无铅制程导入面临问题及解决方案

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，尤其是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。

常用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，此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）。

目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，通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，无铅制造中需改善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，解决措施就是通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可以参考相关标准：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置，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，并通过了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可以看出，目前使用较多的无铅钎料有Sn0.7Cu，Sn3.5Ag和SAC3种，SnZn和SnBi等向外飞溅，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温度的升高而增加，从而减少或抑制塌陷。

3.3.3热电偶联结方式

温度曲线测试仪用来绘制温度曲线，K型热电偶常用来进行温度采集，由于热滞后性通常设定为2s或4s，采样周期一般为0.1s、0.2s，0.4s，0.5s或更高，通过SR232接口与计算机相连，测温线直径需尽可能小，一般为0.12mm，形状为片状，其时间常数小、相应快，得到的结果精确。为了得到准确的温度曲线，还要注意正确的放置热探头位置，尤其是要注意BGA、FC等元件的测试，BGA元件热电偶探头接触位置。

IPC－7530标准提供了热电偶的联结方法，热电偶接触有4种方法：高温钎料联结，铝带联结，Kaptontape联结和传导树脂联结。高温钎料最可靠。重复性最好，铝带可靠好，但重复性差一点；Kaptontape是一种热传导很好的电带，但可靠性和重复性均差一点，传导树脂可靠性一般，但重复性很差，高温钎料与热电偶探头联结方法。

3.3.4氮气保护

氮气保护可以改善无铅钎料润湿性，降低了焊点内部的空洞率，形成良好圆角，提高了焊点拉伸强度，随着氧含量的降低，焊点拉伸强度升高，但在极低氧含量下由于出现芯吸现象，焊点拉伸强度反而降低。