無鉛焊料技術(shù)

1、現(xiàn)行焊料現(xiàn)行焊料錫錫( (Sn)Sn)鉛鉛(37(37Pb)Pb)使用于全電子機(jī)器使用于全電子機(jī)器無鉛無鉛( (Pb)Pb)焊料焊料錫錫( (Sn)Sn)無害金屬無害金屬20022002年度年度 全世界、全商品全世界、全商品不含鉛焊料不含鉛焊料無鉛焊料是什么無鉛焊料是什么? ?鉛(Pb)的含量(質(zhì)量%)如下的叫無鉛焊料。系Pb含有質(zhì)量%ISO9453軟焊料合金JIS Z 3282焊料組成Pb含有質(zhì)量%組成Sn-5Sb0.10Sn-3.5AgSn-3AgSn-4Ag0.10Sn-50InSn-57BiSn-1CuSn-3Cu0.10Sn-BiSn-CuSn-5SbSn-58BiSn-In0.10

2、0.100.100.050.100.100.05Sn-AgSn-Sb無鉛標(biāo)志與英文名稱無無鉛鉛英文名稱：英文名稱：無無鉛標(biāo)鉛標(biāo)志：志：Lead-free所有的所有的電電子料及其子料及其焊焊料必料必須須要有無要有無鉛標(biāo)鉛標(biāo)志或志或英文名稱英文名稱為什么要無鉛焊料為什么要無鉛焊料對(duì)人體的影響對(duì)人體的影響對(duì)生態(tài)系的影響對(duì)生態(tài)系的影響酸性雨廢棄印刷基板被鉛污染的地下水土壤廢棄物 溶出鉛粉碎, 填拓含鉛焊料的有害性含鉛焊料的有害性日本國(guó)內(nèi)外的動(dòng)向日本國(guó)內(nèi)外的動(dòng)向焊料所含的鉛雖為全使用量的焊料所含的鉛雖為全使用量的1%1%弱弱(3(3萬萬5 5百萬噸百萬噸), ), 而有廣泛擴(kuò)散的可能性而有廣泛擴(kuò)散的可能

3、性, , 難于完全回收。由于環(huán)境污染難于完全回收。由于環(huán)境污染, , 憂慮鉛中毒等對(duì)人體的影響。憂慮鉛中毒等對(duì)人體的影響。 向高循環(huán)化社會(huì)移行。通過廢棄物處理法向高循環(huán)化社會(huì)移行。通過廢棄物處理法, , 水質(zhì)污濁防止法強(qiáng)化規(guī)制水質(zhì)污濁防止法強(qiáng)化規(guī)制 歐洲正在審議包括禁止使用電子機(jī)器中的鉛的法案歐洲正在審議包括禁止使用電子機(jī)器中的鉛的法案( (提議提前到提議提前到20062006年年) ) 松下電器比世界早一步發(fā)表于松下電器比世界早一步發(fā)表于20022002年度全商品導(dǎo)入。同業(yè)其他公司急起直追。年度全商品導(dǎo)入。同業(yè)其他公司急起直追。接合機(jī)械的接合焊接粘結(jié)接合釬焊壓焊熔焊焊接硬釬焊母材不溶釬料的熔

4、點(diǎn)450以下對(duì)接合材料(母材)的接合面間隙, 澆注熔點(diǎn)比母材低的釬料(焊料), 使機(jī)械地,電氣地接合。 焊接的機(jī)制焊接的機(jī)制(1)(1)焊接工序焊接工序 熔化焊料在接合面上濡濕開 對(duì)加熱過的接合面供應(yīng)焊料和焊劑 焊劑還原除去接合面的氧化膜 熔化焊料與基板銅箔及零件電極互相擴(kuò)散, 在界面上形成Cu-Sn合金層 焊料冷卻凝固, 焊接完畢焊料被接合材B被接合材A接合接合 金屬表面 氧化物(O)焊劑焊劑氫離子(H+)水蒸氣(H2O)金屬(Cu, 焊料等)鹵素鹽, 金屬皂有機(jī)酸離子 鹵素離子焊料焊料焊接區(qū)(Cu)焊劑焊劑好的焊接是什么好的焊接是什么1. 1. 熔化焊料與母材融合得好熔化焊料與母材融合得好

