无铅装配对PCB表面处理办法工艺使用材料影响

无铅装配对PCB表面处理办法工艺使用材料影响第2页目录无铅装配的背景无铅装配与含铅装配的差异PCB的无铅控制无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响无铅装配对PCB使用材料的挑战和影响无铅装配PCB产品的加工意见第3页无铅装配的背景－铅的危害铅会损害生物体的血液、神经系统和生殖系统铅在生物体内具有缓慢代谢特征铅对儿童的危害更大铅废弃物将污染周围水源，很难消除※铅是生物有毒物质，必须限制使用！第4页无铅装配的背景－铅的管制1883年英国制定铅中毒的预防法规1960年代饮用水管道的焊接中禁止使用含铅焊料1970年代颜料、涂料中禁止使用含铅物质1980年代全球推广使用无铅汽油2003年欧盟发布RoHS/WEEE指令2003年中国拟定《电子信息产品生产污染防治管理办法》。。。。。。※

全球范围内的禁铅法令逐渐形成！第5页无铅装配的背景－铅的替代产品焊料：多种无铅焊料已经开发(Sn,Ag,Cu,In,Bi,Zn..)镀层：多种无铅镀层已经开发(Sn,Ag,Ni,Au,Pd,OSP..)元件：多种无铅元件已经开发(DIP,PLCC,QFP,BGA,CSP..)工艺：多种应用工艺已经试验(Reflow,Wave,IronSoldering..)可靠性：无铅产品可靠性已经初步验证(strength,fatigue,tinwhisker..)成本：无铅产品成本增加已经被认可接受(total<10%)※

电子工业界无铅化的条件已经具备一定的应用基础，可以在一定的前提下逐步实行！第6页无铅装配的背景－RoHS的要求Pb<1000ppmCd<100ppmHg<100ppmCr6＋<100ppmPBB<100ppmPBDE<100ppm※RoHS限制使用以上6种物质；实际上，各国限制使用的物质多达20种以上，但对电子制造业界影响最大的是铅的使用。第7页无铅装配与含铅装配的差异－铅的作用降低焊料熔点，价格便宜，便于工业应用降低表面张力，增强润湿能力提高流动性，形成良好焊点外观提高焊料电位，增强抗氧化能力第8页无铅装配与含铅装配的差异－装配曲线无铅焊接PCB回流焊接参考温度时间曲线第9页无铅装配与含铅装配的差异－装配参数第10页无铅装配与含铅装配的差异－装配参数无铅焊料的熔点与焊温平均比Sn/Pb上升30℃以上，预热的时间与焊接的时间也相应延长第11页无铅装配与含铅装配的差异第12页无铅装配与含铅装配的差异—质量隐患无铅装配对比含铅装配，肯定的是带来相应的成本增加，至少5-15%。减少PCB的利润空间。对比含铅装配，无铅装配其量产稳定性、装配产品品质、以及长时间使用老化后品质可靠性等尚有待时间考验，目前还是未知数。而在短短几年，无铅装配就已经发现有焊点孔洞、焊盘起翘浮离、锡须等品质缺陷。第13页无铅装配与含铅装配的差异—质量隐患所有这些品质缺陷都与无铅装配所使用的焊料、高温、装配形成的IMC层有关，都是无铅装配惹的祸。要命的是这些缺陷都是无法在短时间或者用一些比较好的方法进行检查。尤其是锡须和焊点空洞，锡须的增长危害电子元器件的最小电气间距，严重的引起短路，影响设备的可靠性增加表面积，容易吸附潮气、灰尘等污染物，加快焊点的腐蚀，影响焊点的长期可靠性。而对BGA，本来就比较容易出现焊接强度不足，采用无铅后，容易出现焊点空洞和可焊性不良，究竟是PCB还是PCBA不良，很容易责任纠缠不清。一旦出现品质问题，由于PCB厂家处于供应链中间的劣势地位，吃亏的大部分是PCB厂家。第14页无铅装配与含铅装配的差异—关于无铅豁免有鉴于此，为避免对重要领域使用产品的可靠性影响，部分产品都进行申请无铅豁免。目前军工、航天、汽车以及重要的大型机组经过审核确认后可以获得无铅豁免。第15页无铅装配与含铅装配的差异—关于无铅豁免第16页无铅装配与含铅装配的差异—意见和结论

