无铅焊接的特点、无铅产品设计、模板设计及工艺控制.ppt

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1、2-4 无铅焊接的特点、无铅产品设计、模板设计及工艺控制（参考：工艺 第18章；基础与DFM第5章）,顾霭云,内容,一无铅工艺与有铅工艺比较二无铅焊接的特点 从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点 无铅波峰焊特点及对策三无铅焊接对焊接设备的要求四无铅产品设计及工艺控制 无铅工艺设计 无铅PCB设计 印刷及模板设计 贴装 再流焊 波峰焊 检测 无铅返修 清洗,一无铅工艺与有铅工艺比较,通过无铅、有铅比较，正确认识无铅技术,（a）无铅工艺技术并不是高不可攀的技术 因为基本原理、工艺方法与有铅技术是相同的。（b）但由于无铅的焊接材料、元器件、PCB都发生了变化，因此工艺参数必须随之改变。主要变化是温度高

2、、工艺窗口小、润湿性差、工艺难度大，容易产生可靠性问题，因此要求比有铅时更加重视理论学习、工艺技术研究、工艺实践，尤其要掌握关键技术：印、焊。（c）进行设备改造或添置必要的焊接设备（d）提高管理水平。,二无铅焊接的特点,高温工艺窗口小润湿性差,峰值温度 液相时间 IMC厚度无铅：SAC305 235245 5060s 不容易控制有铅：Sn-37Pb 210230 6090s 容易控制,从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点及对策,从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点及对策,熔点高，要求无铅焊接设备耐高温，抗腐蚀。要求助焊剂耐高温。从温度曲线可以看出：无铅工艺窗口小。无铅焊接的工艺窗口比铅锡焊膏小，要

3、求PCB表面温度更均匀。要求焊接设备横向温度均匀。a 25110/100200 sec，110150/4070 sec，要求缓慢升温，使整个PCB温度均匀，减小PCB及大小元器件t，因此要求焊接设备升温、预热区长度要加长。,b 150217/5070sec快速升温区（助焊剂浸润区）。有铅焊接从150升到183，升温33，可允许在3060 sec之间完成，其升温速率为0.551/sec；而无铅焊接从150升到217，升温67，只允许在5070sec之间完成，其升温速率为0.961.34/sec，要求升温速率比有铅高30%左右，另外由于无铅比有铅的熔点高34，温度越高升温越困难，如果升温速率提不上

4、去，长时间处在高温下会使焊膏中助焊剂提前结束活化反应，严重时会使PCB焊盘，元件引脚和焊膏中的焊料合金在高温下重新氧化而造成焊接不良，因此要求助焊剂浸润区有更高的升温斜率。,c 回流区峰值温度235与FR-4基材PCB的极限温度（240 0C）差（工艺窗口）仅为5。如果PCB表面温度是均匀的，那么实际工艺允许有5 的误差。假若PCB表面有温度误差t 5，那么PCB某处已超过FR-4基材PCB的极限温度240，会损坏PCB。对于简单的产品，峰值温度235240可以满足要求；但是对于复杂产品，可能需要260才能焊好。因此FR-4基材PCB就不能满足要求了。,在实际回流焊中，如果最小峰值温度为235

5、，最大峰值温度取决于板面的温差t，它取决于板的尺寸、厚度、层数、元件布局、Cu的分布以及元件尺寸和热容量。拥有大而复杂元件（如CBGA、CCGA等）的大、厚印制板，典型t高达2025。为了减小t，满足小的无铅工艺窗口。炉子的热容量也是很重要的因素。要求再流焊炉横向温差2，同时要求有两个回流加热区。,d 由于焊接温度高，为了防止由于焊点冷却凝固时间过长，造成焊点结晶颗粒长大；另外，加速冷却可以防止产生偏析，避免枝状结晶的形成，因此要求焊接设备增加冷却装置，使焊点快速降温。e 由于高温，PCB容易变形，特别是拼板，因此对于大尺寸的PCB需要增加中间支撑。f N2保护能够改善润湿性，提高焊点质量g

6、为了减小炉子横向温差t，采取措施：带加热器的导轨、选用散热性小的材料、定轨向炉内缩进等技术。,浸润性差,应对措施：改良助焊剂活性修改模板开口设计提高印刷、贴装精度N2保护,焊盘暴露铜,无铅波峰焊接的主要特点也是：高温、润湿性差、工艺窗口小。与再流焊相比，波峰焊从有铅转向无铅焊接的工艺难度要大得多。过渡阶段铅污染问题：如果混入有铅元件，引脚表面微量的铅还会引起Lift-off（焊点剥离）现象等焊接缺陷，将严重影响焊点可靠性。高温氧化问题,无铅波峰焊特点及对策,Sn3Ag0.5Cu双波峰焊实时温度曲线,有铅和无铅波峰焊温度曲线比较示意图,用于波峰焊的焊料：Sn-Cu或 Sn-Cu-Ni，熔点227

