无铅制程特别详解

无铅焊料技术

讨论会教材１序

言松下电器集团,作为指向与地球共存的工作,2002年度比世界早一步推进对全商品导入无铅焊料。首先为了集中全力有效地完成目标,进一步为了把它的实际知识广泛普及展开于世界,开设学习,实证的场所的“技术学校”。有五千年历史的锡铅共晶焊料使用于所有电子机器,支持了今天的惊人的进展。并且成为关于一切安装的准则。正因为如此,不含铅的焊料的开发实用化是,相当于改造制造工作的历史,所以全世界的“产官学”都致力于这工作。还有,代表性的无铅焊料,具有熔点高,易于氧化等的特性,比锡铅焊料要求严峻的制造条件,质量管理。可是,本公司的先行事例中的很多事例,通过综合地重新考虑从工作方法至制造的制造工作,全力以赴,反为提高了质量。本校的目标是,通过活用,进化这工作态度,实际知识,有效地解决无铅焊料的课题,并且谋求强化制造工作。无铅焊料技术以安装技术为基础、由固有的材料,工作法,设备,设计,质量管理等的综合的技术构成。而且在技术上有未确立,日新月异的一面。因此,本校注力于创造不只从事直接导入,安装的技术,制造有关人员,连设计开发,质量管理,资材,服务及其他所有有关专门领域,职责的人员都能够活用的课程和教材。我们希望各位通过对无铅焊料导入,体系地,实践地学习,实习从必需的基础至专门知识,应用事例,有益于推进导入,强化制造工作。２讨论会教材

目次

第1章

无铅焊料概要

无铅焊料是什么?

为什么要无铅焊料?

松下电器的工作第2章 焊接的基础

焊接的机制

焊接工序,不妥第3章

无铅焊料的导入步骤和工作

导入步骤

焊料选定

基板设计

零件选定

材料工序第4章

浸流工序第5章

软熔工序第6章 软熔／浸流混载工序第7章

局部加热工序第8章 质量可靠性评价方法课题解决演习３现行焊料锡(Sn)铅(37Pb)使用于全电子机器无铅(Pb)焊料锡(Sn)＋无害金属2002年度全世界、全商品不含铅焊料无铅焊料是什么?第1章

无铅焊料概要铅(Pb)的含量(质量%)如下的叫无铅焊料。４为什么要无铅焊料对人体的影响对生态系的影响酸性雨废弃印刷基板被铅污染的地下水土壤废弃物

溶出铅粉碎,填拓含铅焊料的有害性日本国内外的动向５焊料所含的铅虽为全使用量的1%弱(3万／5百万吨),而有广泛扩散的可能性,

难于完全回收。由于环境污染,忧虑铅中毒等对人体的影响。■向高循环化社会移行。通过废弃物处理法,水质污浊防止法强化规制■欧洲正在审议包括禁止使用电子机器中的铅的法案(提议提前到2006年)■松下电器比世界早一步发表于2002年度全商品导入。同业其他公司急起直追。2002年度2001200019981994～世界首次

227℃210～206℃218℃熔点183℃197℃软熔工序浸流工序无铅焊料材料固定录像机头带耳机立体声DVC吸尘器世界最初的浸流工序电视机汽车音响笔记本电脑手提MD

世界最初的软熔工序130商品(2200万台)16商品

(6百万台)3商品1商品无铅焊料导入商品(累计)Sn-CuSn-Ag-CuSn-Ag-Bi-InSn-Zn-Bi现行品Sn-Pb1999

无铅焊料技术工作组全公司导入推进活动技术展开、实证活动2000/6～无铅焊料计划门真技术学校～MASTEC～藤泽以松下电器的全力加速解决技术课题和展开技术,结实为世界最初的全商品导入松下电器的工作６全世界

全商品展开、松下的无铅焊料推进体制７○解决共通课题○导入展开,实证支援专任技术活动,技术学校

无铅焊料计划运营委员会推进部会技术部会环境会议○技术成果,事例,基准的全公司展开,彻底○制定,推进,跟踪导入计划各公司,事业部WG

(WorkingGroup工作小组)推进活动与海外公司,共荣公司共同推进社长环境本部长

计划的活动方针和目标８【意图】○实现洁净的商品,工厂(环境污染的防患未然和提高形象)○占先于EU指令(2006年禁止使用铅焊料)等的法规制○强化制造力和展开创出无铅商业Ｏ公司Ｂ公司Ｃ公司Ｄ公司Ｅ公司Ａ公司以集结全部力量世界上最先行的工作来同时实现“对全商品导入无铅焊料”和“强化制造～现行以上的质量,最短L/T(LeadTime产品设计至实际

投产时间)”

Ｇ知财推进WG技术开发WG材料采购WG技术展开WG可靠性评价WG技术部会推进部会关联职能,海外公司,共荣公司【活动方针】工序导入规格书的发行 Sn-Cu焊料浸流工序 Sn-Ag-Bi-In焊料软熔工序 Sn-Ag-Cu焊料浸流工序 Sn-Ag-Cu焊料软熔工序 Sn-Ag-Cu焊料混载工序 Sn-Zn-Bi焊料软熔工序

软熔温度仿真技术的开发焊料再循环技术的开发接合质量评价方针发行

无铅电子零件质量评价准则发行无铅电子零件认证登记制度开始ュョ技术展开促进、实证活动开设,运营技术学校 00/9 西日本校(门真生技本部)开校 01/4 新加坡校(MASTEC)开校 01/11 西日本校扩张充实(南门真迁移) 01/12 东日本校(藤泽FC)开校 02/2 开始向共荣公司展开工序的开发、确立质量评价方法的标准化已申请283件 其中9件已请求审查

实施焊料材料许可

Sn-Ag-Cu,Sn-Ag-Bi-In知识产权的确立技术活动成果(实际知识)９技术活动成果(设备开发、导入)１０・软光束

(局部焊接) (产业机械FA系统)・AVC茨木导入・现在在扩大销售中

・焊料再循环装置

(使用芝麻进行氧化物分离) (AVC公司／千住金属)・全世界扩大销售中・国内外约60台导入・不纯物检查装置

(生产技术本部环境生产技术研究所、Malcom公司)・国内各公司

约10台导入・浸流焊料厚度测量传感器 (生产技术本部环境生产技术研究所)・松下G国内外 35生产线展开・浸流焊料喷射嘴 (生产技术本部环境生产技术研究所)・AVC公司内部