5、。2. 2. 由于焊料的毛細(xì)管現(xiàn)象易于浸透。由于焊料的毛細(xì)管現(xiàn)象易于浸透。3. 3. 接合面機(jī)械地穩(wěn)定。接合面機(jī)械地穩(wěn)定。 濡濕性濡濕性界面合金層界面合金層焊接的機(jī)制焊接的機(jī)制(2)(2)所謂濡濕是在接合界面形成合金層。所謂濡濕是在接合界面形成合金層。 (1) 母材, 焊料各各的表面張力(2) 母材與焊料之間的界面張力(3) 焊料與母材的金屬學(xué)的融合性(合金化傾向)(4) 母材的表面狀態(tài)(污垢, 氧化膜等)(5) 焊接作業(yè)條件影響濡濕性的因素接觸角小 接觸角大a)濡濕性佳b)濡濕性不夠所謂界面合金層是所謂界面合金層是, , 熔化焊料與母材的熔化焊料與母材的CuCu互相擴(kuò)散互相擴(kuò)散, , 在接合

6、界面形成在接合界面形成Cu-SnCu-Sn的合金層的合金層 互相擴(kuò)散的模型圖合金層約5m焊料焊接區(qū)焊接區(qū)(Cu)焊料焊劑形成金屬間化合物層是濡濕接合的必需條件, 不過因?yàn)榛衔飳右话阌捕? 以薄為佳。厚的原因是: 焊接溫度高, 時(shí)間長(zhǎng)。 使用產(chǎn)品時(shí)長(zhǎng)時(shí)間放在高溫下。CuSnD DH HD DD-HD-H1 00%1 00%擴(kuò)散率擴(kuò)散率焊接的共通工序焊接的共通工序 工序工序釬焊烙鐵(機(jī)械手)局部加熱裝置軟熔爐 供應(yīng)膏狀焊料浸流裝置 (溶化器和浸漬槽) 供應(yīng)棒狀焊料軟熔爐+浸流裝置 供應(yīng)膏狀, 棒狀焊料用途、安裝形態(tài)用途、安裝形態(tài)焊料設(shè)備焊料設(shè)備工序工序涂粘著劑SMD安裝粘著劑硬化基板反轉(zhuǎn)零件插

7、入(C&C)浸流焊接焊料印刷SMD安裝軟熔焊接兩面基板時(shí), 反轉(zhuǎn)后, 重復(fù)上述工序軟熔工序浸流工序局部浸流焊接局部軟熔焊接浸流浸流/ /軟熔軟熔 混載混載浸流浸流 (熔融焊料浸漬)軟熔軟熔 (膏狀焊料加熱)局部加熱少量生產(chǎn), 修理, 單零件及其他弱耐熱零件, 后來安裝對(duì)應(yīng)及其他手提, 移動(dòng)商品器件等 (數(shù)字控制高頻等)產(chǎn)業(yè)用, 系統(tǒng)商品等 (大規(guī)模CPU復(fù)合控制等)固定式AV, 電化商品等 (電力, 電源操作電路等)單面基板兩面基板兩面基板兩面基板插入零件安裝零件(SMD)插入零件SMDSMDSMD插入零件單面基板單面基板SMD釬焊烙鐵原因原因架橋焊料球不濡濕離開裂紋芯片分離氣泡腐蝕遷移設(shè)計(jì)不

8、良, 材料不良, 作業(yè)條件設(shè)定不適, 作業(yè)管理不足運(yùn)輸時(shí)的振動(dòng), 沖擊, 設(shè)想外使用條件機(jī)械的應(yīng)力(振動(dòng), 沖擊, 彎曲, 扭轉(zhuǎn), 載荷), 熱應(yīng)力(高溫, 溫度急變)的持續(xù), 反復(fù)外部氣氛(腐蝕性氣體, 水分.) 經(jīng)時(shí)惡化不妥現(xiàn)象現(xiàn)象出貨前發(fā)現(xiàn)的不妥市場(chǎng)初期不妥外觀不良(架橋, 焊料球, 不濡濕, 紅眼, 氣泡, 芯片分離, 裂紋, 離開.)裂紋, 剝離腐蝕, 遷移, 金屬須, 裂紋, 剝離焊接不妥的代表事例焊接不妥的代表事例主要原因主要原因不濡濕不濡濕濡濕不足濡濕不足紅眼紅眼 (浸流) (軟熔)焊接面的氧化, 污垢(浸流)噴流與基板的接觸不適當(dāng)(角度, 速度, 時(shí)間)(所謂紅眼指基板的焊接

