无铅焊接的特点及工艺控制

无铅焊接的特点及工艺控制内容一．无铅工艺与有铅工艺比较二．无铅焊接的特点（1）从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点（2）无铅波峰焊特点及对策三．无铅焊接对焊接设备的要求四．无铅焊接工艺控制（1）无铅PCB设计（2）印刷工艺（3）贴装（4）再流焊（5）波峰焊（6）检测（7）无铅返修一．无铅工艺与有铅工艺比较有铅技术无铅技术设备方面印、贴、焊、检只有焊接设备有特殊要求焊接原理相同工艺流程工艺方法元器件有铅无铅PCB焊接材料温度曲线工艺窗口大温度高、工艺窗口小焊点润湿性好润湿性差检测标准IPC-A-610CIPC-A-610D管理要求更严格通过无铅、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、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1．从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点110℃130℃155℃185℃240℃250℃90℃PCB入口出口100℃130℃155℃175℃200℃210℃90℃传送带速度：60cm/min温度℃焊接时间峰值温度210~2301831501~2℃/s2~4min10030~60s60~90s＜2℃/s1.2~3.5℃/s＜4℃/s升温区预热区回流区冷却区时间min60~90s快速升温区（浸润区）63Sn37Pb铅锡焊膏再流焊温度曲线无铅焊接再流焊温度曲线KesterReflowProfileforLead-FreeAlloy(SnAgCu)20406080100120140160180200220240260050100150200250300Time(sec.)Temperature(C)SoakZone50-70secstypicalReflowZone50-60secstypicalPeakTemp.(235-245oC)Pre-heatZone40-70secstypicalPreheatZone=110-150oCSoakZone=150-220oCReflowZone=Above220oCRampRate0.5-100~200sec有铅、无铅再流焊温度曲线比较焊膏类型铅锡焊膏（63Sn37Pb）无铅焊膏（Sn-Ag-Cu）升温区温度25~1000C25~1100C时间60~90sec100~200sec工艺窗口要求缓慢升温预热区温度100~1500C110~1500C时间60~90sec40~70sec快速升温区温度150~1830C150~2170C时间30~60sec50~70sec工艺窗口30sec20sec升温斜率0.55~1℃/sec0.96~1.34℃/sec回流（焊接区）峰值温度210~2300C235~2450CPCB极限温度（FR-4）2400C2400C工艺窗口240-210=300C240-235=50C回流时间60~90sec50~60sec工艺窗口30sec10sec从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点及对策•①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。•②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，要求PCB表面温度更均匀。要求焊接设备横向温度均匀。•a25~110℃/100~200sec，110~150℃/40~70sec，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。•b150~217℃/50~70sec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30~60sec之间完成，其升温速率为0.55~1℃/sec；而无铅焊接从150℃升到217℃，升温67℃，只允许在50~70sec之间完成，其升温速率为0.96~1.34℃/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（2400C）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Δt＞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235~240℃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℃，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20~25℃。•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。③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、贴装精度焊盘暴露铜（2）无铅波峰焊特点及对策①用于波峰焊的焊料：Sn-Cu或Sn-Cu-Ni，熔点227℃。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：Sn3Ag0.5CuSn0.7CuSn0.7Cu0.05Ni•对Cu腐蚀率：Sn3Ag.5CuSn37PbSn0.7Cu0.05Ni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。②根据所选合金，需要255~275℃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℃。③由于润湿性差，需要改良助焊剂，并增加一些涂覆量。④由于助焊剂涂覆量多，同时由于水基溶剂助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100~130℃。但提高预热温度会加快氧化；⑤增加中间支撑，预防高温引起PCB变形。⑥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）。⑦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3~4s；•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在预热区末端、两个波之间插入加热元件⑧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。⑨无铅波峰焊中的Pb是有害的质，经常监测焊料中Pb的比例，要控制焊点中Pb含量＜0.05%。⑩插装孔内上锡可能达不到75%（传统Sn/Pb75%），减慢速度和充N2可以改善。⑾波峰焊后分层Lift-off（剥离、裂纹）现象较严重。⑿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。⒀波峰焊接设备需要对波峰焊部件、加热部件和焊剂管理系统进行特殊维护。（3）无铅焊点的特点•①浸润性差，扩展性差。•②无铅焊点外观粗糙。传统的检验标准与AOI需要升级。•③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。•④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-610D（后面专门介绍）LeadFreeInspectionLeadFreeSolderPasteGrainySurface表面粗糙LeadedSolderPasteSmooth&ShinySurface表面光滑、光亮WettingisReducedwithLeadFreeStandardEutecticSolderJointLeadFreeSolderJointTypicalGoodWettingVisibleFillet润湿好ReducedWettingNoVisibleFillet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（1）无铅焊接对再流焊设备的要求①耐350℃以上高温，抗腐蚀。②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。③升温、预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。④要求有两个回流加热区或提高加热效率。⑤增加冷却装置，使焊点快速降温。⑥对于大尺寸的PCB需要增加中间支撑。⑦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（2）无铅焊接对波峰焊设备的要求①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℃。②预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。③预热区采用热风加热器或通风，有利于水汽挥发。④增加中间支撑，预防高温引起PCB变形。⑤增加冷却装置，使焊点快速降温。⑥充N2可以减少焊渣的形成。⑦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①耐高温，抗腐蚀。②提高加热效率。③增加底部预热面积和预热温度，尽量使PCB温度均匀。④增加中间支撑，预防高温引起PCB变形。四．无铅焊接工艺控制（1）无铅PCB设计（2）印刷工艺（3）贴装（4）再流焊（5）波峰焊（6）检测（7）关于无铅返修（8）无铅清洗（1）无铅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