无铅制程导入面临问题及解决方案

年4月19日无铅制程导入面临问题及解决方案文档仅供参考无铅制程导入面临问题及解决方案1引言

实施无铅化电子组装，许多企业并不主动，而是在各种压力下才转为无铅化生产。外来压力主要包括法令规定、环保要求、市场利益、用户需求、有害物质回收处理和无铅技术方面等。

无铅化电子组装实施5步法，即：（1）选择正确的物料和设备，（2）定义制程工艺；（3）建立可靠的制造工艺：收集分析数据，排除制程中缺陷；（4）执行无铅化生产：生产开始后仔细跟踪制程并作必要的调整；（5）控制并改进制程：持续不断的跟进、监控和分析数据，并良好控制整个制程。

2物料选择

2.1PCB

无铅化制造中涉及许多与PCB有关的问题，包括设计、材料和工艺等，特别需要关注和控制的问题有：可焊性及热过程中可焊性的退化问题；较低CTE基材选用问题；合适的焊盘涂层材料选择问题；焊接过程中大尺寸PCB下垂变形问题；高温下基板z轴的热膨胀系数导致通孔可靠性问题；基材高温分解引起的可靠性问题；基材吸水后在高温再流过程中可能导致的内部分层、玻璃纤维和树脂界面接合的退化问题；另外还有兼容性和长期可靠性问题。

2.1.1基材

对于简单产品，焊接温度为235－240摄氏度，对于大热容量的复杂产品，可能需要260摄氏度高温才能满足要求，传统PCB基材大量使用溴化环氧树脂等含卤素聚合物的阻燃材料（含PBB和PBDE），在无铅工艺高的焊接温度下可能出现不可接受的变色、起皮和变形，而且容易释放出高毒性物质（如二恶英等致癌物），另外焊接温度升高，由于材料的CET不匹配，特别是Z方向，易造成多层结构的PCB金属化孔镀层断裂，一般玻璃转化温度Tg前后，都要求有较低的CTE，如图1中B为合适的材料选择。

常见FR4的Tg在135摄氏度左右，Tg下树脂、玻璃纤维的CTE与Cu（16×16－6/k）相似，而在Tg－260摄氏度间Z轴CTE较大，（80－90×10－6/k），基于外观要求、设计难度和绿色制造等理由，无铅化用PCB应转向使用Tg较高的FR4、FR5或CEMn基材有助于降低不匹配产生的应力，但后两者成本较高，表1和图2为不同钎料焊接温度对PCB基材的性能要求。Td为分解温度/层压分离温度，定义为材料重量损失5％时的温度，无铅工艺中业界提出将Td改为质量减少2％的温度，如图中Td为220摄氏度和260摄氏度，除了表中对PCB分解温度的要求外，无铅后PCB还要求一个参数T288，含义为温度在288摄氏度时PCB能保持它的强度多长时间，IPC最近公布的FR4标准草案中为15min，另外在电镀前还需除掉孔内侧树脂/玻璃纤维，以增强金属化孔臂与多层板的结合力，凹蚀深度一般为13－20μm，镀铜厚度为25μm以上（CEMn指由表面和芯部不同材料构成的刚性复合基敷铜箔层压板）。

当前市场上出现一种高Tg的环保型材料，以含磷环氧树脂取代溴化环氧树脂作主体树脂，以含氮酚醛树脂取代传统的双氰胺作固化剂，经过添加阻燃助剂或氮和磷的作用提高产品的阻燃性，这种环保性材料比传统型材料有以下优点：卤素含量低于0.09％（即无氯素板），具有优良的耐热性能（Tg为175摄氏度左右）和低的吸水性，Z轴热膨胀系数低，介质损耗低，可靠性高，另外，在强度硬度及热应力方面，环保型材料比传统的性能要好。

2.1.2预焊剂

传统PCB表面预焊剂处理是用有机溶剂将松香系变性树脂溶解，经于铜箔反应形成铜与咪唑的络合物而起到防锈效果。无铅化之后，需采用新型咪唑衍生物做成高耐热性水溶性预焊剂，其热解温度和防氧化能力需好于传统的性能，比如松下公司研制的K型强耐热性预焊剂，热稳定性可达350摄氏度，而其原来的T型预焊剂热稳定性仅为250摄氏度。