9、區(qū)上不附著焊料, 看見紅色銅板的狀態(tài))使用活性型的焊劑選擇濡濕性好的焊料防止金屬面的氧化架橋架橋 (浸流) (軟熔)冰柱冰柱 (浸流) 焊膏流出與旁邊連接 由于軟熔時(shí)的急速加熱, 焊膏被焊劑沖走。 (浸流)二次噴流形狀, 基板速度不適當(dāng)。(所謂冰柱指焊料由引線的先端突出成冰柱狀或角狀的狀態(tài))基板焊接區(qū), 印刷掩膜尺寸軟熔溫度曲線設(shè)置虛設(shè)焊接區(qū)焊料成分管理焊料球焊料球 (軟熔) 由于焊膏中的焊劑突然沸騰, 焊膏的吸濕而水蒸氣化使焊料飛散 露出保護(hù)膜上的焊料沒有去處留下珠球。預(yù)熱條件的適當(dāng)化焊膏的吸濕防止印刷面積的適當(dāng)化芯片分離芯片分離 (軟熔) 由于左右的焊接區(qū)的圓角間表面張力不同(焊料量, 濡

10、濕性)或熔化時(shí)間差, 拉向一方。焊接區(qū)尺寸的適當(dāng)化(使焊料附著量少一點(diǎn))充分的預(yù)熱和防止急加熱提高安裝位置精度防止零件電極的氧化基板面的均一加熱 裂紋裂紋, , 剝離剝離 (浸流) (軟熔) 由于焊料附著不足或高溫狀態(tài)的持續(xù), 對(duì)結(jié)晶粗大化或接合界面合金成長(zhǎng)而變脆的地方, 熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力反復(fù)作用時(shí), 由于金屬疲勞引起破裂或界面剝離。焊料材質(zhì)的選擇適量的焊接條件基板材質(zhì)(熱膨脹系數(shù))不把焊接溫度提得過高對(duì)策例對(duì)策例不妥現(xiàn)象和有關(guān)工作法不妥現(xiàn)象和有關(guān)工作法焊接不妥原因和對(duì)策焊接不妥原因和對(duì)策(1)(1)技術(shù)學(xué)校支援內(nèi)容技術(shù)學(xué)校支援內(nèi)容(新產(chǎn)品)焊接區(qū)形狀, 翹曲對(duì)策等熔點(diǎn), 質(zhì)量, 設(shè)備等綜合評(píng)

11、價(jià)耐熱溫度, 電極鍍層評(píng)價(jià)等先行實(shí)驗(yàn), 設(shè)計(jì)試制評(píng)價(jià), 設(shè)備、工作法條件, 規(guī)格設(shè)定等質(zhì)量, 可靠性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定基板全體, 接合部初期評(píng)價(jià)熱沖擊, 高溫高濕, 強(qiáng)度等QC承認(rèn)生產(chǎn)準(zhǔn)備, 教育實(shí)習(xí)完畢, 生產(chǎn), 質(zhì)量管理體制完備日常、定期管理, 檢點(diǎn), 改善導(dǎo)入批量生產(chǎn)設(shè)備導(dǎo)入批量生產(chǎn)設(shè)備, , 確定制造規(guī)格確定制造規(guī)格批量生產(chǎn)試驗(yàn)批量生產(chǎn)試驗(yàn), , 批準(zhǔn)批準(zhǔn)質(zhì)量評(píng)價(jià)質(zhì)量評(píng)價(jià)( (外觀外觀, , 強(qiáng)度強(qiáng)度) )質(zhì)量評(píng)價(jià)質(zhì)量評(píng)價(jià)( (可靠性可靠性) )批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)試制評(píng)價(jià)試制評(píng)價(jià), , 工作法、設(shè)備規(guī)格工作法、設(shè)備規(guī)格, , 選定選定基板設(shè)計(jì)基板設(shè)計(jì)基板設(shè)計(jì)變更基板設(shè)計(jì)變更選定焊料選定焊料制定

