無鉛電子焊接技術介紹顧靄云2006年12月“無鉛焊接技術”從有鉛產品轉到無鉛產品是個復雜的過程，涉及到：焊接材料（無鉛合金、助焊劑）電子元器件印制板（材料、鍍層）無鉛制程可靠性成本等方面的挑戰內容

一．無鉛焊料合金、PCB焊盤及元件焊端表面鍍層二．無鉛焊接的特點三．無鉛焊接帶來的問題四．關于過度時期無鉛和有鉛混用時可靠性討論五．無鉛焊接必須考慮相容性(材料、工藝、設計)一．無鉛焊料合金、PCB焊盤及元件焊端表面鍍層1.目前應用最多的無鉛焊料合金目前應用最多的用于再流焊的無鉛焊料是三元共晶或近共晶形式的Sn-Ag-Cu焊料。Sn(3~4)wt%Ag(0.5~0.7)wt%Cu是可接受的范圍，其熔點為217℃左右。美國采用Sn3.9Agwt%0.6wt%Cu無鉛合金歐洲采用Sn3.8Agwt%0.7wt%Cu無鉛合金日本采用Sn3.0Agwt%0.5wt%Cu無鉛合金Sn-0.7Cu-Ni焊料合金用于波峰焊。其熔點為227℃。手工電烙鐵焊大多采用Sn-Cu、Sn-Ag或Sn-Ag-Cu焊料。2.PCB焊盤表面材料有鉛無鉛Sn/Pb熱風整平（HASL）無鉛HASLNi/Au（化學鍍Ni和浸鍍金ENIG，俗稱水金板）Ni/AuCu表面涂覆OSPCu表面涂覆OSP浸銀（I－Ag）浸銀（I－Ag）浸錫（I－Sn）3.元器件焊端表面鍍層材料有引線元件引線材料有引線元器件焊端表面鍍層材料無引線元器件焊端表面鍍層材料有鉛無鉛有鉛無鉛CuSn/PbSnSn/PbSnNiNi/AuNi42號合金鋼Ni/Pd/AuNi/Pd/AuSn/AgSn/AgSn/Ag/CuSn/Ag/CuSn/Ag/BiSn/Ag/Bi二．無鉛焊接的特點高溫工藝窗口小潤濕性差Sn63\Pb37與Sn\Ag3.8\Cu0.7性能比較合金成分密度g/mm2熔點℃膨脹系數×10-6熱傳導率Wm-1K-1電導率%IACS電阻系數MΩ-cm表面張力260℃mNm-1Sn63\Pb378.518323.95011.515481Sn\Ag3.8\Cu0.77.521723.573.215.611548浸潤性差

應對措施：改良助焊劑活性修改模板開口設計提高印刷、貼裝精度無鉛焊點的特特點①浸潤性差，擴擴展性差。②無鉛焊點點外觀粗糙。。傳統的檢驗驗標準與AOI需要升級級。③無鉛焊點點中氣孔較多多，尤其有鉛鉛焊端與無鉛鉛焊料混用時時，焊端（球球）上的有鉛鉛焊料先熔，，覆蓋焊盤，，助焊劑排不不出去，造成成氣孔。但氣氣孔不影響機機械強度。④缺陷多———由于浸潤潤性差，使自自定位效應減減弱。浸潤性差，要要求助焊劑活活性高。LeadFreeInspectionLeadFreeSolderPasteGrainySurface表面粗糙LeadedSolderPasteSmooth&ShinySurface表面光滑、光光亮WettingisReducedwithLeadFreeStandardEutecticSolderJointLeadFreeSolderJointTypicalGoodWettingVisibleFillet潤濕好ReducedWettingNoVisibleFillet潤濕減少無鉛再流焊焊點無鉛波峰焊焊點插裝孔中焊料料填充不充分分無鉛焊接常見見缺陷三．