回流焊无铅焊接的特点和对策

《回流焊无铅焊接的特点和对策》由会员分享，可在线阅读，更多相关《回流焊无铅焊接的特点和对策（35页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、钎焊机理钎焊分为硬钎焊和软钎焊。主要是根据钎料(以下称焊料)的熔化温度来区分的，一般把熔点在450C以下的焊料叫作软焊料， 使用软焊料进行的焊接就叫软钎焊；把熔点在450C以上的焊料叫作 硬焊料，使用硬焊料进行的焊接就叫硬钎焊。在美国MIL SPEC军用 标准中，是以800T(429U )的金属焊料的熔点作为区分硬钎焊和 软钎焊的标准。电子装联用锡焊是一种软钎焊，其焊料主要使用锡Sn、铅Pb、 银Ag、铟In、铋Bi等金属，目前使用最广的是Sn-Pb和Sn-Pb-Ag 系列共晶焊料，熔点一般在185C左右。钎焊意味着固体金属表面被某种熔化合金浸润。这种现象可用一 定的物理定律来表示。如果从热力

2、学角度来考虑浸润过程，也有各种 解释的观点。有一种观点是用自由能来解释的。/F=/U T/S在这里，F是自由能，U是内能，S是熵。/F 与两种因素有关，即与内能和熵的改变有关。一般S常常趋向于最大 值，因此促使-T/S也变得更小。实际上，当固体与液体接触时， 如果自由能F减少，即/F是负值，则整个系统将发生反应或趋向于 稳定状态。由此可知，熵是浸润的促进因素，因为熵使ZF的值变得 更小。/F的符号最终决定于/U的大小和符号，它控制着浸润是否 能够发生。为了产生浸润，焊料的原子必须与固体的原子接触，这就 引起位能的变化，如果固体原子吸引焊料，热量被释放出来，ZU是 负值。如果不考虑/U的大小和量

3、值，那么，熵值的改变与表面能的 改变有同样的意义，浸润同样是有保证的。在基体金属和焊料之间产 生反应，这就表明有良好的浸润性和粘附性。如果固体金属不吸引焊 料，ZU是正值，这种情况下，取决于ZU在特殊温度下的大小值， 才能决定能否发生浸润。这时，增加TZS值的外部热能，能对浸润 起诱发作用。这种现象可以解释弱浸润。在焊接加温时，表面可能被 浸润，在冷却时，焊料趋于凝固。在开始凝固的区域，4是正值， 其值比TZS大得多，当ZF最终变为正值时，浸润现象就发生了。有两种情况，一种是两种浸润材料互相发生浸润，导致结合，二 者都呈现低表面能，这时的焊点具有良好强度。单纯的粘附作用不能 产生良好的浸润性。

4、假如把两种原子构成的固体表面弄得很光滑，在 真空中叠合在一起，它们可能粘附在一起，这种现象是两个光滑断面 之间的范德华力作用。这种结合接度以范德华力为基础，超过了任何 接点的应用强度。生产中不会出现这种情况，因为范德华力是在很短 距离时才起作用。实际工程上，表面都且有粗糙性，阻止原子密切接 触。可是在一些局部，原子结合力也会起作用，这是很微小的。实际 上，从宏观来观察时，也包括范德华力在内。一般情况下，低表面能的材料在高表面能的材料上扩展，在这种 情况下，整个系统的表面自由能减小。一个系统两个元件表面自由能 相同时，就不发生扩展，或者说停止了扩展。电子装联常用的锡-铅系列焊料焊接铜和黄铜等金属

5、时，焊料在 金属表面产生润湿，作为焊料成分之一的锡金属就会向母材金属中扩 散，在界面上形成合金属，即金属间化合物，使两者结合在一起。在 结合处形成的合金层，因焊料成分、母材材质、加热温度及表面处理 等因素的不同会有变化。钎料的机理必须从以下几个方面来解释：1、扩散理论2、晶间渗透理论3、中间合金理论4、润湿合金理论5、机械啮合理论漫流：漫流也叫扩展或铺展，它是一种物理现象，服从一般的力学规律， 没有金属化学的变化。通常低表面能的材料在高表面能的材料上漫 流。正如前面所述，漫流过程就是整个系统的表面自由能减小的过程。 一个系统两个元件自由能相同时，不会产生漫流。在电子锡焊装联中， 我们所讨论的一

6、般都是液相体在固体表面上的漫流，漫流与液体的表 面能，固体的表面性质等有关。这是一种液体没固体表面的流动即流 体力学问题，同时也有毛细作用。漫流是浸润的先决条件。浸润(We tt ing):软钎焊的第一个条件，就是已熔化的焊料在要连接的固体金属的 表面上充分漫流以后，使之熔合一体，这样的过程叫作“浸润”(或 润湿)。 粗看起来，金属表面是很光滑的。但是，若用显微镜放大 看，就能看到无数凹凸不平，晶粒界面和划痕等，熔化的焊料没着这 种凹凸与伤痕，就产生毛细作用，引起漫流浸润。产生浸润的条件为了使已熔焊料浸润固体金属表面，必须具备一定的条件。条件 之一就是焊料与固体金属面必须是“清洁”的，由于清净

7、，焊料与母 材的原子间距离就能够很小，能够相互吸引，也就是使之接近到原子 间力能发生作用的程度。斥力大于引力，这个原子就会被推到远离这 个原子的位置，不可能产生浸润。当固体金属或熔化的金属表面附有 氧化物或污垢时，这些东西就会变成障碍，这样就不会产生润湿作用， 金属表面必须清洁，这是一个充分条件。表面张力:表面张力是液体表面分子的凝聚力，它使表面分子被吸向液体内 部，并呈收缩状（表面积最小的形状）。液体内部的每个分子都处在 其它分子的包围之中，被平均的引力所吸引，呈平衡状态。但是，液 体表面的分子则不然，其上面是一个异质层，该层的分子密度小，平 均承受垂直于液面、方向指向液体内部的引力。其结果