12、導(dǎo)入推進(jìn)計(jì)劃制定導(dǎo)入推進(jìn)計(jì)劃選定電子零件選定電子零件(現(xiàn)行產(chǎn)品)批量生產(chǎn)質(zhì)量, 運(yùn)轉(zhuǎn)等綜合評(píng)價(jià)生產(chǎn)審批工作內(nèi)容工作內(nèi)容現(xiàn)狀分析, 目標(biāo)設(shè)定, 課題抽出, 推進(jìn)體制, 投資計(jì)劃等工作法, 安裝條件, 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等導(dǎo)入步驟導(dǎo)入步驟工序?qū)胍?guī)格書質(zhì)量評(píng)價(jià)方針技術(shù)學(xué)校討論會(huì) 實(shí)習(xí)實(shí)證 個(gè)別支援設(shè)計(jì) 制造支援工具 技術(shù)質(zhì)量信息提供、無鉛焊料的選定無鉛焊料的選定選定條件選定條件MUST: MUST: 電、機(jī)械特性電、機(jī)械特性, , 質(zhì)量、可靠性質(zhì)量、可靠性, , 環(huán)境負(fù)荷環(huán)境負(fù)荷WANT: WANT: 焊接性焊接性( (熔點(diǎn)熔點(diǎn), , 濡濕濡濕 ), ), 安裝性安裝性, , 費(fèi)用費(fèi)用, , 專利及其他專利

13、及其他選定經(jīng)過選定經(jīng)過Sn-Sn-Pb Pb Sn- Sn-X X 由于由于SnSn單體為高熔點(diǎn)單體為高熔點(diǎn)( (232)232)1. 1. SnSn元系選定元系選定: :Sn-AgSn-Ag系系(221)(221)基本組成基本組成Sn-CuSn-Cu(227)(227)浸流用浸流用( (低費(fèi)用低費(fèi)用) )2. Sn-Ag2. Sn-Ag系改良系改良: : Sn-Ag-Cu Sn-Ag-Cu (218)(218)浸流、軟熔浸流、軟熔( (共同使用、共同使用、高強(qiáng)度高強(qiáng)度) )目前我公司選用目前我公司選用Sn-Ag-Bi-In Sn-Ag-Bi-In (213)(213)軟熔用軟熔用( (高高濡

14、濕濡濕) )3. 3. 低熔點(diǎn)化改良低熔點(diǎn)化改良: :Sn-Ag-Bi-InSn-Ag-Bi-In改改 (206)(206)軟熔用軟熔用 Sn-Zn-BiSn-Zn-Bi (197)(197)軟熔用軟熔用無鉛焊料的特性和注意點(diǎn)無鉛焊料的特性和注意點(diǎn)向超過現(xiàn)行焊料的高質(zhì)量、高可靠性無鉛焊料技術(shù)挑戰(zhàn)向超過現(xiàn)行焊料的高質(zhì)量、高可靠性無鉛焊料技術(shù)挑戰(zhàn)高熔點(diǎn)高熔點(diǎn)( (151540)40)低潤(rùn)濕低潤(rùn)濕( (流動(dòng)流動(dòng)) )性，容易氧化性，容易氧化浸流工序軟熔工序Sn-Zn-BiSn-PbSn-Cu零件耐熱Sn-Ag-CuSn-Ag-Bi-In現(xiàn)行183 00.20.40.6240250260Sn-PbSn

