无铅焊膏再流焊分析 毕业论文.doc

电子组装基础课程论文 论文题目： 无铅焊膏再流焊分析班 级： 姓 名： 学 号： 无铅焊膏再流焊分析摘要：随着欧盟rohs关于2006年7月1日无铅化期限的逼近，日本知名的电子、电器产品制造商panasonic/national、sony、toshtba、pioneer、nec等，从2000年开始导入无铅化制程，至今已基本实施无铅化制造，在日本及欧美市场上推出“绿色环保”家电产品。因此，处于对环保的考虑，市场发展趋势是使用含铅焊料的电子、电器产品将无法进入市场。对于电子组装企业来说，无铅焊技术的应用已经是摆在企业面前必须解决的现实问题。而国内的制造企业包括原始设备厂商和电子制造厂商都已开始着手导入适于自身产品的无铅制程。通过几年来的努力，国内企业已经积累了较为丰富的经验，在焊膏方面，snag和snagcu系已经广为应用，供应商们仍在努力研究，相信更优性能更低成本地助焊剂和焊膏将会陆续出现；在设备方面，无铅制程中受影响最多的再流焊机通过在加热模块、氮气保护、冷却速率等方面的研究逐渐适应了无铅；工艺方面，通过制程优化和精确的温度控制，缺陷已经大为减少，成品率和焊点可靠性逐渐得到提高。关键词：无铅焊料；再流焊无铅化；炉内气氛；冷却速率 1 新型无铅焊料发展现状：1.1 新型无铅焊料成分的设计趋向于合金的多元化，理由有三点:1、已有无铅锡基焊料的熔点要么太高，要么太低，要么是液固相线温度相差太大；2、二元共晶合金的力学性能可以通过添加多和中合金元素得到提高；3、通过优化熔剂和焊料合金化，提高可焊性，因此，多元合金化是新型无铅焊料设计的一大特点。随着现代工业的发展，人民也更注重免清洗无铅焊料的开发和应用，这关系到电子、电器产品和汽车产品的焊接后续处理，直接影响到产品的性能和能耗，也是降低生产成本的有效途径。(摘自中国机电企业网)1.2 sn-ag-cu系焊料的发展国内外近年来对二元无铅焊料进行了深入广泛的研究，研究体系有：sn-bi系、sn-ag系、sn-zn系、sn-cu系、sn-sb系等等。作为一种新型无铅电子封装焊料，应具有工艺性能良好（熔点低、熔化区间小、润湿性好、抗腐蚀氧化性能好、力学性能好、导电性好）、工艺良率高（铺展速度快、焊接成品率高、成渣率高）、焊点可靠性好（焊点结合强度高、抗蠕变性能好）、成本低廉等特点。而无铅焊料的发展正朝着多元化方向发展，三元及多元合金已发展有：日本市场应用较多的sn-ag3.0-cu0.5、美国aim报道性价比较好的sn-ag2.5-cu0.5,日本开发研用的低成本再流焊料sn-zn-bi；美国推荐使用的sn-ag3.9-cu0.6(俗称nemi合金)、欧盟推荐使用的sn-ag3.5-cu0.70等。其中还包括受专利权保护的sn-ag3.5-cu0.5和不受专利权保护的sn-ag4.0-cu0.5合金等。相比之下由于sn-ag-cu焊料在原使用性较好的sn-ag焊料基础上加入了cu，在保证其良好机械性能的前提下使得熔点也有所降低，而且还可减少焊接材料中cu的溶剂，逐渐成为国际标准的无铅焊料。由于还未研制出真正能替代sn-pb共晶的合金，因此，只能将性能较好且应用较多的称为主流无铅焊膏，即sn-ag-cu三元共晶型焊膏。应指出的是，目前对这种合金的正确成分尚有争论，根据ipc/eia j-std-006a的规定，sn95.5ag3.8cu0.7、sn95.8ag3.5cu0.7、sn96.4ag3.2cu0.4均属sn-ag-cu共晶焊料，因此，当前所称主流焊膏即指由上述三种sn-ag-cu共晶合金配置而成的焊膏。2 再流焊无铅化相关理论知识及现状：2.1 无铅再流焊研究现状。再流焊，本意为通过重新熔化预先放置的焊料而形成焊点的一种方法，它是smt中一个非常关键的工序。无铅化进程的推进使传统的锡铅再流焊工艺发展到无铅再流焊，相对于锡铅再流焊工艺，无铅再流焊最主要的技术难点在于工艺窗口很窄。由于电子元件的耐热性能的限制，再流焊接峰值温度一般不超过250。对于传统锡铅焊锡膏，其熔点仅为183，因此存在67左右的较宽工艺窗口。但对于无铅焊锡膏，例如sn-ag-cu合金，其熔点为217221范围，此时仅有一个30左右很窄的工艺窗口。对于目前开发出的无铅焊料合金来说，这正是无铅再流焊工艺的技术难点所在。对于无铅再流焊设备而言，评价其整体设计或者说设备能力时需要从以下几个方面进行考虑：（1） 均匀的温度分布。