7、。少量的Ni可增加流动性和延伸率，减少残渣量。高可靠的产品可采用Sn/Ag/Cu焊料，但不推荐，因为Ag的成本高，同时也会腐蚀Sn锅。对不锈钢腐蚀率：Ni对Cu 腐蚀率：,特别注意：（由于浸析现象）采用Sn3Ag0.5Cu焊料进行波峰焊时对PCB的Cu布线有腐蚀作用，将Cu比例从0.5%提高到0.7%，使焊料中Cu处于饱和状态，可以减轻或避免对Cu布线的腐蚀。,根据所选合金，需要255275炉温，Sn在高温下有溶蚀Sn锅的现象，采用钛合金钢Sn锅、或在锅内壁镀防护层。由于工艺窗口小，要求Sn锅温度均匀，2。由于润湿性差，需要改良助焊剂，并增加一些涂覆量。,由于助焊剂涂覆量多，同时由于水基溶剂助

8、焊剂需要充分地将水分挥发掉，另外由于高熔点，为了使PCB内外温度均匀，促进润湿和通孔内的爬升高度，主要措施：预热区要加长，提高PCB预热温度到100130。但提高预热温度会加快氧化；增加中间支撑，预防高温引起 PCB变形。增加冷却装置，使焊点快速降温。但对Sn锅吹风会影响焊接温度，另外降温速度过快容易造成元件开裂（尤其陶瓷电容）。,在预热区末端、两个波之间插入加热元件,在预热区末端与波峰之间插入加热元件，防止PCB降温。两个波之间的距离要短一些，或在第一波与第二波之间插入加热元件，防止由于PCB降温造成焊锡凝固，焊接时间34s；适当提高波峰高度，增加锡波向上的压力。,t,双波峰焊实时温度曲线,

9、在预热区末端、两个波之间插入加热元件,要密切关注Sn-Cu焊料中Cu比例，Cu的成分改变0.2%，液相温度改变多达6。这样的改变可能导致动力学的改变以及焊接质量的改变。过量Cu会在焊料内出现粗化结晶物，造成熔融焊料的黏度增加，影响润湿性和焊点机械强度。Cu比例超过1%，必须换新焊料。由于Cu随工作时间不断增多，因此一般选择低Cu合金，补充焊料时添加纯锡，但很难控制合金的比例。,Sn-Cu焊料中Cu比例0.75wt%为共晶点，此时的Lift-off（焊点剥离）的几率最小，离开0.75wt%越远越容易发生。,Sn-Cu合金二元相图,Sn-Cu的液相线 斜率大(比Sn/Pb大十几倍)，液相温度对成分

10、很敏感。因此少量成分变化，就会使熔点偏移，造成焊接温度的变化。,熔点随成分变化而变化,波峰焊时随着Cu不断增加，熔点也不断提高。,液态,固态,最佳焊接温度线,Sn-Pb系焊料金相图,Sn-Cu系焊料合金,无铅波峰焊中的Pb是有害的杂质，经常监测焊料中Pb的比例，要控制焊点中Pb含量0.05%。插装孔内上锡可能达不到75%（传统Sn/Pb 75%），PCB设计适当增加孔径比，减慢速度和充N2 可以改善。波峰焊后分层Lift-off（剥离、裂纹）现象较严重。充N2可以减少焊渣的形成，可以不充氮气（N2），但一定要比有铅焊接更注意每天的清理和日常维护。波峰焊接设备需要对波峰焊部件、加热部件和焊剂管理

11、系统进行特殊维护。,无铅焊点的特点,浸润性差，扩展性差。无铅焊点外观粗糙。传统的检验标准与AOI需要升级。无铅焊点中气孔较多，尤其有铅焊端与无铅焊料混用时，焊端（球）上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘，助焊剂排不出去，造成气孔。但气孔不影响机械强度。缺陷多由于浸润性差，使自定位效应减弱。浸润性差，要求助焊剂活性高。,无铅再流焊焊点,无铅波峰焊焊点,插装孔中焊料填充不充分,热撕裂或收缩孔,无铅焊接常见缺陷,无铅焊点润湿性差要说服客户理解。气孔多 外观粗糙 润湿角大 没有半月形,无铅焊点评判标准,IPC-A-610DIPC-A-610E,Lead Free Inspection,Lead Free Sol

12、der PasteGrainy Surface表面粗糙,Leaded Solder PasteSmooth&Shiny Surface表面光滑、光亮,Wetting is Reduced with Lead Free,Standard Eutectic Solder Joint,Lead Free Solder Joint,Typical Good Wetting Visible Fillet润湿好,Reduced WettingNo Visible Fillet润湿减少,三无铅焊接对焊接设备的要求,（1）无铅焊接对再流焊设备的要求（2）无铅焊接对波峰焊设备的要求（3）无铅焊接对返修设备的要求

13、,（1）无铅焊接对再流焊设备的要求,耐350 以上高温，抗腐蚀。设备横向温度均匀，横向温差2，必要时对导轨加热或采用特殊材料的导轨。升温、预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。要求有两个回流加热区或提高加热效率。增加冷却装置，使焊点快速降温。对于大尺寸的PCB需要增加中间支撑。增加助焊剂回收装置，减少对设备和环境的污染。,无铅再流焊设备是否一定要求8温区、10温区？,要对现有设备进行分析，做工艺试验、可靠性分析或认证，只要温度曲线和可靠性满足无铅要求、就可以使用。,对无铅再流焊设备的主要要求：缓慢升温助焊剂活化区快速升温，要求回流区热效率高，能够快速升到回流温度。快速冷却（受控冷却）,（2）无