15、-Pb現(xiàn)行Sn-Ag-CuSn-Ag-Cu熔點(diǎn)潤(rùn)濕劣零交叉時(shí)間潤(rùn)濕好軟熔溫度領(lǐng)域浸流溫度領(lǐng)域?qū)α慵臒釗p害 再加熱剝離, 強(qiáng)度劣化通孔上升, 不潤(rùn)濕架橋焊料球, 空白拉起, 縮孔1.1. 耐熱性耐熱性因?yàn)楹附訙囟缺冗^去高(要看焊料材料, 浸流工作法高010, 軟熔工作法高1020), 耐熱保證溫度(化學(xué)的, 電的, 機(jī)械的)要高。2. 2. 端子涂層的焊接性良好端子涂層的焊接性良好1. 要與無鉛焊料的接合性(濡濕性, 接合強(qiáng)度)良好。2. 不要與無鉛焊料反應(yīng)而形成強(qiáng)度低的合金層。 3.3. 不溶解有害雜質(zhì)于浸流焊不溶解有害雜質(zhì)于浸流焊料浴料浴溶出于浸流焊料浴中時(shí), 要不降低焊接質(zhì)量。特別是,

16、要絕對(duì)避免含鉛的鍍層。4. 4. 其本身無鉛其本身無鉛露出的端子(電極, 引線)不用說, 連內(nèi)部連接也以不用含Pb焊料為佳。(雖然目前還不能充分實(shí)現(xiàn))5.5. 不產(chǎn)生金屬須不產(chǎn)生金屬須不要由于無鉛化, Sn成分提高的結(jié)果, 長(zhǎng)期高溫高濕下產(chǎn)生金屬須。適應(yīng)無鉛焊料零件的選定適應(yīng)無鉛焊料零件的選定鉛焊料鉛焊料無鉛焊料無鉛焊料無鉛焊料涂層無鉛焊料涂層鉛焊料涂層鉛焊料涂層現(xiàn)狀現(xiàn)狀 電極鍍層的無鉛化電極鍍層的無鉛化 提高焊料耐熱性提高焊料耐熱性 根據(jù)根據(jù)“接合質(zhì)量評(píng)價(jià)方針接合質(zhì)量評(píng)價(jià)方針”的評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià), , 批準(zhǔn)批準(zhǔn)電子零件電極涂層電子零件電極涂層焊料焊料每個(gè)共通工序的接合質(zhì)量課題每個(gè)共通工序的接合質(zhì)量

17、課題6群(安裝形態(tài))單面安裝單面安裝兩面安裝兩面安裝單面安裝單面安裝兩面安裝兩面安裝接合質(zhì)量課題正在重點(diǎn)工作【共通共通】 接合不潤(rùn)濕接合不潤(rùn)濕, , 焊料球及其他焊料球及其他 對(duì)弱耐熱零件的對(duì)弱耐熱零件的熱損害熱損害【兩面特有兩面特有】 已軟熔面再加熱的影響已軟熔面再加熱的影響 ( (接合剝離接合剝離, , 強(qiáng)度劣化及其他強(qiáng)度劣化及其他) )【共通共通】 接合不潤(rùn)濕接合不潤(rùn)濕, , 縮孔縮孔, , 剝離及其他剝離及其他 不純物不純物溶出溶出( (Pb,Cu,BiPb,Cu,Bi及其他及其他) )【兩面特有兩面特有】 SMDSMD耐熱耐熱, , 接合不良接合不良 通孔上升不足通孔上升不足【混載特

18、有混載特有】 已軟熔面已軟熔面再加熱再加熱的影響的影響 ( (接合剝離接合剝離, , 強(qiáng)度劣化及其他強(qiáng)度劣化及其他) ) 通孔上升不足通孔上升不足, , 拉起拉起3系(工序)浸流浸流( (熔融焊料浸漬熔融焊料浸漬) )軟熔軟熔( (膏狀焊料加熱膏狀焊料加熱) )軟熔浸流軟熔浸流 混載混載單面安裝單面安裝兩面安裝兩面安裝提高預(yù)熱溫度。提高焊料溫度?？s短次噴嘴和次噴嘴的間隔防止噴嘴間的基板冷卻。在噴流部之上附加遮蓋防止放熱。對(duì)應(yīng)策對(duì)應(yīng)策濡濕性差濡濕性差表面安裝零件的狹窄間隙等陰的部分難于附著焊料。液面水平降低時(shí)多發(fā)紅眼。太上升就在狹窄間隙部產(chǎn)生架橋把次噴嘴部改良為獨(dú)立多列孔把輸送機(jī)速度和傾斜角最優(yōu)

