無鉛表面工藝試驗

1、無鉛表面組裝工藝試驗郭大琪 黃 強 編譯1前言與標準的錫鉛焊料相比，使用無鉛焊料組裝印制板需要更高的工藝溫度，該問題在電子工業(yè)從含鉛焊料向無鉛焊料轉(zhuǎn)變時就已成為了人們關(guān)注的焦點。由于無鉛焊料的熔點高、浸潤性差，回流焊接需要的溫度比當前使用的含鉛焊料的高3040。因此，元件制造商、印制板制造商、組裝商和設(shè)備制造商大都會受到影響。對于無鉛焊接：是可以使用現(xiàn)有的設(shè)備和工具，還是需要更新?無鉛焊接點可靠嗎?在印制板上，錫鉛元件和無鉛元件是否可以混裝?錫鉛元件怎樣用無鉛焊料組裝?這些問題，甚至更多的問題，早在幾年前就擺在了電子工業(yè)的面前。本試驗確定的目的之一是對無鉛PWB組裝的材料和生產(chǎn)工藝進行試驗，以

2、及對無鉛焊料連接點和傳統(tǒng)焊料連接點進行比較。通過元件制造商、印制板制造商、設(shè)備制造商一一主要的原始設(shè)備制造商和電子組裝服務(wù)商的協(xié)同努力，NEMI工藝組使用現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和工具演示了無鉛表面安裝生產(chǎn)工藝。 2可靠性試驗板的制作這個項目向電子工業(yè)推薦了一種簡單的無鉛焊料，它的成分是Sn39Ag 06Cu。這種合金的熔點比共晶錫鉛焊料的高約35。該項目的工藝組負責開發(fā)新的回流焊工藝，確定所需的新設(shè)備，新工藝，并將工藝移交到生產(chǎn)現(xiàn)場，生產(chǎn)用于可靠性試驗的組裝板。在試驗中，這個工藝組確定了一種新的工藝溫度分布，并發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和工藝完全滿足更高熔點焊料的應(yīng)用。在進行工藝試驗時(20

3、00年初期)，無鉛焊膏還僅僅是在實驗室試驗生產(chǎn)的，而助焊劑還未被優(yōu)化。這個小組把錫鉛(Sn37Pb)焊膏和無鉛免清洗3型焊膏都分成了五組。其中一組用于進行印刷試驗，試驗中，先將焊膏印刷在試驗板上，再對其印刷特性、視覺可焊性進行評價，同時進行X-射線缺陷檢查。其它四組用于組裝印制板。在這個試驗中，總共組裝了253塊線路板(圖1)。所有的試驗板都是在一個簡單的場所生產(chǎn)的，使用的是標準的生產(chǎn)設(shè)備。這些線路板中使用了六種具有不同封裝形式的元件：CSPl69、CSP208、TSOP48、2512電阻芯片、PBGA256和CBGA256。每一封裝形式元件又分成了三種不同的試驗單元：錫鉛焊膏錫鉛元件；無鉛S

4、n39Ag06Cu焊膏錫鉛元件；無鉛Sn39Ag06Cu焊膏無鉛元件。在試驗中使用的印制板，除超薄外形封裝(TSOP)和2512電阻器板的表面涂敷是鎳金外，其余的表面均為浸銀涂敷。所有的試驗板都是用環(huán)氧FR-4材料制成的，除TSOP和2512電阻器試驗板的玻璃轉(zhuǎn)化溫度為130外，其余的均為170。在組裝中對所有板上的焊膏的量都進行了測量。焊膏體積的典型數(shù)據(jù)如表1。錫鉛和無鉛焊膏的量都是可以接受的。在相同的印刷條件下，無鉛焊膏的體積要大一些。這個差別可能是由于所選擇的無鉛焊膏有更好的印刷特性，因而可用于節(jié)距精度相對差一些的元件的組裝。對于錫鉛和無鉛元件的拾取和放置方式是一樣的。 對于所有印制板的