44台导入・均一加热软熔装置 RSA、RSN (FA公司／松下电工)・2002年4月导入开始 当初COF基板安装用・推拉试验装置・重复弯曲试验装置

(生产技术本部环境生产技术研究所)推拉弯曲导入实绩设备名(联系地址)接合机械的接合焊接粘结接合钎焊压焊熔焊焊接硬钎焊母材不溶钎料的熔点450℃以下对接合材料(母材)的接合面间隙,浇注熔点比母材低的钎料(焊料),使机械地,电气地接合。焊接的机制(1)第2章

焊接的基础焊接工序③熔化焊料在接合面上濡湿开①对加热过的接合面供应焊料和焊剂②焊剂还原除去接合面的氧化膜④熔化焊料与基板铜箔及零件电极互相扩散,

在界面上形成Cu-Sn合金层⑤焊料冷却凝固,焊接完毕焊料被接合材B被接合材A接合金属表面氧化物(O)焊剂氢离子(H+)水蒸气(H2O)金属(Cu,焊料等)卤素盐,

金属皂有机酸离子卤素离子焊料焊接区(Cu)焊剂１１好的焊接是什么1.熔化焊料与母材融合得好。2.由于焊料的毛细管现象易于浸透。3.接合面机械地稳定。

濡湿性界面合金层焊接的机制(2)所谓濡湿是在接合界面形成合金层。

(1)母材,焊料各各的表面张力(2)母材与焊料之间的界面张力(3)焊料与母材的金属学的融合性(合金化倾向)(4)母材的表面状态(污垢,氧化膜等)(5)焊接作业条件影响濡湿性的因素接触角θ小接触角θ大a)濡湿性佳b)濡湿性不够所谓界面合金层是,熔化焊料与母材的Cu互相扩散,在接合界面形成Cu-Sn的合金层互相扩散的模型图合金层

约5μm焊料焊接区焊接区(Cu)焊料焊剂形成金属间化合物层是濡湿＝接合的必需条件,

不过因为化合物层一般硬而脆,以薄为佳。厚的原因是:

①焊接温度高,时间长。

②

使用产品时长时间放在高温下。CuSn１２焊接的机制(3)１３焊剂的作用1. 在焊接之前由金属表面除去氧化膜和油脂类减少表面张力。2. 在焊接时的作业温度之下防止再氧化。焊剂焊料丝状焊料时成分作用松脂激活剂触变剂溶剂焊剂橡胶松脂合成松脂卤素化合物蓖麻油除去氧化物粘合剂除去氧化物触变性调整乙二醇系乙醇系溶解固态分的基础有机酸把焊剂与金属粉混和成膏状焊料焊剂焊膏时焊剂的形态在中空的焊料内部包藏焊剂于前工序涂焊剂焊剂焊料棒状焊料时称

呼含氯量(wt%)特

征RA

(MIL)濡湿性佳,但如果不洗涤,后来有腐蚀的可能性B

(JIS)RMA(MIL)濡湿性稍差,但焊接后不用洗涤A(JIS)1X1010绝缘电阻(Ω)活性弱活性型0.5～10.1～0.5焊剂的分类1X1011

SnPb328℃232℃焊接的机制(4)现行的Sn37Pb共晶焊料是什么焊料的历史・ 5000年前的青铜器时代起使用。・ 在纪元前300年前的罗马遗迹,8世纪的正仓院皇室珍藏品和奈良的大佛也使用。 锡62%,铅38%的组成,与现在的共晶焊料相同。・ 用于一切电子机器的安装用焊料,为世界标准。Sn-Pb２元共晶,特长为1.

熔点低,接合作业容易。2. 机械的,电的性质好3. 濡湿性好。接合界面稳定。4. 容易修理。5. 低价格。１４共晶点Sn61.9%183℃液相固相Sn-Pb状态图焊接的共通工序

１５工序钎焊烙铁(＋机械手)局部加热装置软熔炉

供应膏状焊料浸流装置

(溶化器和浸渍槽)供应棒状焊料软熔炉+浸流装置

供应膏状,

棒状焊料用途、安装形态焊料设备工序涂粘着剂SMD安装粘着剂硬化基板反转零件插入(C&C)浸流焊接焊料印刷SMD安装软熔焊接两面基板时,反转后,重复上述工序软熔工序浸流工序局部浸流焊接局部软熔焊接浸流/软熔混载浸流

(熔融焊料浸渍)软熔

(膏状焊料加热)局部加热少量生产,修理,单零件及其他弱耐热零件,后来安装对应及其他手提,移动商品器件等(数字控制高频等)产业用,系统商品等(大规模CPU复合控制等)固定式AV,电化商品等

(电力,电源操作电路等)

单面基板两面基板两面基板两面基板插入零件安装零件(SMD)插入零件SMDSMDSMD＋插入零件单面基板单面基板SMD钎焊烙铁原因架桥焊料球不濡湿离开裂纹クラック芯片分离气泡腐蚀迁移设计不良,材料不良,作业条件设定不适,作业管理不足运输时的振动,冲击,设想外使用条件机械的应力(振动,冲击,弯曲,扭转,载荷),热应力(高温,温度急变)的持续,反复外部气氛(腐蚀性气体,

水分...)经时恶化不妥现象出货前发现的不妥市场初期不妥外观不良(架桥,焊料球,不濡湿,红眼,气泡,芯片分离,裂纹,离开...)裂纹,剥离腐蚀,迁移,金属须,裂纹,剥离焊接不妥的代表事例１６主要原因不濡湿濡湿不足红眼(浸流)(软熔)焊接面的氧化,污垢(浸流)喷流与基板的接触不适当(角度,速度,时间)

(所谓红眼指基板的焊接区上不附着焊料,看见红色铜板的状态)使用活性型的焊剂选择濡湿性好的焊料防止金属面的氧化架桥(浸流)(软熔)冰柱(浸流)・ 焊膏流出与旁边连接・ 由于软熔时的急速加热,焊膏被焊剂冲走。・ (浸流)二次喷流形状,基板速度不适当。 (所谓冰柱指焊料由引线的先端突出成冰柱状或角状的状态)基板焊接区,印刷掩膜尺寸软熔温度曲线设置虚设焊接区焊料成分管理

