00106焊接工艺技术汇编06到日本的无铅之旅.doc

到日本的无铅之旅 By Bob Willis本文介绍，一个英国的专家小组在日本考查无铅工艺的报告，值得我们借鉴。无铅中有什么新的东西？在二月份我与七个工程师的小组去日本旅行，访问了许多为我们工业提供电子产品的主要供应商和生产商。代表团访问了 Sony, Panasonic/Matsushita, NEC, Denso, TDK, Senju, Koki和 METI政府机关，以获取立法、无铅材料发展、商业产品和现在使用的装配工艺的状态。讨论了许多问题： 立法与环境问题 焊接材料的生产与世界范围的销售 装配设备设计与制造 装配工艺与合约制造 无铅研究与可靠性问题 检查和质量控制小组成员将在全英国的研讨会上提出有关在日本公司内无铅装配的现实状况的报告。这些研讨会，与伴随的报告，将覆盖在整个世界范围内企图适应日本对无铅产品过于进取的实施的那些公司所面临的问题。以下是从报告中节录的一个章节。印刷电路板设计规则对于无铅装配与焊接，没有特殊的设计规则或设计变化在日本广泛实施。作了一些修改来克服诸如圆脚失效的工艺缺陷，或将板的设计调整到替代的焊接工艺。日本的产品一直总是设计的很好适应制造工艺 -这种情况有许多年了。实施了许多消除焊接缺陷的设计方法。这些方法是必要的，因为在这个市场上有大规模的消费产品的生产。虽然日本产品传统上是为消费与电讯市场生产，但是许多可制造设计(DFM, Design for Manufacturing)规则可使所有的电子产品受益。消除焊接短路的排泄焊盘(drainage pad)的使用、消除焊接点破裂的窄焊盘(narrow pad)的使用、和在波峰焊接系统的允许中心板支持的禁区都是在日本电路板上常见的，但在欧洲和美国则较少见。用于减少焊锡焊脚失效的唯一特殊设计变化是电路板上可焊接焊盘尺寸的变化。该变化是通过使用阻焊(resist)界定的焊盘来达到的，这里阻焊图形交迭焊盘表面。图一：阻焊层图形变化以克服焊脚失效。图一显示该设计规则变化前后的一个例子。它显示使用阻焊层开口来界定焊盘表面的变化。代表团研讨会之后，在英国大使馆举行的初次圆桌讨论会上，Sony, Panasonic和 Toshiba特别强调这个减少焊脚失效的技术，但在访问期间只有 Sony再次强调。通过减少在板的顶面焊盘表面积，焊脚的扩展范围减少；这种焊脚没有增加太多的焊点强度。在传统的设计规则情况中，常见到焊锡没有完全湿润在顶部焊盘表面，也导致外观的缺陷。通过减少焊盘表面积，它使得比较容易达到对这个缩小的焊盘表面积的完全覆盖。虽然不是特别与板的布局有关，但是对模板的设计进行了修改。例如，SONY采用多印(over print)或增加修改的开孔，来保证锡膏将完全湿润焊盘的表面。许多日本公司正企图完全覆盖表面贴装焊盘，但是在欧洲和美国，在诸如金、铜 OSP(有机可焊性保护层)和银等选择性的印刷电路板(PCB)最终表面涂层上，经常在回流(reflow)后看到基础涂层。叠层板(Laminate)在我们的访问期间，只讨论了三种叠层材料，这些材料是现在使用的或者将来考虑用于未来产品的：FR4玻璃环氧树脂、CEM3合成物、和 FR5玻璃环氧树脂。FR4叠层板被认为是工业的叠层板支柱。这种材料有多层灌注有环氧树脂的玻璃纤维织物制成，是最广泛使用的材料，因为它提供成本、电气和机械性能之间最好的折衷。在过去，玻璃态转化温度(Tg)已经达到 125，但是对于基本的 FR4的现行规格已经增加到 130135，因为在树脂技术的改进。CEM3叠层板是有环氧树脂的无纺玻璃纤维布的一种化合物核心。外层表面是以灌注有环氧树脂的玻璃纤维织物。该材料主要作为一种低价材料用于电镀通孔(plated through hole)。FR5叠层板使用多层具有一种多重性环氧树脂系统的玻璃纤维织物，来提供更大的机械稳定性。材料的 Tg通常在 150160。