5、回流焊接，使用的是10溫區(qū)對流加熱爐。爐內(nèi)為氮氣氣氛，其氧含量低于30ppm。無鉛回流焊接的溫度范圍是從安裝有2512電阻器印制板的高的247到安裝有塑料焊球陣列(PBGA)印制板的低的239。表2示出了在可靠性試驗元件的回流焊接過程中焊接的時間和峰值溫度。 焊接的含鉛焊膏板和無鉛焊膏板間的主要差別是焊接點在視覺外觀上的差別。圖2示出的是錫鉛和無鉛焊接的焊球陣列(CBGA)元件焊接點的光學(xué)照片。 在可靠性試驗板制作好后，對它們進行了電學(xué)試驗、X-射線檢查、聲學(xué)成象檢查和自動光學(xué)檢查(AOI)。3 X-射線檢查 X-射線檢查用于確認工藝和觀察與焊接相關(guān)的缺陷。并可對試驗板組裝提供反饋信息。在進行

6、檢查時，也對X-射線設(shè)備對無鉛組裝檢查的適應(yīng)性進行了評估。在X-射線檢查中發(fā)現(xiàn)，無鉛和錫鉛焊接點的X-射線的外形成像是一樣的，其操作也相同，只是在測量無鉛組裝板上焊接點的直徑和厚度時需要對設(shè)備作一些微調(diào)。 總的來說，在無鉛焊膏組裝板上檢查出的缺陷比在錫鉛焊膏組裝板上的要多一些。在檢查用無鉛焊膏組裝的錫鉛或無焊球柵陣列(BGA)芯片尺寸封裝(CSP)元件時，觀察到空洞率有所增加；在檢查用無鉛焊膏組裝無鉛TSOP元件時，發(fā)現(xiàn)其浸潤性有一些降低，如表3所示：空洞是由于在無鉛焊膏的焊接中使用的是臨時助焊劑，同時無鉛SnAgCu合金的可焊性降低(與錫鉛和在無鉛焊膏焊接工藝期間升高工藝溫度的相比)。加速熱

7、循環(huán)試驗發(fā)現(xiàn)，用無鉛焊膏組裝無鉛元件，其焊接中的空洞沒有引起可靠性問題。進一步的研究工作將是優(yōu)化在更高回流溫度使用的無鉛焊膏助焊劑。X-射線檢查還發(fā)現(xiàn)，不同的錫鉛或無鉛組裝的試驗單元的各種形式元件的焊球直徑和焊接點厚度沒有差別。4AOI(自動光學(xué)檢查)為了確定無鉛焊接點和錫鉛焊接點在視覺外觀和形狀方面的差別，用AOI裝置對引線框架和芯片元件進行了檢查。用無鉛焊膏組裝的錫鉛電阻元器件的焊接點與用錫鉛焊膏組裝的錫鉛電阻器元件的焊接點在外觀上是一樣的，但用無鉛焊膏組裝的純錫電阻器，在印制板焊盤一邊的浸潤性降低了；并且在焊點表面發(fā)現(xiàn)有一些裂紋-可能是由于焊接點的冷卻不當造成的。盡管如此，ATC試驗沒有

8、發(fā)現(xiàn)機械完整性問題。5聲學(xué)顯微鏡檢查為了確定和比較元件內(nèi)部損傷，在回流焊接前和回流焊接后對TSOP48、CSPl69、CSP208、PGA256和CPGA256元件的內(nèi)部損傷情況用聲學(xué)顯微鏡進行了檢查。元件檢查是按照IPCJEDECJSTD-020修訂版B規(guī)定標準進行的。在組裝前，元件在125C下烘烤12小時，烘烤后存儲在氮氣室中。在元件安裝和用表2示出的時間和峰值溫度回流焊接在試驗板上后，對元件再一次進行了檢查。TSOP48在組裝前，就存在有一些內(nèi)部損傷。按照JSTD-020B的標準，這些有損傷的元件是可以接受的。在回流焊接后，元件內(nèi)部的損傷增加了，按照JSTD-020B的標準，這些損傷的大

9、部分仍然是可以接受的。但有一些用無鉛焊料時間-溫度組裝的元件，按照這個標準是不能接受的。對于其它類型元件，在回流前發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有一些輕微損傷，在錫鉛或無鉛工藝的時間-溫度回流后元件內(nèi)部的這些些輕微損傷的程度并未增加。這些輕微損傷完全在STD-020B判據(jù)的范圍之內(nèi)，它們是可以接受的。在熱循環(huán)可靠性試驗后，又再一次進行了分析，沒有發(fā)現(xiàn)元件內(nèi)部損傷和起鱗有進一步的增加。6返工評價CSP256和PBGA256試驗板的返工包括：元件去除、印制板焊盤修理、放置和回流新的元件。對于用無鉛焊膏組裝的無鉛PBGA和CSP元件，元件去除的峰值溫度分別是244和246。印制板焊盤修理好后，在印制板焊盤表面和元件上涂敷

