無鉛電子焊接技術(shù)介紹

無鉛電子焊接技術(shù)介紹第1頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第2頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月RoHS(RestrictionofHazardousSubstancesinElectricalandElectronicEquipment)即在電子電氣設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指令.WEEE(WasteElectricalandＥlectronicEquipment).即《廢棄電氣電子設(shè)備指令》.

該項指令要求生產(chǎn)商（包括進口商和經(jīng)銷商）對進入歐盟市場的廢棄的電氣電子產(chǎn)品，負(fù)責(zé)回收、處理，對新投放歐盟市場電氣電子產(chǎn)品必須加貼回收標(biāo)志。第3頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月RoHS：從2006年7月1日起，投放于市場的新電子和電氣設(shè)備不包含鉛，汞，鎘，六價鉻，聚溴二苯醚（PBDE）或聚溴聯(lián)苯（PBB）。傷害人體部位有害物質(zhì)消化系統(tǒng)呼吸管道中樞神經(jīng)心臟系統(tǒng)生殖系統(tǒng)肝臟皮膚血液腎臟骨胳致畸胎干擾甲狀腺荷爾蒙作用鉛（Pb）+

+

++

++

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鎘（Cd）++

+

++++

六價鉻（CrⅥ）

+

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汞（Hg）

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多溴聯(lián)苯（PBB）

++多溴二苯醚（PBDE）

++第4頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月“無鉛焊接技術(shù)”從有鉛產(chǎn)品轉(zhuǎn)到無鉛產(chǎn)品是個復(fù)雜的過程，涉及到：焊接材料（無鉛合金、助焊劑）電子元器件印制板（材料、鍍層）無鉛制程可靠性成本等方面的挑戰(zhàn)第11頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容

一．無鉛焊料合金、PCB焊盤及元件焊端表面鍍層二．無鉛焊接的特點三．無鉛焊接帶來的問題四．關(guān)于過度時期無鉛和有鉛混用時可靠性討論五．無鉛焊接必須考慮相容性(材料、工藝、設(shè)計)第12頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月一．無鉛焊料合金、PCB焊盤及元件焊端表面鍍層第13頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月1.目前應(yīng)用最多的無鉛焊料合金目前應(yīng)用最多的用于再流焊的無鉛焊料是三元共晶或近共晶形式的Sn-Ag-Cu焊料。SnAg(3~4)wt%Cu(0.5~0.7)wt%是可接受的范圍，其熔點為217℃左右。美國采用SnAg3.9wt%Cu0.6wt%無鉛合金歐洲采用SnAg3.8wt%Cu0.7wt%無鉛合金日本采用SnAg3.0wt%Cu0.5wt%無鉛合金Sn-Cu0.7-Ni焊料合金用于波峰焊。其熔點為227℃。手工電烙鐵焊大多采用Sn-Cu、Sn-Ag或Sn-Ag-Cu焊料。第14頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2.PCB焊盤表面材料有鉛無鉛Sn/Pb熱風(fēng)整平（HASL）無鉛HASLNi/Au（化學(xué)鍍Ni和浸鍍金ENIG，俗稱水金板）Ni/AuCu表面涂覆OSPCu表面涂覆OSP浸銀（I－Ag）浸銀（I－Ag）浸錫（I－Sn）OSP是Organic

Solderability

Preservatives

的簡稱第15頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月3.元器件焊端表面鍍層材料有引線元件引線材料有引線元器件焊端表面鍍層材料無引線元器件焊端表面鍍層材料有鉛無鉛有鉛無鉛CuSn/PbSnSn/PbSnNiNi/AuNi42號合金鋼Ni/Pd/AuNi/Pd/AuSn/AgSn/AgSn/Ag/CuSn/Ag/CuSn/Ag/BiSn/Ag/Bi第16頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月二．無鉛焊接的特點高溫工藝窗口小潤濕性差第18頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月Sn63\Pb37與Sn\Ag3.8\Cu0.7性能比較合金成分密度g/mm2熔點℃膨脹系數(shù)×10-6熱傳導(dǎo)率Wm-1K-1電導(dǎo)率%IACS電阻系數(shù)MΩ-cm表面張力260℃mNm-1Sn63\Pb378.518323.95011.515481Sn\Ag3.8\Cu0.77.521723.573.215.611548第19頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月浸潤性差

應(yīng)對措施：改良助焊劑活性修改模板開口設(shè)計提高印刷、貼裝精度第20頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月無鉛焊點的特點①浸潤性差，擴展性差。②無鉛焊點外觀粗糙。傳統(tǒng)的檢驗標(biāo)準(zhǔn)與AOI需要升級。③無鉛焊點中氣孔較多，尤其有鉛焊端與無鉛焊料混用時，焊端（球）上的有鉛焊料先熔，覆蓋焊盤，助焊劑排不出去，造成氣孔。但氣孔不影響機械強度。④缺陷多——由于浸潤性差，使自定位效應(yīng)減弱。浸潤性差，要求助焊劑活性高。第21頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月

LeadFreeInspectionLeadFreeSolderPasteGrainySurface表面粗糙LeadedSolderPasteSmooth&ShinySurface表面光滑、光亮第22頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月WettingisReducedwithLeadFreeStandardEutecticSolderJointLeadFreeSolderJointTypicalGoodWettingVisibleFillet潤濕好ReducedWettingNoVisibleFillet潤濕減少第23頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月無鉛再流焊焊點第24頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月無鉛波峰焊焊點插裝孔中焊料填充不充分