8、，出现了在液 体表面形成一层薄膜的现象，表面面积收缩到最小，呈球状。这是因 为体积相同、表面积最小的形状是球体。这种自行收缩的力是表面自 由能，这种现象叫做表面张力现象，这种能量叫做表面张力或表面能。 这个表面能是对焊料的润湿起重要作用的一个因素。毛细管现象：将熔化的清洁的焊料放在清洁的固体金属表面上时，焊料就会在 固体金属表面上扩散，直到把固体金属润湿。这种现象是这样产生的： 焊料借助于毛细管现象产生的毛细管力，沿着固体金属表面上微小的 凸凹面和结晶的间隙向四方扩散。液态金属不同于固体金属，其点阵排列不规则，以原子或分子的 形态做布朗运动。因此，处在这种状态下的金属具有粘性和流动性， 而没有

9、强度。在这种情况下，金属在熔点附近的体积变化为34%左 右。关于毛细现象，有多种图表进行解释，初中物理课本的水银和水 在细玻璃管壁的平衡形态，就是一个很好的解说。毛细原理是液态金 属和固体金属间润湿的基础，有一个著名的托马斯杨公式表示，大 致是液态金属原子之间的作用力，液态金属和固体金属原子之间的作 用力，液态金属原子和环境（空气、助焊剂等）原子作用力之间，三 者的合力与液体球面切线的夹角，指向液态金属扩展的方向，则具有 润湿的倾向，夹角越大，则润湿能力越强。具体可查阅相关资料。扩散（Diff usion）:前面对软钎焊中的重要条件浸润问题作了叙述，与这种浸润 现象同时产生的，还有焊料对固体金

10、属的扩散现象。由于这种扩散， 在固体金属和焊料的边界层，往往形成金属化合物层（合金层）。通常，由于金属原子在晶格点阵中呈热振动状态，所以在温度升 高时，它会从一个晶格点阵自由地移动到其它晶格点阵，这人现象称 为扩散现象。此时的移动速度和扩散量取决于温度和时间。例如，把 金放在清洁的铅面上，在常温加压状态下放几天，就会结合成一体， 这类的结合也是依靠扩散而形成的。一般的晶内扩散，扩散的金属原子即使很少，也会成为固溶体而 进入基体金属中。不能形成固溶体时，可认为只扩散到晶界处。因在 常温加工时，靠近晶界处晶格紊乱，从而极易扩散。固体之间的扩散，一般可认为是在相邻的晶格点阵上交换位置的 扩散。除此之

11、外，也可用复杂的空穴学说来解释。当把固体金属投入 到熔化金属中搅拌混合时，有时可形成两个液相。一般说来，固体金 属和熔化金属之间就要产生扩散。下面，就介绍这些金属间发生的扩 散。扩散的分类:扩散的程度因焊料的成分和母材金属的种类及不同的加热温度 而异，它可分成从简单扩散到复杂扩散几类。大体上说，扩散可分为两类，即自扩散Gelf-diffusion)和异 种原子间的扩散化学扩散(Chemical diffusion)。所谓自扩散，是指同种金属原子间的原子移动；而化学扩散是指异种原子间的扩 散。如从扩散的现象上看，扩散可分为三类：晶内扩散(Bulk diffusion)、晶界扩散(Grain-bo

12、undary diffusion)和表面扩散 (Surface diffusion)。通过扩散而形成的中间层，会使结合部分的物理特性和化学特性 发生变化，尤其是机械特性和耐腐蚀性等变化更大。因此，有必要对 结合金属同焊料成分的组合进行充分的研究。1、表面扩散：结晶组织与空间交界处的原子，总是易于在结晶表面流动。可认 为这与金属表面正引力作用有关。因此，熔化焊料的原子沿着被焊金 属结晶表面的扩散叫做表面扩散。表面扩散可以看成是金属晶粒形核 长大时发生的一种表面现象，也可以认为是金属原子沿着结晶表面移 动的现象，是宏观上晶核长大的主要动力。当气态金属原子在固体表 面上凝结时，撞到固体表面上的原子就

13、会沿着表面自由扩散，最后附 着在结晶晶格的稳定位置上。这种情况下的原子移动，也称为表面扩 散。一般认为，这时的扩散活动能量是比较小的。如前如述：表面扩 散也分为自扩散和化学扩散两种。用锡-铅系列焊料焊接铁、铜、银、镍等金属时，锡在其表面有 选择地扩散，由于铅使表面张力下降，还会促进扩散。这种扩散也属 表面扩散。2、晶界扩散：这是熔化的焊料原子向固体金属的晶界扩散，液态金属原子由于 具有较高的动能，沿着固体金属内部的晶粒边界，快速向纵深扩展。 与异种金属原子间晶内扩散相比，晶界扩散是比较容易发生的。另外， 在温度比较低的情况下，同后面说到的体扩散相比，晶界扩散容易产 生，而且其扩散速度也比较快。

14、般来说，晶界扩散的活化能量可比体扩散的活化能量小，但是，在高温情况下，活化能量的作用不占主导地位， 所以晶界扩散和体扩散都能够很容易地产生。然而低温情况下的扩 散，活化能量的大小成为主要因素，这时晶界扩散非常显著，而体扩 散减少，所以看起来只有晶界扩散产生。用锡-铅焊料焊铜时，锡在铜中既有晶界扩散，又有体扩散。另 外，越是晶界多的金属，即金属的晶粒越小，越易于结合，机械强度 也就越高。 由于晶界原子排列紊乱，又有空穴（空穴移动），所以 极易熔解熔化的金属，特别是经过机械加工的金属更易结合。然而经 过退火的金属，由于出现了再结晶、孪晶，晶粒长大，所以很难扩散。 经退火处理的不锈钢难以焊接就是这个