14、铅焊接对波峰焊设备的要求,耐高温，抗腐蚀，采用钛合金钢Sn锅、或在锅内壁镀防护层。并要求Sn锅温度均匀，2。预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。预热区采用热风加热器或通风，有利于水汽挥发。增加中间支撑，预防高温引起 PCB变形。增加冷却装置，使焊点快速降温。充N2可以减少焊渣的形成。增加助焊剂回收装置，减少对设备和环境的污染。,（3）无铅焊接对返修设备的要求,耐高温，抗腐蚀。提高加热效率。增加底部预热面积和预热温度，尽量使PCB温度均匀。增加中间支撑，预防高温引起 PCB变形。,四无铅产品设计及工艺控制,（1）无铅产品工艺设计（2）无铅产品PCB设计（3）印刷工艺（4）贴装（5）再流焊（6）

15、波峰焊（7）检测（8）关于无铅返修（9）无铅清洗,1.无铅产品工艺设计,首先要确定组装方式及工艺流程,组装质量生产效率制造成本,组装方式与工艺流程设计合理与否，直接影响：,组装方式与工艺流程设计原则：,选择最简单、质量最优秀的工艺选择自动化程度最高、劳动强度最小的工艺工艺流程路线最短工艺材料的种类最少选择加工成本最低的工艺,无铅工艺流程设计,尽量采用再流焊方式（不采用或少采用波峰焊、手工焊工艺）通孔元件再流焊工艺（适用于少量通孔插装元件（THC）时）选择性波峰焊机是无铅波峰焊的良好选择（适用于高可靠、及无铅）一些单面板以及通孔元件非常多的情况，还是需要采用传统波峰焊工艺。（适用于消费类产品）,

16、通孔元件再流焊工艺,三种选择性波峰焊工艺1、掩膜板波峰焊，为每种PCB设计专用掩膜板，保护已焊好的表面贴装器件（此方式不需要买专用设备）2、拖焊工艺：在单个小焊嘴焊锡波上拖焊。适用于少量焊点及单排引脚。3、浸焊工艺：机械臂携带待焊PCB浸入固定位置焊嘴组的焊锡波上（多焊锡波）。浸入选择焊系统有多个焊锡嘴，与PCB待焊点是一对一设计的。因而对不同的PCB需制作专用的焊锡嘴。,选择性波峰焊机是无铅波峰焊的良好选择,掩膜板选择性波峰焊工艺,掩膜板波峰焊，为每种SMA设计专用掩膜板，保护已焊好的表面贴装元器件。（此方式避免了对SMC/SMD的波峰焊）,主面,辅面,工艺流程B面再流焊 A面再流焊 B面掩

17、膜波峰焊,合成石掩膜板,合成石治具,选择性波峰焊机,2.无铅产品PCB设计,选择无铅元器件 选择无铅PCB材料及焊盘涂镀层 选择无铅焊接材料（包括合金和助焊剂）无铅产品PCB设计,选择无铅元器件,必须考虑元件的耐热性问题（避免高温损伤元器件的封装与内部连接）必须考虑焊料和元器件表面镀层材料的相容性（材料不相容会影响焊点连接强度）对湿度敏感器件(MSD)的管理和控制措施（高温损伤湿敏器件）,选择无铅元器件考虑因素：,对无铅元件的要求：耐高温和无铅化,无铅元件耐热性要求,IPC/JEDEC J-STD-020C对于薄型小体积元器件而言，新标准要求其耐热温度要高达260,焊料和元器件表面镀层材料的相

18、容性,无铅元器件焊端镀层材料的种类最多最复杂可能会存在某些失配现象，造成可靠性问题,例如：Bi在凝固过程中会发生偏析，在焊区底部形成低熔点相。导致焊缝浮起，也称为焊点剥离现象（Fillet-Lifting）,无铅元件焊端镀层SnNi-Au Ni-Pd-Au Sn-Ag-CuSn-CuSn-Bi等,对湿度敏感器件(MSD)的管理和控制措施(在“无铅生产物料管理”中详细介绍),无铅焊接温度高，潮湿敏感元器件由于高温而失效的几率非常高，因此在无铅工艺中要特别注意对湿度敏感器件(MSD)的管理并采取有效措施。,例如：设计在明细表中应注明元件潮湿敏感度；工艺要对湿敏元件做时间控制标签，做到受控管理；对已

19、受潮元件进行去潮处理。,选择无铅PCB材料及焊盘涂镀层,无铅对PCB材料的要求 如何选择无铅PCB材料 如何选择无铅PCB焊盘涂镀层,无铅对PCB材料的要求,无铅工艺要求高玻璃化转变温度g（150170）要求低热膨胀系数CTE(径向、纬向尺寸变化）稳定性好要求高的PCB分解温度d（340）高耐热性：T288（耐288的高温剥离强度，不分层）PCB吸水率小（PCB吸潮也会造成焊接缺陷）低成本,如何选择无铅PCB材料,根据产品的功能、性能指标以及产品的档次选择PCB；对于一般的无铅电子产品采用FR4环氧玻璃纤维基板；复杂的无铅电子产品可选择高Tg（150170）的FR-4；高可靠及厚板采用FR-5