2.1.3焊盘涂层材料

印刷电路板焊盘表面涂层主要起到两个作用：防止铜导线和焊盘氧化，保证焊盘可焊性，PCB表面无铅化涂层材料包括Sn、Ag、Bi、Pd、SnAg、SnBi、SnCu、Sn/Ni、Au/Ni、Pd/Ni等。表2为主要的有铅和无铅PCB焊盘表面涂层材料比较，图3为具有良好平整度的无铅钎料HASL涂层表面。

2.2元件

无铅制程导入过程中碰到的问题有相当比例与元件质量有关，无铅制造中需改进元件的封装材料和封装设计，避免高焊接热对元件所造成的热冲击，确保元件质量。

2.2.1设计

速度封装从安装可靠性方面观察，密封树脂吸收空气中的水分，再流焊时高温使分水变成蒸气而产生膨胀，导致芯片、焊盘和树脂之间分层，如图4所示，随着无铅化工艺的应用，元件急需解决的两个问题：一是封装内水蒸气压增加，二是各部结构材料之间的热膨胀差距扩大，解决措施就是经过新的结构设计和工艺技术进行性能改进，或根据表3元件封装所能承受的峰值温度来尽量降低焊接峰值温度。

另外对于片式元件开裂现象，与温度、CTE差异，元件尺寸等成正比，陶瓷电阻和特殊的电容对温度曲线的斜率非常敏感，陶瓷体与PCB的热膨胀系数相差很大，在焊点加热或冷却时容易造成元件体和焊点裂纹，最好采用RTS温度曲线在降低开裂发生率。对于0201、0402和0603小元件一般很少开裂，而1206以上的大元件发生开裂机会较多。

2.2.2湿气敏感性

无铅焊接较高的再流温度对塑料封装元件的湿气敏感性等级要求十分严峻，由敏感性引发的产品焊后分层、爆裂等，会严重影响电子组装的可靠性，必须按照敏感性元件的存储、使用和管理要求进行严格控制，另外还需对湿气敏感性问题重视和了解，一方面强化对供应商的控制，一方面当出现问题时可有效的解决。元件湿气敏感等级要求能够参考相关标准：JEP113为湿气面干性元件符号和标识，J－STD－033A为湿气敏感集成电路元件的分级和处理，JEDECA113为可靠性实验前塑封元件的预处理，表4为非气密性固态表面贴装元件的水汽/再流敏感性分级，实践证明，温度每升高10设施度，MSL的可靠性降1级，有效防止措施为提前预烘烤并尽量降低焊接峰值温度。

2.2.3可焊性

元件无铅化就是要引线和焊端部分涂层材料无铅化，无铅焊接对元件表面涂层的要求为无铅、抗氧化、耐260摄氏度高温，与无铅钎料生成良好的界面合金，元器件焊端或引脚表面涂层材料有Sn、SnBi、SnCu、SnAg、SAC、Sn/Ni、Au/Ni，Pd/Ni、Ag/Pd，Au/Pd/Ni等，主要涂层材料为Sn、SnCu、SnBi、SnAg和预镀NiPd/NiPdAu。所有高锡含量替代方案都产生焊须现象，存在可靠性风险。

2.2.4元件标签

JEDEC标准JESD97对标识、符号、识别无铅组装的标签、组件和器件都有规定，要求在内包装和外包装盒上都要打上标签，明确显示包装内的产品符合RoHS指令，或者说是无铅的，图5标签显示了带有特殊无铅字符的部件编号，同时还有表示无铅的符号，标签还显示该部件可采用260摄氏度的再流焊，并经过了3击潮湿敏感等级（MSL）的认证。

2.3钎料

传统共晶钎料的替代方式有无铅钎料、导电粘合剂（ECA）和嵌入式芯片，无铅钎料技术相对比较成熟，而后两种由于技术和成本问题，暂时没有得到广泛推广。无铅钎料选择应考虑以下几个问题：熔点低，润湿性好、成本低、易成形，抗氧化，兼容性和可靠性好等，由图6能够看出，当前使用较多的无铅钎料有Sn0.7Cu，Sn3.5Ag和SAC3种，SnZn和SnBi等也用于部分场合，图7和8显示了无铅钎料高熔点、低润湿性特点，表7为无铅钎料应用于不同焊接方法的推荐温度，另外，主要几种无铅钎料相对密度减小12.5％，热传导率减小34％，热膨胀系数增大11％，而且会形成Ag3Sn和Cu6Sn52种金属间化合物（如图9）及锡的枝状晶体。

