无铅焊接过程中常见的问题及对策

已阅[13677]次 [2010-02-19]

要：1 RoSH无铅焊料的定义；2 获得豁免的一些RoHS有害物质；3 关于对无铅焊料合金专利的一些看法；4 无铅焊接过程中常见的问题和对策。
　　关键词：无铅焊接；无铅焊料

RoHS 无铅焊料的定义
　　Maximum Concentration Value (MCV)
　　大浓度值
　　Homogeneous Materials
　　均匀材料
在均匀材料中的大浓度值(MCV)
　　1. 铅(Lead,Pb)0.1%
　　2. 六价铬(Hexavalent Chromium,Cr +6 )0.1%
　　3. 汞(Mercury,Hg)0.1%
　　4. 镉(Cadmium,Cd)0.01%
　　5. 聚合溴化联苯(PBB)0.1%
　　6. 聚合溴化二苯醚(PBDE)0.1%
对均匀材料的理解
　　1. 均匀材料(Homogeneous Materials) 指的是该物质不能通过机械方式进一步分离或分解成其它物质。
　　2. 均匀材料必须整体组成一致。
　　3. 以组装后的线路板为例:合金焊点、助焊剂残余物、焊盘、焊盘上喷锡合金、元器件引脚、引脚上的镀层等均被视为不同的均一物均匀材料。因此必须分别测定其与RoHS相关的有害物质。

获得豁免的一些RoHS有害物质

　　1. 汞含量不超过5毫克/灯的小型日光灯.
　　2. 汞含量不超过下列要求的荧光灯管:
　　　卤磷酸盐 10毫克/灯
　　　三磷酸盐 (普通寿命型) 5毫克/灯
　　　三磷酸盐 (长寿命型) 8毫克/灯
　　3. 特殊用途的荧光灯管中的汞.
　　4. 指令中未提及的其它荧光灯中的汞.
　　5. 阴极射线管、电子元件、荧光灯管等所用玻璃中的铅.
　　6. 铅含量不超过0.35wt%的钢, 铅含量不超过0.4wt%的铝，铅含量不超过4wt%的铜.
　　7. 高融点焊料中的铅 (如铅含量超过85wt%的Sn-Pb焊料)
　　　服务器、存储器、存储阵列系统中所用焊料中的铅用于交换、信号传输、以及电信网络管理基础设施中所用焊料中的铅电子陶瓷部件中的铅（如压电陶瓷）
　　8.76/769/EEC指令及91/338/EEC修正指令中禁止使用之外镉镀层
　　9.在吸收式电冰箱中作为碳钢冷却系统防腐剂的六价铬
　　10.用于配合针型连接器中的铅
　　11.用于C-环型导热模块表面涂层的铅
　　12.用于倒装芯片封装的芯片与载体之间联结的焊料中的铅
　　13.在光学玻璃和滤光玻璃中使用的铅或镉

关于对无铅焊料合金专利的一些看法
　　1.所有二元焊料合金均不存在任何专利问题
　　2.Sn-4.0Ag-0.5Cu 在1959年被公开发表过 (德国Max-Plank研究所)
　　3.Sn-3.0Ag-0.5Cu是80年代使用过并申请过专利的产品(美国Harris 公司Engelhard公司)
　　4.日本千住/松下有关Sn-Ag-Cu焊料合金的专利覆盖了上述两种合金,从而引起争议和困惑
　　5.在二元/三元焊料合金中掺杂微量过度金属元素是否可等同于杂质元素

实用化的无铅焊料
　　目前已经有超过100个无铅焊料的专利，由于性能、价格、自然界储藏量等原因，只有一小部分具有实用价值。
实用化焊料可按熔点范围作如下分类：
　　1.低温无铅焊料(熔点低于180℃)
　　2.熔点与Sn63/Pb37相当的无铅焊料(180-200℃)
　　3.中高温无铅焊料(200-230℃)
　　4.高温无铅焊料(230-350℃)

