无铅波峰焊工程师技术制程手册_图文

1、 Page 1Lead FreeMar 2006无铅波峰焊 Page 2内容提要推行无铅制程的背景及无铅制程的发展史无铅焊料、助焊剂及PCB 的选择无铅波峰焊的设备与工艺要求及设备选择无铅制程的优化及设备校准无铅焊锡的常见缺陷及对策无铅标识 背景及发展史Page 3 Page 5六大有害物质限制使用情况(12003年2月13日欧盟公佈了报废电子电气设备指令(WEEE和关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令(RoHsRoHs规定停止使用六大有害物质的时间为:2006年7月1 日,在这个时间以前逐步限制使用。RoHs指令限定指标:镉:100ppm 铅:1000ppm汞:1000ppm 六价铬

2、:1000ppm PBB、PBDE:1000ppm注:WEEE:Directive on W aste E lectrical and E lectronic E quipmentRoHS: Directive on R estriction o f the use of certain H azardous S ubstances in electrical and electronic equipment Page 6(2美国:国家没有制定限制六大有害物质的文件,有些大的公司,像IBM认为欧盟的限定时间太快,提出异议,但欧盟不改变限定日期。美国也只能跟随欧盟的限定,各大公司提出了自己的限定

3、使用要求,我们了解到的有Dell 公司。Dell 的产品要求:铅:a.电气连接:(焊锡、触点、引脚等目前不做要求,2006年6月1日起要求小于1000ppm;b.金属部件:钢合金3500ppm铜合金4000ppm铅合金4000ppm Page 7c. 所有线材部件外部绝缘层300ppmd. 塑胶部件300ppme. 玻璃及陶瓷(显像管玻璃和电子零件除外1000ppm f. 油漆、墨水、颜料、涂料(所有部件100ppmg. 显示器产品包装材料100ppmh. 其它应用场合20ppm。b.铅12004年底前:零件脚镀层无铅(铅含量100ppm焊锡无铅(铅含量1000ppm Page 1022005

4、年1月1日:所有零部件和外部全部无铅(铅含量100ppm 3其他的无铅要求见:(SONY标准,SS-00259第三版表4.2c.汞2005年1月1日开始,小型日光灯,每支的含量5mg以下,其他场合禁止使用汞。d.六价铬2005年1月1日开始,电镀防锈处理;含颜料的墨水、涂料产品禁止含六价铬。e. PBB、PBDE的禁用情况见(SONY标准SS-00259.表4.2 Page 12美国环保署(EPA :铅及其化合物是严重危害人类生活与环境的17种有害物质之一。铅对人体的毒副作用主要表现为神经系统紊乱、智能障碍、高血压等,对儿童的有害作用更为明显。美国职业安全与健康管理署(OSHA :人体血液中铅

5、的含量应控制在50mg/100ml 以下,打算生育子女的应控制在30mg/100ml 以下。铅的毒性 Page 14公元前370年史书记载从事金属精炼的工人由于铅中毒而引起腹绞痛1878年德国疾病与工作环境关系调查书中重点指出铅中毒问题1883年英国制定预防铅中毒的相关法规20世纪60年代,饮水管道焊接中禁止使用含铅焊料20世纪70年代,颜料、涂料中禁止使用含铅物质20世纪80年代,全球范围内推广使用无铅汽油20世纪90年代,无铅化电子组装提出,成为业界不得不接受的事实人类对铅中毒的认识史 Page 15500万吨其中电子组装焊料用铅占:0.5%全世界每年消耗的铅大约是:相关数字消耗量最大的是

6、铅酸电池 Page 161. 大型家用电器,如冰箱、空调、洗衣机等2. 小型家用电器,如吸尘器、熨斗、剃须刀等3. IT 与通讯设备,如计算机、打印机、电话等4. 音像电子设备,如摄像机、音响、音乐器材等5. 医疗设备6. 玩具WEEE 和RoHS 指令所涉及的电子产品种类 Page 171991-1998年4月,研究阶段,美国及欧盟各耗资数百万美元1998年10月,日本松下公司推出世界上第一款批量生产的无铅电子产品Panasoinc MD Player1999年10月,日本NEC 公司率先推出采用无铅电子组装技术的Versopro NX 笔记本电脑2003年2月13日,欧盟WEEE 和RoH

