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有铅焊接到无铅焊接需注意事项

日期：2024-05-05 20:00
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摘要：
有铅焊接到无铅焊接需注意事项
有铅焊接到无铅焊接需注意：
传统的锡铅焊料在电子装联中已经应用了近一个世纪.Sn63/Pb37共晶焊料的导电性、稳定性、抗蚀性、抗拉和抗疲劳、机械强度、工艺性都是非常优良的,而且资源丰富,价格便宜.是一种极为理想的电子焊接材料.
 但由于铅污染人类的生活环境.据统计,某些地区地下水的含铅量已超标30倍(允许标准一、无铅焊接技术的现状
无铅焊料合金成分的标准化目前还没有明确的规定.IPC等大多数商业协会的意见:铅含量<0.1-0.2WT%(倾向5%时,焊接后在焊占与焊端交界处会加剧公层LIFT-OFF(剥离、裂纹)现象.LIFT-OFF现象在有铅元件采用无铅波峰焊的工艺中比较多,严重时甚至会把PCB焊盘一起剥离开.因此过渡阶段波峰焊的焊盘设计可采用SMD(阻焊定义焊盘)方式,用阻焊膜压住焊盘四周,这样可以减轻或避免PCB焊盘剥离现象.
 关于分层LIFT-OFF(剥离、裂纹)现象的机理还要继续研究.当焊料、元件、PCB全部无铅化后是否不会产生LIFT-OFF会现象了,也要继续研究.
 元件的Sn-Pb镀层发生的LIFT-OFF
(4) 铅和有铅混用时可靠性讨论
 ①无铅焊料中的铅对长期可靠性的影响是一个课题,需要更进一步研究.初步的研究显示;焊点中铅含量的不同对可靠性的影响是不同的,当含量在某一个中间范围时,影响*大,这是因为在*后凝固形成结晶时,在Sn权界面处,有偏析金相形成,这些偏析金相在循环负载下开始形成裂纹并不断扩大.例如:2%-5%的铅可以决定无铅焊料的疲劳寿命,但与Sn-Pb焊料相比,可靠性相差不大.无铅焊料与有铅焊端混有时要控制焊点中铅含量<0.05%.
 目前正处在无铅和有铅焊接的过度转变时期,大部分无铅工艺是无铅焊料与有铅引脚的元件混用.在“无铅”焊点中,铅的含量可能来源于元件的焊端、引脚或BGA的焊球.
 无铅焊料与有铅焊端混用时气孔多,这是因为有铅焊端与无铅焊料混用时,焊端(球)上的有铅焊料先熔,覆盖焊盘,当无铅焊料合金熔化时,焊膏中的助焊剂排不出去造成气孔.对于波峰焊,由于元件引脚脖子Sn-Pb电镀层不断融解,焊点中铅的含量需要进行监测.
 ②有铅焊接与无铅焊端混用的质量*差
有铅焊料与无铅焊端混用时如果采用有铅焊料的温度曲线,有铅焊料先熔,而无铅焊端(球)不能完全熔化,使元件一侧的界面不能生成金属间合金层,BGA、CSP-侧原来的结构被破坏而造成失效,因此有铅焊料与无铅焊端混用时质量*差.BGA、CSP无铅焊球是不能用到有铅工艺中的.
(5) 高温对元件的不利影响
 陶瓷电阻和特殊的电容对温度曲线的斜率(温度的变化速率)非常敏感,由于陶瓷体与PCB的热膨胀系数CTE相差大(陶瓷:3-5,PCB:17左右),在焊点冷却时容易造成元件体和焊点裂纹,元件开裂现象与CTE的差异、温度、元件的尺寸大小成正比.0201、0402、0603小元件一般很少开裂,而以上的大元件发生开裂失效的机会较多.
 铝电解电容对清晰度极其敏感.
 连接器和其他塑料封装元件(如QFP、PBGA)在高温时失效明显增加.主要是分层、爆米花、变形等、粗略统计,温度每提高10℃,潮湿敏感元件(MSL)的可靠性降1级.解决措施是尽量降低峰值温度;对潮湿敏感元件进行去潮烘烤处理.
(6) 高温对PCB的不利影响
高温对PCB的不利影响在第三节中已经做了分析,高温容易PCB的热变形、因树脂老化变质而降低强度和绝缘电阻值,由于PCB的Z轴与XY方向的CTE不匹配造成金属化孔镀层断裂而失效等可靠性问题.
 解决措施是尽量降低峰值温度,一般简单的消费类产品可以采用FR-4基材,厚板和复杂产品需要采用耐高温的FR-5或CEMn来替代FR-4基材.
(7) 电气可靠性
回流焊、波峰焊、返修形成的助焊剂残留物,在潮湿环境和一定电压下,导电体之间可能会发生电化学反应,导致表面绝缘电阻(SIR)的下降.如果有电迁移和枝状结晶(锡须)生长的出现,将发生导线间的短路,造成电迁移(俗称“漏电”)的风险.为了保证电气可靠性,需要对不同免清洗助焊剂的性能进行评估.
(8) 关于无铅返修
①无铅焊料的返修相当困难,主要原因:
(A)无铅焊料合金润湿性差.
(B)温度高(简单PCB235℃,复杂PCB260℃).
(C)工艺窗口小.
 ②无铅返修注意事项:
(A)选择适当的返修设备和工具.
(B)正确作用返修设备和工具.
(C)正确选择焊膏、焊剂、焊锡丝等材料.
(D)正确设置焊接参数.
除了要适应无铅焊料的高熔点和低润湿性.同时返修过程中一定要小心,将任何潜在的对元件和PCB的可靠性产生不利影响的因素降至*低.
(9) 关于过度时期无铅和有铅混用情况总结.
(A)无铅焊料和无铅焊端――效果*好.
(B)无铅焊料和有铅焊端――目前普通使用,可以应用,但必须控制Pb,Cu等的含量,要配制相应的助焊剂,还要严格控制温度曲线等工艺参数,否则会造成可靠性问题.
(C)有铅焊料和无铅焊端――效果*差,BGA、CSP无铅焊球是不能用到有铅工艺中的,不建议采用.
 五、过渡阶段有铅、无铅混用应注意的问题
1、问题举例
(1) 有铅工艺也遇到了无铅元器件有的SMT加工厂,虽然还没有启动无铅工艺,但是也遇到了无铅元器件,特别是BGA/CSP和LLP.有的元件厂已经不生产有铅的器件了,因此采购不到有铅器件了,这种知道采购的器件是无铅的情况还不可怕,因为可以通过提高焊接温度,一般提高到230-235℃就可以.还有一种措施可以采用无铅焊料和无铅工艺,因为目前过度阶段普遍情况是无铅焊料和有铅焊端混用,其可靠性还是可以被接受的.但是*糟糕的是无意中遇到了无铅元器件,生产前没有发现,生产中还是采用有铅焊料和有铅工艺,结果非常糟糕,因为有铅焊料和无铅焊端混用效果*差.
(2) 有铅工艺也遇到纯Sn热风整平的PCB.
 这种情况也是在无意中发生过,结果由于焊接温度不够造成质量问题.
(3) 波峰焊问题
 波峰焊问题比较多,例如目前有铅工艺遇到无铅元器件;无铅工艺的插装孔,导通孔不上锡;分层LIFT-OFF现象较严重;桥接、漏焊等缺陷多;锡锅表面氧化物多.....
2、解决措施
(1) 备料
 备料要注意元器件的焊端材料是否无铅,如果是无铅元器件,一定要弄清楚是什么镀层材料,特别是BGA/CSP和新型封装的器件,例如LLP等(有铅工艺也要注意).
 目前无铅标准还没有完善,因此无铅无器件焊端表面镀层的种类很多,例如日本的元件焊端镀Sn/Bi层,如果焊料中含有铅,当铅含量0.71
(4) 提高贴片精度
(5) 严格控制温度曲线,尽量降低峰值温度;
 对潮湿敏感元件进行去潮烘烤.
(6) 复杂和高可靠产品采用耐高温的PCB材料(FR5或其它)
(7) 在N2中焊接比在空气中焊接的质量好,尤其波峰焊采用N2可以减少高温焊料氧化,减少残渣,节省焊料.或者加入无铅锡渣还原粉,将产生大量的残渣还原后重复利用,但一定要比有铅焊接更注意每天的清理和日常维护.