15、道理。为了易于焊接越见，加 工后的母材的晶粒越小越好。3、体扩散（晶内扩散）熔化焊料扩散到晶粒中去的过程叫做体扩散或晶内扩散。流焊发展阶段以及控制特点回流焊技术在电子制造领域并不陌生，我们电脑内使用的各种板 卡上的元件都是通过这种工艺焊接到线路板上的，这种设备的内部有 一个加热电路，将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好元 件的线路板，让元件两侧的焊料融化后与主板粘结。这种工艺的优势 是温度易于控制，焊接过程中还能避免氧化，制造成本也更容易控制。 由于电子产品PCB板不断小型化的需要，出现了片状元件，传统的焊 接方法已不能适应需要。首先在混合集成电路板组装中采用了回流焊 工艺，组装焊接的

16、元件多数为片状电容、片状电感，贴装型晶体管及 二极管等。随着SMT整个技术发展日趋完善，多种贴片元件（SMC） 和贴装器件（SMD）的出现，作为贴装技术一部分的回流焊工艺技术及 设备也得到相应的发展，其应用日趋广泛，几乎在所有电子产品领域 都已得到应用，而回流焊技术，围绕着设备的改进也经历以下发展阶 段以及控制方法：:热板传导回流焊这类回流焊炉依靠传送带或推板下的热源加热，通过热传导的方 式加热基板上的元件，用于采用陶瓷（Al203）基板厚膜电路的单面组装，陶瓷基板上只有贴放在传送带上才能得到足够的热量，其结构 简单，价格便宜。我国的一些厚膜电路厂在80年代初曾引进过此类 设备。:红外线辐射回

17、流焊：此类回流焊炉也多为传送带式，但传送带仅起支托、传送基 板的作用，其加热方式主要依红外线热源以辐射方式加热，炉膛内的 温度比前一种方式均匀，网孔较大，适于对双面组装的基板进行回流 焊接加热。这类回流焊炉可以说是回流焊炉的基本型。在我国使用的 很多，价格也比较便宜。:红外加热风（Hot air ）回流焊：这类回流焊炉是在IR炉的基础上加上热风使炉内温度更均 匀，单纯使用红外辐射加热时，人们发现在同样的加热环境内，不同 材料及颜色吸收热量是不同的，即（1）式中Q值是不同的，因而引 起的温升AT也不同，例如IC等SMD的封装是黑色的酚醛或环氧， 而引线是白色的金属，单纯加热时，引线的温度低于其黑

18、色的SMD本 体。加上热风后可使温度更均匀，而克服吸热差异及阴影不良情况， IR + Hot air的回流焊炉在国际上曾使用得很普遍。:充氮(N2)回流焊:随着组装密度的提高，精细间距(Fine pit ch)组装技术的 出现，产生了充氮回流焊工艺和设备，改善了回流焊的质量和成品率， 已成为回流焊的发展方向。氮气回流焊有以下优点 :(1) 防止减少氧化(2) 提高焊接润湿力，加快润湿速度(3) 减少锡球的产生，避免桥接，得到较好的焊接质量 得到列好的焊接质量特别重要的是，可以使用更低活性助焊剂的锡 膏，同时也能提高焊点的性能，减少基材的变色，但是它的缺点是成 本明显的增加，这个增加的成本随氮气

19、的用量而增加，当你需要炉内 达到1000ppm含氧量与50ppm含氧量，对氮气的需求是有天壤之别的。 现在的锡膏制造厂商都在致力于开发在较高含氧量的气氛中就能进 行良好的焊接的免洗焊膏，这样就可以减少氮气的消耗。 对于 中回流焊中引入氮气，必须进行成本收益分析，它的收益包括产品的 良率，品质的改善，返工或维修费的降低等等，完整无误的分析往往 会揭示氮气引入并没有增加最终成本，相反，我们却能从中收益。 在目前所使用的大多数炉子都是强制热风循环型的，在这种炉子中控 制氮气的消耗不是容易的事。有几种方法来减少氮气的消耗量，减少 炉子进出口的开口面积，很重要的一点就是要用隔板，卷帘或类似的 装置来阻挡

20、没有用到的那部分进出口的空间，另外一种方式是利用热 的氮气层比空气轻且不易混合的原理，在设计炉的时候就使得加热腔 比进出口都高，这样加热腔内形成自然氮气层，减少了氮气的补偿量 并维护在要求的纯度上。:双面回流焊双面PCB已经相当普及，并在逐渐变得复那时起来，它得以 如此普及，主要原因是它给设计者提供了极为良好的弹性空间，从而 设计出更为小巧，紧凑的低成本的产品。到今天为止，双面板一般都 有通过回流焊接上面（元件面），然后通过波峰焊来焊接下面（引脚 面）。目前的一个趋势倾向于双面回流焊，但是这个工艺制程仍存在 一些问题。大板的底部元件可能会在第二次回流焊过程中掉落，或者 底部焊接点的部分熔融而造

21、成焊点的可靠性问题。 已经发现有 几种方法来实现双面回流焊：一种是用胶来粘住第一面元件，那当它 被翻过来第二次进入回流焊时元件就会固定在位置上而不会掉落，这 个方法很常用，但是需要额外的设备和操作步骤，也就增加了成本。 第二种是应用不同熔点的焊锡合金，在做第一面是用较高熔点的合金 而在做第二面时用低熔点的合金，这种方法的问题是低熔点合金选择 可能受到最终产品的工作温度的限制，而高熔点的合金则势必要提高 回流焊的温度，那就可能会对元件与PCB本身造成损伤。对于大多数 元件，熔接点熔锡表面张力足够抓住底部元件话形成高可靠性的焊 点，元件重量与引脚面积之比是用来衡量是否能进行这种成功焊接一 个标准，