7、S 指令正式生效2003年3月,中国信息产业部经济运行司拟定电子信息产品生产污染防治管理办法ISO/TC44/SC12和IEC/IC91两个工作组正在拟定无铅焊料的国际标准.无铅化电子组装的发展历程 Page 189北美: 铅含量2000PPM (重量比9欧洲:铅含量1000PPM (重量比9日本: 铅含量1000PPM (重量比无铅的定义 Page 19目前业界已达成的共识:以Sn 为基础原料,添加Cu 、Ag 、Bi 、Zn 、In 等金属元素。需要考虑的因素有:资源与价格:高出锡铅焊料2-4倍。毒性:必须考虑新的焊接材料的毒性。熔点:因其成份不同而不同,在117-280oC 之间。润湿铺

8、展性能:取决于焊料成分及助焊剂和焊接温度。强度与可靠性:取决于焊料成份和制程控制。无铅焊料的选择 Page 20无铅焊料的类别目前世界范围内已开发出的无铅焊料合金种类繁多,根据合金成分,大体上分为二元合金、三元合金及其它多元合金:Sn-AgSn-Ag-CuSn-CuSn-ZnSn-BiSn-In等类别。人们对无铅焊性能的评价基准是基于传统Sn-Pb焊料的性能。要求无铅焊料的性能,尽可能的接近Sn-Pb焊料,并且价格不能太高。 Page 21(1Sn-Zn系列焊料的缺点:一、是在无铅焊料中润湿性最差二、是容易氧化必须在氮气保护下进行回流焊和波峰焊,氮气保护的目的,是为了防止Sn-Zn焊料氧化,降

9、低焊料的表面张力,提高润湿力。有的公司想利用助焊剂改善Sn-Zn焊料的润湿性,现在还没有取得显著的效果。(2Sn-Cu,共晶点温度较高:例如Sn0.7Cu共晶点227,焊接温度接近280,现有的原器件和设备,有的承受不了这么高的温度,另外焊点桥连,元器件引脚中的铜向焊料中溶解会改变焊料的成分配比和熔点,使波峰焊工艺参数不稳定。但由于它价格便宜,机械性能好,对杂质元素敏感度低,等优点得到一些公司的应用。Sn-Cu中加入稀土元素可以改善性能日本开发一种产品SN100C(Sn0.7CuNi。 Page 22(3Sn-Ag系列:有优异的力学性能和抗蠕变疲劳特性。Sn3.5Ag共晶温度221,使用温度较

10、高,Ag含量超过3.5%,容易脆化引起龟裂,在Sn-Ag中添加Cu 可以降低焊料的熔点,增加焊料的润湿力,提高机械强度。因此,Sn-Ag-Cu 得到普遍应用,是目前用的最多的无铅焊料。各个国家都推出了自己的产品:美国倾向于Sn-3.9Ag-0.6Cu欧洲倾向于Sn-3.8Ag-0.7Cu日本倾向于Sn-3Ag-0.5Cu和Sn-3.5Ag-0.7Cu 实际应用的产品:(见下表 Page 26合金成份对其性能的影响9银含量在3.0%-4.7 %和铜含量在0.5%-1.7%比Sn63/Pb37具有更好的抗拉强度和抗疲劳性.9银含量从3.0%增加到4.7 %对抗疲劳强度无任何帮助.9银和铜都处于较高

11、含量时合金的塑性变坏.例如Sn 4.7 Ag 1.7 Cu .9合金浸润能力不及Sn63/Pb37. Page 27在焊料方面,由于众多的供应商都在推销自己的“专利”产品,目前许多仍不成熟,我们可根据自身产品的特征选择市场上较为成熟的焊料,从而降低风险.可综合参考以下项目进行选择:9熔点温度9机械强度9氧化速度9可靠性9成本 Page 28与无铅焊料配套的助焊剂的选择与锡铅焊料相比,可用的无铅焊料在以下两方面有很大不同:1. 熔点较高2. 润湿性较差因此相应的助焊剂要在较高的温度下保持充分的活性,其固态含量高于锡铅焊料所用的助焊剂。无VOC (Volatile Organic Chemical