焊料球(软熔)・ 由于焊膏中的焊剂突然沸腾,焊膏的吸湿而水蒸气化使焊料飞散・ 露出保护膜上的焊料没有去处留下珠球。预热条件的适当化焊膏的吸湿防止印刷面积的适当化芯片分离(软熔)・ 由于左右的焊接区的圆角间表面张力不同(焊料量,濡湿性)或熔化时间差,拉向一方。焊接区尺寸的适当化(使焊料附着量少一点)充分的预热和防止急加热提高安装位置精度防止零件电极的氧化基板面的均一加热裂纹,剥离(浸流)(软熔)・ 由于焊料附着不足或高温状态的持续,对结晶粗大化或接合界面合金成长而变脆的地方,热应力或机械应力反复作用时,由于金属疲劳引起破裂或界面剥离。焊料材质的选择适量的焊接条件基板材质(热膨胀系数)不把焊接温度提得过高对策例不妥现象和有关工作法焊接不妥原因和对策(1)１７离开(浸流)・ 零件引线镀层的无铅化・ 缩小基板焊接区径减小凝固收缩的影响。・ 浸流焊接后急冷以防低熔点金属的移动偏析· 选熔化温度幅度窄的焊料气泡(浸流)・ 缩小插入孔径・ 浸流的波形状・ 焊剂的预热・ 气体的泄气孔腐蚀(浸流)(软熔)・ 使用弱活性型的焊剂・ 焊接后的基板洗涤・ 选定强于腐蚀的焊料材质迁移(浸流)(软熔)・ 焊接后的基板洗涤焊料圆角凝固时,熔点低的Pb和Bi等,偏析于最后凝固的焊接区界面,由于凝固的收缩应力剥离・ 零件引线与插入孔的间隙太大夹着空气。・ 焊剂热分解时产生的气体脱不透。以下的物质经过长时间腐蚀铜箔和引线・ 吸了湿的活性焊剂的残渣・ 空气中的腐蚀性气体(氯气,亚硫酸气等)基板的电极间在湿的状态下长时间附加直流电压时,电极间的离子污染物质和水分结合为电解质,微电流流动,阳极的金属(Cu或Ag)溶出,到达阴极析出为金属。此金属成长为树枝状。焊接不妥原因和对策(2)１８主要原因对策例不妥现象和有关工作法技术学校支援内容(新产品)焊接区形状,翘曲对策等熔点,质量,设备等综合评价耐热温度,电极镀层评价等先行实验,设计试制评价,设备、工作法条件,规格设定等质量,可靠性评价标准设定基板全体,接合部初期评价热冲击,高温高湿,强度等QC承认生产准备,教育实习完毕,生产,质量管理体制完备日常、定期管理,检点,改善导入批量生产设备,确定制造规格批量生产试验,批准质量评价(外观,强度)质量评价(可靠性)批量生产试制评价,工作法、设备规格,选定基板设计基板设计变更选定焊料制定导入推进计划选定电子零件(现行产品)批量生产质量,运转等综合评价生产审批工作内容现状分析,目标设定,课题抽出,推进体制,投资计划等工作法,安装条件,评价标准等导入步骤１９第3章

无铅焊料的导入步骤和工作工序导入规格书质量评价方针技术学校讨论会实习实证个别支援设计制造支援工具技术质量信息提供、、、制定导入计划(道路图)２０

各公司,每个事业场整理、运用商品,机种,安装条件,课题,对应策,日程

工作法(3系)R软熔F浸流R/F软熔浸流混载H局部加热(钎焊烙铁,光束)E其他安装形态(6群)ASMD单面软熔BSMD两面软熔C带引线零件D带引线零件＋下面SMDE带引线零件＋上面SMDF带引线零件＋两面SMD安装条件(注１)基

板A单面B明信片

以上大C不够明信片大D明信片以上大E不够明信片大两面多层纸酚环氧玻璃环氧玻璃复合材料环氧玻璃ALIVH软性其他零

件可靠性材

料(Ａ只有带引线零件)B有浸流面ＳＭＤ1 有耐热条件2 有狭间距ＱＦＰ (0.65ｍｍ间距以下)C有软熔ＳＭＤ1 有高热容量ＩＣ (与其他零件的温度差大)2有弱耐热 (230℃以下)3有弱耐热 (220℃以下)D特殊(A消费用)B产业用C有特殊其他无铅焊料的选定■选定条件 MUST:电、机械特性,质量、可靠性,环境负荷 WANT:焊接性(熔点,濡湿),安装性,费用,专利及其他■选定经过 Sn-Pb→Sn-X 由于Sn单体为高熔点(232℃) 1.Sn２元系选定: Sn-Ag系 (221℃)基本组成

Sn-Cu (227℃)浸流用(低费用) 2.Sn-Ag系改良: Sn-Ag-Cu (218℃)浸流、软熔(共同使用、 高强度)

Sn-Ag-Bi-In (213℃)软熔用(高濡湿) 3.低熔点化改良: Sn-Ag-Bi-In改 (206℃)软熔用

Sn-Zn-Bi (197℃)软熔用２１推奖无铅焊料综合评价２２F,R①热特性熔点(液相线)183℃218℃206℃(214℃/3In)197℃③机械特性抗拉强度(室温)蠕变(125℃)延伸率35%46%30%40%④润湿性基板(扩散率)90%85%86%80%⑤质量腐蚀JISZ3284移动JISZ3284绝缘电阻JISZ3284接合强度约1kg(p0.5QFP)⑥可靠性热冲击(强度,○○○组织变化)○○▲～○(正在评价)恒温恒湿60℃90%⑦安装性作业性设备现状○工序管理⑧安装密度安装密度○◎○○⑩专利注册知财权公知松下／千住松下⑪环境共生负荷/资源