20、；考虑低成本的无铅电子产品可选择CEM-1和 CEM-3；对于使用环境温度较高或挠性电路板采用聚酰亚胺玻璃纤维基板；对于散热要求高的高可靠电路板采用金属基板；对于高频电路则需要采用聚四氟乙烯玻璃纤维基板。,如何选择无铅PCB焊盘涂镀层,主要考虑因素：PCB焊盘涂镀层与焊料的相容性PCB焊盘涂镀层与工艺的相容性,(a)无铅焊料合金热风整平（HASL）(b)ENIG（Ni/Au）(c)浸银工艺（IAg）(d)浸锡（ISn）(e)OSP,无铅PCB焊盘涂镀层种类：,(a)用非铅金属或无铅焊料合金取代Sn/Pb热风整平（HASL）,热风整平需要热熔，通过热风整平涂覆在焊盘上，保护焊盘，可焊性好，镀层厚

21、度为711m；HASL焊料的厚度和焊盘的平整度（园顶形）很难控制，很难贴装窄间距元件。无铅HASL：即用非铅金属或无铅焊料合金取代Pb-Sn。,(b)化学镀Ni和浸镀金（ENIG）,化学镀Ni和浸镀金（ENIG）具有良好的可焊性，用于印制插头（金手指）、触摸屏开关处。Ni作为隔离层和可焊的镀层，要求厚度3um；Au是Ni的保护层，Au能与焊料中的Sn形成金锡间共价化合物（AuSn4），在焊点中金的含量超过3%会使焊点变脆，过多的Au原子替代Ni原子，因为太多的Au溶解到焊点里（无论是Sn-Pb还是Sn-Ag-Cu）都将引起“金脆”。所以一定要限定Au层的厚度，用于焊接的Au层厚度1m(ENIG

22、：0.050.3m，最好控制在0.050.15m)；如果镀镍工艺控制不稳定，会造成“黑焊盘”现象。,“黑焊盘”问题Black Pads in ENIG finishes,黑焊盘处手指一推，元件就会掉下来黑焊盘是PCB制造厂的问题,黑盘的显微观察,黑盘失效的焊盘表面（放大5000倍）,“黑焊盘”现象的产生原因,（1）PCB焊盘金镀层和镍镀层结构不够致密，表面存在裂缝，空气中的水份容易进入，以及浸金工艺中的酸液容易残留在镍镀层中。（2）镍镀层中磷含量偏高或偏低，导致镀层耐酸腐蚀性差，易发生腐蚀变色，出现“黑盘”现象。（PH：34，P：79%较好）（3）镀镍后没有将酸性镀液清洗干净,长时间 Ni被酸

23、腐蚀。（4）作为可焊性保护性涂覆层的Au层在焊接时会完全溶融到焊料中，而被氧化或腐蚀的Ni镀层由于可焊性差不能与焊料形成良好的金属间合金层，最终导致虚焊、或焊点强度不足使元件从PCB上脱落。,(c)浸银工艺（IAg）,浸银工艺（IAg）是目前使用更多、成本更低廉的替代工艺，而且更为广泛地被工业界接受。IAg的厚度约0.10.4m，其可焊性、ICT可探测性、以及接触/开关焊盘的性能不如Ni-Au，但对于大多数应用却已足够。对于IAg精确的化学配方、厚度、表面平整度、以及银层内有机元素的分布，都必须仔细选择和规定，所有的替代工艺都必须适用于有铅和无铅两种工艺。,(d)浸锡工艺（ISn）,I-Sn就

24、是通过化学方法在裸铜表面沉积一层锡薄膜。锡的沉积厚度应1.0m。ISn比较便宜。其主要问题是在浸锡过程中容易产生Cu-Sn金属间化合物，影响可焊性；另一个问题是寿命短，新板的润湿性较好，但存贮一段时间后，或经过1次回流后由于Cu-Sn金属间化合物的不断增长与高温氧化，使润湿性迅速下降快，甚至不能承受波峰焊前的一次再流焊，因此工艺性较差。一般可应用在一次焊接工艺的消费类电子产品。,(e)Cu表面涂覆OSP,OSP是有机防氧化保护剂。铜镀层与OSP配合使用，可焊性、导电性，金属化孔内镀铜层厚度大于25m。OSP优点：便宜、涂层薄（0.30.5m）、平面性好，能防止焊盘氧化有利于焊接，在焊接温度下自

25、行分解。缺点：不能回流很多次，OSP高温失效后引起Cu表面氧化，因此双面板回流工艺要注意。另外保存期短（3个月）。（目前手机板大多采用OSP涂层）由于无铅焊接温度下涂覆层容易失效，因此传统的OSP材料不适于无铅，需要应用适合无铅OSP材料。,目前单面板采用无铅OSP基本没有问题。,第一，要慎重选择PCB加工厂；第二，采用氮气保护焊接；第三，从工艺上要控制第一次与第二次焊接的时间间隔，一般控制在4小时（或2小时）以内，有的采用两条生产线分别进行两面加工；第四，还可以选择活性高、可焊性好的助焊剂来配合。,双面回流，或一面回流、一面波峰焊时建议：,哪种表面镀覆层最适合无铅呢？目前暂时还没有结论,必须

