無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響ENIG課件

無鉛裝配對PCB表面處理工藝、使用材料的影響楊曉新2006-02-25無鉛裝配對PCB表面處理工藝、使用材料的影響楊曉新目錄無鉛裝配的背景無鉛裝配與含鉛裝配的差異PCB的無鉛控制無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響無鉛裝配對PCB使用材料的挑戰(zhàn)和影響無鉛裝配PCB產(chǎn)品的加工意見2目錄2無鉛裝配的背景－鉛的危害鉛會損害生物體的血液、神經(jīng)系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)鉛在生物體內(nèi)具有緩慢代謝特征鉛對兒童的危害更大鉛廢棄物將污染周圍水源，很難消除※鉛是生物有毒物質(zhì)，必須限制使用！3無鉛裝配的背景－鉛的危害鉛會損害生物體的血液、神經(jīng)系統(tǒng)和生殖無鉛裝配的背景－鉛的管制1883年英國制定鉛中毒的預防法規(guī)1960年代飲用水管道的焊接中禁止使用含鉛焊料1970年代顏料、涂料中禁止使用含鉛物質(zhì)1980年代全球推廣使用無鉛汽油2003年歐盟發(fā)布RoHS/WEEE指令2003年中國擬定《電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理辦法》。。。。。?！?/p>

全球范圍內(nèi)的禁鉛法令逐漸形成！4無鉛裝配的背景－鉛的管制1883年英國制定鉛中毒的預防法規(guī)4無鉛裝配的背景－鉛的替代產(chǎn)品焊料：多種無鉛焊料已經(jīng)開發(fā)(Sn,Ag,Cu,In,Bi,Zn..)鍍層：多種無鉛鍍層已經(jīng)開發(fā)(Sn,Ag,Ni,Au,Pd,OSP..)元件：多種無鉛元件已經(jīng)開發(fā)(DIP,PLCC,QFP,BGA,CSP..)工藝：多種應用工藝已經(jīng)試驗(Reflow,Wave,IronSoldering..)可靠性：無鉛產(chǎn)品可靠性已經(jīng)初步驗證(strength,fatigue,tinwhisker..)成本：無鉛產(chǎn)品成本增加已經(jīng)被認可接受(total<10%)※

電子工業(yè)界無鉛化的條件已經(jīng)具備一定的應用基礎(chǔ)，可以在一定的前提下逐步實行！5無鉛裝配的背景－鉛的替代產(chǎn)品焊料：多種無鉛焊料已經(jīng)開發(fā)(Sn無鉛裝配的背景－RoHS的要求Pb<1000ppmCd<100ppmHg<100ppmCr6＋<100ppmPBB<100ppmPBDE<100ppm※