○(优)＞▲～○＞▲(劣)F:▲～○R:▲(均热)▲～○无无无(MUST)⑨大体价格②电特性电阻17μΩ・cm15μΩ・cm14μΩ・cm12μΩ・cm4.5kgf/mm25H4000H90H94H无无无1.0×1012Ω以上1.0×1012Ω以上1.0×1012Ω以上▲～○227℃48%77%○○○松下/日本Superior▲～○无13μΩ・cm(参考1000H)无1.0×1012Ω以上现行Sn-37PbSn-3Ag-0.5CuSn3.5Ag0.5Bi8InSn-8Zn-3Bi评价项目Sn-0.7Cu工序F:浸流,R:软熔FF,RRR4.5kgf/mm26.5kgf/mm28.1kgf/mm2○○○○高温放置▲～○○○(8In正在评价)○○3.3kgf/mm2F,R(千日元/kg)F(0.6)、R(6)F(1)F(1.4)、R(10)R(15)R(11)公知(松下共同)×/○○/○○/○○/▲○/○焊接温度＞193℃＞237℃＞228℃＞220℃＞207℃比现行Sn-37Pb差无铅焊料占优势(MUST)

(2002年7月;参考值)▲～○(正在评价)无铅焊料的特性和注意点从无铅焊料材料特性面看的注意点向超过现行焊料的高质量、高可靠性无铅焊料技术挑战２３■高熔点(＋15～40℃)

■低润湿(流动)性，容易氧化

浸流工序软熔工序１８０２００２４０Sn-Zn-BiSn-PbSn-Cu２６０２２０零件耐热Sn-Ag-CuSn-Ag-Bi-In现行183℃←→00.20.40.6240250260℃Sn-Pb现行Sn-Ag-Cu熔点润湿劣零交叉时间润湿好软熔温度领域浸流温度领域对零件的热损害再加热剥离,强度劣化通孔上升,不润湿架桥焊料球,空白拉起,缩孔焊料单价之差属可通过以重新研究改善设计、工作法、工序管理提高材料利用率来吸收的范围。价格吸收的工作为重要。上列价格为2002年2月时的大约价格,随着今后使用量的增大,估计会降低。焊料的购买价格每张基板的焊料材料费的变化无铅焊料的价格无铅焊料,由于比重为现行的约90%,实使用量,价格均为此数值的90%。２４适于无铅焊料的基板设计(1)应考虑的无铅焊料的特性特性1.焊接温度高。(比过去的焊料高10~15℃)基板翘曲电子零件的损伤

红眼,架桥,

芯片分离,焊料球3. 容易受零件、基板电极的Pb,Bi,Cu等的杂质的影响。(形成低熔点化合物)接合部的剥离,强度劣化

(另外,由于铜的红眼,架桥)2.濡湿性,扩散性不好。表面张力大。比重小

(扩散性为过去焊料的60~90%)对质量的影响图形设计事例(布线,焊接区形状)1. 防止浸流插入零件离开,红眼焊接区径小一点过去的焊料

D=d+0.7mm无铅焊料

D=d+0.2～0.4mm

2. 防止浸流QFP架桥 QFP倾斜45%。 设虚设焊接区。

圆弧的焊接区的图虚设焊接区基板的前进方向尽可能扩大焊接区间隔,

使邻接部形成点接触。3. 防止软熔芯片分离 基本上照过去一样。 使保护膜开口部靠近里面。(无铅焊料用焊接区的例)(过去的焊接区例)0.70.80.70.60.80.6２５适于无铅焊料的基板设计(2)防止基板翘曲基板材质,焊接区表面处理零件选定・浸流: 大的基板,承载重量零件的基板,在基板的中央部分准备可垫上翘曲承(翘曲梁)的空间。・共通: 布置零件时考虑尽量使热容量均匀分布。・分割用的切痕或薄的多层基板容易受软熔热而翘曲,考虑形状尺寸。・含有Pb或Bi等的校平器处理使接合可靠性降低,需要代替处理。 (Cu预先焊剂,Sn/Cu校平器等)・选有260℃的耐热性的零件(浸流用者为MUST)。软熔用者也尽可能选定高耐热零件。・对长的零件(连接器等),树脂膜的膨胀系数选近于基板者。・引线的镀层要不含铅的。・也要注意基板耐热。特别是关于吸湿状态下的软熔峰值温度,参阅下表。２６1. 耐热性因为焊接温度比过去高(要看焊料材料,浸流工作法高0~10℃,软熔工作法高10~20℃),耐热保证温度(化学的,电的,机械的)要高。2.端子涂层的焊接性良好1.要与无铅焊料的接合性(濡湿性,接合强度)良好。2.不要与无铅焊料反应而形成强度低的合金层。3. 不溶解有害杂质于浸流焊料浴溶出于浸流焊料浴中时,要不降低焊接质量。特别是,要绝对避免含铅的镀层。4.其本身无铅露出的端子(电极,引线)不用说,连内部连接也以不用含Pb焊料为佳。(虽然目前还不能充分实现)5. 不产生金属须不要由于无铅化,Sn成分提高的结果,长期高温高湿下产生金属须。适应无铅焊料零件的选定铅焊料无铅焊料无铅焊料涂层铅焊料涂层现状■ 电极镀层的无铅化■ 提高焊料耐热性■ 根据“接合质量评价方针”的评价,批准电子零件电极涂层焊料２７适应无铅焊料零件的现状２８软熔工作法比浸流工作法长时间暴露于高温之下,因此对电子零件的热影响大。象下列的零件,目前还不能说有足够耐热性,因此于选定、采用的时候,要向厂家索取最新信息研究,并且在自己公司内以实际基板实验。耐热性不够的时候,要研究采用低熔点焊料,或点焊接工作法。电子零件分立零件半导体组件镀层材质Sn,Sn-Cu,Au等Sn-Bi,Sn-Ag-Bi-Cu,Au等耐热性250～260℃5～10s程度230～250℃5～10s程度弱耐热零件例软熔加热限制例铝电解电容φ6.3以下Max.250℃10s以内φ8以上Max.235℃10s以内LED,电位器255℃以上10s以内,220℃以上40s以内升温速度4℃/s以内BGA,CSPCPUMax.220℃Max.240℃材料工序导入规格的决定’02.10(予定)

工序发行日期推奖焊料材料(熔点,适用)浸流’00.6’01.5’00.6’01.5Sn-Cu(227℃,低费用)Sn-Ag-Cu(218℃,高润湿、强度)Sn-Zn-Bi(197℃,弱耐热))Sn-Ag-Cu(218℃,高润湿、强度)Sn-Ag-Bi-In(213℃,高润湿)(Ⅱ)(206℃,高润湿)软熔／浸流