低温无铅焊料(熔点低于180℃)
　　合金体系组成（wt%）熔点/熔程（℃）
　　Sn-Bi 42Sn/58Bi 138(e)
　　Sn-In 48Sn/52In 118(e)
　　Sn-In 50Sn/50In 118-125
　　Bi-In 67Bi/33In 109(e)

熔点与Sn63/Pb37相当的无铅焊料(180-200℃)
　　合金体系组成（wt%）熔点/熔程（℃）
　　Sn-Zn 91Sn/9Zn 198.5（e）
　　Sn-Zn-Bi 89Sn/8Zn/3Bi 189-199
　　Sn-Bi-In 70Sn/20Bi/10In 143-193
　　Bi-In-Ag 77.2Sn/20In/2.8Ag 179-189

中高温无铅焊料(200-230℃)
　　合金体系组成（wt%）熔点/熔程（℃）
　　Sn-Ag 96.5Sn/3.5Ag 221(e)
　　Sn-Ag 98Sn/2Ag 221-226
　　Sn-Cu 99.3Sn/0.7Cu 227
　　Sn-Ag-Cu 96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu 216-220
　　Sn-Ag-Cu 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu 216.4-217
　　Sn-Ag-Bi 91.7Sn/3.5Ag/4.8Bi 205-210
　　Sn-Ag-In 95Sn/3.5Ag/1.5In 218(e)

高温无铅焊料(>230℃)
　　合金体系组成（wt%）熔点/熔程（℃）
　　Sn-Sb 95Sn/5Sb 232-240
　　Sn-Au 20Sn/80Au 280(e)

无铅焊接过程中常见的问题和对策
　　1.润湿性差、焊点外观粗糙
　　2.工艺窗口小
　　3.焊接温度高
　　4.自定位效应减弱
　　5.焊点气孔增多
　　6.晶须的生成(Whisker Growth)
　　7.焊点剥离(Fillet Lifting)
　　8.立碑现象
　　9.优化型及传统型升温曲线
润湿性差:
　　无铅焊料的润湿性普遍比Sn-Pb共晶体系差,焊点
　　表面粗糙属于合金本身的特质.相对而言,Sn-Ag-Bi
　　体系的润湿性优于Sn-Ag-Cu体系
出现的问题:
　　1. 与传统的质检标准不适应
　　2. 回流焊后焊料不能完全覆盖焊盘,可能导致焊盘腐蚀
解决方法:
　　1. 修订质检标准
　　2. 扩大钢网开空,使之尽量与焊盘大小接近(钢网开空过大,锡膏印在PCB板上时可能会导致焊锡珠 Solder Ball 的形成)
　　3. 提高无铅焊膏的活性
　　4. 必要时采用在氮气保护下回流
　　提高无铅焊膏的活性可以改善无铅焊料润湿性差的问题,同时也可能导致锡膏储存寿命和使用寿命的缩短.因此活性的高低的问题,是焊膏配方设计过程中需要考虑的关键性问题

普赛特科技有限公司的特有技术：
　　采用微胶囊技术将活化剂用高分子材料包裹起来,形成微胶囊.使产品在常温下呈现低活性,而在预热温区将活化剂释放出来.从而达到梯度活性。
工艺窗口小:
　　常见的Sn-Ag-Cu体系回流温区窗口,由△T=50℃左右, 缩小到△T=20℃左右
出现的问题:
1. 由于PCB板面温度不均匀,造成板面局部过热或温度偏低.
　　2. 由于提高预热温度或延长升温时间而造成锡膏活性降低,导致焊接不良.
解决方法:
　　1. 提高回流焊机的性能(增加温区、提高温度控制能力、提高保温性能等)。
　　2. 提高焊膏的焊接能力,降低其对温度变化的敏感性。
　　3. 当必需提高预热温度并延长预热时间时,考虑在氮气保护下进行回流。
　　焊接温度高:通常较小、较简单的线路板的回流,其回流峰值温度可控制在240℃以内.但当采用板面大、有大热容量元器件的PCB板时，回流峰值温度可能必须高于240℃,即FR-4基材的极限温度。