 六、有铅向无铅制程转换过程中成本控制
在有铅向无制程转换过程中成本控制主要从机器成本和制程材料消耗成本两方面考虑.
 目前相当多的企业已购置有铅焊接工艺所使用的机器(波峰焊)在各种性能及操作性方面已经接近无铅焊接的工艺要求,将现在所使用的机器关键部分的部件材质及尺寸作出对应的改造即可继续使用在要求不是十分高的电子产品加工工艺当中.

 普通波峰焊机改无铅波峰焊机可行性分析

 普通锡和无铅锡的焊接温度区别:
a普通锡的焊接温度245℃
b无铅锡的焊接温度270℃

 普通锡和无铅锡的焊接用助焊剂预热温度区别
a普通锡的焊接用助焊剂预热温度90℃
b无铅锡的焊接用助焊剂预热温度110℃

 普通锡和无铅锡的金属成分区别
a普通锡的金属成分Sn/Pb
b无铅锡的金属成分主要是Sn/Ag/Cu或者Sn/Cu

 普通锡和无铅锡的焊接设备要求区别
:
 普通锡的焊接设备要求
无特别要求:

 无铅锡的焊接设备要求
a要求机器当中与锡接触部分本身不能含有铅的成分.
b要求无铅锡的熔炉能够耐腐蚀的性能较好.
c要求机器的冷却速度较快

 综合以上要求其对应措施如下

1.机器的材料采用钛合金材料
2.机器的预热区长度和机器使用的速度成一定比例
3.和无铅助焊剂有接触的部分采用不含铅成分材料制成
4.将机器的冷却部分改为冷气机或将冷却风扇的数量加多

 锡炉改造后效果

a完全满足无铅工艺制程各方面的要求
b生产速度和改造之前基本相同

 结论
 将原来的普通波峰焊机改造成无铅波峰焊机是完全可行而且是节约成本的两全之策
.
 材料消耗方面
 目前无铅工艺当中采用的钎焊料相对比原来的焊料成分方面锡的含量增大很多,其合金成分相对有很大的提升.在生产加工过程中,其锡渣的产生量比原来普通焊料的产生量也有很大幅度的提高.如果能将锡渣的产生量降低则对于材料消耗方面的成本控制是有益的.
 锡渣主要是锡在高温环境下和氧气发生反应产生的氧化物,通过物理高温搅拌可以将大部分的锡氧分离(即锡渣还原),将分离的锡重新使用,也可利用化学置换还原反应将锡渣中的氧分子置换后还原成纯锡而重复使用.
 每个工厂可根据自身的机器及工艺安排等方面综合考虑得到较好的无铅化的道路.
有铅焊接到无铅焊接需注意：
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