無鉛焊接接帶來的問題題元件：要求元元件耐高溫，，焊端無鉛化化。PCB：PCB基材耐更更高溫度，不不變形，表面面鍍覆無鉛化化助焊劑：更好好的潤濕性，，要與預熱溫溫度和焊接溫溫度相匹配，，并滿足環保保要求。焊接設備：要要適應新的焊焊接溫度要求求，抑制焊料料高溫氧化工藝:印刷、、貼片、焊接接、清洗、檢檢測都要適應應無鉛要求可靠性問題：：機械強度、錫錫須、分層Lift-off廢料回收和再再利用：從含含Ag的Sn基無鉛焊料料中回收Bi和Cu是十十分困難的，，回收Sn-Ag系合金金是一個新課課題。無鉛焊接帶來來的問題高溫損壞元件件PCB龜裂裂、氣泡、分分層焊點機械強度度無鉛焊料硬度度比有鉛硬，，因此強度高高。但不等于于高可靠。在應力低的地地方，大多數數民用、通信信等領域，無無鉛焊點的機機械強度比有有鉛的可靠性性好；在應力高的地地方，例如軍軍事、高低溫溫、低氣壓等等惡劣環境下下，由于無鉛鉛蠕變大，因因此無鉛比有有鉛的可靠性性差。關于無鉛焊點點的可靠性（（包括測試方方法）還在最最初的研究階階段。目前一般認為為：民品達到到三年壽命就就可以了。無鉛焊點的可可靠性與含鉛鉛焊點一樣或或更好一些，，這個說法法正確嗎？部分正確。在大部分研究究中，無鉛焊焊料的可靠性性和含鉛焊料料一樣或者更更好。摩托羅羅拉公司在市市場上投放了了大約一百萬萬部無鉛蜂窩窩電話，有一一些是四年前前投放的，可可靠性與使用用含鉛焊料的的蜂窩電話一一樣，或者更更好。然而，一些研研究顯示，在撞擊、跌落落測試中，用用無鉛焊料裝裝配的結果比比較差。非常常長期的可靠靠性也較不確確定。這方面的一個個問題是，無無鉛焊料中銅銅的高溶解性性會在銅焊料料的界面上產產生“空洞””。隨著時間間的推移，這這些空洞有可可能會削弱焊焊點的可靠性性。與錫鉛釬料相相比，無鉛釬釬料最大的不不同是在再流流焊和隨后的的熱處理及熱熱時效過程中中金屬間化合物物會進一步長長大，從而影響長長期可靠性。。CuCu3SnCu6Sn5Sn-Ag-CuSn-Ag-Cu與Cu焊接釬縫組組織空洞四．關于過度時期期無鉛和有鉛鉛混用時可靠靠性討論(a)無鉛焊焊料與有鉛焊焊端混用的問問題無鉛焊料中的的Pb對長期期可靠性的影影響是一個課課題，需要更更進一步研究究。初步的研研究顯示：焊點中Pb含含量的不同對對可靠性的影影響是不同的的，當含量在某某一個中間范范圍時，影響響最大，這是是因為在最后后凝固形成結結晶時，在Sn枝界面處處，有偏析金金相形成，這這些偏析金相相在循環負載載下開始形成成裂紋并不斷斷擴大。例如如：2％~5％的Pb可可以決定無鉛鉛焊料的疲勞勞壽命，但與與Sn-Pb焊料相比，，可靠性相差差不大。有鉛焊球與無無鉛焊料混用用時“氣孔多多”有鉛焊球與無無鉛焊料混用用時，焊球上上的有鉛焊料料先熔，覆蓋蓋焊盤與元件件焊端，助焊焊劑排不出去去，造成氣孔孔。氣孔183℃217℃(b)有鉛焊焊料與無鉛焊焊球混用的質質量最差有鉛焊料與無無鉛焊球混用用時，如果采用有鉛焊料的溫溫度曲線，有鉛焊料先先熔，而無鉛焊端（球球）不能完全全熔化，使元元件一側的界界面不能生成成金屬間合金金層，BGA、CSP一一側原來的結結構被破壞而而造成失效，，因此有鉛焊焊料與無鉛焊焊端混用時質質量最差。