无铅化组装中，建议各种焊接方法使用同一合金，不但能够降低波峰焊时的二次再流风险和材料管理风险，而且能够防止Pb等有害物质的污染。

2.4焊剂

无铅化后焊剂的成分发生了改变：新的催化剂成分（高的活化温度），新的树脂成分（低的分解率），新的热稳定凝较剂（减少塌陷），新的表面活性剂（增强可焊性）及更高温度的抗氧化剂。在焊剂选择时，不同的合金应该选择不同的焊剂，以防止化学反应，考虑因素有合金种类、焊接环境，焊盘和元件镀层等。

用于无铅钎料的新型焊剂的开发集中于无松香、无VOC的环保产品，而且是水溶性或免清晰的。由于无铅软钎焊工艺中去除的对象还是Sn的氧化物等。因此现有的焊剂依然使用，只是由于温度的升高需要注意防止黑色焊剂残渣的形成，表6为改进的载体配方，其中松油醇、丁基卡必醇醋酸脂和柠檬酸三丁脂中的松油醇挥发性最强，柠檬酸三丁脂最弱；混合溶剂的挥发基本符合亨利定律，即溶液中混合酸溶剂的相对含量决定了其蒸气压的相对比值，合理调整三者的相对含量，能够获得不同层次挥发特性的有机载体；少量的添加剂对挥发性几乎没有影响，可是能极大地改变载体的各种性能。

免清洗焊剂代替松香基焊剂及溶性焊剂，有利于实现益于环保的免清晰工艺并节省生产成本。醇基免清洗焊剂对焊接温度特别敏感，不适合230－260摄氏度的高温焊接，分解将会显著增加，产生大量烟雾和凝结物，而且残留物易于发生聚合变硬，阻碍探针测试，而且挥发性有机化合物（VOC）的散发会对臭氧层形成破坏作用，无VOC新型水基免清洗焊剂已成功开发，其活性剂和化学物质在水中的反应活性比醇中高，且在改进残留物和提高可焊性方面比醇基更优。

2.5焊膏

焊膏是将合金粉与粘性很高的焊剂混合而制成的膏状物，一般需具备以下性能：漏印中透过性好，印刷后粘度保持时间长，无塌边现象，可焊姓好，锡球飞溅少，满足在线电性能测试、焊剂残渣可靠性高（经过SIR和电迁移测试）、清洗性好、性能经时变化小，低固溶免清洗焊膏选择标准为：焊后无残留物、无腐蚀，板面干净且不粘手，有足够高的表面绝缘电阻，离子残留满足免清洗要求，不易发生焊球、桥连等缺陷，无毒及严重气味，无环境污染。

无铅再流焊过程中，焊剂较难润湿合金粉和焊盘及引脚，焊接缺陷率比传统工艺中要高，建议在制程导入之前，对无铅焊膏进行一系列工艺测试：黏着性测试，冷热塌陷性测试，典型温度曲线在空气和氮气下的焊球测试，不同表面镀层材料润湿铺展测试，另外焊膏存储温度、湿度及存储时间要严格参照技术说明。

无铅制程导入面临问题及解决方案

3设备与工艺

3.1焊膏印刷工艺

无铅焊膏由于焊剂含量高、缺少铅的润滑作用，与有铅焊膏相比，是率降低了15％，扩散率由90％以上降低至73％－77％，有铅焊膏对工艺参数的变化相对不敏感，而无铅焊膏却依赖性很大。无铅工艺中，丝网最好用聚脂网，钢网最好用304不锈钢，钢网制作方法多采用激光切割，许多因素会影响孔的位置精度和尺寸精度，包括设备精度及磨损、激光灯的老化、切割过程的温度和张力等。

随着元件的小型化，钢网厚度越来越薄，开孔尺寸也越来越小，为了增加焊膏释放率，一般采用电铸方法制作，并选择印刷精度较高的全自动焊膏印刷机，保证焊点覆盖焊盘的覆盖率达90％以上，还需选用适当的合金类似，一般为3号粉、合金含量为88.5％－89.5％的焊膏，增加金属沉淀率。

采用统一的文件格式，比如GERBER光绘文件来作为制作金属模板与PCB的共同文件，能够提高金属模板与PCB对准精度，另外，其对准精度除了与印刷机的定位精度有关，还与PC本身的位置精度有很大关系，因为PCB制作工艺的收缩和进行焊接过程中发生收缩，会影响第二面的印刷精度。