无铅，不仅仅是一个概念，对PCB厂家来讲，从产品的材料选用，物性的满足，后续焊接的焊点质量保证等，需用满足整体产品质量的系统的观点来考虑，从而尽量保证无铅化产品的整机质量。第17页PCB的无铅控制-无铅产品的主要要求PCB板主要检测项目：PCB基材阻焊涂料字符涂料铜箔外层金属镀层表面处理工艺等第18页PCB的无铅控制-无铅产品的主要要求PCB板主要检测项目：PCB基材：主要是环氧树脂板料，不存在铅影响。阻焊涂料/字符涂料：主要是环氧树脂体系，不存在铅影响。铜箔/金属镀层：主要采用电镀加工工艺，不存在铅影响。但图形电镀过程中部分产品使用镀Pb/Sn进行抗蚀，虽然其不残留在最终产品上，严格来说，不符合无铅产品的要求。表面处理工艺等：除了传统HASL外，OSP、无铅喷锡、全板镀金、ISn、IAg、ENIG等工艺都基本能够满足该要求。目前ENIG的稳定剂中含有Pb，严格来说，是不符合无铅产品的要求，但由于药水控制需要，目前暂时没有禁止。第19页无铅装配对PCB加工的挑战和影响下面将参考无铅装配的特点，结合PCB实际加工流程，对PCB产品在表面处理工艺和材料上可能存在的挑战和影响，以及需要相应进行调整的地方，根据行业有关资料、实际生产情况、有关试验、客户信息等进行整理归纳，提供给有关部门参考。

第20页无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响

——传统含铅喷锡焊料配比为Sn/Pb为63：37，含有比较高的Pb，不能满足无铅的要求。表面处理成本比较低，约为20元/平方米。操作温度为235-245℃蚀铜量比较低，一般为1-2um。第21页无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响

——无铅喷锡项目Sn-CuSn-Cu-NiSn-Ag-Cu操作温度℃270265-270255-260蚀铜量umSn0.7Cu在温度超过275℃蚀铜量从3um的蚀铜量上升到了8um以上Sn0.7Cu+Ni在温度从270℃上升到280℃时，蚀铜量则变化不大，基本上其蚀铜量保持在5um左右Sn+3.0Ag+0.5Cu无铅喷锡蚀铜量对温度具有较强的敏感性，当锡炉温度≥265℃时，蚀铜量快速增加到8um，成品率比正常喷锡板件约低2%。比正常喷锡板件约低2%。比正常喷锡板件约低2%。成本（元/m2）6090140（估价）焊料价格Sn0.7Cu为115/KG，纯Sn为100/KGSn-Cu-Ni和SnNi为154/KGSn-Cu-Ag为178/KG，Sn3.0Ag报价：181/Kg说明在给客户报价时，请不要简单的将无铅喷锡成本中的焊料SnCu、Sn-Ag-Cu、Sn-Cu-Ni的焊料价格进行替换。因为不同工艺的蚀铜量差别很大，尤其Sn-Ag-Cu、客户要求铜含量变化范围又很小，锡银铜无铅喷锡铜含量不足0.5的变化范围，估计没有SnCu做板多，而且做板时，孔壁铜厚加厚量要比SnCu、Sn-Cu-Ni无铅喷锡板件的大，这两项将会导致锡银铜无铅喷锡成本明显高于SnCu、Sn-Cu-Ni无铅喷锡板件。所有的无铅喷锡板件一般都不允许返工，成品率比较低第22页无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响

——PatternGoldPlating全板镀金全板镀金体系药水不同焊接方式的比较表项目无铅焊接有铅焊接Au厚度（uinch）控制值≥1.0(控制范围0.8-1.2)控制值抗蚀，≥0.4(控制范围0.3-0.8)Nie厚度（uinch）控制值120(控制范围100-180)控制值100(控制范围100-150)成本（元/m2）220-300180-260成品率（%）比常规全板镀金板低0.5-1%比喷锡板低3-7%对于全板镀金工艺，由于不是主流工艺，应用厂家不多，是否能够满足无铅焊接的要求，目前业界包括药水厂家仍然缺少充足研究和有关数据。目前我们是从Adtran、LCD、Schneider等厂家的装配实践进行分析判断，全板镀金如果采用镀厚金（Au厚≥1.0uinch），是完全可以满足大部分无铅焊接（2次回流焊+1次波峰焊）的装配的需要，但对于同时存在多次回流焊和波峰焊的装配方式，就可能会出现孔内上锡性能下降的风险。而对于常规抗蚀厚度要求的全板镀金板件，由于Au太薄，在没有充足氮气保护下，容易在高温下，导致镍层氧化，无法满足无铅焊接的要求。第23页无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响

——OSPOSPF2体系药水不同焊接方式的比较表项目无铅焊接有铅焊接厚度（um）控制值0.22(控制范围0.2-0.3)控制值0.18(控制范围0.15-0.25)成本（元/m2）6050成品率（%）比常规OSP低0.5-0.8%（由于厚度的增加，容易出现结晶和外观不良，增加返工和成品率稍微下降）比常规喷锡接近并略高0.2-0.5%无铅装配，对于OSP，需要采用活性更强的助焊剂，以减少焊点空洞缺陷。。第24页无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响