12、 .这是环保的必然趋势. Page 29无铅焊料助焊剂由于无铅焊料性能与Sn-Pb 有很大差异,所以必须研制适合无铅焊料的焊剂。(1无铅焊料助焊剂的要求:a.无铅焊料的焊接温度高,要求助焊剂的添加剂必须适合无铅焊料的焊接温度。b.要考虑无铅焊料合金的性质,无铅焊料助焊剂不能使无铅焊料产生氧化。c.因为无铅焊料比Sn-Pb 焊料的润湿能力差,无铅焊料助焊剂提高无铅焊料润湿能力要强。e.无铅焊料助焊剂必须符合环保的要求。这一点非常重要,无铅焊料是因为环保的要求采用的,如果用的助焊剂达不到环保要求,结果还是达不到环保要求。 Page 30(2环保型无铅焊料助焊剂目前使用的有机溶剂(异丙醇助焊剂,不属

13、于欧盟提议禁用的物质。相对来说是环保的,但是属挥发性有机化合物(VOC 。VOC 散发到空气中,对地表臭氧层有破坏作用,对人体有一定毒害作用,也属于逐步禁用的物质,美国对VOC 的禁用非常积极,并研制出了无VOC 的助焊剂和无VOC 的清洗剂。像美国ALPHA 公司,比利时的Inteflux 公司都有产品出售。日本在无VOC 的助焊剂开发方面行动较慢,还没见有无VOC 的产品上市。虽然没有限定在助焊剂中禁用VOC 的具体时间表,但无VOC 的无铅焊料助焊剂是助焊剂发展的必然趋势。 Page 31目前无铅焊料助焊剂的种类及特性:(1种类:从无铅焊料助焊剂使用的溶剂分,含VOC 和无VOC 的免清

14、洗无铅焊料助焊剂两大类。(2特点:a 含VOC 的免清洗无铅焊料助焊剂为了达到降低无铅焊料表面张力增加润湿力的要求,固含都较高,日本的产品固含都在12-16%左右,可焊性较好,但后残留物较多。b不含VOC 无铅焊料助焊剂,固含较低,板面残留物少,酸价较高。 Page 339预防锡须的方法:在元件镀层外再镀一层镍,或将元件在1500C 的条件下烘烤1小时.下图是烘烤后锡须的生长情况.可见烘烤后锡须不再生长,且生长情况与镀纯锡的厚度无关. Page 35PCB的表面处理不同的表面处理直接影响到成本和焊锡效果.9镀金板,最稳定,价格最高.9OSP板,最便宜,性能较差.9化银板,次于镀金板.9化锡板.

15、9锡银铜或锡铜热风平整,性能稳定,价格适中.考虑到成本因素,目前很多公司仍使用OSP板,值得注意的是,OSP板在过回流焊和波峰焊之间的时间间隔要控制好,否则直接影响上锡效果.OSP板只有波峰焊一道工序时,其板子从真空包装到过炉之间的时间间隔也要控制. Page 36 不同PCB的表面处理的过锡效果很显然热风平整的PCB 要比OSP 板过锡能效果好得多. Page 37无铅波峰焊设备及工艺要求 Page 38全面推行无铅波峰焊之前,先要明白无铅波峰焊在设备和工艺方面的要求,为设备的选择及工艺设计作好准备. Page 39设备材料及结构必须具有良好的耐热性,在高温下不变形。因助焊剂使用量增大,必须

16、配备良好的抽风系统。喷雾系统必须与环保型助焊剂(低VOC 或无VOC 兼容。预热部分要加长.锡缸及喷咀的材料要耐腐蚀.无铅波峰焊的设备要求 Page 40喷雾机.助焊剂涂布效果的好坏直接影响焊接效果.免洗助焊剂在密封环境下工作,其比重比较容易控制,关键是控制好流量.推荐使用带流量计的助焊剂喷雾系统.使用内置喷雾机时,喷雾机与预热段之间一定要加装风刀以防止火灾发生! Page 44锡炉问题的解决方案:使用特殊材料(钛或其合金材料或对材料进行表面处理,处理方法有不锈钢表面喷陶瓷、表 面渗氮等.与焊锡接触的部件都需要进行处理. Page 45前波峰喷咀宽度:根据助焊剂供应商推荐的浸锡时间,选用合适的前喷咀,值得注意的是,喷咀宽度并非越宽越好. Page 46前后波峰喷咀的间距对于无铅焊锡炉,前后两个喷咀的间距应尽可能小, 这个间距较为理想的值为50mm 左右,主要目的在于:避免焊点从前波峰出来后有过大的温降,再过后波峰时必然导致较大的热冲击