RoHS限制使用以上6種物質(zhì)；實際上，各國限制使用的物質(zhì)多達20種以上，但對電子制造業(yè)界影響最大的是鉛的使用。6無鉛裝配的背景－RoHS的要求Pb<1000ppm6無鉛裝配與含鉛裝配的差異－鉛的作用降低焊料熔點，價格便宜，便于工業(yè)應用降低表面張力，增強潤濕能力提高流動性，形成良好焊點外觀提高焊料電位，增強抗氧化能力7無鉛裝配與含鉛裝配的差異－鉛的作用降低焊料熔點，價格便宜，便無鉛裝配與含鉛裝配的差異－裝配曲線無鉛焊接PCB回流焊接參考溫度時間曲線8無鉛裝配與含鉛裝配的差異－裝配曲線8無鉛裝配與含鉛裝配的差異－裝配參數(shù)9無鉛裝配與含鉛裝配的差異－裝配參數(shù)9無鉛裝配與含鉛裝配的差異－裝配參數(shù)無鉛焊料的熔點與焊溫平均比Sn/Pb上升30℃以上，預熱的時間與焊接的時間也相應延長10無鉛裝配與含鉛裝配的差異－裝配參數(shù)無鉛焊料的熔點與焊溫無鉛裝配與含鉛裝配的差異11無鉛裝配與含鉛裝配的差異11無鉛裝配與含鉛裝配的差異—質(zhì)量隱患無鉛裝配對比含鉛裝配，肯定的是帶來相應的成本增加，至少5-15%。減少PCB的利潤空間。對比含鉛裝配，無鉛裝配其量產(chǎn)穩(wěn)定性、裝配產(chǎn)品品質(zhì)、以及長時間使用老化后品質(zhì)可靠性等尚有待時間考驗，目前還是未知數(shù)。而在短短幾年，無鉛裝配就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有焊點孔洞、焊盤起翹浮離、錫須等品質(zhì)缺陷。12無鉛裝配與含鉛裝配的差異—質(zhì)量隱患無鉛裝配對比含鉛裝配，肯定無鉛裝配與含鉛裝配的差異—質(zhì)量隱患所有這些品質(zhì)缺陷都與無鉛裝配所使用的焊料、高溫、裝配形成的IMC層有關(guān)，都是無鉛裝配惹的禍。要命的是這些缺陷都是無法在短時間或者用一些比較好的方法進行檢查。尤其是錫須和焊點空洞，錫須的增長危害電子元器件的最小電氣間距，嚴重的引起短路，影響設備的可靠性增加表面積，容易吸附潮氣、灰塵等污染物，加快焊點的腐蝕，影響焊點的長期可靠性。而對BGA，本來就比較容易出現(xiàn)焊接強度不足，采用無鉛后，容易出現(xiàn)焊點空洞和可焊性不良，究竟是PCB還是PCBA不良，很容易責任糾纏不清。一旦出現(xiàn)品質(zhì)問題，由于PCB廠家處于供應鏈中間的劣勢地位，吃虧的大部分是PCB廠家。13無鉛裝配與含鉛裝配的差異—質(zhì)量隱患所有這些品質(zhì)缺陷都與無鉛裝無鉛裝配與含鉛裝配的差異—關(guān)于無鉛豁免有鑒于此，為避免對重要領(lǐng)域使用產(chǎn)品的可靠性影響，部分產(chǎn)品都進行申請無鉛豁免。目前軍工、航天、汽車以及重要的大型機組經(jīng)過審核確認后可以獲得無鉛豁免。14無鉛裝配與含鉛裝配的差異—關(guān)于無鉛豁免有鑒于此，無鉛裝配與含鉛裝配的差異—關(guān)于無鉛豁免15無鉛裝配與含鉛裝配的差異—關(guān)于無鉛豁免15無鉛裝配與含鉛裝配的差異—意見和結(jié)論

無鉛，不僅僅是一個概念，對PCB廠家來講，從產(chǎn)品的材料選用，物性的滿足，后續(xù)焊接的焊點質(zhì)量保證等，需用滿足整體產(chǎn)品質(zhì)量的系統(tǒng)的觀點來考慮，從而盡量保證無鉛化產(chǎn)品的整機質(zhì)量。16無鉛裝配與含鉛裝配的差異—意見和結(jié)論16PCB的無鉛控制-無鉛產(chǎn)品的主要要求PCB板主要檢測項目：PCB基材阻焊涂料字符涂料銅箔外層金屬鍍層表面處理工藝等17PCB的無鉛控制-無鉛產(chǎn)品的主要要求PCB板主要檢測項目：1PCB的無鉛控制-無鉛產(chǎn)品的主要要求PCB板主要檢測項目：PCB基材：主要是環(huán)氧樹脂板料，不存在鉛影響。阻焊涂料/字符涂料：主要是環(huán)氧樹脂體系，不存在鉛影響。銅箔/金屬鍍層：主要采用電鍍加工工藝，不存在鉛影響。但圖形電鍍過程中部分產(chǎn)品使用鍍Pb/Sn進行抗蝕，雖然其不殘留在最終產(chǎn)品上，嚴格來說，不符合無鉛產(chǎn)品的要求。表面處理工藝等：除了傳統(tǒng)HASL外，OSP、無鉛噴錫、全板鍍金、ISn、IAg、ENIG等工藝都基本能夠滿足該要求。目前ENIG的穩(wěn)定劑中含有Pb，嚴格來說，是不符合無鉛產(chǎn)品的要求，但由于藥水控制需要，目前暫時沒有禁止。18PCB的無鉛控制-無鉛產(chǎn)品的主要要求PCB板主要檢測項目：1無鉛裝配對PCB加工的挑戰(zhàn)和影響