混载’01.5Sn-Ag-Cu(218℃,高润湿、强度)软熔(Ⅰ)必须彻底活用,进化根据实用化实际成绩的材料工序导入规格书。２９’02.6每个共通工序的接合质量课题３０6群

(安装形态)单面安装两面安装单面安装两面安装接合质量课题

正在重点工作【共通】 ・接合不润湿,焊料球及其他

・对弱耐热零件的热损害【两面特有】

・已软熔面再加热的影响

(接合剥离,强度劣化及其他)【共通】 ・接合不润湿,缩孔,剥离及其他

・不纯物溶出(Pb,Cu,Bi及其他)【两面特有】 ・SMD耐热,接合不良 ・通孔上升不足【混载特有】

・已软熔面再加热的影响

(接合剥离,强度劣化及其他) ・通孔上升不足,拉起3系

(工序)浸流(熔融焊料浸渍)软熔(膏状焊料加热)软熔／浸流

混载单面安装两面安装让已经安装电子零件的印刷基板通过熔化状态的浸流焊料槽,使背面接触焊料的波浪(Wave)的顶部,附着焊料后,冷却凝固来粘连接合零件的工作法。浸流焊接装置的构成单面基板的时候未加工基板插入零件(C&C)浸流焊接双面基板的时候涂粘接材料装载表面安装零件粘接材料硬化翻转插入零件(C&C)

浸流焊接为了除去焊接表面的金属氧化物,防止焊料不濡湿或架桥,在基板背面(焊接面)均匀而且照所定的厚度涂焊剂。有泡沫状喷出的发泡助熔剂和雾状喷雾的喷雾助熔剂。蒸发焊剂中的溶煤并且预热基板。波状喷上熔化焊料使附着于基板背面上。通常由二波构成。垂直地喷上的一次波濡湿焊接部并且赶走气体。

水平地流动的二次波整理附着焊料的波形，防止出角和架桥。冷却凝固焊料。有自然冷却方式和强制冷却方式。由钛合金等制成的钩爪夹着基板，连续输送机带动基板。通常以3~5℃的倾斜接触焊料波浪。浸流工序是什么

助熔剂部预热部冷却部焊料喷流部基板输送部第4章

浸流工序３１· 提高预热温度。· 提高焊料温度。· 缩短１次喷嘴和２次喷嘴的间隔防止喷嘴间的基板冷却。· 在喷流部之上附加遮盖防止放热。

对应策濡湿性差· 表面安装零件的狭窄间隙等阴的部分难于附着焊料。· 液面水平降低时多发红眼。 太上升就在狭窄间隙部产生架桥· 把１次喷嘴部改良为独立多列孔· 把输送机速度和倾斜角最优化。· 正确地管理喷流高度

(基板泡浸深度)无铅焊料的特征容易引起的质量问题熔点高Sn-0.7Cu 227℃Sn-3.0Ag-0.5Cu 217℃(比较)Sn-37Pb 183℃· 与零件耐热温度(240~260℃)之间余裕少，需要严密的温度管理。· 焊料易于氧化。由于溶进杂质,脱离共晶点· 再凝固时低熔点金属(Pb,Bi等)偏析而产生离开或引起冲击强度低下。· 通过喷流部后，以冷却扇急冷· 进行杂质的浓度管理。无铅焊料特有的浸流质量课题由于Sn成分的比例高,产生焊料槽侵食由于焊料的流动性差，难于获得圆滑的喷流上面或稳定的波峰·由SUS304变更为SUS316。·旋转轴和泵用钛制· 喷嘴形状的研究· 也有用电磁感应方式等代替泵和螺旋桨３２预热温度为确保良好润湿，将足够的预热温度保持在一定的范围内是特别重要的。焊料槽温度要求基板表面的零件温度保持在低于保证的

耐热温度，同时确保基板背面温度为250℃。缩短两个喷流部之间的距离，确保把第1波与

第2波之间的温度下降控制在55℃以内。使用Sn-Ag-Cu焊料时，也可以停止使用第1波。250195

100停止使用1次喷流时预热第2波喷流喷流之间第1波喷流332542512522249250248245212461244242焊料槽温度℃250252254Sn-Ag-CuSn-Pb共晶110±10℃100±10℃100±20℃Sn-Cu设定浸流工序条件(1)基板温度废品率３３基板背面温度℃基板背面温度℃焊接废品率Sn-Ag-CuSn-Pb共晶254±2℃254±2℃240±5℃Sn-Cu设定浸流工序条件(2)传送带倾斜角传送带速度速度太慢会造成QFP端子部短路，速度太快会造成焊接区露出铜板和连接部短路。应该全面平衡焊接质量和生产率，然后决定传送带速度。根据经验，跟原来的Sn-Pb共晶焊料速度相同就可以了。(1.2～1.8m/min)在3～5°范围内，边观察凸起形状和焊接质量，边发现最佳值。焊料浸渍深度无铅焊料清除浮渣的次数较多，液面容易下降。一旦液面下降后，露出铜板的缺陷会急骤增加，因此，液面管理特别重要。・液面高度管理范围标准高度±0.5mm 必须通过添加焊料来调整。0～0.180.2～0.380.4～0.580.6～0.78焊料液面降低(mm)焊料液面管理红眼睛ＱＦＰ短路调谐器短路１２３最优领域一次喷流一次波一次喷嘴二次喷嘴0.1～0.8mm二次喷流0.8～1.6mm印刷基板

t1.6mm二次波浸渍过浅会造成润湿不足，浸渍太深会造成溢出表面。调整方法 ・控制液面高度・喷流泵压力

・喷嘴单元的安装高度。３４焊接废品率浸流工序导入规格概要管理点、留意点印刷基板确认基板表面处理焊剂与二次焊剂之间是否有互熔性和基板是否吸潮氧化。在改善两面和多层基板的润湿性、扩散性方面，Sn-Cu系的矫平处理也是富有成效的。(NIHONSUPERIORSN100L)在使用经过含Bi或Pb的电镀镀层处理后的电子零件时，应该事先确认接合可靠性。原则上选择无铅镀层品。零件安装机推奖焊剂

田村化研CF-110VH-2A加热器部件预热温度110±10℃预热温度100±10℃推奖焊料推奖焊料焊料槽内不纯物的使用极限浓度(应该定期进行成分分析)Cu0.4～1.0%、Bi0.20％以下Cu1.0％以下、