22、通常在设计时会使用30g/in2这个标准，第三种是在炉子低 部吹冷风的方法，这样可以维持PCB底部焊点温度在第二次回流焊中 低于熔点。但是潜在的问题是由于上下面温差的产生，造成内应力产 生，需要用有效的手段和过程来消除应力，提高可靠性。 以上 这些制程问题都不是很简单的。但是它们正在被成功解决之中。勿容 置疑，在未来的几年，双面板会断续在数量上和复杂性性上有很大发 展。:通孔回流焊通孔回流焊有时也称作分类元件回流焊，正在逐渐兴起。它 可以去除波峰焊环节，而成为PCB混装技术中的一个工艺环节。一个 最大的好处就是可以在发挥表面贴装制造工艺的优点的同时使用通 孔插件来得到较好的机械联接强度。对于较

23、大尺寸的PCB板的平整度 不能够使所有表面贴装元器件的引脚都能和焊盘接触，同时，就算引 脚和焊盘都能接触上，它所提供的机械强度也往往是不够大的，很容 易在产品的使用中脱开而成为故障点。 尽管通孔回流焊可发取 得偿还好处，但是在实际应用中仍有几个缺点，锡膏量大，这样会增 加因助焊剂的挥了冷却而产生对机器污染的程度，需要一个有效的助 焊剂残留清除装置。另外一点是许多连接器并 没有设计成可以承受 回流焊的温度，早期基于直接红外加热的炉子已不能适用，这种炉子 缺少有效的热传递效率来处理一般表面贴装元件与具有复杂几何外 观的通孔连接器同在一块PCB上的能力。只有大容量的具有高的热传 递的强制对流炉子，才

24、有可能实现通孔回流，并且也得到实践证明， 剩下的问题就是如何保证通孔中的锡膏与元件脚有一个适当的回流 焊温度曲线。随着工艺与元件的改进，通孔回流焊也会越来越多被应 用。 影响回流焊工艺的因素很多，也很复杂，需要工艺人员在 生产中不断研究探讨，将从多个方面来进行探讨。回流焊无铅焊接的特点一、技术的现无铅焊接状无铅焊料合金成分的标准化目前还没有明确的规定。IPC等大 多数商业协会的意见：铅含量0.1-0.2WT%（倾向0.1%, 并且不含任何其它有毒元素的合金称为无铅焊料合金。1、 无铅焊料合金 无铅化的核心和首要任务是无铅焊料。据统计全球范围内共研制 出焊膏、焊丝、波峰焊棒材100多种无铅焊料,

25、但真正公认能 用的只有几种。1）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S n基合金。以Sn 为主，添加Ag、Cu、Zn、Bi、In、Sb等金属元素，构成 二元、三元或多元合金,通过添加金属元素来改善合金性能, 提高可焊性、可靠性。主要有：Sn-Bi系焊料合金，Sn-Ag共晶合金，Sn-Ag-Cu三元合金，Sn-Cu系焊料合 金，Sn-Z n系焊料合金（仅日本开发应用），Sn-Bi系焊 料合金，Sn-In和Sn-Pb系合金。2）目前应用最多的无铅焊料合金三元共晶形式的Sn95.8 Ag 3 . 5Cu0.7 （美国）和三元近共晶形式的Sn9 6.5Ag3.

26、0Cu 0.5（日本）是目前应用最多的用于再流焊的无铅焊料。其熔点 为2 1 6 - 2 2 0 U左右。由于Sn9 5.8Ag3.5Cu0.7无铅焊料美国已经有了专利权，另 外由于Ag含量为3.0WT%的焊料没有专利权，价格较便宜，焊点 质量较好，因此IPC推荐采用Ag含量为3.0WT% （重量百分比） 的Sn-Ag-Cu焊料。Sn-0.7Cu-Ni焊料合金用于波峰焊。其熔点为2 2 7 S 虽然Sn基无铅合金已经被较广泛应用，与Sn63Pb37共晶焊料 相比无铅合金焊料较仍然有以下问题：（A）熔点高3 4U左右。（B）表面张力大、润湿性差。（C）价格高2.PCB焊盘表面镀层材料无铅焊接要求

27、PCB焊盘表面镀层材料也要无铅化，PCB焊盘表面 镀层的无铅化相对于元器件焊端表面的无铅化容易一些。目前主要有 用非铅金属或无铅焊料合金取代Pb-S n热风整平（HASL）、化 学镀Ni和浸镀金（ENIC）、Cu表面涂覆OSP、浸银（I-A g）和浸锡（I Sn）。目前无铅标准还没有完善，因此无铅元器件焊端表面镀层的种类 很多。美国和台湾省镀纯Sn和Sn/Ag/Cu的比较多，而日本的元 件焊端镀层种类比较多，各家公司有所不同，除了镀纯Sn和/Sn/ Ag/Cu外，还有镀Sn/Cu、Sn/B i等合金层的。由于镀Sn的成 本比较低，因此采用镀Sn工艺比较多，但由于Sn表面容易氧化形 成很薄的氧化