因此BGA、CSP無鉛焊球球是不能用到到有鉛工藝中中的。183℃217℃解決措施：提高焊接溫度度到235℃℃左右在元件一側的的界面失效五．無鉛焊接接必須考慮相相容性(材料料、工藝、設設計)（1）材料相相容性焊料合金和助助焊劑焊料和元器件件焊料和PCB焊盤涂鍍層層（2）工藝相相容性（再流流焊、波峰焊焊和返修工藝藝）（3）設計相相容性1．無鉛焊接接必須注意材材料的兼容性性從Sn-Ag-Cu焊料與Cu；；Sn合金金與Ni/Au（ENIG）；Sn系焊料與與42號合金金鋼的界面反反應和釬縫組組織可看出：：不同的焊料合合金，甚至同同一種焊料合合金與不同的的金屬焊接時時的界面反應應和釬縫組織織都不一樣，，它們的可靠靠性也不一樣樣。由于電子元器器件的品種非非常多，當前前正處于過渡渡時期，特別別是元件焊端端的鍍層很復復雜，可能會會存在某些元元件焊端與焊焊料的失配現現象，造成可可靠性問題。。因此一定要要仔細選擇并并管理元件。。另外，選擇焊料和PCB鍍/涂材料料同樣十分重重要。材料相容性舉舉例通常同一塊PCB要經過過回流焊、波波峰焊、返修修等工藝。很很可能形成不不同的殘留物物，在潮濕環環境和一定電電壓下，可能能會與導電體體之間發生電電化學反應，，引起表面絕絕緣電阻（SIR）的下下降。如果有有電遷移和枝枝狀結晶生長長的出現，將將發生導線間間的短路，造成電遷移（（俗稱“漏電電”）的風險險。為了保證電氣可靠性，需要要對不同免清清洗助焊劑的的性能進行評評估，同一塊塊PCB要盡盡量采用相同同的助焊劑。。助焊劑不相容容可能影響電電氣可靠性電遷移和枝狀狀結晶造成導導線間的短路路問題舉例有鉛工藝也遇遇到了無鉛元器件BGA\CSPLLP特別警惕！有的日本元件件鍍Sn-Bi，必須在在無鉛焊料中中使用。如果果焊料中有Pb，Bi與與Pb會形成成93℃的熔熔點，將嚴重重影響可靠性性。2．無鉛產品品對元器件的的要求必須考慮元件件的可焊性和耐焊焊性必須考慮焊料料和元器件表表面鍍層的相容性BOM表上必必須標注的內內容：耐溫、焊端表表面鍍層材料料、潮敏度等等級（有利于加工工廠正確選擇擇焊接材料，，制定工藝路路線，設置溫溫度曲線）3．無鉛PCB材料與焊焊盤涂鍍層的的選擇必須考慮高溫溫與PCB材材料的相容性性必須考慮焊料料和PCB焊焊盤涂鍍層的的相容性4．無鉛產品品PCB設計計無鉛PCB設設計提倡為環保設設計，需要考考慮WEEE在選材、制制造、使用、、回收成本等等方面因素，，但到目前為為止還沒有對無鉛鉛PCB焊盤盤設計提出特特殊要求，沒沒有標準。有一種說法值得討論：由于浸潤性性（鋪展性））差，無鉛焊焊盤設計可以以比有鉛小一一些。還有一種說法法：無鉛焊盤設設計應比有鉛鉛大一些。業界較一致的的看法：（a）為了減小焊接接過程中PCB表面△t，應仔細考慮散散熱設計，例如均勻的元器件分布、、銅箔分布，，優化PCB板的布局。盡量使印制板板上△t達到最小值值。（b）橢橢圓形焊焊盤可減少焊焊后焊盤盤露銅現現象。