Bi0.05％以下Ag2.8～3.2％Ag0.05％以下基板从焊接装置出来后，进行强制性空冷。钎焊烙铁温度370±10℃。附带温度控制功能的为50～80W。推荐丝状焊料∶千住金属M705推奖钎焊丝：NIHONSUPERIORSN100C直径0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0mm使用插件测试器。注意探测针端头磨损。M708NP303T使用Sn-Ag-Cu系焊料时使用Sn-Cu系焊料时初期投入用批量生产追加用初期投入用批量生产追加用钎焊烙铁钎焊丝检查装置NihonGenma

直径0.3、0.6、1.2mmNP303冷却风扇构件／设备工序流程电子零件焊剂棒状焊料Pb0.30％以下、Zn0.01％以下Pb0.50％以下、Zn0.01％以下SN100CSN100CeNIHONSUPERIOR

千住金属M705３５接受基板电子零件安装零件焊剂涂焊剂预热焊料焊接冷却检点／修理检查浸流工序、设备最佳化事例对由于高熔点,低润湿性,不纯物熔融的质量课题的全面解决①②③④P⑤1次2次喷流喷嘴⑥250℃100℃无铅焊料现行Sn-Pb３６①预热,约提高20℃②1次喷嘴独立多列孔(高润湿性)③2次喷嘴间狭间距(抑制温度下降),管理、检查液面高度(±0.5)④冷却⑤不纯物管理基准、检查(Pb,Cu,Bi)

⑥清除氧化物管理极限熔入不纯物的原因成分检查方法不纯物造成的影响浸流焊料槽内熔入不纯物后，会造成质量下降出现废品，因此，在批量生产时必须注意管理。

以下为目标值，应该确认每个产品的质量后再作出决定。① 无铅焊料的熔体温度通常高于原来的Sn-Pb共晶焊料，因此，有较多的Cu从基板焊接区熔入。② 电子零件的引线镀层中含有的Pb和Bi等金属熔入。(当然，这里也预计到会混用Sn-Pb镀层零件)③ 焊料槽内误投入原来的含铅焊料。每周用不纯物简易检测器进行1次抽样检查，当Cu浓度超过

管理极限时，投入低Cu成分的焊料。Pb和Bi的成分超过时，部分或全部更换熔融焊料。

Pb、Bi、Cu基板浸流工序不纯物管理、检查３７Pb,Bi使用Sn-Ag-Cu系焊料时使用Sn-Cu系焊料时浸流工序批量生产管理要领３８不純物センサーPb浓度NG(不行)时Ｃｕ浓度浸流工序不纯物检测器作为使用浸流焊料进行批量生产质量管理的工具，必须每天实施检查、数据分析。利用混入Pb、Bi等不纯物后焊料熔解开始温度、凝固结束温度降低的特点，

表示浸流焊料槽取样的焊料熔解温度曲线。同时，判断是否符合标准值。３９焊料不纯物传感器焊料通过使用芝麻分离氧化物后的再利用经特殊加工处理后的芝麻跟焊料浮渣混合，加温，然后进行搅拌，分离焊料和氧化物。焊料可当作简易铸模浇注棒焊料再利用。

大约回收焊料88％氧化物经特殊加工处理后的芝麻对表面的吸附作用焊料芝麻分离氧化物

和焊料重的焊料下沉再利用焊料芝麻油分的

还原作用芝麻的分离机理４０焊料再利用设备第5章

软熔工序软熔工序的定义这是一种基板上印刷涂敷焊膏(焊锡膏)，在它的上面贴装表面安装零件，然后穿过软熔装置(炉)，进行熔融凝固处理的焊接方法。使用单面基板时焊膏印刷软熔装置用糊状焊剂跟直径20～50μm的颗粒状焊料混合而成的一种浆料。这是一种基板上复盖一块在需要印刷焊膏的部位开设着窗口、厚0.1～0.2mm的金属模板(金属掩模)，用聚胺酯橡胶或金属刮刀(刮轮)推动焊膏进入模板窗口，转印到基板的工艺。这种装置是利用红外线或热风加热基板，使焊膏中的焊剂迅速活化，清除基板焊接区或零件电极金属表面的氧化膜，然后熔融焊料，在基板与零件电极之间形成凸起形状后进行冷却，凝固固定。焊料印刷工序刮刀焊膏金属掩模印制电路板被印刷的焊料刮刀移动方向印刷焊膏贴装表面安装零件软熔焊接印刷焊膏贴装表面安装零件软熔焊接印刷焊膏贴装表面安装零件软熔焊接基板翻转使用两面基板时４１①

适应弱耐热零件的低熔点焊料工序

②均一加热、抑制氧化工序,软熔炉实用化

⊿T<10℃

软熔装置

工序条件

⊿Ｔ基板引线ｔ时间现行高峰温度固定软熔工序质量课题Sn-Ag-Bi-In低熔点化(206℃)

213℃Sn-Zn-Bi197℃零件耐热临界温度领域240250200Sn-Ag-CuSn-Ag-Bi-In218℃弱耐热230220提高耐热温度Sn-Zn-Bi

大气软熔,无Au镀层４２℃温度现行熔点183℃温度润湿性佳80％90％④峰值温度

熔点⑥冷却速度②预热温度①升温速度③预热时间时间⑤加热时间零件耐热临界温度领域软熔温度分布条件设定４３温度固定方法温度测定部位热电偶跟原来焊料的区别是，无铅焊料熔融温度与零件耐热温度之间的差异不大，因此应该特别注意基板的热分布设计(零件布局设计)和焊接装置的温度控制。・ 用粘结剂(FA公司生产的MR811)或高温焊料将热电偶固定在测定点上。用耐热胶带粘压的方法容易使热电偶接点浮起，不太理想。按照下述的立场，选择3～6个部位。①不容易升温的部位 ・零件密集的部分 ・大型零件(QFP的封装部和引线部) ・BGA或CSP的背面(隐蔽面)②容易升温的部位 ・周围无部件的基板面③弱耐热零件 ・铝电解电容器顶部热容量小，电动势大，耐热性的元件。K种(CA线)φ0.1mm最合适。使用不同固定方法的测定值偏差(经验值)由于不能对QFP封装表面等进行焊接的原因，当然要使用粘结剂。・ 测量BGA或CSP背面的温度时，预先将热电偶安装在基板面上()，然后放上零件，进行安装。・ 热电偶的引线部也用粘结剂或耐热胶带固定在基板上，防止对测定点施加张力。