28、层、加电后产生压力、有不均匀处会把Sn推出来，形 成Sn须。Sn须在窄间距的QFP等元件处容易造成短路，影响可 靠性。对于低端产品以及寿命要求小于5年的元器件可以镀纯S n, 对于高可靠产品以及寿命要求大于5年的元器件采用先镀一层厚度 约为lm以上的Ni,然后再镀2-3m厚的Sno3、目前无铅焊接工艺技术处于过渡和起步阶段虽然国际国内都在不同程度的应用无铅技术,但目前还处于过渡和起 步阶段，从理论到应用都还不成熟。没有统一的标准，对无铅焊接的 焊点可靠性还没有统一的认识,因此无论国际国内无铅应用技术非常 混乱，大多企业虽然焊接材料无铅化了，但元器件焊端仍然有铅。究 竟哪一种无铅焊料更好？哪一种

29、PCB焊盘镀层对无铅焊更有利？ 哪一种元器件焊端材料对无铅焊接焊点可靠性更有利？什么样的温 度曲线最合理？无铅焊对印刷、焊接、检测等设备究竟有什么要 求oooo都没有明确的说法。总之，对无铅焊接技术众说纷纭，各有 一套说法、各有一套做法。这种状态对无铅焊接产品的可靠性非常不 利。因此目前迫切需要加快对无铅焊接技术从理论到应用的研究。二、无铅焊接的特点和对策l、 无铅焊接和焊点的主要特点1) 无铅焊接的主要特点：(A) 高温、 熔点比传统有铅共晶焊料高3 4U左右。(B) 表面张力大、润湿性差。(C) 工艺窗小，质量控制难度大。2) 无铅焊点的特点(A) 浸润性差，扩展性差。(B) 无铅焊点外观

30、粗糙。传统的检验标准与AOI需要升级。(C) 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。(D) 缺陷多-由于浸润性差，使自定位效应减弱。 无铅焊点外观粗糙、气孔多、润湿角大、没有半月形，由于无铅焊点 外观与有铅焊点有较明显的不同，如果有原来有铅的检验标准衡量， 甚至可以认为是不合格的，但对于一般要求的民用电子产品这些不影 响使用质量。因此要说服客户理解，这是因为无铅焊接润湿性差造成 的。随着无铅技术的深入和发展，由于助焊剂的改进以及工艺的进步， 无铅焊点的粗糙外观已经有了一些改观，相信以后会有更好

31、的进步。2、从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点与对策，通过对有铅和无铅温度曲线1)在升温区，有铅焊接从25C升到100Csec只需要60-90sec;而 无铅焊接从25U升到110C需要100-200 sec,其升温时间比有 铅要延长一倍，当多层板、大板以及有大热容量元器件的复杂印 制电路板时，为了使整个PCB温度均匀，减小PCB及大小元器件 的温差At,无铅焊接需要缓慢升温。由此可以看出无铅焊接要求焊接设备升温、预热区长度要加长。2）在快速升温区，（助焊剂浸润区），有铅焊接从150C升到183C, 升溫33U,可允许在30-60sec之间完成，其升溫速率为0.55-1C /sec;而无铅焊接

32、从150C升到217C，升溫67U，只允许在 50-70sec之间完成，其升溫速率为0.96-1.34C/sec,要求升溫速 率比有铅高30%左右,温度越高升温越困难，如果升温速率提不上 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 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。为了提高助焊剂浸润区的升温斜率，应增加 回流区的数目或提高加热功率。由于高温和浸润性差，要求提高 焊膏中助焊剂的活动化温度和活性。3）再看回流区，有铅的峰值溫度为210-230,无铅的峰值溫度为 235-245U，由于FR-4基材PCB的极限溫度为240U，由此可以 看出

33、有铅焊接时,允许有30的波动范围,工艺窗口比较宽松； 而无铅焊接时,只允许有 5的波动范围,工艺窗口非常窄。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表面有溫度误差At5C,那么PCB某处已超过FR-4基材 PCB的极限溫度240U,会损坏PCB。这个例孖仅仅适合简单产品， 对于有大热容量的复杂产品。可能需要260C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,在同一块 PCB 上,由于不同位置铜的分布面积 不同，不同位置上元器件的大小、元器件密集程度不同，因此PCB表 面的温度是不均匀的。回流焊时如果最小峰值温度为235，最大峰 值温度

34、取决于板面的温差At,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At高达20-25U。为了减小 PCB表面的At,满足微小的无铅工艺窗。再流焊炉的热容量和横 向温差也是保证无铅焊接质量很重要的因素。一般要求再流焊炉横向 温差2，为了减小炉子横向温差At,除了采取更好的炉体保温措 施,还可采用对导轨加热的方法。因为导轨容易散热,一般在靠近导 轨处的温度箭微低一些。由于无铅比有铅的熔点高 34,因此要求 无铅焊接设备耐高温,抗腐蚀。对于大尺寸的 PCB 要求设备的导轨增 加中间支撑。4）在冷却区,由于回

35、流区的峰值温度高,为了防止由于焊点冷却凝 固时间长,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。3、无铅焊膏印刷和贴装工艺对策：1） 无铅焊膏和有铅焊膏在物理特性上的区别（A ）铅焊膏的浸润性和铺展性远远低于有铅焊膏,在焊盘上没 有印刷焊膏的地方,熔融的焊料是铺展不到那些地方的,那 么,焊后就会使没有被焊料覆盖的裸铜焊盘长期暴露在空气 中，在潮气、高温、腐蚀气体等恶劣环境下，造成焊点被腐 蚀而失效。影响产品的寿命和可靠性。(B)为了改善浸润性，无铅焊膏的助焊剂含量通常要高于有铅 焊膏；(C )由于缺少铅的润滑作用，