19、化。正確地管理噴流高度(基板泡浸深度)無鉛焊料的特征無鉛焊料的特征容易引起的質(zhì)量問題容易引起的質(zhì)量問題熔點(diǎn)高熔點(diǎn)高Sn-0.7Cu227Sn-3.0Ag-0.5Cu217(比較)Sn-37Pb183與零件耐熱溫度(240260)之間余裕少，需要嚴(yán)密的溫度管理。焊料易于氧化。由于溶進(jìn)雜質(zhì)由于溶進(jìn)雜質(zhì), , 脫離共晶點(diǎn)脫離共晶點(diǎn)再凝固時(shí)低熔點(diǎn)金屬(Pb, Bi等)偏析而產(chǎn)生離開或引起沖擊強(qiáng)度低下。通過噴流部后，以冷卻扇急冷進(jìn)行雜質(zhì)的濃度管理。無鉛焊料特有的浸流質(zhì)量課題無鉛焊料特有的浸流質(zhì)量課題由于由于SnSn成分的比例高成分的比例高, , 產(chǎn)生焊料槽侵食產(chǎn)生焊料槽侵食由于焊料的流動(dòng)性差，由于焊料的

20、流動(dòng)性差， 難于獲得圓滑的噴流上面或難于獲得圓滑的噴流上面或穩(wěn)定的波峰穩(wěn)定的波峰由SUS304變更為SUS316。旋轉(zhuǎn)軸和泵用鈦制噴嘴形狀的研究也有用電磁感應(yīng)方式等代替泵和螺旋槳軟熔工序的定義軟熔工序的定義這是一種基板上印刷涂敷焊膏(焊錫膏)，在它的上面貼裝表面安裝零件，然后穿過軟熔裝置(爐)，進(jìn)行熔融凝固處理的焊接方法。使用單面基板時(shí)焊膏焊膏印刷印刷軟熔裝置軟熔裝置用糊狀焊劑跟直徑2050m的顆粒狀焊料混合而成的一種漿料。這是一種基板上復(fù)蓋一塊在需要印刷焊膏的部位開設(shè)著窗口、厚0.10.2mm的金屬模板(金屬掩模)，用聚胺酯橡膠或金屬刮刀(刮輪)推動(dòng)焊膏進(jìn)入模板窗口，轉(zhuǎn)印到基板的工藝。這種裝

21、置是利用紅外線或熱風(fēng)加熱基板，使焊膏中的焊劑迅速活化，清除基板焊接區(qū)或零件電極金屬表面的氧化膜，然后熔融焊料，在基板與零件電極之間形成凸起形狀后進(jìn)行冷卻，凝固固定。焊料印刷工序刮刀焊膏金屬掩模印制電路板被印刷的焊料刮刀移動(dòng)方向印刷焊膏貼裝表面安裝零件軟熔焊接印刷焊膏貼裝表面安裝零件軟熔焊接印刷焊膏貼裝表面安裝零件軟熔焊接基板翻轉(zhuǎn)使用兩面基板時(shí)焊膏印刷混載工序的定義混載工序的定義這是一種對(duì)兩面分別裝載插裝零件和表面組裝零件的基板(混載基板)進(jìn)行焊接的工序。適用于高密度安裝要求的基板。雖然每個(gè)工序的浸流方法、軟熔方法都相同，但是，軟熔加熱后再進(jìn)行浸流加熱這種混載獨(dú)特的負(fù)荷會(huì)影響焊接部位，存在著造成質(zhì)量問題的不利因素，應(yīng)該注意。單面混載基板的工序流程單面混載基板的工序流程單面混載基板兩面混載基板焊膏印刷安裝組裝零件軟熔焊接安裝插裝零件(C&C)浸流焊接基板翻轉(zhuǎn)基板翻轉(zhuǎn)安裝組裝零件軟熔焊接涂敷粘結(jié)劑安裝組裝零件 硬化粘結(jié)劑安裝插裝零件(C&C)浸流焊接兩兩面混載基板的工序流程面混載基板的工序