FR4与 CEM3现在正用于或者计划用于未来的生产。有一个汽车生产商提到过 FR5，因为他们正在考虑这种材料，由于这种材料改进的 Tg适合于汽车应用。可焊性表面涂层(Solderable Finishes)日本的公司比世界上其他地方的公司在所制造产品的 PCB上更多地使用经过保护的铜表面。表面涂层描述为铜箔上涂盖预上助焊剂(preflux)。传统上，预上助焊剂描述为在清洁的铜箔上的一种树脂基涂层，但是这个术语在我们的会谈期间用来描述 OSP(有机可焊性保护剂)表面涂层。与我们交谈的公司不打算因为转到无铅焊接而改变这类表面涂层，虽然也提到评估现在可以获得的浸银工艺的计划。象在欧洲一样，日本公司认识到无铅合金在铜表面的湿润和扩散比锡/铅的少。有一个公司使用这个信息作为在锡/银/铜合金内增加铋的论点。我们观察到镍/金无电镀表面涂层的例子。没有人提到这些会由于转移到无铅焊锡合金而改变。我们也咨询了无铅的热风均匀法(HASL)表面涂层，包括正在评估取代锡/铅合金的锡/银和锡/锌/铋合金。无铅缺陷类型在制造期间，可能发生许多缺陷，由于在无铅工艺期间需要的焊接温度增加了，因此随后在现场的产品上也会发生缺陷。多年来，在欧洲和美国的公司都认为最好的替代合金将是那些具有比现有的锡/铅合金较高焊接温度的材料。在日本的公司都倾向于寻找一种可以在较低的工艺温度下使用的合金。今天，大多数公司都同意，一个最终的解决方案将是基于锡/银/铜的一种合金。在日本的会谈期间，除标准的工艺缺陷之外，还讨论了湿润差、焊接焊脚失效和焊锡污染(氧化物)。这些缺陷特别与现在正在使用的无铅工艺有关。无铅焊锡与传统的合金相比会增加湿润差或者有限的情况，因此有必要对现在的检查标准作可能的改变。在欧洲和美国，有限的湿润经常是视为理所当然，因为多数工程师都印刷比焊盘面积小的锡膏。至今，几乎所有的焊脚失效的例子都是与波峰焊接工艺有关的。在英国的试验也已经看到发生在通孔元件上的这类缺限，这些通孔元件已经使用锡膏中的引脚工艺(pin-in-paste)或插入回流焊接工艺进行了焊接。在日本，用锡膏的通孔元件焊接叫做多点焊接(multi-spot soldering)。SONY已经在其 Discman(类似于 Walkman)的装配线上使用多点焊接技术超过十年之久。在使用无铅合金的波峰焊接之后，看到焊脚失效，一般在电镀通孔板的板顶面出现。焊脚从板的表面升起，如图二所示。图二：扫描电子显微镜显示一个焊脚从板的表面升起。在完整的报告中，强调了三种不同的焊脚失效，并讨论了它们对可靠性的影响。图三、四、五解释了所讨论的这些问题，但是来自一个欧洲的、当使用插入式回流焊接时对锡/银/铜合金进行的评估。图三：焊脚升起图四：焊盘升起图五：焊脚撕开在过去，焊脚升起发生在厚的多层板上；在这些情况中，升起是纯粹与板的 Z轴膨胀与收缩有关的。现在，IPC对于 PCB的标准 IPC-A-600不允许在装配之前有升起焊盘的板供应。对装配的 IPC-A-600允许焊接之后升起的焊盘，并认为是应用级别 1，2和3的一个工艺标志。升起允许到达一个焊盘的厚度。这类缺陷的许多例子是在这个高度之上，认为是不能接受的。有一家公司在介绍使用锡/锌合金锡膏的无铅装配中强调了焊锡污染。视觉上，该缺陷看上去象已经完全回流并结合在一起的少量锡膏，但是没有形成锡球。通常，如果锡/铅锡膏的颗粒留在阻焊层的表面上，或者流到片状元件的下面，颗粒将回流和形成一个锡球。当处于一个片状或者小型有源元件之下时，颗粒将从零件的下边出现并且叫做焊锡珠(solder bead)。原先，这类缺陷可在表面贴装的早期看到，那时使用的锡膏质量差，或者使用不正确的工艺条件。在锡/锌焊锡膏的情况中，材料的表面极度地活性，将容易在表面形成一个厚的氧化物涂层 -使得回流形成锡球困难。甚至有一层助焊剂，氧化层也会阻碍流动。该缺陷可能看上去象涂在板表面的焊锡。如果用 X射线检查一个元件的下面，这缺陷看上去象一个不规则形状。