36、焊膏印刷时填充性和脱膜性较差。 2)无铅模板开口设计： 针对无铅焊膏的浸润性和铺展性差等特点，无铅模板开口设计应比有 铅大一些，使焊膏尽可以完全覆盖焊盘。具体可以采取以下措施。(A) 对于Pitch0.5mm的器件，一般采取1: 1.02-1:1.1的开 口。(B) 对于Pitch1.6无铅面积比：开面积(WxL) /孔壁面积2x(L+W)xT 0.71(F)无铅模板制造方法的选择对于一般密度的产品采用传统的激光、腐蚀等方法均可以。 对于 0201 等高密度的元器件应采用激光+电抛光、或电铸， 更有利于提高无铅焊膏填充和脱膜能力。3) 无铅对印刷精度和贴装精度的要求因为无铅浸润力小。回流时自校

37、正(Selfalign)作用比较小，因此，印刷精度和贴片精度比有铅时要求更高。三、从有铅向无铅焊接过渡的特殊阶段存在的问题4、无铅工艺对元器件的挑战1) 耐高温要考虑高温对元器件封装的影响。由于传统表面贴装元器件的封装材料只要能够耐2 4 0C高温就能满足有铅焊料的焊接温度 了，而无铅焊接时对于复杂的产品焊接温度高达2 6 0 C,因此元器 件封装能否耐高温是必须考虑的问题了。另外还要考虑高温对器件内部连接的影响IC的内部连接方法 有金丝球焊、超声压焊，还有倒装焊等方法，特别是BGA、CSP 和组合式复合元器件、模块等新型的元器件，它们的内部连接用的材 料也是与表面组装用的相同的焊料，也是用的

38、再流焊工艺。因此无铅 元器件的内连接材料也要符合无铅焊接的要求。2） 焊端无铅化有铅元器件的焊端绝大多数是Sn/Pb镀层，而无铅元器件 焊端表面镀层的种类很多。究竟哪一种镀层最好，目前还没有 结论，因此还有待无铅元器件标准的完善。5、无铅工艺对PCB的挑战无铅工艺要求PCB耐热性好，较高的玻璃化转变温度Tg,低热 膨胀系数，低成本。1）无铅工艺要求较高的玻璃化转变温度TgTg是聚合物特有的性能，是决定材料性能的临界温度。在S MT焊接过程中，焊接温度远远高于PCB基板的Tg,无铅 焊接温度比有铅高3 4C,更容易PCB的热变形，冷却时损 坏元器件。应适当选择Tg较高的基PCB材料。2）要求低热

39、膨胀系数（CTE）当焊接温度增加时，多层结构PCB的Z轴与XY方向的层压 材料、玻璃纤维、以及Cu之间的CTE不匹配，将在Cu 上 产生很大的应力，严重时会造成金属化孔镀层断裂而失效。这是一个相当复杂的问题，因为它取决于很多变量，如PCB层 数、厚度、层压材料、焊接曲线、以及Cu的分布、过孔的几 何形状（如纵横比）等。克服多层板金属化孔断裂的措施： 凹蚀工艺一-电镀前在孔内侧除掉树脂玻璃纤维。 以强金属化孔壁与多层板的结合力。凹蚀深度为13 20m。3） 高耐热性FR- 4基材PCB的极限温度为2 4 0 U，对于简单产品， 峰值温度2 3 5 - 2 4 0C可以满足要求，但是对于复杂产 品

40、，可能需要2 6 0 C才能焊好。因此厚板和复杂产品需要采 用耐高温的FR-5。4） 低成本由于FR5的成本比较高，对于一般消费类产品可以采用复 合基CEM n来替代FR 4基材，CEM n是表面和芯部由 不同材料构成的刚性复合基覆铜箔层压板，简称CEMn代表 不同型号。（2）锡须问题SN在压缩状态会生长晶须（WHISKER）,严重时会造成短 路，要特别关注窄间距QFP封装元件。晶须是直径为1- 10 m, 长度为数m-数+m的针状形单晶体，易发生在Sn、Zn、Cd、Q g 等低熔点金属表面。S n须增长的根本原因是在S n镀层上产生应力，室温下1. 5个月晶 须长度达1.5m。在Sn中加一些

41、杂质可避免生长Sn须。（3）分层LIFT-OFFC剥离、裂纹）现象 无铅和有铅混用时，如果焊接中混入的铅超过标准 5时，焊接后 在焊占与焊端交界处会加剧公层LIFT-OFF（剥离、裂纹）现 象o LIFT-OFF现象在有铅元件采用无铅波峰焊的工艺中比较 多，严重时甚至会把PCB焊盘一起剥离开。因此过渡阶段波峰焊的 焊盘设计可采用SMD（阻焊定义焊盘）方式，用阻焊膜压住焊盘四 周，这样可以减轻或避免PCB焊盘剥离现象。关于分层LIFT-OFF（剥离、裂纹）现象的机理还要继续 研究。当焊料、元件、PCB全部无铅化后是否不会产生LIFTOFF 会现象了，也要继续研究。元件的Sn-Pb镀层发生的LIF

42、T-OFF（4）铅和有铅混用时可靠性讨论 无铅焊料中的铅对长期可靠性的影响是一个课题，需要更进 一步研究。初步的研究显示；焊点中铅含量的不同对可靠性 的影响是不同的，当含量在某一个中间范围时，影响最大， 这是因为在最后凝固形成结晶时，在Sn权界面处，有偏析金 相形成，这些偏析金相在循环负载下开始形成裂纹并不断扩 大。例如：2%-5%的铅可以决定无铅焊料的疲劳寿命， 但与Sn-Pb焊料相比，可靠性相差不大。无铅焊料与有铅 焊端混有时要控制焊点中铅含量0.05%。目前正处在无铅和有铅焊接的过度转变时期，大部分无铅工 艺是无铅焊料与有铅引脚的元件混用。在“无铅”焊点中， 铅的含量可能来源于元件的焊端

