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有鉛焊接到無鉛焊接需注意事項

日期：2024-09-06 13:35
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摘要：
有鉛焊接到無鉛焊接需注意事項
有鉛焊接到無鉛焊接需注意：
傳統的錫鉛焊料在電子裝聯中已經應用了近一個世紀.Sn63/Pb37共晶焊料的導電性、穩定性、抗蝕性、抗拉和抗疲勞、機械強度、工藝性都是非常優良的,而且資源豐富,價格便宜.是一種極為理想的電子焊接材料.
 但由于鉛污染人類的生活環境.據統計,某些地區地下水的含鉛量已超標30倍(允許標準一、無鉛焊接技術的現狀
無鉛焊料合金成分的標準化目前還沒有明確的規定.IPC等大多數商業協會的意見:鉛含量<0.1-0.2WT%(傾向5%時,焊接后在焊占與焊端交界處會加劇公層LIFT-OFF(剝離、裂紋)現象.LIFT-OFF現象在有鉛元件采用無鉛波峰焊的工藝中比較多,嚴重時甚至會把PCB焊盤一起剝離開.因此過渡階段波峰焊的焊盤設計可采用SMD(阻焊定義焊盤)方式,用阻焊膜壓住焊盤四周,這樣可以減輕或避免PCB焊盤剝離現象.
 關于分層LIFT-OFF(剝離、裂紋)現象的機理還要繼續研究.當焊料、元件、PCB全部無鉛化后是否不會產生LIFT-OFF會現象了,也要繼續研究.
 元件的Sn-Pb鍍層發生的LIFT-OFF
(4) 鉛和有鉛混用時可靠性討論
 ①無鉛焊料中的鉛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;焊點中鉛含量的不同對可靠性的影響是不同的,當含量在某一個中間范圍時,影響*大,這是因為在*后凝固形成結晶時,在Sn權界面處,有偏析金相形成,這些偏析金相在循環負載下開始形成裂紋并不斷擴大.例如:2%-5%的鉛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.無鉛焊料與有鉛焊端混有時要控制焊點中鉛含量<0.05%.
 目前正處在無鉛和有鉛焊接的過度轉變時期,大部分無鉛工藝是無鉛焊料與有鉛引腳的元件混用.在“無鉛”焊點中,鉛的含量可能來源于元件的焊端、引腳或BGA的焊球.
 無鉛焊料與有鉛焊端混用時氣孔多,這是因為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,當無鉛焊料合金熔化時,焊膏中的助焊劑排不出去造成氣孔.對于波峰焊,由于元件引腳脖子Sn-Pb電鍍層不斷融解,焊點中鉛的含量需要進行監測.
 ②有鉛焊接與無鉛焊端混用的質量*差
有鉛焊料與無鉛焊端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,使元件一側的界面不能生成金屬間合金層,BGA、CSP-側原來的結構被破壞而造成失效,因此有鉛焊料與無鉛焊端混用時質量*差.BGA、CSP無鉛焊球是不能用到有鉛工藝中的.
(5) 高溫對元件的不利影響
 陶瓷電阻和特殊的電容對溫度曲線的斜率(溫度的變化速率)非常敏感,由于陶瓷體與PCB的熱膨脹系數CTE相差大(陶瓷:3-5,PCB:17左右),在焊點冷卻時容易造成元件體和焊點裂紋,元件開裂現象與CTE的差異、溫度、元件的尺寸大小成正比.0201、0402、0603小元件一般很少開裂,而以上的大元件發生開裂失效的機會較多.
 鋁電解電容對清晰度極其敏感.
 連接器和其他塑料封裝元件(如QFP、PBGA)在高溫時失效明顯增加.主要是分層、爆米花、變形等、粗略統計,溫度每提高10℃,潮濕敏感元件(MSL)的可靠性降1級.解決措施是盡量降低峰值溫度;對潮濕敏感元件進行去潮烘烤處理.
(6) 高溫對PCB的不利影響
高溫對PCB的不利影響在第三節中已經做了分析,高溫容易PCB的熱變形、因樹脂老化變質而降低強度和絕緣電阻值,由于PCB的Z軸與XY方向的CTE不匹配造成金屬化孔鍍層斷裂而失效等可靠性問題.
 解決措施是盡量降低峰值溫度,一般簡單的消費類產品可以采用FR-4基材,厚板和復雜產品需要采用耐高溫的FR-5或CEMn來替代FR-4基材.
(7) 電氣可靠性
回流焊、波峰焊、返修形成的助焊劑殘留物,在潮濕環境和一定電壓下,導電體之間可能會發生電化學反應,導致表面絕緣電阻(SIR)的下降.如果有電遷移和枝狀結晶(錫須)生長的出現,將發生導線間的短路,造成電遷移(俗稱“漏電”)的風險.為了保證電氣可靠性,需要對不同免清洗助焊劑的性能進行評估.
(8) 關于無鉛返修
①無鉛焊料的返修相當困難,主要原因:
(A)無鉛焊料合金潤濕性差.
(B)溫度高(簡單PCB235℃,復雜PCB260℃).
(C)工藝窗口小.
 ②無鉛返修注意事項:
(A)選擇適當的返修設備和工具.
(B)正確作用返修設備和工具.
(C)正確選擇焊膏、焊劑、焊錫絲等材料.
(D)正確設置焊接參數.
除了要適應無鉛焊料的高熔點和低潤濕性.同時返修過程中一定要小心,將任何潛在的對元件和PCB的可靠性產生不利影響的因素降至*低.
(9) 關于過度時期無鉛和有鉛混用情況總結.
(A)無鉛焊料和無鉛焊端――效果*好.
(B)無鉛焊料和有鉛焊端――目前普通使用,可以應用,但必須控制Pb,Cu等的含量,要配制相應的助焊劑,還要嚴格控制溫度曲線等工藝參數,否則會造成可靠性問題.
(C)有鉛焊料和無鉛焊端――效果*差,BGA、CSP無鉛焊球是不能用到有鉛工藝中的,不建議采用.
 五、過渡階段有鉛、無鉛混用應注意的問題
1、問題舉例
(1) 有鉛工藝也遇到了無鉛元器件有的SMT加工廠,雖然還沒有啟動無鉛工藝,但是也遇到了無鉛元器件,特別是BGA/CSP和LLP.有的元件廠已經不生產有鉛的器件了,因此采購不到有鉛器件了,這種知道采購的器件是無鉛的情況還不可怕,因為可以通過提高焊接溫度,一般提高到230-235℃就可以.還有一種措施可以采用無鉛焊料和無鉛工藝,因為目前過度階段普遍情況是無鉛焊料和有鉛焊端混用,其可靠性還是可以被接受的.但是*糟糕的是無意中遇到了無鉛元器件,生產前沒有發現,生產中還是采用有鉛焊料和有鉛工藝,結果非常糟糕,因為有鉛焊料和無鉛焊端混用效果*差.
(2) 有鉛工藝也遇到純Sn熱風整平的PCB.
 這種情況也是在無意中發生過,結果由于焊接溫度不夠造成質量問題.
(3) 波峰焊問題
 波峰焊問題比較多,例如目前有鉛工藝遇到無鉛元器件;無鉛工藝的插裝孔,導通孔不上錫;分層LIFT-OFF現象較嚴重;橋接、漏焊等缺陷多;錫鍋表面氧化物多.....
2、解決措施
(1) 備料
 備料要注意元器件的焊端材料是否無鉛,如果是無鉛元器件,一定要弄清楚是什么鍍層材料,特別是BGA/CSP和新型封裝的器件,例如LLP等(有鉛工藝也要注意).
 目前無鉛標準還沒有完善,因此無鉛無器件焊端表面鍍層的種類很多,例如日本的元件焊端鍍Sn/Bi層,如果焊料中含有鉛,當鉛含量0.71
(4) 提高貼片精度
(5) 嚴格控制溫度曲線,盡量降低峰值溫度;
 對潮濕敏感元件進行去潮烘烤.
(6) 復雜和高可靠產品采用耐高溫的PCB材料(FR5或其它)
(7) 在N2中焊接比在空氣中焊接的質量好,尤其波峰焊采用N2可以減少高溫焊料氧化,減少殘渣,節省焊料.或者加入無鉛錫渣還原粉,將產生大量的殘渣還原后重復利用,但一定要比有鉛焊接更注意每天的清理和日常維護.