26、根据实际产品需要来选择。例如：单面SMT或单面波峰焊，可使用OSP或浸锡；双面贴装和混装（SMD与通孔插装）的印制电路板使用浸银；如果使用的是OSP，在再流焊和波峰焊时使用氮气或者腐蚀性很小的助焊剂，可以根据产品灵活掌握，如果使用ENIG就不需要使用氮气。在选择表面镀覆层时，氮气的使用、助焊剂的类型和对成本的敏感性，这些都是重要的因素。总之，选择无铅PCB焊盘涂镀层必须考虑焊料、工艺与PCB焊盘涂镀层的相容性。,选择无铅焊接材料（包括合金和助焊剂）,对无铅焊料合金的要求无铅焊料合金介绍目前应用最多的无铅焊料合金无铅焊料合金的选择无铅工艺对助焊剂的要求,对无铅焊料合金的要求,合金成份中不含铅或其

27、它对环境造成污染的元素。合金熔点应与Sn/Pb合金相接近，在180230之间。凝固时间要短，有利于形成良好的焊点。具有良好的物理特性，如导电性/导热性，润湿性、表面张力等。具有良好的化学性能，如耐腐蚀、氧化性，残渣形成、电迁移等。合金的冶金性能良好，与铜、银-钯、金、42号合金、镍等形成优良的焊点。焊点的机械性能良好。并要求容易拆卸和返修。焊接过程中生成的残渣少。具有可制造性，容易加工成焊球、焊片、焊条、焊丝等形式。成本合理、资源丰富、便于回收。,无铅焊料合金介绍,无铅化的核心和首要任务是无铅焊料。全球范围内共研制出100多种无铅焊料（焊膏33种，波峰焊棒材62种，丝49种），但真正公认能用的

28、只有几种。目前最有可能替代Sn/Pb焊料的合金材料最有可能替代Sn/Pb焊料的无毒合金是Sn基合金，以Sn为主，添加Ag、Zn、Cu、Bi、In等金属元素，通过添加金属元素来改善合金性能，提高可焊性、可靠性。,Sn-Ag共晶合金,Sn-3.5Ag共晶合金是早期开发的无铅焊料，共晶点221。优点：具有优良的机械性能，拉伸强度，蠕变特性。耐热老化比Sn-Pb共晶焊料优越。延展性比Sn-Pb稍差。缺点：熔点偏高，润湿性差，成本高。,Sn-Ag合金二元相图,Sn-Pb合金二元相图,在Ag含量75%附近有一个纵长的Ag3Sn区域，此成分和温度区域内，Ag3Sn能够稳定地存在。在Ag3Sn左侧低Ag成分处

29、与Sn-Pb共晶相图相似。,在Sn-Pb二元合金的情况下，Sn和Pb结晶彼此都能在某种程度上固溶对方的元素。,Sn-Pb37共晶组织,Sn-Ag3.5共晶组织,然而Sn中几乎不能固溶Ag。Sn-Ag3.5形成的合金是由不含Ag的-Sn和微细的Ag3Sn相组成二元共晶组织。虽然Sn-Ag3.5 是共晶合金，但并不是一下子凝固的，而是先形成树枝状-Sn初晶，然后在其间隙中发生共晶反应最终凝固，形成纤维状Ag3Sn。,添加Ag所形成的Ag3Sn，由于晶粒细小，对改善机械性能有很大贡献。添加12wt%以上的Ag，屈服强度和拉伸强度与Sn-Pb共晶焊锡相同或有超过。添加3wt%以上的Ag，强度显著比Sn

30、-Pb共晶焊锡高，但超过3.5wt%（过共晶成分）后，由于形成粗大的板状Ag3Sn初晶，不仅使拉伸强度相对降低，而且对疲劳和冲击性能也有不良影响。,Sn-3.5Ag与Cu的焊接界面结构,Sn-Ag-Cu三元合金,Sn-Ag-Cu三元合金（熔点216222）是目前被大家公认的适用于再流焊的合金组分。其中Ag含量在3.04.0wt%（重量百分比）都是可接受的合金。Cu含量一般在0.50.75wt%范围内。,在Sn-Ag合金里添加Cu，能够在维持Sn-Ag合金良好性能的同时稍微降低熔点，而且添加Cu 以后，能够减少焊件中Cu 的溶蚀，因此逐渐成为国际上标准的无铅合金。,Sn-Ag-Cu三元合金相图,

31、液态时的成分：LSn+Cu6Sn5+Ag3Sn,在平衡状态凝固的结晶是很规则的形状（冷却速度无限慢时）,实际生产条件下是非平衡状态凝固的结晶,SAC合金凝固特性导致无铅焊点颗粒状外观,非平衡状态凝固：Sn先结晶，以枝晶状（树状）出现，中间夹Cu6Sn5和Ag3Sn。,Sn-Ag-Cu焊点金相切片,Cu与Ag一样，也是几乎不能固溶于-Sn 的元素,Sn-Cu系焊料合金,Sn-0.75Cu为共晶合金（熔点227）用于波峰焊。优点：Sn-Cu润湿性、残渣的形成和可靠性次于Sn-Ag-Cu，而成本比Sn-Ag-Cu低得多。缺点：过量Cu会在焊料内出现粗化结晶物，造成熔融焊料的黏度增加，影响润湿性和焊点