10、焊膏和助焊劑，把新的元件安裝在印制板上并進行回流焊接。對于PBGA的無鉛返工，焊接的峰值溫度是244(217以上時間是66秒)；對于CSP的無鉛返工，焊接的峰值溫度是246(217以上時間是68秒)。在焊接時，無鉛元件殼體表面的溫度通常比焊接點的溫度高15。為了避免這種情況，在用熱噴嘴從四面對元件焊接點加熱時，采用了一種被稱之為強制空氣流冷卻的方法把冷空氣施加到元件殼體上表面以降低元件殼體溫度。由于采用了這種技術(shù)，在無鉛返工中，PGBA和CSP元件殼體表面的溫度分別降低了201和231。盡管返工開發(fā)工作是試驗性的，而且樣品數(shù)量很少，但它為在無鉛返工期間可能碰到的問題提供了一種基本的解決方案。7

11、結(jié)束語在印制板的組裝生產(chǎn)試驗中發(fā)現(xiàn)，使用共晶錫鉛焊膏和使用無鉛SnAgCu焊膏之間沒有大的差別。唯一的不同就是回流溫度。在大多數(shù)情況下，現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和工具可以用于這些的新的工藝。X-射線、聲學(xué)和AOI檢查設(shè)備完全可以用于無鉛組裝工藝。在對試驗組裝板的檢查中發(fā)現(xiàn)，無鉛焊膏焊接點和錫鉛焊膏焊接點在外觀上存在差別；另外，對于AOI檢查還有很多工作要做。X-射線檢查發(fā)現(xiàn)，用無鉛焊膏組裝CSPBGA-形式元件時，焊接點中的空洞增多了；用無鉛焊膏組裝TSOP-形元件時，焊膏的浸潤性有一些降低。聲學(xué)檢查表明，更高的回流溫度會誘發(fā)產(chǎn)生元件缺陷。然而，大多數(shù)這些缺陷仍在元件規(guī)范之內(nèi)。在CSP和PBGA的無鉛返

12、工中，開發(fā)了一種降低這類元件殼體表面溫度的方法。關(guān)于無鉛組裝、無鉛返工方面更多的開發(fā)工作，有待進一步研究。本文摘自電子與封裝無鉛波峰焊接:一種成本合理的升級方法隨著無鉛生產(chǎn)的不斷增長，制造廠家正尋求通過將現(xiàn)有的波峰焊機升級，滿足無鉛組件的需求，以節(jié)省資金的方法。By Tony Gyemant由于表面貼裝元件占有優(yōu)勢地位，目前的再流焊接工藝已將重點放到無鉛制造中。波峰焊接也必須向無鉛技術(shù)轉(zhuǎn)變，以避免同一個組件上含鉛合金與不含鉛合金混合到一起。人們普遍認為，只要把無鉛焊料直接添加到現(xiàn)有的波峰焊機中，就可以實現(xiàn)由錫鉛（SnPb)向無鉛的轉(zhuǎn)變。還有一種常見的誤解，認為有必要在無鉛工藝中采用一種新型的波

13、峰焊機。如果要使無鉛峰焊接工藝獲得成功，就必須考慮改變整個工藝。大多數(shù)無鉛焊料都具有良好的可焊性，但是，與錫鉛焊料比較，卻呈現(xiàn)出潤濕性下降的特性。由于潤濕性是焊接的一個關(guān)鍵因素，并受到多個變量的影響，因此焊接工藝需要調(diào)整，這些變化將會影響機器參數(shù)的絕大部分。無鉛合金的錫含量明顯要比錫鉛焊料的高，而且無鉛合金需要更高的工藝溫度。許多產(chǎn)品都是漸進式地轉(zhuǎn)向無鉛化，而許多制造廠家正在生產(chǎn)兼容無鉛產(chǎn)品的波峰焊機。由于無鉛合金的潤濕特性不如錫鉛焊料的好，所以，使用優(yōu)良的焊劑化合物是至關(guān)重要的。此外，無鉛焊接所需的較高溫度，要求焊劑化合物能夠承受高達130的預(yù)熱溫度和280的液化焊料溫度下長達3秒鐘。一般建