 六、有鉛向無鉛制程轉換過程中成本控制
在有鉛向無制程轉換過程中成本控制主要從機器成本和制程材料消耗成本兩方面考慮.
 目前相當多的企業已購置有鉛焊接工藝所使用的機器(波峰焊)在各種性能及操作性方面已經接近無鉛焊接的工藝要求,將現在所使用的機器關鍵部分的部件材質及尺寸作出對應的改造即可繼續使用在要求不是十分高的電子產品加工工藝當中.

 普通波峰焊機改無鉛波峰焊機可行性分析

 普通錫和無鉛錫的焊接溫度區別:
a普通錫的焊接溫度245℃
b無鉛錫的焊接溫度270℃

 普通錫和無鉛錫的焊接用助焊劑預熱溫度區別
a普通錫的焊接用助焊劑預熱溫度90℃
b無鉛錫的焊接用助焊劑預熱溫度110℃

 普通錫和無鉛錫的金屬成分區別
a普通錫的金屬成分Sn/Pb
b無鉛錫的金屬成分主要是Sn/Ag/Cu或者Sn/Cu

 普通錫和無鉛錫的焊接設備要求區別
:
 普通錫的焊接設備要求
無特別要求:

 無鉛錫的焊接設備要求
a要求機器當中與錫接觸部分本身不能含有鉛的成分.
b要求無鉛錫的熔爐能夠耐腐蝕的性能較好.
c要求機器的冷卻速度較快

 綜合以上要求其對應措施如下

1.機器的材料采用鈦合金材料
2.機器的預熱區長度和機器使用的速度成一定比例
3.和無鉛助焊劑有接觸的部分采用不含鉛成分材料制成
4.將機器的冷卻部分改為冷氣機或將冷卻風扇的數量加多

 錫爐改造后效果

a完全滿足無鉛工藝制程各方面的要求
b生產速度和改造之前基本相同

 結論
 將原來的普通波峰焊機改造成無鉛波峰焊機是完全可行而且是節約成本的兩全之策
.
 材料消耗方面
 目前無鉛工藝當中采用的釬焊料相對比原來的焊料成分方面錫的含量增大很多,其合金成分相對有很大的提升.在生產加工過程中,其錫渣的產生量比原來普通焊料的產生量也有很大幅度的提高.如果能將錫渣的產生量降低則對于材料消耗方面的成本控制是有益的.
 錫渣主要是錫在高溫環境下和氧氣發生反應產生的氧化物,通過物理高溫攪拌可以將大部分的錫氧分離(即錫渣還原),將分離的錫重新使用,也可利用化學置換還原反應將錫渣中的氧分子置換后還原成純錫而重復使用.
 每個工廠可根據自身的機器及工藝安排等方面綜合考慮得到較好的無鉛化的道路.
有鉛焊接到無鉛焊接需注意：

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