下面將參考無鉛裝配的特點，結(jié)合PCB實際加工流程，對PCB產(chǎn)品在表面處理工藝和材料上可能存在的挑戰(zhàn)和影響，以及需要相應進行調(diào)整的地方，根據(jù)行業(yè)有關(guān)資料、實際生產(chǎn)情況、有關(guān)試驗、客戶信息等進行整理歸納，提供給有關(guān)部門參考。

19無鉛裝配對PCB加工的挑戰(zhàn)和影響下面將參考無無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響

——傳統(tǒng)含鉛噴錫焊料配比為Sn/Pb為63：37，含有比較高的Pb，不能滿足無鉛的要求。表面處理成本比較低，約為20元/平方米。操作溫度為235-245℃蝕銅量比較低，一般為1-2um。20無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響

——傳統(tǒng)含鉛噴錫焊無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響

——無鉛噴錫項目Sn-CuSn-Cu-NiSn-Ag-Cu操作溫度℃270265-270255-260蝕銅量umSn0.7Cu在溫度超過275℃蝕銅量從3um的蝕銅量上升到了8um以上Sn0.7Cu+Ni在溫度從270℃上升到280℃時，蝕銅量則變化不大，基本上其蝕銅量保持在5um左右Sn+3.0Ag+0.5Cu無鉛噴錫蝕銅量對溫度具有較強的敏感性，當錫爐溫度≥265℃時，蝕銅量快速增加到8um，成品率比正常噴錫板件約低2%。比正常噴錫板件約低2%。比正常噴錫板件約低2%。成本（元/m2）6090140（估價）焊料價格Sn0.7Cu為115/KG，純Sn為100/KGSn-Cu-Ni和SnNi為154/KGSn-Cu-Ag為178/KG，Sn3.0Ag報價：181/Kg說明在給客戶報價時，請不要簡單的將無鉛噴錫成本中的焊料SnCu、Sn-Ag-Cu、Sn-Cu-Ni的焊料價格進行替換。因為不同工藝的蝕銅量差別很大，尤其Sn-Ag-Cu、客戶要求銅含量變化范圍又很小，錫銀銅無鉛噴錫銅含量不足0.5的變化范圍，估計沒有SnCu做板多，而且做板時，孔壁銅厚加厚量要比SnCu、Sn-Cu-Ni無鉛噴錫板件的大，這兩項將會導致錫銀銅無鉛噴錫成本明顯高于SnCu、Sn-Cu-Ni無鉛噴錫板件。所有的無鉛噴錫板件一般都不允許返工，成品率比較低21無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響

——無鉛噴錫項目S無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響

——PatternGoldPlating全板鍍金全板鍍金體系藥水不同焊接方式的比較表項目無鉛焊接有鉛焊接Au厚度（uinch）控制值≥1.0(控制范圍0.8-1.2)控制值抗蝕，≥0.4(控制范圍0.3-0.8)Nie厚度（uinch）控制值120(控制范圍100-180)控制值100(控制范圍100-150)成本（元/m2）220-300180-260成品率（%）比常規(guī)全板鍍金板低0.5-1%比噴錫板低3-7%對于全板鍍金工藝，由于不是主流工藝，應用廠家不多，是否能夠滿足無鉛焊接的要求，目前業(yè)界包括藥水廠家仍然缺少充足研究和有關(guān)數(shù)據(jù)。目前我們是從Adtran、LCD、Schneider等廠家的裝配實踐進行分析判斷，全板鍍金如果采用鍍厚金（Au厚≥1.0uinch），是完全可以滿足大部分無鉛焊接（2次回流焊+1次波峰焊）的裝配的需要，但對于同時存在多次回流焊和波峰焊的裝配方式，就可能會出現(xiàn)孔內(nèi)上錫性能下降的風險。而對于常規(guī)抗蝕厚度要求的全板鍍金板件，由于Au太薄，在沒有充足氮氣保護下，容易在高溫下，導致鎳層氧化，無法滿足無鉛焊接的要求。22無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響

