在返修工艺中使用无铅焊料的基本研究

在返修工艺中使用无铅焊料的基本研究合作单位：FAPS–TTGmbHTechnologietransferzuFertigungsautomatisierungundProduktionssystematikProf.Dr.-Ing.KlausFeldmanne-mail:[e-mail]&Co.KGWolfenerStr.32/34HausL12681BerlinTel.:[phone]Fax:[phone]e-mail:[e-mail]研究者：Dipl.-Ing.RüdigerHolzmannNordostpark91D-90411NürnbergTel.:[phone]Fax.:[phone]在返修工艺中使用无铅焊料2目录1焊膏的应用技术基础...............................................................................................................31.1精细结构返修和不同连接介质的质量方面...............................................................41.2加热技术的区别...........................................................................................................72使用代用焊接介质的返修工艺...............................................................................................92.1研究的试验范围...........................................................................................................92.2无铅连接介质的温度跟踪.........................................................................................112.3在返修中氮气使用的评价.........................................................................................183返修的整体评价.....................................................................................................................203.1返修中工艺变量的评价.............................................................................................203.2返修后连接点的长期可靠度.....................................................................................23参考文献.........................................................................................................................................26在返修工艺中使用无铅焊料31焊膏的应用技术基础多年以来，电子产品生产过程中昀重要的一个挑战就是在提高质量的同时使误差昀小化。单个模块的修复对消除误差来说仍然是必要的。恒定的高质量规格只可能在此过程及标准工艺链得到控制的情况下取得。与此相对，很多不支持工艺控制的手工或半自动返修系统仍在被广泛应用。当涉及到小型化结构和隐蔽式连接例如区域阵列模块（BGA,CPS）时，只能在一定条件下取得可靠的返修。特别是维修过程中对温度的控制和计时可能引发新模块的损坏或导致模块周围需要重新焊接。目前仅在一定条件下才会考虑高于含铅或无铅连接介质溶解温度的关键时间间隔。零误差是每一个生产制造企业的理想和追求的目标。但除了进行优化，模块化返修也越来越必要。考虑到该领域对稳定工艺和固定质量的要求，为不同的返修应用进行分类并评价其对应的技术是进行返修的必要条件。因此，标准工艺链必须根据由返修过程推演出的一定条件下成立的工艺步骤来进行扩展和修改。这一设想如图一所示。除了大量生产的扁平模块的标准化修复，在工艺链中采用返修策略对于更简单经济地进行工艺误差的修复来说同样重要。共可区分三种不同的应用类型，其对于返修工艺的技术要求各不相同。第一种情况是在使用焊膏的过程中，缺陷就已经存在并被发现。经试验发现，虽然可以使用点焊技术，但大多数情况下，点焊不同于印刷焊，并不能满足对稳定性和体积大小的要求。第二种情况是，在完成装配后进行返修。从技术特别是经济的角度看，返修会被用来对装配错误的元件进行更换或对遗漏的元件补装。这里对于返修来说的技术要求就是精确地拾取和贴装元件。市场分析表明合适的具有计算机辅助定位的贴装设备已在市场出现，因此可以保证稳定的工艺控制。而且由于此情况下温度的作用并不必要，返修对元件造成的损坏将更小。在返修工艺中使用无铅焊料4图一：扩展的工艺链生产之后再进行返修是昀常见的情况。对返修系统的要求与对工艺控制的要求对应。目前市场上有多种系统用于表面组装元件，个别系统用于区域阵列。测试是在热气系统下进行的。1.1精细结构返修和不同连接介质的质量方面文献中记录有超过200种熔点低于300℃的焊接材料从理论上来说可以用作电子元件的连接材料。