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时代华龙无铅培训教材,,议程,无铅化的立法及其目标 铅的危害及污染 铅所涉及产品的范围 无铅工艺关注点及主要问题 无铅组装工艺 可靠性测试及评估,,当前对于无铅化的立法,(1) weee(废弃电力电子设备限制)/rohs(有害物质限制) 欧盟通过立法,限制pb,hg,cd,cr等有害物质的应用 执行时间2006年7月1号 (2)jeida(日本电子工业发展协会) 要求全面无铅化的日程更早 (3)无铅化在中国 依照weee/rohs的规定,执行时间2006年7月1号,,无铅化的目标,(1) 元器件(包括豁免的): 所有的资格认证必须在2004年7月之前之前完成,最迟到2004年12月. (2) 模组产品(包括豁免的),如主板,鼠标等: 所有认证必须在2005年6月之前完成. (3) 消费型产品(包括豁免的),如电视机,打印机等: 越快越好! 必须赶在2006年7月1号之前. (4) 所有豁免的产品 (3) (2) (1),如服务器,量测设备,网络，设备,,无铅化在中国的进度,(1) 中国已逐渐成为亚洲电子工业的制造中心,不可避免的受欧盟立法影响 依照weee/rohs的规定,执行时间2006年7月1号 (2)经济发展的同时对环境污染的关注越来越多 许多企业在关注自我发展的同时也在关注环境保护了 (3)无铅化是世界范围内的趋势 尽快积极充分准备迎接挑战,赢得竞争,,为什么要废除铅的使用,,为什么要废除铅的使用,铅的危害-铅中毒 铅害的短期作用 铅害的长期作用 症状: 早期长感乏力,口内有金属味,肌肉关节酸痛,食欲降低,便秘等,随后为腹胀,腹部隐痛,神经衰弱综合症.少数患者在牙龈边缘有蓝黑色“铅线”.,,消除铅污染的原因,保护环境，减少工业污染 健康因素 电子垃圾(120欧元) 无铅趋势,,涉及产品范围,受影响产品:(最终期限 2006.07.01) 家用电器 咨讯科技及电讯设备 无线电通讯/tv系统/视频设备 电子玩具, 电动工具 存储设备/系统 豁免产品: (最终期限 2010) 医学和控制设备 驱动, 国防和航空航天工业设备,,电子产品中铅的存在,铅存在于: - 焊料 - 板面涂层 - 元件 - 引线 - 连接器和贴片终端 元件内铅的存在: 硅芯片的连接,,无铅符号和标识,lead-free = pb-free = lf 无铅符号,old,no lead/ pb,new,,无铅化组装的复杂性,无铅化组装,元器件 湿度敏感性, 翘曲, 较高的回流温度, 元件管脚,爆裂, 芯片失效),波峰焊 助焊剂, 锡渣的形成, 焊接角, 焊接环境, 污染,印刷电路板 (较高的回流温度, 氧化, 翘曲, 表面处理, 分层),回流焊接 峰值温度, 润湿, 焊接环境, 板上温差, 冷却速率对微结构的影响,焊接材料 合金, 助焊剂, 润湿性, 可靠性, 应力,锡膏沉积 密度,助焊剂残留, 印刷特性,使用寿命,氧化,返修与返工 高温下多次回流., 焊盘及周围元件的损坏,焊盘的清洁平整问题,,无铅工艺关注点,受温度曲线(焊接最高温度,冷却速度,液相以上时间),焊盘表面处理(金的厚度,不同的合金)及老化的影响 无铅焊点的不一致性 电子迁移,锡须等的影响 非常小的工艺变化导致非常显著的影响 混合装配/铅污染,,无铅化带来的问题,成本的增加 印刷电路板焊盘表面处理方式的影响 元器件管脚焊盘表面处理方式的影响 铅污染 元器件的可靠性问题 印刷电路板的可靠性问题 多次受热的影响 锡须带来短路的危险 焊点可靠性 热循环老化 焊点可靠性 机械性能 焊点可靠性 冲击和震动 电气可靠性,,对无铅焊料金属的要求,考虑用来替代铅的金属必须无污染,来源充足以满足市场的需求. 对资源有限的一些金属如铋和银的需求量的增加也会带来成本的增加 液相线温度 液相线温度要求尽量接近原来的锡铅系统,要求在 230oc以下 合金是共晶或接近共晶,控制在三种金属成份以内 最高回流温度要求在 260oc以下 可焊性 对于免洗型的助焊剂系统要有足够的润湿力. 可以在空气环境中焊接. 