——Pattern無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響

——OSPOSPF2體系藥水不同焊接方式的比較表項目無鉛焊接有鉛焊接厚度（um）控制值0.22(控制范圍0.2-0.3)控制值0.18(控制范圍0.15-0.25)成本（元/m2）6050成品率（%）比常規(guī)OSP低0.5-0.8%（由于厚度的增加，容易出現(xiàn)結(jié)晶和外觀不良，增加返工和成品率稍微下降）比常規(guī)噴錫接近并略高0.2-0.5%無鉛裝配，對于OSP，需要采用活性更強的助焊劑，以減少焊點空洞缺陷。。23無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響

——OSPOSP無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響

——ENIGENIGATOCNN體系藥水不同焊接方式的比較表項目無鉛焊接有鉛焊接Au厚度（uinch）控制值2.8(控制范圍2.2-4.0)控制值2.4(控制范圍2.0-4.0)Nie厚度（uinch）控制值140(控制范圍100-180)控制值120(控制范圍100-180)成本（元/m2）170-180160成品率（%）比常規(guī)ENIG低0.25-0.4%比常規(guī)噴錫低2-4%對于ENIG是否能夠滿足無鉛焊接的要求，目前業(yè)界仍然存在一定爭論，但從大部分EMS廠家的裝配實踐來看，ENIG完全可以滿足大部分無鉛焊接（2次回流焊+1次波峰焊）的裝配的需要，但對于同時存在多次回流焊和波峰焊的裝配方式，就可能會出現(xiàn)孔內(nèi)上錫性能下降的風險。對于ENIG，為滿足無鉛焊接的要求，只要稍微提高Nie層厚度，并同時確保Au不要太下限，基本上還是可以的。24無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響

——ENIGENI無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響

——ISnATOISn體系藥水不同焊接方式的比較表項目無鉛焊接有鉛焊接厚度（um）控制值≥0.8(控制范圍0.8-1.0)控制值≥

0.6(控制范圍0.6-0.8)成本（元/m2）8060成品率（%）比常規(guī)ISn低0.3-0.5%（由于厚度的增加，容易出現(xiàn)綠油剝離不良，增加返工和成品率稍微下降）比常規(guī)噴錫低1-2%25無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響

——ISnATO無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響

——ISn根據(jù)資料，只要完成ISn后到裝配之間的存放在半年內(nèi)，0.8um的錫厚足夠滿足無鉛裝配的需要，存放時間越短，厚度可以控制越薄，只要≥0.6um就可以。26無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響

——ISn根據(jù)資料無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響

——總結(jié)從前面的分析來看，除了HASL外，對于其他所有的PCB表面處理工藝，為了滿足無鉛焊接的要求，不一而足的都是提高表面處理工藝表面涂層的厚度。對于PCB表面處理工藝，提高表面處理工藝表面涂層的厚度，目的都是提高其耐熱性，減少長時間高溫對可焊層的氧化，保證其可焊性，來滿足無鉛焊接的需要。這些改變，都會對成品率有一定的影響，厚度的增加又無疑都帶來了成本的增加，而更高溫的無鉛裝配更容易誘發(fā)品質(zhì)缺陷，這也是無鉛焊接需要付出的代價和成本。27無鉛裝配對PCB表面處理工藝的挑戰(zhàn)和影響