高速印刷与PCB板的板上焊膏成型的清洗度没有任何关系，有两个参数等更好的描述焊膏印刷性能，即流变系数和粘度不恢复率，高的流变系数意味着焊膏在高剪切率下更容易变稀，低的粘度不恢复率意味着焊膏在剪切力消除后粘度恢复的时间更短，能够理解为抗塌陷性好，粘度测试可参考标准JISZ－3284。

为了提高焊膏释放率，建议印刷速度放快、刮刀压力调高，以实现对模板表面顶侧充分印刷，且刮刀压力的起点为每线性英寸印刷区域10.34－13.79kPa。但印刷工艺参数调节并不是一个简单的平面关系，如图10所示无铅焊膏的工艺窗口，而是一个空间关系，具体调节时要根据实际情况来优化。

实际无铅焊膏印刷效果，释放率较低，需考虑模板开口的设计，由于无铅焊膏的扩散性不如有铅焊膏，模板孔径于焊盘孔径比恢复到1：1或更大：对于间距大于0.5mm的元件，一般采取1：1.02－1.10的开口比例；对于间距5mm的元件，一般采用1：1的开口比例，图12为印刷模板开孔设计示例。为了实现量好的焊膏印刷体积和图形质量，根据IPC－7525要求，必须保证按照图13，模板开孔最小宽度与模板厚度比W/T＞1.6（SnPb为1.5）模板开孔面积比大于0.71（SnPb为0.66）对于0402、0201等小元件，为了防止墓碑或锡珠现象的产生，需对焊盘形状进行如图14所示的修改，另外，还需加大模板擦试频率，选择擦试或超声波清洗方式，选用对应焊膏的清洗剂，若无特殊要求，可选用酒精和去离子水。

3.2元件五贴装工艺

贴片过程中，无铅元件的电极颜色比有铅的暗，元件识别条件值应特别注意，才能保证高的贴装率。另外，由于无铅钎料润湿性差、自矫正作用小，为了保证元件在焊接位置的正确性须提高贴装精度，对于1005元件，其宽度为0.5mm，如果元件焊接宽度要求为元件宽度的2/3，那么元件左右偏移最大值为0.16mm。可是元件在焊盘上纵向偏移时，不能超过0.05mm，否则容易造成立碑缺陷，特别是在氮气环境中，选用贴片精度在±0.05mm的全自动贴片机，才能保证元件的焊接质量。

3.3再流焊设备与工艺

3.3.1设备特点

无铅钎料的高熔点、低润湿性导致工艺窗口变小，质量控制难度相应加大，为满足无铅焊接要求，再流焊设备应该具有以下特点：更高的加热温度和效率；更好的温度控制精度（±1摄氏度）和温度均匀性（ΔT2≤摄氏度）；更多的加温区数，具有可控的冷却系统、焊剂过滤及管理系统、氮气保护系统及实时温度控制功能。温区选择时一般统推荐使用8温区（双焊接区）。对于大重型组建最好使用8温区以上（三焊接区）。更多的温区，曲线调节灵活，传输速度快，生产加工能力强，对于大重型组件，还需有中央支撑以防止PCB变形。

3.3.2温度曲线特点

温度曲线的设定除了参考焊膏推荐商的温度曲线参数外，还要考虑电子元件的耐热性问题及实际焊接质量问题，图16示温度曲线形状有RSS和RTS两种，无铅焊接优选RTS曲线形状（帐篷形）。这是因为帐篷形温度曲线具有以下特点：（1）减少PCB上最冷与最热元件之间的温差，提高温度均匀性，有助于减少桥连、焊球、竖碑、芯吸及焊珠等缺陷；（2）合理升温速率控制在0.5－2摄氏度/秒之间，最好为1.0－1.5摄氏度/秒，过大会导致合金粉末向外飞溅，过低则焊剂由扩撒取代快速蒸发产生爆破，避免产生锡球，但会导致熔化前的热输入增加，在强制热风对流加热方式中合金粉末氧化严重，导致润湿不良。

热塌陷与热扰动效应为焊膏的本质特性，它们为温度的函数，导致粘度下降，溶剂蒸发效应为一动态现象，其为温度和时间的函数，导致粘度升高，对焊膏的塌陷起到一定的作用，图17为两种物理变化对焊膏粘度影响示意图。采用帐篷形曲线降低升温斜率，有利于溶剂更多蒸发而抵消分子热振动带来的影响，当升温斜率足够低时，焊膏粘度反而会随着