可靠性至少等于或优于锡铅,,元器件管脚表面主要的几种无铅化处理方式,插件元件管脚: 锡 (电镀或侵蘸) 贴片元件管脚: 粗锡 (针对低寿命的应用) 镍阻层粗锡 元件焊球: sn4wt%agcu 分立元件: 粗锡,,印刷电路板铜焊盘表面主要的无铅化处理方式,osp ，有机防护剂 enig ，化镍沉金 imag ，沉银 hasl，热风整平（sncu）,,组装前的要求和检查,在组装前要确认所选择的元件,pcb及其它材料对于采用无铅工艺是合理可靠的 对元器件的要求 -至少承受三次2600c 10秒结构和电气性能仍然正常 -csp,bga和其它湿敏性元件需按ipc/jedec j-std-033规定在 组装前进行预烘烤,,对元器件的检查 -x-ray和显微镜 -随机的切片检查 -简单的剪切实验,组装前的要求和检查,由于含有大量气泡而失去 圆形的sac焊球,因为气泡的数量和出现的位置 而不能接受的焊球,元器件的焊盘上出现“黑盘”现象,依据ipc-7095规定 焊点中的气泡小于 20%的焊点面积 可以接受,,对pcb的要求 -必须通过2600c/2880c至少4分钟的承热测试,无材料分解,明显变形 -焊料浮动测试,至于2900c液态焊料槽中10秒钟,拿出冷却,做三次 电镀孔及连接无缺陷,组装前的要求和检查,t260失效,孔壁剥离,,对pcb的检查 -依据ipc-6012b对气泡,分层,露玻纤,过蚀等的验收标准 -对于中等的fr4板,必须承受连续4次回流峰值温度为2600c的回流 焊接过程仍然可以通过ipc-6012b,过5次回流炉,过1次回流炉出现分层,组装前的要求和检查,,无铅锡膏的印刷工艺,材料方面与锡铅焊膏的区别 颜色, 质地, 助焊剂, 流变性, 金属含量, 粘性, 抗坍塌性,老化 印刷工艺方面锡铅焊膏没有明显的不同 机器参数, 滚动性, 有效传输性, 清洗, 钢网设计, 挤出, 塞孔 , 印刷品质,自对中性,,焊接无铅锡膏时的不良事例,不良事例1-溶融不良,有必要进行高温長時間的预备加热,最高段温度不均匀 t 最小化,.预备加热发生塌陷 锡珠（在零件腰部） 连焊 . 松香活性下降 扩展不良/溶融不良 锡珠,锡膏融点高,锡膏焊接温度上升,ng,选择能高温長時間 予備加熱的锡膏,锡珠,溶融不良,,焊接无铅锡膏时的不良事例,不良事例-2 气泡（发生结构）,接合部的气泡,预备加熱,印刷,溶融開始,,焊接无铅锡膏时的不良事例,不良事例-3 气泡（锡膏的合金加熱条件）,加熱条件和气泡,22030秒,24030秒,26030秒,26060秒,sn-pb 共晶,sn-ag-cu 无铅,sn-pb共晶的锡膏只要加熱温度高一点、時間长一些就会有减少气泡的倾向。 sn-ag-cu无铅锡膏即使改变温度或时间气泡几乎不会有什么改变。,,焊接无铅锡膏时的不良事例,不良事例-3 气泡（因基板表面处理的不同而不同）,,无铅锡膏特征-1,sn-ag-cu 无铅锡膏特征-扩展性：无铅锡膏扩展性较差.,sn-ag-cu,sn-pb,印刷前,印刷后,sn-ag-cu无铅锡膏很难扩展到印刷以外的地方。,当使用和sn-pb相同設計的网板有可能无法覆盖住整个焊盘。有时网板开口 部的开口率要做到100%以上。,,无铅锡膏特征-2,sn-ag-cu 无铅特征-表面光沢：无铅表面光泽暗淡.,sn-pb,sn-ag-cu,焊接后表面光泽暗淡、用光学式外观检查机确认时 有时会判断错误。,,大气,溶融的锡膏,sn-ag-cu凝固時的模式图,因为的结晶在焊接表面变的凹凸不平，再经过光的反射， 所以,冷却,冷却,为什么会没光泽?,sn的齿角被折出,凝固収縮,,无铅锡膏特征-3,sn-ag-cu 无铅特征-焊接強度: sn-ag-cu无铅锡膏的接合強度很高.,sn-ag-cu,sn-ag-cu-bi,sn-pb,因为焊接强度高、所以也提高了接合信頼 但是，当有铅混入时，强度会有所下降。,焊接強度,,无铅和基板表面原理-1,因无铅锡膏扩展性比较差，所以当基板表面处理不同时，扩展性也会有很大的差异。,cu,cu+osp,cu-ni-au,印刷時,氮气回流炉,不好的 扩展性 好的,,sn-ag-cu 无铅和基板表面原理-2,cu,cu+osp,cu-ni-au,空气回流炉 第一此,空气回流炉 第二此,不好的 扩展性 好的,,自动贴装工艺,较好的自对中性,在氮气环境中回流,无铅装配元件 表现出比锡铅装配更高的自对中性 贴片机辨识某些器件时照相机光源可能需要调整 在直径25mil焊盘上设定50%和75%的偏移 量进行元件贴装 以印刷后的锡膏的中心为基准,,回流焊接工艺,回流温度曲线: 有铅与无铅的比较 与共晶sn/pb相比熔点显著要高 对于多数装配回流温度高于液相线以上15 - 30c,工艺窗口变小 工艺与材料的兼容性问题出现,,元件和板受高温产生的问题,基板材料 烧坏, 可能需要fr-5 或 bt材料 阻焊膜烧焦 分层 通孔联结可能失效 可能发生严重变形 焊盘表面处理多样性而带来的兼容性问题 可靠性问题 元件可靠性的降低 内芯片可靠性的降低 金属线断裂 爆米花与分层 金属间化合物的快速生长 引脚的表面处理或焊球材料与锡膏的兼容性,,组件受高温产生的问题,由于组件上各种材料的热膨胀系数(cte)不匹配,受高温而造成应力局部集中, pcb材料(fr-4,bt)受热温度超过tg,其热膨胀系数则呈几何基数增加 x，y，z方向热涨系数不一致,金属化孔遭破坏 由于x，y，z方向伸缩量不一致造成严重翘曲变形 从而导致应力集中,焊点破坏,tg对基板材料热膨胀的影响,热应力可能 使元件损坏,,回流焊接的关注, 无铅工艺的推动将会影响炉子的应用 近来对回流焊接的评估关注在一些细节参数上 但是，优化回流焊接工艺必须同时分析所有参数 液相以上时间 回流焊接温度 传输速度 冷却速度 (对产品可靠性非常重要) 温度曲线的类型影响焊点微结构的形成, 金属间化合物的生长，及snagcu合金在各种表面处理方式所形成的焊盘上的剪切力.,,组件在无铅工艺中常见的缺陷 焊盘剥离 焊点空洞/气泡 焊点开裂/脆裂 黑盘 润湿不良 锡须,组装后的检查,组装后检查的方法 目视 光学显微镜 电子扫描显微镜 x-ray 切片和染色实验 简单的剪切实验 老化和热循环测试,,无铅焊料较有铅焊料的润湿能力有所降低,润湿能力分析,补角量测,润湿不好,好的润湿,,对于焊点外观的检查标准,,各种合金形成的不同的外观形貌,sn/pb,sn/3ag/0.5cu,sn/3ag/0.7cu/3bi,sn/3.5ag,sn/58bi,sn/2cu,sn/3bi/8zn,sn/3.5ag/0.5cu/8in,,焊点外观检查 使用光学显微镜,目视 焊点与组装前相比,仍然有相对灰暗和明亮的区域 焊点之间色彩与纹理一致 组装后有一定程度的塌陷,但锡铅材料塌陷要小一点,组装后的检查,组装后的焊点,锡铅,无铅,,焊盘有时会与基材剥离 常见于bga和csp焊盘 nsmd焊盘发生的机率比smd焊盘要高 由于高温和z方向应力过大所致 电气测试往往通过,组装后的检查,组装后的焊盘剥离,分离,pcb基层,,有时会在焊点中发现空洞 判断空洞出现大位置 小于焊点截面的20%可接受 空洞形成的原因,组装后的检查,单个空洞超过20%焊点面积,累积空洞超过20%焊点面积,,焊点的微关结构受诸多因素的影响 回流参数 焊盘冶金 焊料成份 焊点尺寸及锡膏量 所以,无铅焊点在结构上会表现 出不一致性,最终也将反应到 可靠性上,但 焊点本体与焊盘之间的 金属间化合物要求要均匀 最终的品质检查标准留给 了制造商定,组装后的检查,含有ag3sn的sac焊点,,可靠性测试,无铅焊点的特殊性 锡铅和无铅焊点的最大的区别是在焊接工艺的可重复性与再现性上, 无铅焊点表现出严重的不一致性 向无铅化转变：我们需要有系统地去做关於微结构演变的研究（时间 温度、焊盘以及焊料冶金特性、尺寸/形状效应，等等）,,典型的可靠性测试方法,,热循环测试方法,当前使用的方法是：温度范围0100oc, 5分钟驻留,5分钟升降温,20分钟周期 气-气热循环 但是对于无铅材料可能会不合适,对于应用在不同环境下的不同产品,可能 会给出错误的结论 许多smt实验室仍在努力作大量的研究工作,希望找到一种适合 与无铅焊点的测试方法,,焊点可靠性分析及评估,无铅与混合焊点微观结构及可靠性的不一致性-多变性 a. 在焊料与金属界面复杂金属间化合物的形成; b. 金属间化合物在锡相中(焊点)的形态与分布; c. 锡结晶颗粒的大小与方向. sn-ag-cu焊点的机械性能取决于: a. 焊料中铜和银的含量 b. 锡结晶颗粒的大小和方向 c. 复杂金属间化合物字锡相中的形态与分布.,,焊点切面图,在焊料与金属界面的复杂金属间化合物,金属间化合物在锡相中(焊点) 的形态与分布,锡结晶颗粒的大小与方向,经断面切割的bga焊点的正交偏振光学影像（crossed polarizer optical image ） 介于高度各向异性（anisotropic）的锡晶粒之间仅有少数大角度的晶界 沿着适当方向的晶界由于滑移和再结晶作用会有利裂缝形成和生长,,裂纹的生长机理,通常, 在热循环过程中疲劳裂纹在焊点