——總結(jié)從前面的分無鉛裝配對PCB使用材料的挑戰(zhàn)和影響的挑戰(zhàn)和影響—問題點無鉛焊接工藝溫度高，CCL產(chǎn)品應有更小的熱膨脹系數(shù)（CTE）：無鉛制程中，板材受熱溫度升高和受熱時間延長，為保證孔連接的安全性，此類產(chǎn)品必須降低Z-axisCTE常見封裝耐熱能力為240℃,FR4級別的PCB玻璃化溫度約140℃。易發(fā)生Blistering和Popocorning。28無鉛裝配對PCB使用材料的挑戰(zhàn)和影響的挑戰(zhàn)和影響—問題點無鉛無鉛裝配對PCB使用材料的挑戰(zhàn)和影響的挑戰(zhàn)和影響—CCL板料的改變對于CCL材料，改善CTE和耐熱性的主要措施：1、改變主體樹脂，提高耐熱性：將環(huán)氧固化物中影響熱性能的苯環(huán)或其他雜環(huán)結(jié)構(gòu)進行增加和改變。例如高Tg材料。2、改變固化劑體系：目前多用胺類和酚類固化劑，據(jù)行業(yè)經(jīng)驗，目前重點主要在Dicy（雙氰胺）和phenolnovolac（苯酚）之間進行選擇。因dicy極性強，為脂肪鏈狀結(jié)構(gòu)，耐熱性相對要差；PN極性小，為芳香族苯環(huán)結(jié)構(gòu)，耐熱性極好，對改善耐CAF作用大，因此目前大部分是采用非DICY體系。3、增加填料：增加或者改變填料的顆粒大小，因為CCL中填料增韌機理，可降低Z-CTE，這也是為什么脫鹵材料大部分能夠比普通的材料更耐無鉛，就是因為其在填料方面做了大量的改變。而S1000、S1440就因為里面通過增加和改變填料的顆粒大小，來獲得較低的Z-CTE。來自CCL行業(yè)的資料表明：在無鉛裝配的過程中，高溫熔焊時間延長，板材受熱沖擊時間延長，為保證孔連接的安全性，要求覆銅板產(chǎn)品應有更小的熱膨脹系數(shù)（CTE），而基板Tg和基材耐熱性無直接關(guān)系，關(guān)鍵在于提高耐熱性，Tg不是主要因素。后附部分材料的性能一覽表供對比參考29無鉛裝配對PCB使用材料的挑戰(zhàn)和影響的挑戰(zhàn)和影響—CCL板料無鉛裝配對PCB使用材料的挑戰(zhàn)和影響的挑戰(zhàn)和影響--采用材料的性能一覽表材料特點材料型號（例子）材料性能Tg（℃）CTE（≤Tg，um/m℃）CTE（≥Tg，um/m℃）Td（5％wtLoss，℃）T260（生產(chǎn)資料n）T288（生產(chǎn)資料n）普通TgS114114058285310℃152S1141KF/GW401114056256350℃6015S144014049260315℃152高TgS117017055280335℃6010S1000IT158GW1500≥15035-45200-220335℃6010GW170017050-60260-280335℃6010脫鹵素S1165、S1155、16540200360-370℃6010GW1501GW1701、17030-50180-250350-360℃6010特殊材料S1600（HighCTI）≥12555308310℃202GW1404（HighCTI）202S2131（CEM-3）//30無鉛裝配對PCB使用材料的挑戰(zhàn)和影響的挑戰(zhàn)和影響--采用材料無鉛裝配對PCB使用材料的挑戰(zhàn)和影響的挑戰(zhàn)和影響—爭議和討論從目前的使用情況來看，對于無鉛焊的工藝，根據(jù)客戶使用信息的反饋以及有關(guān)研究資料（Dr.Martin等)表明：對于無鉛焊接，雖然要求覆銅箔基板耐熱性要滿足新的要求，但值得慶幸的是，除了CEM-3料外，普通FR-4板材基本可以滿足常規(guī)無鉛噴錫、波峰焊及回流焊的耐熱性要求。為了減少目前這種迷惑狀態(tài)，目前在制訂IPC4101中專門針對這個問題進行探討。從其制定的標準來看，其論點與上述的觀點有點沖突。標準認為滿足無鉛焊接基材的關(guān)鍵是：Z-CTE、Td（熱裂解溫度，失重5%）、T260（260℃熱分層時間）、T288（288℃熱分層時間），其中Td、T260、T288屬于新增加的指標。如果IPC4101標準一旦開始實施，普通的FR-4材料無法滿足新增加的指標要求。而PCB用戶不清楚的話，要求PCB生產(chǎn)廠家嚴格按照IPC4101選擇板材的話，那么勢必將增加至少15-20%的板料成本31無鉛裝配對PCB使用材料的挑戰(zhàn)和影響的挑戰(zhàn)和