该要求是主要为了保证在焊接过程中，pcb板以及元件温度分布均匀，将不会造成板子变形及部分已焊接上，部分未焊接上的缺陷。（2） 尽可能小的t。对于有铅再流焊接来说，如果热容量最小的元件温度达到240，而热容大的元件只有210，由于工艺窗口很宽，依然可以实现良好的焊接。但是对于无铅再流焊接来说，热容量小的元件仍然可以达到240，而热容大的元件温度则需要升到230，否则焊锡膏将不会熔化，也就是说t只有10左右。当然这一问题涉及的不仅是再流设备自身的热容问题，而且是热容量最大的元件温度能够被升到多少度的问题。（3） 温度曲线的良好再现性，即温度的稳定性。（4） 足够的润湿时间。综合而言，就是说无铅再流焊需要更有效的加热方式。目前再流焊的加热方式主要有热板传导加热、红外辐射加热、热风对流加热、气相加热以及激光加热等五大类，其中以红外辐射加热最为普遍。红外辐射加热法一般采用隧道加热炉，热源以红外线辐射为主，适用于流水线大批量生产，且设备成本较低。红外线有远红外线与近红外线两种。一般前者多用于预热，后者多用于再流加热，整个加热炉分为几段问去分别进行温度控制。资料显示，红外辐射配合强制热风对流的加热方式是相当有效的。要获得优良的焊接质量，再流设备以及温度设定的关键因素。2.2 再流焊无铅化的现状及趋势：再流焊作为smt中的关键工序，其无铅化不仅取决于焊膏的无铅化，而且还与印制板焊盘的镀层和元器件引脚镀层无铅化密切相关。因此有铅和无铅混杂的局面必然存在。在pcba装联工艺中，主要采用焊接方法有三种，即：再流焊、波峰焊、手工焊。由于电子元器件越来越小型化、片式化，因此再流焊的比例在不断扩大，目前一般都在70%以上。这说明再流焊在pcba过程中所起的作用越来越重要，而且大量资料也表明在未来相当长时间内该项技术也难以被取代。因此，在当前全球性的电子产品制造无铅化进程中，再流焊及其无铅化仍然是主流技术。2.3 再流焊无铅化的主要技术难题：所谓再流焊无铅化，是指采用再流焊技术形成的焊点中，铅的含量要求达到接近于零的10-6 级，要实现上述焊点无铅化的目标，遇到的重要技术难题主要有四个方面： 2.3.1焊膏的无铅化 由于sn-pb合金（习惯上称焊锡）是久经考验的一种量大面广的电子材料，它具有一系列优秀的甚至难以替代的技术和经济性能，要取代它特别是要在短时间内寻找一种类似的合金代替十分困难。 2.3.2再流焊设备的无铅化 由于现有的再流焊炉是适用于sn-pb合金焊膏的，而无铅焊膏所需的焊接温度比有铅焊膏高40左右，这给再流焊炉带来了新的挑战，需要重新设计或对原有装备进行改造。 2.3.3再流焊工艺无铅化 由于无钱焊膏所要求的再流焊峰值温度比有铅焊膏高，无铅焊膏的润湿性又比有铅焊膏的差，无铅焊膏的密度又比有铅焊膏的小、这些种种的区别给无铅焊膏的印刷性、焊膏黏性、塌落性、焊球产生几率等带来一系列新的问题。2.3.4被焊对象（母材）无铅化作为再流焊对象的pcb焊盘与元器件引脚（焊端）的表面镀层材质，目前大部分是含铅的，如何使其无铅化，这将涉及新型镀层材质开发、生产工艺与设备的研制等许多问题。这是无铅化进程的又一障碍。2.4 克服再流焊无铅化对策： 2.4.1无铅焊膏的研制与选用 世界各国都倾注了大量的人力和财力寻找能全面取代sn-pb合金的新型合金，但至今尚未找到一种真正能替代sn-pb共晶的新型合金，迫于电子产品制造无铅化要求的强大压力，人们提出了无铅化过渡期方案。经研究，sb-ag-cu系的无铅钎料综合性能最好。而作为电子产品实际应用无铅化的初期阶段，目前我国实际应用无铅焊料的状况是：焊膏采用的是sn-ag-cu系合金,这一点与国际上的无铅焊料应用现状也是基本一致的。 2.4.2再流焊设备的结构性改进在研制无铅合金的同时，为满足无铅合金的工艺要求，再流焊炉从结构上也要作出相应改变。（1）加热介质（热风）由垂直作用改为水平作用。水平对流设计是再流焊炉的一种最新设计，这种设计使热气流在每一个独立的腔体内运行，保证了每个温区参数的精确控制。（2）对传统的强制空气对流再流焊炉进行改进设计。 2.4.3精心设置温度曲线再流焊温度曲线是再流焊核心工艺参数，它的设置必须考虑：无铅焊膏的熔点及 相关特性，元器件的耐温性能，再流焊炉温度的均匀性以及相关的温度误差。再流焊技术是smt乃至整个pcba制程中的核心工艺，因此在实施pcba制程无铅化的过程中，应特别关注再流焊的无铅化。