32、机械强度。改善措施：添加0.1%Ag，可使改善合金的延伸率。添加微量Ni可增加流动性，减少残渣量。,Sn-Cu合金二元相图,Sn-Cu合金二元相图,Sn-Cu的液相线 斜率大(比Sn/Pb大十几倍)，液相温度对成分很敏感。因此少量成分变化，就会使熔点偏移，造成焊接温度的变化。,熔点随成分变化而变化,波峰焊时随着Cu不断增加，熔点也不断提高。,液态,固态,最佳焊接温度线,Sn-Pb系焊料金相图,Sn-Zn系焊料合金（仅日本开发应用）,Sn-8.8Zn为共晶合金（熔点198.5）。优点：相对较低的熔点，机械性能好，拉伸强度比Sn/Pb共晶焊料好，可拉制成丝材使用；具有良好的蠕变特性。并且价格比较便

33、宜。缺点：是Zn极易氧化，润湿性和稳定性差，具有腐蚀性。通常添加3%左右Bi来改善润湿性，但不能添加过多的Bi，因为Bi 不仅会降低液相线温度，还会使合金变硬。,Sn-Zn合金二元晶相图,Sn-Bi系焊料合金,Sn-57Bi为共晶合金（熔点139）。Sn-Bi系焊料是以Sn-Ag(Cu)系合金为基体，添加适量的Bi组成的合金焊料。优点：降低了熔点，与Sn/Pb共晶焊料相近；蠕变特性好，增大了合金的拉伸强度。缺点：延展性变坏，变得硬而脆，加工性差，不能加工成线材使用。,Sn-Bi合金二元相图,Sn-In和Sn-Sb系合金,Sn-In系合金熔点低，蠕变性差，In极易氧化，且In在地球上的储量稀少、

34、成本太高；Sn-Sb系合金润湿性差，Sb还稍有毒性。这两种合金体系开发和应用较少。,目前应用最多的无铅焊料合金,目前应用最多的用于再流焊的无铅焊料是三元共晶或近共晶形式的Sn-Ag-Cu焊料。Sn(34)wt%Ag(0.50.7)wt%Cu是可接受的范围，其熔点为217左右。美国采用Sn3.9Agwt%0.6wt%Cu无铅合金欧洲采用Sn3.8Agwt%0.7wt%Cu无铅合金日本采用Sn3.0Agwt%0.5wt%Cu无铅合金Sn-0.7Cu-Ni焊料合金用于波峰焊。其熔点为227。手工电烙铁焊大多采用Sn-Cu、Sn-Ag或Sn-Ag-Cu焊料。,无铅焊料合金的选择,合金组分决定：焊料的熔

35、点（焊接温度）焊点的电气性能和机械强度焊料的成本,无铅合金的选择要根据产品的应用环境、可靠性要求、成本、工艺等方面因素综合考虑。,(a)合金材料与元器件的相容性,选择无铅合金材料时必须考虑元件的耐热性问题 还要考虑焊料合金和元器件表面镀层材料的相容性,(b)合金材料与工艺的相容性,再流焊工艺中，组装板上所有的元器件都要经受再流焊炉比较长时间的高温考验，因此希望再流焊峰值温度不要太高，相对而言Sn-Ag-Cu的熔点比Sn-Cu低一些，因此再流焊大多选择Sn-Ag-Cu焊料；波峰焊工艺中，通孔元件的元件体在PCB传输导轨上方，元件体温度不会超过焊料的熔点，波峰焊可以采用Sn-Ag-Cu和Sn-0.

36、7Cu、或焊料合金；手工焊大多采用Sn-Ag-Cu、Sn-Ag、Sn-Cu焊料。,(c)合金材料的熔点与电子设备工作温度的相容性,常用无铅焊料合金的熔点与应用,(d)对于高可靠、对人身安全有保障要求的产品应选择高性能合金,建议选择Sn-3.5 Ag二元共晶合金。Sn-3.5 Ag合金已在某些高可靠电子领域应用了很长的时间，已经完成了大量测试，并且已被高可靠领域广泛接受。例如福特汽车、摩托罗拉等公司对使用Sn-3.5Ag合金的测试板进行了热循环试验(-40140)和全面热疲劳测试研究，测试结果显示Sn-3.5 Ag合金的可靠性与Sn-37Pb共晶合金相差无几甚至更好。Sn-3.5 Ag回流焊温度

37、比Sn-37Pb高2030，目前无铅元器件的耐高温也已经提高到250260了。,(e)考虑成本,目前所有的无铅合金成本都比Sn-37Pb高出35%以上。无铅焊膏也比Sn-Pb焊膏贵一些，但还不那么敏感；无铅波峰焊和手工焊用的焊锡条和焊锡丝的合金成本相当高，尤其是无铅波峰焊用的焊锡条成本更高。因此尽管Sn-Ag-Cu合金的机械性能和工艺性都比Sn-Cu合金优越，但考虑成本，一些低附加值的消费类电子产品，一般都尽量选择较低成本的Sn-Cu合金。但是对有较高要求电子产品的波峰焊工艺还是需要选择Sn-Ag-Cu合金。目前已有低Ag的Sn-Ag-Cu替代用于波峰焊的Sn3Ag0.5Cu焊料。,成本是制造