43、、引脚或BGA的焊球。无铅焊料与有铅焊端混用时气孔多，这是因为有铅焊端与无 铅焊料混用时，焊端（球）上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘，当无铅焊料合金熔化时，焊膏中的助焊剂排不出去造成气孔。 对于波峰焊，由于元件引脚脖子Sn-Pb电镀层不断融解， 焊点中铅的含量需要进行监测。 有铅焊接与无铅焊端混用的质量最差 有铅焊料与无铅焊端混用时如果采用有铅焊料的温度曲线， 有铅焊料先熔，而无铅焊端（球）不能完全熔化，使元件一 侧的界面不能生成金属间合金层，BGA、CSP-侧原来 的结构被破坏而造成失效，因此有铅焊料与无铅焊端混用时 质量最差BGA、CSP无铅焊球是不能用到有铅工艺中 的。5） 高温对元件的不利影

44、响陶瓷电阻和特殊的电容对温度曲线的斜率 （温度的变化速率） 非常敏感，由于陶瓷体与PCB的热膨胀系数CTE相差大（陶瓷：3-5,PCB:17左右），在焊点冷却时容易造 成元件体和焊点裂纹，元件开裂现象与CTE的差异、温度、 元件的尺寸大小成正比。0201、0402、060 3小元 件一般很少开裂，而以上的大元件发生开裂失效的机会较多。 铝电解电容对清晰度极其敏感。连接器和其他塑料封装元件（如QFP、PBGA）在高温时失 效明显增加。主要是分层、爆米花、变形等、粗略统计，温度 每提高10C,潮湿敏感元件（MSL）的可靠性降1级。解 决措施是尽量降低峰值温度；对潮湿敏感元件进行去潮烘烤处 理。（6

45、）高温对PCB的不利影响高温对PCB的不利影响在第三节中已经做了分析，高温容易PCB的热变形、因树脂老化变质而降低强度和绝缘电阻值， 由于PCB的Z轴与XY方向的CTE不匹配造成金属化孔 镀层断裂而失效等可靠性问题。解决措施是尽量降低峰值温度，一般简单的消费类产品可以采用FR- 4基材，厚板和复杂产品需要采用耐高温的FR-5 或CEMn来替代FR- 4基材。（7）电气可靠性回流焊、波峰焊、返修形成的助焊剂残留物，在潮湿环境和一 定电压下，导电体之间可能会发生电化学反应，导致表面绝缘 电阻(SIR)的下降。如果有电迁移和枝状结晶(锡须)生 长的出现，将发生导线间的短路，造成电迁移(俗称“漏电”)

46、 的风险。为了保证电气可靠性，需要对不同免清洗助焊剂的性 能进行评估。(8) 关于无铅返修 无铅焊料的返修相当困难，主要原因：(A) 无铅焊料合金润湿性差。(B) 温度高(简单PCB 2 3 5 C,复杂PCB2 6C)。(C) 工艺窗小。 无铅返修注意事项：(A) 选择适当的返修设备和工具。(B) 正确作用返修设备和工具。(C) 正确选择焊膏、焊剂、焊锡丝等材料。(D) 正确设置焊接参数。除了要适应无铅焊料的高熔点和低润湿性。同时返修过程 中一定要小心，将任何潜在的对元件和PCB的可靠性产 生不利影响的因素降至最低。(9) 关于过度时期无铅和有铅混用情况总结。(A) 无铅焊料和无铅焊端-效果

47、最好。(B) 无铅焊料和有铅焊端-目前普通使用，可以应用，但 必须控制Pb, Cu等的含量，要配制相应的助焊剂，还要严格 控制温度曲线等工艺参数，否则会造成可靠性问题。(C) 有铅焊料和无铅焊端-效果最差，BGA、CSP无 铅焊球是不能用到有铅工艺中的,不建议采用。四 有铅、无铅混用应注意的问题6、问题举例1) 有铅工艺也遇到了无铅元器件有的SMT加工厂，虽然还没有启 动无铅工艺，但是也遇到了无铅元器件，特别是BGA/CSP 和LLP。有的元件厂已经不生产有铅的器件了，因此采购不到 有铅器件了,这种知道采购的器件是无铅的情况还不可怕,因为 可以通过提高焊接温度，一般提高到2 3 0 - 2 3

48、 5 C就可以。 还有一种措施可以采用无铅焊料和无铅工艺,因为目前过度阶段 普遍情况是无铅焊料和有铅焊端混用,其可靠性还是可以被接受 的。但是最糟糕的是无意中遇到了无铅元器件,生产前没有发现, 生产中还是采用有铅焊料和有铅工艺,结果非常糟糕,因为有铅 焊料和无铅焊端混用效果最差。2) 有铅工艺也遇到纯S n热风整平的PCB。这种情况也是在无意中发生过,结果由于焊接温度不够造成质量 问题。3) 波峰焊问题波峰焊问题比较多，例如目前有铅工艺遇到无铅元器件；无铅工艺的插装孔，导通孔不上锡;分层LIFT-OFF现象较严重; 桥接、漏焊等缺陷多；锡锅表面氧化物多。7、解决措施1) 备料 备料要注意元器件

49、的焊端材料是否无铅，如果是无铅元器 件，一定要弄清楚是什么镀层材料，特别是BGA/CSP和新型封 装的器件，例如LLP等(有铅工艺也要注意)。目前无铅标准还没有完善，因此无铅无器件焊端表面镀层的种类很多，例如日本的元件焊端镀Sn/Bi层，如果焊料中含有铅，当铅 含量4WT%, Bi会与Pb形成9 3U的低熔点，影响产品可靠性, 因此镀Sn/B i的元件只能在无铅焊料中使用。2) 物料管理对于有铅、无铅两种工艺并存的企业，务必注意制造严格的物 料管理制度，千万不能把有铅、无铅的焊膏和元器件混淆。3) 无铅印刷要提高印刷精度加大模板开尺寸：宽厚比1. 6,面积比0. 7 14) 提高贴片精度5)