需要注意的是，要全面实现再流焊无铅化，除焊膏和再流焊炉的无铅化外，还要进一步解决pcb焊盘、元器件引脚（焊端）保护层的无铅化。面对无铅化还有许多工作和试验需要开展。3 无铅再流焊的炉内气氛影响因素再流焊工艺参数对锡/银，锡/银/铜两种系列无铅焊膏影响的最新研究表明，焊炉炉道内的气氛是十分敏感的再流焊工艺因素之一。人们将无铅焊料与共晶铅锡焊料进行比较时,最常用的参数是焊料合金的熔点,铅锡(sn63/pb37)焊料的熔点为183。无铅焊料合金的熔点就高得很多。在氮气氛(低氧分量/氮)再流焊,改善湿润性,在每个焊膏图形存在环形减薄层。氮气氛再流后有少量无色残余物，空气气氛再流焊后存留大量黑色残余物。cu0.5无铅焊膏在峰值温度230/250再流,焊膏的铺展度增加。所以液相温度以上的持续时间及温度不是湿润的主要因素。cu0.5焊膏在空气中210予热,再流焊点呈块状,显示不完全再流。这些焊点的形状与boettinger的非可焊表面类似。氮气氛再流焊没有发生这些情况。实验再流焊工艺过程使用两种炉内气氛；空气，氮气（低氧分量/氮）。充氮再流焊工艺，炉内维持22-36ppm的氧分量。氮气保护有利于改善无铅钎料的润湿性，形成良好的焊点，减少工艺缺陷率，但使用时要注意的是，氮气保护可以降低桥连，元件偏移等缺陷率，减少焊剂残留程度，但对于竖碑，焊球和锡珠等缺陷，应该根据焊膏性能和具体氧含量值来具体问题具体分析。 在氮气分再流焊工艺中,与空气相比cu0.5焊膏焊料合金的湿润性得到改善。在低氧分量的条件下，湿润性实际与使用的再流焊工艺曲线无关。由此可得，对接触角大的界面改善可焊性，来保证产品的可靠性。予热区温度高，可适与大尺寸印制板再流焊，也不会损坏温度敏感器件。这个结果也得到三菱，松下的确认。准确的再流过程控制对于使用狭小过程窗口的无铅焊接是基本条件；无铅焊料的熔点需要高的温度，而器件的温度敏感需要中等温度。cu0.5焊料合金在osp铜焊盘上,再流焊温度230,其湿润性未得到改善。在217液相温度以上，再流峰值温度230，保持30sec对此类合金达到平衡湿润条件是有利的。在氮气氛中，cu0.5合金的铺展性明显好于sn96.5合金。（实验资料来源：德科泰合科技发展有限公司）4 无铅再流焊的冷却速率影响因素无铅焊接工艺的冷却速率逐渐引起人们的关注，因为：（1）无铅焊接温度升高，pcb组装板出炉温度高。需要可靠的冷却手段降低出炉温度。（2）焊点焊料液相线以上时间必须加以控制，以减少焊料和焊盘的反应时间，防止脆性的金属间化合物生长过厚，影响接头强度。（3）无铅焊点表面发黑，改变冷速可以改变焊点光亮。美国的amkor公司对snagcu系列的钎料bga焊接进行了全面的可靠性研究。在快速冷却的情况下，sncu、sn3.4ag0.7cu及sn4.0ag0.5cu焊点可靠性提高了超过20。日立公司在便携式信息产品mopailegea上的应用sn3.5ag0.75cu焊料，冷速为4/s。该产品基板装有1.27mm间距的bga、0.5mm间距的qfp，0.5间距的连接器，1.0mm0.5mm的片式元件。焊后焊点外观漂亮，很少外观缺陷，可靠性测试结果十分好，产品进入批量化生产。在nepcon华南展会上，各大知名焊膏生产厂商的无铅焊膏即使是同一成分，推荐冷速却大不一样。senju要求冷速最大达到5，alphamal没有给出冷速限制，genma的冷速却最大达到10。而ipc标准认为出于元器件的安全性能考虑，冷速一般不宜超过4/s。在然而会在展会上，世界上一些主要设备制造商展出的再流炉冷却能力大致在同一水平。如btu、senjiu、rehm等冷却能力都在48/s以内。国内生产的再流炉如日东等冷速也在该范围内。在设备的冷却能力这个指标上，国内外都趋于一致。当前全球再流炉的冷却模块总趋势是强制冷却冷速可控。冷却手段多为循环水冷风冷。冷却速率的确定对无铅再流焊工艺至关重要。对于无铅钎料合金冷却增加可以细化微观组织，改变imc的形态和分布，提高钎料合金的力学性能。对于实际生产中的无铅焊接，在不对元器件产生不利影响的情况下，冷却速率的提高通常也能减少缺陷提高可靠性。如果冷速过快，将会造成对元件的冲击，造成应力集中，使产品的焊点在使用过程中过早失效，但就目前国内外的再流炉的冷却能力来看，对于pcb板和元器件尺寸都比较小的情况，一般的再流炉都可以满足要求，对于大尺寸、高密度元件的p