38、商考虑选择无铅合金的重要条件之一,无铅工艺对助焊剂的要求,(a)焊剂与合金表面之间有化学反应，因此不同合金成分要选择不同的助焊剂。(b)由于无Pb合金的浸润性差，要求助焊剂活性高。(c)提高助焊剂的活化温度，要适应无铅高焊接温度，适应无VOC，一般采用“水基”溶剂助焊剂。(d)焊后残留物少，并且无腐蚀性，满足ICT探针能力和电迁移。,印刷性、可焊性的关键在于助焊剂,确定了无Pb合金后，关键在于助焊剂。例如有8家公司给Motorola提供无Pb焊膏进行试验，有的电阻、电容移位比较多；润湿性好的焊膏，焊后不立碑。印刷性要求间隔1个小时印刷质量不变化。要测18小时的黏度变化。,无铅焊剂必须专门配制,

39、免清洗Sn-Pb焊膏已经使用了多年，而且已是成熟的技术。早期无铅焊膏的做法是简单地将Pb-Sn焊料免清洗焊剂和无铅合金混合，结果很糟糕。焊膏中助焊剂和焊料合金间的化学反应影响了焊膏的流变特性（对印刷性能至关重要）。因此无铅焊剂必须专门配制。同样，波峰焊中无VOC免清洗焊剂也需要特殊配制。无铅焊膏和波峰焊的水溶性焊剂对某些产品也是需要的。,无铅产品PCB设计,提倡为环保设计，需要考虑WEEE在选材、制造、使用、回收成本等方面因素，但到目前为止还没有对无铅PCB焊盘设计提出特殊要求，没有标准。有一种说法值得讨论：由于浸润性（铺展性）差，无铅焊盘设计可以比有铅小一些。还有一种说法：无铅焊盘设计应比有

40、铅大一些。业界较一致的看法：（a）为了减小焊接过程中PCB表面t，应仔细考虑散热设计，例如均匀的元器件分布、铜箔分布，优化PCB板的布局。尽量使印制板上t达到最小 值。（b）椭圆形焊盘可减少焊后焊盘露铜现象。,过度阶段BGA、CSP采用“SMD”焊盘设计减少“孔洞”,SMD NSMDSMD(soldermask defined)NSMD non-soldermask defined）,有利于排气,不有利于排气,（c）BGA、CSP 采用SMD焊盘设计有利于排气。（d）过渡阶段双面焊（A面再流焊，B面波峰焊）时，A面的大元件也可采用SMD焊盘设计，可减轻焊点剥离现象。（e）为了减少气孔，BGA、

41、CSP 焊盘上的过孔应采用盲孔技术，并要求与焊盘表面齐平。,（f）无铅波峰焊（通孔元件）焊盘设计措施,在严格按照波峰焊工艺中介绍的焊盘设计要求外，还可以采取以下措施：采用SMD焊盘设计，可减轻焊点剥离现象通孔直径=引脚直径+0.5mm(有铅0.2 0.4mm)，增加通孔直径有利于助焊剂渗入通孔，改善通孔中焊料填充率 设计时尽量使阻焊膜远离焊点，可以减少锡珠采用高质量或亚光型阻焊膜减少锡珠粘连的机会,（g）选择性波峰焊焊盘设计措施,焊点周围的间隙 单波焊接：进板方向尾部留5mm空间，其余三边留2mm空间多喷嘴浸焊：焊点与周边器件或不需要焊接的焊点之间至少保持2 mm 间距,选择性波峰焊焊盘设计措

42、施,周边SMD器件的长轴应垂直于焊接方向，这种设计可以避免这些已经完成回流焊接器件不会被冲掉,3.印刷工艺、模板设计,无铅焊膏的选择、评估、与管理模板设计印刷工艺参数,无铅焊膏的选择、评估、与管理,（a）无铅焊膏与有铅焊膏一样，生产厂家、规格很多。即便是同一厂家，也有合金成分、颗粒度、黏度、免清洗、溶剂清洗、水清洗等方面的差别。主要根据电子产品来选择。例如尽量选择与元件焊端一致的合金成分。（b）应多选择几家公司的焊膏做工艺试验，对印刷性、脱膜性、触变性、粘结性、润湿性以及焊点缺陷、残留物等做比较和评估，有条件的企业可对焊膏进行认证和测试。有高品质要求的产品必须对焊点做可靠性认证。（c）由于润湿

43、性差，因此无铅焊膏的管理比有铅更加严格。,模板设计,模板设计属于SMT可制造性设计的重要内容之一1998年IPC为模板设计制订了IPC 7525（模板设计指南），2004年修订为A版。IPC 7525A标准主要包含名词与定义、参考资料、模板设计、模板制造、模板安装、文件处理/编辑和模板订购、模板检查/确认、模板清洗、和模板寿命等内容。,模板厚度设计,模板印刷是接触印刷，模板厚度是决定焊膏量的关键参数。模板厚度应根据印制板组装密度、元器件大小、引脚（或焊球）之间的间距进行确定。通常使用0.1mm0.3mm厚度的钢片。高密度组装时，可选择0.1mm以下厚度。,模板开口设计最基本的要求,研究证明：面

44、积比0.66，焊膏释放体积百分比80%面积比0.5，焊膏释放体积百分比 60%,宽厚比开口宽度(W)/模板厚度(T)面积比开口面积/孔壁面积,矩形开口的宽厚比/面积比：宽厚比：W/T1.5（无铅 1.6）面积比：LW/2(L+W)T0.66（无铅 0.71）,影响焊膏脱膜能力的三个因素,开孔尺寸宽(W)和长(L)与模板厚度(T)决定焊膏的体积理想的情况下，焊膏从孔壁释放（脱膜）后，在焊盘上形成完整的锡砖（焊膏图形）,面积比/宽厚比、开孔侧壁的几何形状、和孔壁的光洁度,无铅工艺的模板设计应考虑的因素（无铅焊膏和有铅焊膏在物理特性上的区别）,无铅焊膏的浸润性远远低于有铅 焊膏；无铅焊膏的助焊剂含量