出现的问题:
　　1. 以FR-4为基材的PCB板损坏
　　2. 元器件损坏
　　3. 锡膏活性降低而造成焊接不良
焊接温度高:
　　通常较小、较简单的线路板的回流,其回流峰值温度可控制在240℃以内.但当采用板面大、有大热容量元器件的PCB板时，回流峰值温度可能必须高于240℃,即FR-4基材的极限温度。
解决方法:
　　1. 采用新型耐高温基材(FR-5)的PCB板
　　2. 采用新型元器件
　　3. 提高锡膏的耐高温性能

自定位效应降低:
　　由于无铅合金材料的润湿性较差，在焊接过程中元件的自定位效应降低。
出现的问题:
当贴片过程中元器件发生偏移时,回流过程中得不到充分矫正。
解决方法:
　　1．提高贴片机的贴片精度
　　2. 增强焊膏活性及润湿性
　　3. 必要时采用氮气保护下回流
焊点气孔增多:
　　与Sn63/Pb37相比,无铅焊接过程中会形成较多气孔.在BGA,CSP等元件的贴装过程中与有铅焊料混用时更加明显。
出现的问题：
　　通常情况下少量气孔的存在，对焊点的机械和抗疲劳性能不产生影响。但当焊点中存在大量气孔时，常常表明合金回流不完全，残余物被包裹在焊点中。有时气孔的形成是由于焊盘润湿不完全。
解决方法:
　　1. 优化升温曲线
　　2. 增强焊膏活性及润湿性
　　3. 增强焊盘的可焊性
　　4. 避免有铅焊料和无铅焊料混用
晶须的生成(Whisker Growth):
　　当采用纯锡镀层对焊盘进行保护时,常常由于Sn金属内部存在较大的应力而生成须状单晶体。Sn/Cu金属间化合物的生成,会增加Sn金属内部的压缩应力,从而助长晶须的生成。

出现的问题：
　　晶须的长度一般为几微米至几百微米,严重时可能造成QFP等细微间距元器件的短路。
解决方法：
　　1.避免采用纯锡镀层进行焊盘保护.
2.降低工艺过程中PCB板的受热温度,以减少金属间化合物生成。
3.在回流焊过程中,尽量使焊料合金完全覆盖焊盘。
焊点剥离(Fillet Lifting):在使用含Bi、In的无铅焊料,或者元器件采用Sn/Pb镀膜时,常常会发生焊料合金与焊盘之间的界面发生剥离的现象。
产生的原因:
1.焊料的固液共存温度范围太大,体系中发生晶枝生长的同时,出现金属Bi等元素的偏析现象.导致焊盘界面出现低熔点层.
2.焊接后冷却速度慢.
3.PCB板通过通孔导热，导致在焊盘界面处焊料凝固延迟。
解决的方法:
1.避免使用含Bi、In的合金和Sn/Pb镀膜的元件.
2.加快焊接后冷却速度,以防止晶枝生成而导致Bi等元素的偏析.
3.在PCB板通的设计过程中避免通孔导热引起焊盘偏热。
立碑现象(Tombsotoning):在无铅焊接过程中,由于无铅焊料的表面张力较大,有时会导致0603或0402等片阻片容发生立碑（翘件）现象。

产生的原因:
1.回流过程中升温速度太快（温差及气体排放）.
2.焊盘间距太宽或太窄(漂移).
3.锡膏印刷太厚.
4.焊盘面积太大.
5.焊盘及元器件可焊性不均匀.
6.贴片精确度差.
7.阻焊膜太厚(高过焊盘).
8.锡膏挥发性物质偏高.
解决方法:
1.调整升温速率,好采用优化升温曲线.
2.调整并优化焊盘设计.
3.降低钢网厚度.
4.采用可焊性均匀的PCB及元器件.
5.增加贴片精度.
7.调整阻焊膜厚度.
8.采用挥发性物质较低的锡膏.

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