過度階段段BGA、CSP采用用“SMD”焊焊盤設計計減少“孔洞洞”SMDNSMDSMD(soldermaskdefined)NSMDnon-soldermaskdefined）有利于排排氣不有利于于排氣（c）BGA、CSP采采用SMD焊盤盤設計有有利于排排氣。（d）過過度時期期雙面焊焊（A面面再流焊焊，B面面波峰焊焊）時，，A面面的大元元件也可可采用SMD焊焊盤設計計，可減減輕焊點點剝離現現象。（e）為為了減少少氣孔，，BGA、CSP焊焊盤上上的過孔孔應采用用盲孔技技術，并并要求與與焊盤表表面齊平平。5．SMD潮潮濕敏感感等級及去潮烘烘烤原則則（1）SMD潮潮濕敏感感等級（2）濕敏元件件管理措措施（3）去潮烘烤烤原則（4）去去潮處理理注意事事項（1）SMD潮潮濕敏感感等級敏感性芯芯片片拆封后后置放環環境條件件拆拆封后后必須使使用的期期限（標簽上上最低耐耐受時間間）1級≤≤30℃，，<90%RH無無限期期2級≤≤30℃，，<60%RH1年2a級≤≤30℃，，<60%RH4周3級≤≤30℃，，<60%RH168小時4級≤≤30℃，，<60%RH72小時5級≤≤30℃，，<60%RH48小時5a級≤≤30℃，，<60%RH24小時（2）濕濕敏元件件管理措措施（a）設設計在明明細表中中應注明明元件潮潮濕敏感感度（b）工工藝要對對潮濕敏敏感元件件做時間間控制標標簽（c）對對已受潮潮元件進進行去潮潮處理，，去潮后后及時使使用，剩剩下的元元件在干干燥的環環境中保保存。（d）再再流焊時時緩慢升溫溫；盡量降低低峰值溫溫度；讓讓小元件件等著大大元件達達到焊接接條件。。（3）濕濕敏元件件去潮烘烘烤原則則a領料時進進行核對對器件的的潮濕敏敏感度等等級。濕敏元件件降級使使用，根根據溫度每提提高10℃，潮潮濕敏感感元件（（MSL）的敏敏感度升升一級的的推理，，過去不被被看作濕濕敏的元元件（包包括連接接器和某某些無源源元件））也必須須謹慎處處理。包括PCB受潮潮處理。。b對于于有防潮潮要求的的器件，，檢查是是否受潮潮。開封封后檢查查包裝內內附的濕濕度顯示示卡，當當指示濕濕度＞20％（（在23℃±5℃時讀讀取）,說明器器件已經經受潮，，對受潮潮器件進進行去潮潮處理。。去潮的的方法可可采用電電熱鼓風風干燥箱箱，根據據潮濕敏敏感度等等級在125±±1℃下下烘烤12～48h。。（4）去去潮處理理注意事事項a應把把器件碼碼放在耐耐高溫(大于150℃℃)防防靜電塑塑料托盤盤中進行行烘烤；；b烘箱箱要確保保接地良良好，操操作人員員手腕帶帶接地良良好的防防靜電手手鐲；c操作作過程中中要輕拿拿輕放，，注意保保護器件件的引腳腳，引腳腳不能有有任何變變形和損損壞。對于有防防潮要求求器件的的存放和和使用：：開封后的的器件和和經過烘烘烤處理理的器件件必須存存放在相相對濕度度≤20％的環環境下（（干燥箱箱或干燥燥塔），，貼裝時時隨取隨隨用；開開封后，，在環境境溫度≤≤30℃℃，相對對濕度≤≤60％％的環境境下72小時（（4級））內完成成貼裝；；當天沒沒有貼完完的器件件，應存存放在23±3℃、相相對濕度度≤20％的環環境下。。無鉛工藝藝總結：：⑴根據據具體產產品選擇擇材料，，并進行行系統評評估錫膏