45、通常要高于有铅焊膏，无铅合金的比重较低；由于缺少铅的润滑作用，焊膏印刷时填充性和脱膜性较差。,无铅工艺的模板设计,IPC-7525A“Stencil Design Guidelines”标准为无铅工艺提供相关建议。作为通用的设计指南，丝网开口尺寸将与PCB焊盘的尺寸相当接近，这是为了保证在焊接后整个焊盘拥有完整的焊锡。弧形的边角设计也是可以接受的一种，因为相对于直角的设计，弧形的边角更容易解决焊膏粘连的问题。,无铅模板开口设计,开口设计比有铅大，焊膏尽可能完全覆盖焊盘 对于Pitch0.5mm的器件 一般采取1:1.02 1:1.1的开口，并且适当增大模板厚度。对于Pitch0.5mm的器件

46、通常采用1:1开口，原则上至少不用缩小 对于0402的器件 通常采用1:1开口，为防止元件底部锡丝、墓碑、回流时旋转等现象，可将焊盘开口内侧修改成弓形或圆弧形；,印焊膏模板开口特殊修改方案,Chip元件开口修改方案,IC开口修改方案,举例1：0402 CHIP C、R、L,举例2：功率晶体管,举例3：IC、QFP、排阻等器件,一般印焊膏模板开口尺寸及厚度,模板加工方法的选择,模板技术对焊膏释放的百分比起很重要的作用，应根据组装密度来选择加工方法。通常，引脚间距为0.025(0.635mm)以上时，选择化学腐蚀(chem-etched)模板；当引脚间距在0.020(0.5mm)以下时，应该考虑激

47、光切割和电铸成形的模板。,模板加工方法：化学腐蚀(chem-etch)：递减(substractive)工艺激光切割(laser-cut)：机械加工混合式(hybrid)：腐蚀+激光电铸(electroformed)：递增的工艺,金属模板加工一般要求,(1)模板表面平坦(2)模板厚度误差10(3)开孔与PCB焊盘一一对准，错位0.2mm，窄间距错位0.1mm(4)模板开孔切割面应垂直(或喇叭口向下)，中间凸出部分不可超过金属板厚的15(5)开孔尺寸精度0.01mm(6)钢网张力：一般3550 N/cm，最小应25 N/cm，各处张力之差不超过0.5N/cm,印刷工艺参数,（a）一般情况下，印刷

48、工艺不会受到太大的影响。（b）因为无铅的低浸润力问题。回流时自校正（Self-align）作用非常小，因此印刷精度比有铅时要求更高。（c）无铅焊膏的助焊剂含量高于有铅焊膏，合金的比重较低，印刷后焊膏图形容易坍塌；另外由于无铅焊剂配方的改变，焊膏的粘性和流变性、化学稳定性、挥发性等也会改变。因此有时需要调整印刷工艺参数。特别对于大尺寸PCB、开口尺寸大小悬殊大、以及高密度的产品，有可能需要重新设置印刷参数。（d）由于粘性和流变性变化，每次印刷后会有些无铅焊膏粘附在刮刀上，因此印刷周期可能需要放慢。,4.贴装工艺,（a）一般情况下，贴装工艺也不会受到太大的影响。（b）因为无铅的低浸润力问题。回流时

49、自校正（Self-align）作用非常小，因此，贴片精度比有铅时要求更高。精确编程、控制Z轴高度、采用无接触拾取可减小震动等措施。（c）由于无铅焊膏粘性和流变性的变化，贴装过程中要注意焊膏能否保持粘着性，从贴装、直到进炉前能否保持元件位置不发生改变。,5.无铅回流焊接技术,无铅焊料高熔点、润湿性差给回流焊带来了焊接温度高、工艺窗口小的工艺难题，使回流焊容易产生虚焊、气孔、立碑等缺陷，还容易引起损坏元器件、PCB等可靠性问题。,如何设置最佳的温度曲线，既保证焊点质量，又保证不损坏元器件和PCB，就是无铅回流焊接技术要解决的根本的问题,无铅再流焊的特点及对策,设置再流焊温度曲线的依据：（与有铅工艺

50、相同）,(a)不同金属含量的焊膏有不同的温度曲线，应按照焊膏加工厂提供的温度曲线进行设置（主要控制各温区的升温速率、峰值温度和回流时间）。(b)根据PCB板的材料、厚度、是否多层板、尺寸大小。(c)根据表面组装板搭载元器件的密度、元器件的大小以及有无BGA、CSP等特殊元器件进行设置。,正确设置和优化无铅回流焊温度曲线,(d)还要根据设备的具体情况，例如加热区长度、加热源材料、再流焊炉构造和热传导方式等因素进行设置。热风炉和红外炉有很大区别，红外炉主要是辐射传导，其优点是热效率高，温度陡度大，易控制温度曲线，双面焊时PCB上、下温度易控制。其缺点是温度不均匀。在同一块PCB上由于器件的颜色和大