14、議使用無揮發(fā)性有機化合物（VOC free)的水基焊劑?，F(xiàn)有的波峰焊機需要較新的焊劑噴淋裝置進行升級，以適用于揮發(fā)性有機化合物（VOC）水基焊劑的加工處理。超聲或噴嘴類型的焊劑噴涂設(shè)備效果最好，因為焊劑的液滴尺寸是可以控制的，而且在整個印制電路板（PCB）上可以噴涂連續(xù)均勻的圖形。使用無揮發(fā)性有機化合物的焊劑，可以獲得最小尺寸的液滴，可以得到良好的通孔滲透。在載入芯片或?qū)恿鞑〞r，為達到較高的溫度，避免PCB過熱，常常需要一個較長的預(yù)熱區(qū)。PCB頂部達到適當?shù)念A(yù)熱溫度，對于降低焊接缺陷的影響最大。把從板子底部進行遠紅外加熱的方法，與從板子頂部進行對流加熱的方法結(jié)合在一起，可使PCB獲得最佳得預(yù)熱

15、效果。無鉛波峰焊接的預(yù)熱要求，傳送速度為120mm/min的加熱區(qū)長度需達1.8米，而傳送速度大于180mm/min的加熱區(qū)長度需達2.4米。有效的升級方法是：用一種外置的焊劑噴涂機替代現(xiàn)有的焊劑噴涂機。這不僅可以改善焊劑應(yīng)用的質(zhì)量，還可以釋放波峰焊機內(nèi)的空間。對于熔點為217的錫-銀-銅合金（SnAgCu）,焊錫鍋的溫度應(yīng)在260°-270之間。對于高熔點的合金，如錫-銅（SnCu),焊接溫度可在270°-280之間。由于無鉛合金的潤濕特性較差，需要較長的接觸時間，所以，通常都要改變層流焊嘴的特性。通常會減小芯片與層流波之間的距離，以便最大限度地減少接觸點之間的溫度下降。

16、增加層流波長度可以改善潤濕性，同時可以提高預(yù)熱量，產(chǎn)生類似的效果。降低層流波的壓力頭高度，可以減小溢出焊料的距離，從而減少浮渣量。與錫鉛焊料比較，大多數(shù)無鉛合金由于增加了錫的含量，在焊料液化時會很快氧化。由于工藝溫度較高，就會很快形成由錫氧（SnO and SnO2)構(gòu)成的氧化物和浮渣。焊錫鍋中的惰性氮氣氛使得液化焊料盡量少暴露于氧氣氛下,從而減少浮渣量。降低氧化的速率并聚焦浮渣，可明顯提高焊料性能。裸銅上的OSP涂層很快取代了傳統(tǒng)的熱風整平（HASL）板涂層，使得人們必須權(quán)衡鉛污染和銅污染的潛在影響問題。由于無鉛波峰焊接得到廣泛應(yīng)用，由于無鉛合金的銅的溶解速率較高要求增加對焊錫鍋的保養(yǎng)維護，

17、引發(fā)了一系列的問題。在長時間的操作過程中，焊錫鍋中某些無鉛合金的流動逐漸緩慢下來。這是由于焊錫鍋底部的銅-錫金屬間化合物（CuSn)的聚集所造成的。使用標準的錫鉛波峰焊接，其銅-錫金屬間化合物是流動的，這類問題就不存在了。在標準的錫-鉛波峰焊爐中，像銅這樣的雜質(zhì)在其聚集時與錫形成金屬間化合物。降低焊鍋的溫度，讓焊鍋閑置幾個小時，撇去其表面的浮渣，可以輕松地去除金屬間化合物。這種方法很奏效，因為銅-錫金屬間化合物（CuSn)的密度為8.28,而錫-鉛(SnPb)的密度為8.80,銅-錫金屬間化合物可以流動。對錫鉛焊爐進行周期性的保養(yǎng)維護，可使銅含量保持在0.15-3%之間，這一范圍是可以接受的。