对于不同的用户，不同区分条件的组合，可将这些软焊接材料分成不同的组。目前在电子产品生产中使用的软焊料仍全部是含铅合金。Sn63Pb37、Sn60Pb40及Sn62Pb36Ag2，这些都是在不同焊接技术中通用的标准焊接材料，在家用电器及汽车电器生产中均有应用。很多年来立法机构已经在研究电子类废物处理办法，将来会对该领域施加更强的干预。1998年欧盟总部的环境署在内部提出了关于电子废物的指导性法律草案。这一草案的昀新版本“关于电子废物法令的提议”倡议从2006年1月1日对含卤族元素材料（例如防火制剂）和含铅焊料的使用进行禁止。在返修工艺中使用无铅焊料5由于对含铅合金不恰当的处理和销毁可能有害环境并对生命造成威胁，因此“绿色”产品（使用无铅焊料生产）的市场潜力不可小视。日本娱乐电子厂商已经积极地在产品开发阶段就考虑这个因素。2001年，多数厂商已经开始使用无铅焊接技术来生产他们的部分电子产品。从某种意义来讲，目前的发展好像正在重复上世纪七十年代末从通孔焊接技术向SMD技术转型以及90年代引入现代封装技术的模式。当时和目前昀重要的推动力来源于日本消费性电子产品的大规模制造，并带动了上述技术在几乎所有应用领域的成功发展。经济或技术原因至少具有同等的重要性。举例来说，在汽车电子领域，分散化制造越来越多，这通常伴随着电子元件的连续操作温度上升至150℃甚至更高。在这种条件下，标准含铅焊料的适应性是应当受到质疑的。为帮助处理温度敏感度高的元件和承载材料，相反的发展趋势要求较低的处理温度或熔点。在娱乐电子产品制造领域，这种趋势更为明显，由于需要控制成本而使用廉价的抗热性差的材料。低熔点焊接材料也是热塑性基本材料（foil,MID）应用的可能替代选择。表一：富锡无铅的电子焊料合金化合物一种技术上使用含铅电子标准焊料的替代方法令无铅焊接材料的使用成为可能。根据参考文献记载，几百种焊接材料的熔点低于300℃，理论上可用于对电子元件的连接。过去的几年中，这些合金所蕴藏的技术及经济优势正越来越多地被人认识到，因此在电子产品制造中使用这样的无铅焊接材料受到了特别的关注。元素周期表中第三、四、五主族以及第一、在返修工艺中使用无铅焊料6二副族的金属元素特别适合作为焊料。而第一副族的金属元素由于导电性好而更醒目。有一定潜力作为未来无铅电子焊料的一小组金属（见表一），被从所有可能的无铅合金中挑选出来，进行生态（毒性），技术（熔点）和经济（可获得性）基本条件的考察。物理特性例如导电性和热传导性，并不会对某种金属作为电子焊料产生限制。然而昂贵的价格和不多的储量限制了含金（Au）和铟（In）的合金的使用。由于可能的腐蚀问题和工艺上的困难，合金元素锌（Zn）很少被用作焊料的组成物。下面的图表展示了由不同制造商推出的可能的无铅焊料。图二：不同焊接材料的熔解温度这个列表指出了各个金属的熔点和必须的工艺温度，由此可以看出目前还没有一种代用合金可以作为标准焊料。由于电路板及元件受到的热负荷，焊接及返修的工艺控制遇到了新的困难。昀近的报导指出，锡银铜的合金（Sn95.5Ag4Cu0.5）引起了世界范围内的兴趣。锡银铜合金是与大家熟知的但是危害环境的锡铅焊料合金非常相似的变体。锡铋合金（SnBi58，熔点138℃）也同样值得考虑作为产生更少热负荷的特殊应用。这种合金区别于其它标准焊接合金的地方是，在温度高于100℃时它的焊点质量优良而同时具有明显更低的熔点。在返修工艺中使用无铅焊料7划分现代的电子模块，除了通过焊接介质，更关键是通过按技术及功能设计安装的元件。这一点尤其适用于返修，因为连接介质和元件的表面形状对工艺控制有持续的影响。元件作为每个电路的基本功能载体经常是进行小型化或功能集成的触发因素。双极电阻或电容的开发就是很好的例子。早已在大规模生产中使用的1201型元件的外尺寸大约是0.6×0.3mm，而它的面积仅是技术指标相当的1206型元件的二十五分之一。这就要求电路板上的焊垫面积为大约0.3×0.3mm。相似的尺寸也适用于0.4mm格栅的QFP，要求可重复的焊膏堆在180µm焊垫宽度以内。这些尺寸（或形状）应通过使用单一的工作台或确保在公差内来保持前后统一。使用这些结果作为基础，例如进行元件装配时，产生的昀低贴片精度要求在±30µm，3σ工艺安全。然而，对有源及无源模块连接结构（或设计）昀小化的趋势并没有改变。1.2加热技术的区别所有的返修系统都需要可靠的针对焊接和拆焊的回流焊接工艺的仿真（或成像，或模拟）。由于这个原因，传感器会被附加在电路板上，从而允许有限的工艺控制。上下加热的组合实现了热传导。修理焊接工艺通常从顶部加热开始。底部的热辐射用来对整个扁平模块加热，以保证模块承受尽可能低的热漂移和热张力。当使用含铅连接介质时，整块电路板至少应被加热到120。在此工艺之后的过程中，底部加热器必须被调整到合适的大小，一方面不超过熔点温度，而另一方面又能为底部提供足够的热量。这只能靠使用程序控制的底部加热器来实现。随后使用集中顶部加热器来进行实际的焊膏回流工艺。顶部的热分布和元件恒定的热传导引出了一个工艺设计（或开发）中昀关键的因素。除了对错误连接进行加热，元件的周围区域必须受到保护，以免受到损坏和无意识的温度影响。两种顶部加热策略，热空气法和红外线法，遵循不同的方法（见图二）。在使用红外顶部加热器时更可能出现加热过程间的不同。例如，如果可被证实在处理含有隐蔽式连接设计（球栅阵列BGA，芯片尺寸封装CSP）时的温差昀大达到17开（见图三），则元件表面不同的反射程度也会导致大的温度差别。对于高温的需要会引起元件内部高热应力。而另一方面，使用红外辐射作为顶部加热方式在实践中将很灵活，因为对于不同的元件类型没有特别的器具要求。在返修工艺中使用无铅焊料8图三：含铅焊接中使用红外和热空气顶部加热的示意图例在返修工艺中使用无铅焊料92使用代用焊接介质的返修工艺每个工艺都受它的