50、严格控制温度曲线,尽量降低峰值温度; 对潮湿敏感元件进行去潮烘烤。6) 复杂和高可靠产品采用耐高温的PCB材料(FR5或其它)7) 在N2中焊接比在空气中焊接的质量好，尤其波峰焊采用N2可以减少高温焊料氧化，减少残渣，节省焊料。或者加入 无铅锡渣还原粉，将产生大量的残渣还原后重复利用，但一 定要比有铅焊接更注意每天的清理和日常维护。无铅合金与锡铅合金性能的差异及特点2. 1. 1 熔点锡铅合金(Sn - 37Pb)熔点是183无铅焊料Sn-3. 5Ag-0. 9Cu熔点为217. 2两种材料熔点相差近30焊接材料熔点的升高 ,导致对元器件、印制板、加工设备中其他材料 的耐温等级相应提高,而某些

51、材料随温度升高后其机械性能会急剧下 降。2. 1. 2 电阻率与导热率锡铅合金(Sn - 37Pb)的热导率高于无铅焊料合金，合金材料的热导 率和电导率密切相关 ,热导率低的合金对热的传播不利 ,因此通常 希望焊料合金具有较高的导热率 ,以满足焊接加热时或电子产品应用中的传热或散热要求。而且热导率一般会随温度的升高而下降 , 因此锡铅合金更适于较高温度下工作。2. 1. 3 热膨胀系数合金的晶体结构和熔点是决定热膨胀系数(CTE)的主要因素，锡铅合 金(Sn - 37Pb)和无铅焊料Sn - 3. 5Ag的热膨胀系数(CTE)分别 为25和30,而Cu的热膨胀系数(CTE)为17,因此，无铅焊

52、料Sn - 3. 5Ag与Cu的热膨胀系数的差要比锡铅合金(Sn - 37Pb)与Cu之 间的大 ,而电子装联工艺中焊料合金应与被焊基材、镀层、元器件等 整个被焊组件各部分的热膨胀系数应尽量匹配，如果CTE相差太大, 就有可能在焊接过程或产品服役的过程中 ,在焊接界面产生较大的 热应力 ,从而降低焊点的可靠性和服役寿命。2. 1. 4 表面张力 液态合金的表面张力是一项重要的焊接指标,在焊接过程中通常希望 液态焊料合金具有较低的表面张力 ,以使液态焊料具有比被焊金属 表面更低的能量 ,促使焊料在被焊金属表面上的润湿、铺展以形成饱 满的焊点。如果焊料不能润湿被焊金属 ,焊料就无法填充焊缝 ,并且

53、 常导致“虚焊”等焊接缺陷。在空气中250 时锡铅合金(Sn - 37Pb)的表面张力为417 mN /m, 无铅焊料Sn - 3. 5Ag的表面张力为431mN/m, Sn - 0. 7Cu的表面 张力为 491mN/m。可以看出 ,无铅合金的润湿性都不如锡铅合金 ,其可焊性还有待提2. 2 焊料合金机械性能分析 焊料合金的机械性能对保证焊点的使用寿命和可靠性具有重要意义 , 军用电子产品在使用过程中可能会发生各种形式的失效 ,其中许多 都与焊点有关 ,焊点合金因热疲劳易产生破坏 ,军用或便携式产品 中的焊点因机械振动也容易产生机械疲劳或冲击破坏 ,另外潮湿污 染环境中的焊点因电化学反应(如

54、迁移和腐蚀 )也同样容易引起失 效。这其中许多的失效都与焊点合金的机械性能有关。锡铅和无铅焊 料基本性能 (室温环境 )如下。锡铅合金 (Sn - 37Pb):拉伸强度：50MPa;剪切强度：35 MPa;延伸率：50%;杨氏模量：39 GPa;硬度: 17 HB; 0. 2%屈服强度: 27. 2MPa。无铅焊料 (Sn - 3. 5Ag)：拉伸强度：60MPa;剪切强度：30 MPa;延伸率：70%;杨氏模量：50 GPa; 硬度： 40 HB; 0. 2%屈服强度： 22. 5MPa。由以上数据看出：由以上无铅焊点的硬度比Sn/Pb高，无铅焊点的拉 伸强度也比Sn/Pb高，无铅焊点的变形

55、比Sn/Pb焊点小，但是这些 并不等于无铅的可靠性好。由于无铅焊料的润湿性差 ，因此空洞、移 位、立碑等焊接缺陷比较多 ，另外由于熔点高 ，如果助焊剂的活化温 度不能配合高熔点 ，由于助焊剂浸润区的温度高、时间长 ，会使焊接 面在高温下重新氧化而不能发生浸润和扩散 ，不能形成良好的界面合金层 ,其结果导致焊点界面结合强度 （抗拉强度 ）差而降低可靠 性。回流曲线24022020013016014012D100ao60402003060SOReflowSoakCoolingPreheatStandard Solder Paste Reflow Profile Alloys: Sn63Pb37 o

56、r Sn62Pb36AgO227Ca0012015160Time (sec.)30602100 -024027030090120150180ReflowSoakCoolingPreheatmp 6I I 4 I M ! I IStandard Solder Paste Reflow Profile Alloys: Sn63Pb37 or Sn62Pb36AgO26 41 1Temp 7 Temp 8Time (sec.)标准的RSS回流焊接曲线合金63/37soTemperature (” C)24022020018016014.0Reflow Zone12010060dOPre-heating Zone2.0 - d.,0 min. max.彳 2.0 min. max. 60 90 sec. typical(30 90 sec. m3x.|i 30 - 60 sec. typicalPeak Temp.210 -225 C03060120150180210240270300Time (Seconds)