——ENIGENIGATOCNN体系药水不同焊接方式的比较表项目无铅焊接有铅焊接Au厚度（uinch）控制值2.8(控制范围2.2-4.0)控制值2.4(控制范围2.0-4.0)Nie厚度（uinch）控制值140(控制范围100-180)控制值120(控制范围100-180)成本（元/m2）170-180160成品率（%）比常规ENIG低0.25-0.4%比常规喷锡低2-4%对于ENIG是否能够满足无铅焊接的要求，目前业界仍然存在一定争论，但从大部分EMS厂家的装配实践来看，ENIG完全可以满足大部分无铅焊接（2次回流焊+1次波峰焊）的装配的需要，但对于同时存在多次回流焊和波峰焊的装配方式，就可能会出现孔内上锡性能下降的风险。对于ENIG，为满足无铅焊接的要求，只要稍微提高Nie层厚度，并同时确保Au不要太下限，基本上还是可以的。第25页无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响

——ISnATOISn体系药水不同焊接方式的比较表项目无铅焊接有铅焊接厚度（um）控制值≥0.8(控制范围0.8-1.0)控制值≥

0.6(控制范围0.6-0.8)成本（元/m2）8060成品率（%）比常规ISn低0.3-0.5%（由于厚度的增加，容易出现绿油剥离不良，增加返工和成品率稍微下降）比常规喷锡低1-2%第26页无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响

——ISn根据资料，只要完成ISn后到装配之间的存放在半年内，0.8um的锡厚足够满足无铅装配的需要，存放时间越短，厚度可以控制越薄，只要≥0.6um就可以。第27页无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响

——总结从前面的分析来看，除了HASL外，对于其他所有的PCB表面处理工艺，为了满足无铅焊接的要求，不一而足的都是提高表面处理工艺表面涂层的厚度。对于PCB表面处理工艺，提高表面处理工艺表面涂层的厚度，目的都是提高其耐热性，减少长时间高温对可焊层的氧化，保证其可焊性，来满足无铅焊接的需要。这些改变，都会对成品率有一定的影响，厚度的增加又无疑都带来了成本的增加，而更高温的无铅装配更容易诱发品质缺陷，这也是无铅焊接需要付出的代价和成本。第28页无铅装配对PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响—问题点无铅焊接工艺温度高，CCL产品应有更小的热膨胀系数（CTE）：无铅制程中，板材受热温度升高和受热时间延长，为保证孔连接的安全性，此类产品必须降低Z-axisCTE常见封装耐热能力为240℃,FR4级别的PCB玻璃化温度约140℃。易发生Blistering和Popocorning。第29页无铅装配对PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响—CCL板料的改变对于CCL材料，改善CTE和耐热性的主要措施：1、改变主体树脂，提高耐热性：将环氧固化物中影响热性能的苯环或其他杂环结构进行增加和改变。例如高Tg材料。2、改变固化剂体系：目前多用胺类和酚类固化剂，据行业经验，目前重点主要在Dicy（双氰胺）和phenolnovolac（苯酚）之间进行选择。因dicy极性强，为脂肪链状结构，耐热性相对要差；PN极性小，为芳香族苯环结构，耐热性极好，对改善耐CAF作用大，因此目前大部分是采用非DICY体系。3、增加填料：增加或者改变填料的颗粒大小，因为CCL中填料增韧机理，可降低Z-CTE，这也是为什么脱卤材料大部分能够比普通的材料更耐无铅，就是因为其在填料方面做了大量的改变。而S1000、S1440就因为里面通过增加和改变填料的颗粒大小，来获得较低的Z-CTE。来自CCL行业的资料表明：在无铅装配的过程中，高温熔焊时间延长，板材受热冲击时间延长，为保证孔连接的安全性，要求覆铜板产品应有更小的热膨胀系数（CTE），而基板Tg和基材耐热性无直接关系，关键在于提高耐热性，Tg不是主要因素。后附部分材料的性能一览表供对比参考第30页无铅装配对PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响--采用材料的性能一览表材料特点材料型号（例子）材料性能Tg（℃）CTE（≤Tg，um/m℃）CTE（≥Tg，um/m℃）Td（5％wtLoss，℃）T260（生产资料n）T288（生产资料n）普通TgS114114058285310℃152S1141KF/GW401114056256350℃6015S144014049260315℃152高TgS117017055280335℃6010S1000IT158GW1500≥15035-45200-220335℃6010GW170017050-60260-280