详细内容，请参照回路实装研究会编辑的「SMT手册作业篇(3-1)软熔装置」的「4.温度分布」项。软熔温度分布测定方法(1)４４使用热电偶尖端点焊K热电偶注意事项必须将尖端跟测定部位接合！ＯＫＮＧ全体尖端部①使用高温焊料时②使用粘结剂时(千住金属工业∶＃295等)(芯片粘贴用高温硬化型粘结剂)・

基板铜箔、软熔后的零件引线根部等能够焊接的部位・零件表面等不能够焊接时・带散热板零件引线等不容易焊接时全長=6m左右接合方法软熔温度分布测定方法(2)４５温度偏差的容许量小无铅焊料的熔点高于原来的SnPb共晶焊料温度上升公式Ts=Ta-(Ta-To)e-mt

Ts:到达温度 t:经过时间 To:被加热体初期温度 m:传热等效系数 Ta:加热炉气温度1)通过增加热风供应量 减少风速不均匀 有效地回收低温热风，防止To下降2)提高余热结束温度，确保增加Ta跟电子零件耐热温度之间的差异不大容许温度偏差ΔT= (弱耐热零件保证温度)-(焊料熔点+确保良好焊接而增加10℃左右)

-温度测定误差等需要有能够对整块基板进行均匀加热的软熔装置软熔装置的要求条件220200180⊿T≦15℃⊿T≦8℃⊿T≦28℃⊿T≦42℃SnAgBiIn系210℃弱耐热零件保证温度(240℃左右)SnAgCu系217℃SnPb共晶

183℃SnZnBi系197℃240热容量偏差造成的温度偏差热容量A＞B＞CTo软熔加热时间加热时间(sec)热容量C热容量B热容量AΔT(B-C)TaΔT(A-C)软熔装置的要求条件４６焊料熔点℃到达温度无铅钎焊膏

电子零件

焊料印刷安装零件软熔

检查

金属掩模

软熔装置

检查装置

电子零件安装机

・高速机

・多功能机

零件安装条件∶与从来膏状焊料同等水平则可

・直接接触焊接部位时，要注意探针接触部的劣化(寿命)。工序流程

设备／构件

工序规格(条件)例(必须根据使用焊料的情况另行设定)印刷基板

修理

钎焊烙铁

钎焊丝

印刷机

印刷基板

零件电极电镀规格

软熔温度设定

材质铍钢或同等以上的材料表面处理材质硬化后镀金处理加压力0.87N/根规格例焊料组成焊料丝形(φ)制造厂件号

Sn-Ag-Cu0.3、0.6、1.2使用钎焊丝

检测器探针焊接区表面处理

印刷条件

制法∶加成，激光

厚度∶印速刷度印压、压入量刷帚角度刷帚材料※跟原来的焊膏相比，具有比重小、体积大的特点，因此厚度变薄。光学式检测器・必须重新设定部分参数(不过，要根据使用的检测器而定)。※要看印刷设备

钎焊丝

钎焊烙铁

白光941带温度控制功能制造厂件号备考基体材料

※必须充分评价接合可靠性。Pd,Sn-Bi Sn-Pb带引线零件(QFP,SOP等)芯片零件

Sn Sn-Pb机构零件，连接器关系

Ag,Sn,Au Sn-Pb零件

推奖

替代前暂时使用※(※包围气:大气)焊料液相线温度

时间(sec)(℃)预热容许温度(～℃)预热时间

加热时间

(20sec以上)软熔容许温度下限(焊料液相线温度+10℃)(零件主体等)

温度最上升的地方温度最难上升的地方(焊接接合部)软熔容许温度上限零件耐热保证温度以下也可以使用其他厂家规格相同的产品４７软熔工序导入规格概要温度焊膏印刷混载工序的定义这是一种对两面分别装载插装零件和表面组装零件的基板(混载基板)进行焊接的工序。适用于高密度安装要求的基板。虽然每个工序的浸流方法、软熔方法都相同，但是，软熔加热后再进行浸流加热这种混载独特的负荷会影响焊接部位，存在着造成质量问题的不利因素，应该注意。单面混载基板的工序流程单面混载基板两面混载基板焊膏印刷安装组装零件软熔焊接安装插装零件(C&C)浸流焊接基板翻转基板翻转安装组装零件软熔焊接涂敷粘结剂安装组装零件硬化粘结剂安装插装零件(C&C)浸流焊接两面混载基板的工序流程４８第6章

软熔／浸流混载工序混载工序的质量课题(再加热剥离)软熔焊料面〈剥离的三大要因〉软熔后浸流焊料(混载)〈接合部剥离现象〉

反转防止杆

基板QFP(□20120pin)焊料接合部

剥离零件镀层SnPb镀层温度高温时，焊接接合部的强度降低(形成低熔点Pb合金)应力零件、基板热应力变形(来自一方的突然加热・冷却)××〈对策～单独或者复合〉① 使用软熔用焊料Sn-Ag-0.5Bi-8In② 改造浸流装置(从上面冷却)③ 零件尺寸的小型化(QFP方面为18mm□以下)

零件镀层无铅化浸流上面喷出口软熔侧基板面150℃４９低熔点焊料导入条件总结Sn-8Zn-3BiSn-3.5Ag-0.5Bi-8InNi/Au镀层Cu焊接区现行接合部的使用温度

恒温恒湿需要对粘附盐分采取措施扩大实用再加热的影响(混载基板)本公司其他公司扩大使用条件90℃以下

视商品而异视商品而异

未评价极限值

60℃90%以内需要

85℃以下

(1000cyc)40℃90%以内需要

125℃以下

(1000cyc)60℃90%以内相同于现行的

－需要冷却(144℃以下)需要冷却(144℃以下)相同于现行的

(熔点以下)－数字TV电视机、

液晶显示器笔记本电脑、电视机－笔记本电脑(NEC)2次电池(SONY)无－85～150℃85～150℃扩大循环次数－在导入条件

下应用在导入条件

下应用九州松下松下寿AVC公司TSPD等５０现状使用条件实绩将来第7章

局部加热工序５１7.1局部焊接方式的比较

局部焊接的目的 1.以附加、修整、修理的形式只对特定的零件进行焊接 2.焊接弱耐热零件 3.能够对周围零件不加热地进行焊接 4.以最少的设备投资进行焊接装置的种类不同目的要求的适应性特