第25頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月無鉛焊接常見缺陷第26頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月三．無鉛焊接帶來的問題

第27頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月元件：要求元件耐高溫，焊端無鉛化。PCB：PCB基材耐更高溫度，不變形，表面鍍覆無鉛化助焊劑：更好的潤濕性，要與預(yù)熱溫度和焊接溫度相匹配，并滿足環(huán)保要求。焊接設(shè)備：要適應(yīng)新的焊接溫度要求，抑制焊料高溫氧化工藝:印刷、貼片、焊接、清洗、檢測都要適應(yīng)無鉛要求

可靠性問題：機械強度、錫須、分層Lift-off廢料回收和再利用：從含Ag的Sn基無鉛焊料中回收Bi和Cu是十分困難的，回收Sn-Ag系合金是一個新課題。無鉛焊接帶來的問題第28頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月高溫?fù)p壞元件第29頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月PCB龜裂、氣泡、分層第30頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月焊點機械強度無鉛焊料硬度比有鉛硬，因此強度高。但不等于高可靠。在應(yīng)力低的地方，大多數(shù)民用、通信等領(lǐng)域，無鉛焊點的機械強度比有鉛的可靠性好；在應(yīng)力高的地方，例如軍事、高低溫、低氣壓等惡劣環(huán)境下，由于無鉛蠕變大，因此無鉛比有鉛的可靠性差。關(guān)于無鉛焊點的可靠性（包括測試方法）還在最初的研究階段。目前一般認(rèn)為：民品達到三年壽命就可以了。第31頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月無鉛焊點的可靠性與含鉛焊點一樣或更好一些，這個說法正確嗎？部分正確。在大部分研究中，無鉛焊料的可靠性和含鉛焊料一樣或者更好。摩托羅拉公司在市場上投放了大約一百萬部無鉛蜂窩電話，有一些是四年前投放的，可靠性與使用含鉛焊料的蜂窩電話一樣，或者更好。然而，一些研究顯示，在撞擊、跌落測試中，用無鉛焊料裝配的結(jié)果比較差。非常長期的可靠性也較不確定。這方面的一個問題是，無鉛焊料中銅的高溶解性會在銅焊料的界面上產(chǎn)生“空洞”。隨著時間的推移，這些空洞有可能會削弱焊點的可靠性。與錫鉛釬料相比，無鉛釬料最大的不同是在再流焊和隨后的熱處理及熱時效過程中金屬間化合物會進一步長大，從而影響長期可靠性。第32頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月CuCu3SnCu6Sn5Sn-Ag-CuSn-Ag-Cu與Cu焊接釬縫組織空洞第33頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月四．關(guān)于過度時期無鉛和有鉛混用時可靠性討論(a)無鉛焊料與有鉛焊端混用的問題無鉛焊料中的Pb對長期可靠性的影響是一個課題，需要更進一步研究。初步的研究顯示：焊點中Pb含量的不同對可靠性的影響是不同的，當(dāng)含量在某一個中間范圍時，影響最大，這是因為在最后凝固形成結(jié)晶時，在Sn枝界面處，有偏析金相形成，這些偏析金相在循環(huán)負(fù)載下開始形成裂紋并不斷擴大。例如：2％~5％的Pb可以決定無鉛焊料的疲勞壽命，但與Sn-Pb焊料相比，可靠性相差不大。第34頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月有鉛焊球與無鉛焊料混用時“氣孔多”有鉛焊球與無鉛焊料混用時，焊球上的有鉛焊料先熔，覆蓋焊盤與元件焊端，助焊劑排不出去，造成氣孔。氣孔183℃217℃第35頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月(b)有鉛焊料與無鉛焊球混用的質(zhì)量最差有鉛焊料與無鉛焊球混用時，如果采用有鉛焊料的溫度曲線，有鉛焊料先熔，而無鉛焊端（球）不能完全熔化，使元件一側(cè)的界面不能生成金屬間合金層，BGA、CSP一側(cè)原來的結(jié)構(gòu)被破壞而造成失效，因此有鉛焊料與無鉛焊端混用時質(zhì)量最差。因此BGA、CSP無鉛焊球是不能用到有鉛工藝中的。183℃217℃解決措施：提高焊接溫度到235℃左右第36頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月在元件一側(cè)的界面失效第37頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月五．無鉛焊接必須考慮相容性(材料、工藝、設(shè)計)（1）材料相容性焊料合金和助焊劑焊料和元器件焊料和PCB焊盤涂鍍層（2）工藝相容性（再流焊、波峰焊和返修工藝）（3）設(shè)計相容性第38頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月無鉛焊接必須注意材料的兼容性從Sn-Ag-Cu焊料與Cu；Sn合金與Ni/Au（ENIG）；Sn系焊料與42號合金鋼的界面反應(yīng)和釬縫組織可看出：不同的焊料合金，甚至同一種焊料合金與不同的金屬焊接時的界面反應(yīng)和釬縫組織都不一樣，它們的可靠性也不一樣。由于電子元器件的品種非常多，當(dāng)前正處于過渡時期，特別是元件焊端的鍍層很復(fù)雜，可能會存在某些元件焊端與焊料的失配現(xiàn)象，造成可靠性問題。因此一定要仔細(xì)選擇并管理元件。另外，選擇

焊料和PCB鍍/涂材料