容2圖二：掃描電子顯微鏡顯示一個焊腳從板的表面升起。在完整的報告中，強調(diào)了三種不同的焊腳失效，并討論了它們對可靠性的

10、影響。圖三、四、五解釋了所討論的這些問題，但是來自一個歐洲的、當使用插入式回流焊接時對錫/銀/銅合金進行的評估。圖三：焊腳升起圖四：焊盤升起圖五：焊腳撕開在過去，焊腳升起發(fā)生在厚的多層板上；在這些情況中，升起是純粹與板的 z軸膨脹與收縮有關(guān)的?，F(xiàn)在，ipc對于 pcb的標準 ipc-a-600不允許在裝配之前有升起焊盤的板供應(yīng)。對裝配的 ipc-a-600允許焊接之后升起的焊盤，并認為是應(yīng)用級別 1，2和3的一個工藝標志。升起允許到達一個焊盤的厚度。這類缺陷的許多例子是在這個高度之上，認為是不能接受的。有一家公司在介紹使用錫/鋅合金錫膏的無鉛裝配中強調(diào)了焊錫污染。視覺上，該缺陷看上去象已經(jīng)完全回流并結(jié)合在一起的少量錫膏，但是沒有形成錫球。通常，如果錫/鉛錫膏的顆粒留在阻焊層的表面上，或者流到片狀元件的下面，顆粒將回流和形成一個錫球。當處于一個片狀或者小型有源元件之下時，顆粒將從零件的下邊出現(xiàn)并且叫做焊錫珠(solder bead)。原