征激光(YAG、半导体)附加带引线零件时使用。只有一个喷嘴，因此条件管理难以捉摸照射直径可以缩小到φ0.3，因此适用于微型弱耐热零件照射区域可呈线状面状，因此适用于附加QFP需要符合零件形状的加热器。生产率高。可以同时加压固定和加热，能够进行不发生悬浮的焊接。灵活地适应生产机种的更改不需要设备投资。依靠个人的技术水平。适用于修整作业。1234浸流点焊装置局部软熔装置钎焊烙铁非接触式接触式氙灯热滑块脉冲加热器机械手方式手工作业丝状焊料Sn-Ag照射时间∶10秒焊膏Sn-Ag这是一种用透镜把热源灯发出的热能会聚后进行局部加热的方法，能够只对必要的部分加热，因此，焊接时不会给弱耐热零件带来热损害。拥有氙灯光源的面加热型(软光束SB)和半导体激光光源的点加热型(软光束RF)两种设备。设备外貌生产厂家松下产业机器株式会社FA系统事业部面加热例子(芯片零件的软熔)点加热例子(插装零件的点焊)レンズレンズ透镜光束挠性基板芯片零件IC芯片温度∶220℃IC温度∶120℃研模照射范围透镜印制电路板连接器

供应丝状焊料<软光束><烙铁>60W烙铁4秒/点背部凸起不足研模60WLD2.3秒/点凸起良好角状物光束软光束局部加热焊料的例子５２熔点高Sn成分多无共晶提高烙铁头温度迅速冷却凝固凝固温度有范围限制缩短焊剂的活性时间外表不平滑，容易形成角状物凸起部分产生缩孔烙铁头寿命短(是原来的1/2～1/3)焊料润湿不良，

焊料容易发生桥接凸起形成不良焊剂或焊珠容易飞散容易引起部分热损伤烙铁头的铁镀层容易引起氧化、腐食1.烙铁头的设定温度不能太高也不能太低37010℃2.减少烙铁头的温度变化使用供热量大的烙铁(80W左右)附带响应迅速的温度控制功能3.迅速进行手工作业限制在3秒钟以内。长时间加热会损伤零件4.堆焊的程度不得超过必要范围凸起部分过大将会产生缩孔5.用热板或热风预热基板50℃～60℃6.准备长时间(例如30分钟)不使用烙铁时，应擦除脏物，用新焊料润湿端头，然后切断电源。防止氧化手工焊接工序(质量课题和对策)５３手工焊接工序(质量课题和对策)选定钎焊烙铁焊料材料铬镀层如上述所示，附带温度控制功能焊料镀层推荐的钎焊烙铁铁镀层(250～300μm)烙铁头断面希望使用跟原来焊接(浸流、软熔)相同的材料，不过当加工现场使用各种基板时或者使用焊料材质不明的基板时，使用下表中的任何一种的话都不会影响实际使用。Sn-Zn系在作业性、耐环境性方面不太理想。推荐使用的手工焊接用丝状焊料铜棒部５４厂家产品编号白光(株)937系列941系列(株)JapanUnix107系列材质厂家产品编号线形Sn-Ag-Cu千住金属工业M7050.3、0.6、1.0NihonGenmaNP303Sn-CuNIHONSUPERIORSN-100C-1010.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0无铅焊料是属于一种新技术，因此在导入时应该充分评价确认质量・可靠性，这是绝对必要的。第8章

质量可靠性评价方法５５焊接完成(润湿、露出铜板、桥接、焊料球、空白、

裂纹、缩孔、拉起等)安装精度(错位、立碑)接合强度(初期状态)接合部可靠性(机械性疲劳、热疲劳、低温脆性、耐蚀性)离子迁移晶须零件的热破坏、热劣化焊料组成变化零件电极镀层材料变化焊接温度变化外观观察断面观察剪切试验拉伸试验冲击、振动、弯曲、

蠕变、热冲击、

高温搁置、低温搁置、

腐蚀试验结露循环试验高温高湿试验零件耐热试验无铅焊料的变化情况必须评价的质量项目试验评价方法５６检查・试验检查・试验装置对象质量缺陷外观检查 肉眼● 放大镜 显微镜润湿上升、露出铜板、桥接、角状物、

焊料球、气泡、裂纹、缩孔、拉起透视检查

X线检查装置BGA・CSP等的未接合、空白断面检查● 显微镜

+切断机、研磨机裂纹、缩孔、拉起、缩孔空白、

界面组织粗大化、偏析接合强度检查● 试验、弯曲拉压试验机 落锤式冲击试验机 蠕变试验机接合部剪切强度、剥离强度蠕变载荷疲劳检查

热变形疲劳

机械变形疲劳● 热冲击试验机 接合强度试验机 振动试验机 微小剪切试验机反复变形造成接合强度下降温度湿度试验机

高温搁置

高温高湿

低温搁置

温度试验装置(恒温槽) +接合强度试验机高温下的结晶粗大化／

偏析造成接合强度下降晶须、迁移低温脆性腐蚀试验

盐水

腐蚀性气体 风化试验机 气体燃烧室焊料的腐蚀接合质量的检查・试验方法外观检查断面检查非破坏检查接合质量的确认・检查例子５７○使用显微镜

(45°旋转透镜等)

倍率:50~300○拉起,裂纹,缩孔,

湿润上升等的确认(缩孔)(拉起)○使用显微镜

(金属显微镜透镜)○拉起,裂纹,缩孔,空白等的断面上的

观察。(裂纹,空白)(拉起)○使用微焦点

X-ray检查装置

倍率:14~200○空白的确认(装置外观)空白(根据EIAJ-ET7403、IEC60068-2-21)(根据EIAJ-ET7403、IEC60068-2-21)用尖端0.5R的刀具，以0.5mm速度平行于基板地压向芯片零件长边的中心部，测量接合部剥离破坏时的载荷。用端头230R的加压棍，以1mm/s速度压向自由支点之间90mm焊接着零件的基板中央，使其翘曲3mm，再缓慢地恢复原状