18、錫-銅或錫-銀-銅無鉛焊料合金的密度小于錫鉛焊料的密度（見表）。銅-錫金屬間化合物不是在表面上浮動，而是滲透于無鉛合金中，并彌散于整個焊錫鍋中。此外，有些無鉛合金溶解銅速度也比錫-鉛的快。這是由于銅聚集和焊錫鍋的雜質(zhì)以較快的速率形成的結(jié)果，這樣，就需要經(jīng)常性地更換焊錫鍋中的焊料，或進行徹底的清理。根據(jù)研究結(jié)果，我們建議，當裝有無鉛合金的焊錫鍋中的銅雜質(zhì)達到1.55%時，必須倒掉焊錫鍋合金活性就低。超過這個值，多數(shù)無鉛合金活性就低，銅雜質(zhì)高于1.9-2.0%時，就會損壞渦輪、導(dǎo)流板和焊錫鍋。由于在高溫下，錫是有腐蝕性的，所以，許多無鉛合金會導(dǎo)致用于渦輪、導(dǎo)流板和焊錫鍋中的基體金屬腐蝕。許多基體金

19、屬如不銹鋼或鑄鐵的表面，常常會出現(xiàn)銹斑，而且在延長與無鉛合金的接觸時間后開始溶解。這樣的瀝濾過程，將釋放出鐵（Fe)粒子，使得焊料合金遭受污染。在使用無鉛合金時，焊錫鍋材料，如不銹鋼，僅經(jīng)幾個月的操作后就會被損壞。使用高標號的不銹鋼在某種程度上會降低這種效應(yīng)，已有抗腐蝕的表面涂層申請了專利。然而，因為需用較高水準的保養(yǎng)維護，才能去除浸入焊錫鍋底部的銅金屬間化合物，表面涂層有可能會出現(xiàn)劃痕。一段時間之后，劃痕增多會破壞表面涂層，結(jié)果導(dǎo)致基體金屬腐蝕，焊錫鍋受到污染。在沒有保護的情況下，用這些基體金屬制成的零部件，在僅僅使用了一、二年的時間后，其質(zhì)量就會下降到需要更換的程度。有些基體金屬是防除錫的

20、，不過，這類材料的成本過高。而鈦是防除錫的。傳統(tǒng)的基體金屬制造的焊料泵和導(dǎo)流板，應(yīng)用于無鉛焊接中，會頻率發(fā)生磨損，引起人們重新考慮鈦的使用問題。改裝盒可替代渦輪、導(dǎo)流板和焊料噴嘴，其零部件都是用鈦制造的，可滿足無鉛應(yīng)用的長期使用要求（見圖1）?？蓪⑩伜笭t襯裝到現(xiàn)有的鑄鐵焊爐內(nèi)，這樣，現(xiàn)有的波峰焊機就可用于無鉛工藝中了（見圖2)?？蓪⑦@種鈦質(zhì)的爐襯用于各種不同類型的波峰焊機的改裝。這種方法不存在鐵溶解的問題，可使焊料雜質(zhì)降到最低限度，而且不需對焊錫鍋進行周期性的傾倒。結(jié)論采用外置的焊劑噴涂機、新的預(yù)熱組件、焊錫鍋改裝盒和鈦焊爐襯，對現(xiàn)有的波峰焊機進行升級，可以降低向無鉛波峰焊過渡的成本。尤其是當將一種升級方案應(yīng)用于舊的波峰焊機時。這種方法提供了有效的無鉛性能，而成本僅為一臺新設(shè)備價格的幾分之一。 無鉛焊X射線檢測的調(diào)整By David Bernard實施無鉛技術(shù)給0EM和合同制造商(CM)都帶來了法律和商業(yè)上的壓力。由于合同制造商要經(jīng)常向0EM提供產(chǎn)品，在產(chǎn)品組裝生產(chǎn)時，他們必須考慮采用無鉛戰(zhàn)略，并確定無鉛技術(shù)取代傳統(tǒng)的有鉛焊接工藝后，這一變化生產(chǎn)、測試和檢驗程序的影響。當對無鉛焊材料試樣進行X射線照射時，首當其沖要考慮的是，隨試樣的Z值(原子序數(shù))和密度的增加，射線的吸收也增加。鉛的原子序數(shù)為82，而錫為50，銀為4