無鉛手工焊接技術(shù)

無鉛元器件質(zhì)量保證技術(shù)中國賽寶實驗室羅道軍BetterForBusinessBetterForTheEnvironment中國賽寶實驗室羅道軍無鉛元器件質(zhì)量保證技術(shù)無鉛手工焊接技術(shù)0086-2087237161,luodj@1無鉛工藝導(dǎo)入概述2焊接基本原理3無鉛工藝材料4無鉛工藝的特點5無鉛PCB與元器件6無鉛手工焊工藝7焊點質(zhì)量標準8無鉛焊點可靠性分析主要內(nèi)容1無鉛工藝導(dǎo)入概述無鉛導(dǎo)入的驅(qū)動力（為何無鉛化？）鉛污染的機理無鉛的定義綠色電子產(chǎn)品無鉛工藝的范疇1.1無鉛導(dǎo)入的驅(qū)動力（1）鉛元素毒性對人類健康的影響。含大量含鉛廢物處理問題(Disposal)不當(dāng)導(dǎo)致鉛的浸出以及循環(huán)（LenchingandRecycling），然后進入生態(tài)系統(tǒng)！鉛有關(guān)的健康危害包括神經(jīng)系統(tǒng)和生育系統(tǒng)紊亂、神經(jīng)和身體發(fā)育遲緩。鉛中毒特別對兒童的神經(jīng)發(fā)育有危害。產(chǎn)品 蓄電池 氧化物(用于油畫、玻璃和陶瓷、顏料和化學(xué)品)消耗量(%) 80.81 4.78產(chǎn)品 彈藥 鉛箔紙 電纜覆蓋物鑄造金屬 銅錠、銅坯消耗量(%) 4.69 1.79 1.40 1.13 0.72產(chǎn)品 管道、彎頭和其它擠壓成型產(chǎn)品 非電子焊料消耗量(%) 0.72 0.70產(chǎn)品 電子焊料 其它消耗量(%) 0.49 2.77在電子產(chǎn)品中禁止使用鉛并不能解決全部的鉛中毒問題，但是電子垃圾越來越廣泛，環(huán)境加速惡化。大量含鉛廢物處理問題不當(dāng)導(dǎo)致的后果環(huán)保法律法規(guī)(Legislation)歐盟RoHS與WEEE指令在2006年7月1日起開始全面禁止含鉛電子焊料與零部件在八大類電子電器產(chǎn)品中使用，電子電器的生產(chǎn)者并必須承擔(dān)其產(chǎn)品的回收與再利用的責(zé)任。國內(nèi)《電子信息產(chǎn)品污染防治管理辦法》也將有類似的規(guī)定,限制包括鉛、鎘、汞、六價鉻以及PBB與PBDE兩種阻燃劑在內(nèi)的六種物質(zhì)在電子信息產(chǎn)品中的使用。包裝指令(94/62/EEC)2004/12/EC加州65CaliforniaProposition65（美國）各知名公司的內(nèi)部環(huán)境管理規(guī)范。。。。。。1.1無鉛導(dǎo)入的驅(qū)動力（2）自2006年07月01日起禁止進入歐盟市場的電子電器產(chǎn)品中含有超過設(shè)定水平（MLV）的下列有毒有害物質(zhì)（有部分豁免）：Lead*（Pb）Cadmium*（Cd）Mercury*（Hg）Hexavalentchromium（Cr6＋）Polybrominatedbiphenyls(PBB)Polybrominateddiphenylethers(PBDE) *包括其金屬與其化合物設(shè)備制造者最關(guān)心的就是含鉛焊料的禁止使用!MLV：Pb,Hg,Cr(VI),PBBandPBDE=0.1%byweight（重量百分比）

in“均勻材質(zhì)homogeneousmaterials”Cd=0.01%byweight（重量百分比）

in“均勻材質(zhì)歐盟RoHS指令的核心內(nèi)容1.1無鉛導(dǎo)入的驅(qū)動力（3）許多人預(yù)測，是否立法無關(guān)輕重，市場需求就足以推動無鉛電子組裝。Motorola先進技術(shù)中心主任I.Turlik博士所作的分析表明：20%的消費者在購買產(chǎn)品時會積極考慮其對環(huán)境的影響；45%的消費者會由于其環(huán)境安全性而購買某種產(chǎn)品；50%的消費者在發(fā)現(xiàn)某產(chǎn)品危害環(huán)境時會轉(zhuǎn)向其它品牌；價格和質(zhì)量相近時，76%的消費者會選擇具有環(huán)境安全性的產(chǎn)品。例：Panasonic于1998年10月向市場投放lead-free迷你唱片播放機，采用綠色樹葉作為環(huán)保標志，使其市場份額由4.7%增加到15%。Ford認為“綠色概念”在未來具有最大市場競爭力。市場競爭的壓力機遇？挑戰(zhàn)？歐盟的市場有多大？歐盟的消費類電子電器產(chǎn)品需求持續(xù)增長：歐美2002年雙邊電子產(chǎn)品貿(mào)易額：620億美元！2003年中歐雙邊機電產(chǎn)品貿(mào)易額320億元人民幣，并每年以30％速度增長！1.2鉛污染的機理關(guān)鍵：PbH＋/H2O+CO2Pb2＋1.3無鉛的定義Atpresent,thereisnocommonworldstandardforthestipulationoftheleadcontentasimpuritiestolead-freesolders(i.e.,maximumconcentrationvalues).However,目前沒有全球統(tǒng)一的標準定義，但一般均認為，當(dāng)產(chǎn)品中鉛含量小于規(guī)定值：時，可稱無鉛。。。RoHS<0.1wt%Pb（均質(zhì)材料?。㎎EIDA<0.1wt%PbEUELVD<0.1wt%PbJ-STD-006A:<0.1wt%Pb(forSolderonly)1.4綠色電子產(chǎn)品綠色食品？國內(nèi)有相關(guān)的定義！綠色電子產(chǎn)品？目前國內(nèi)外均未有統(tǒng)一的定義！于是許多企業(yè)自己定義。。。一般認為：符合RoHS要求、以及其它環(huán)保（如無聲、光、輻射等污染）要求的電子產(chǎn)品可稱“綠色電子產(chǎn)品”。1.6無鉛工藝的范疇廣義上講應(yīng)該是：使用無鉛原材料與無鉛零部件制造出合格的無鉛產(chǎn)品的工藝過程。狹義上講，由于無鉛的導(dǎo)入一切因焊料的轉(zhuǎn)換而起，因此，無鉛工藝一般只限于與使用無鉛焊料相關(guān)的過程，包括：1）無鉛手工焊工藝

2）無鉛回流焊工藝3）無鉛波峰焊工藝等。2焊接基本原理電子焊接工藝概述焊接機理分析焊點質(zhì)量影響因素分析2.1焊接工藝概述（1）焊接種類：

熔焊壓焊釬焊釬焊壓焊熔焊超聲壓焊金絲球焊激光焊電子組裝關(guān)鍵——連接技術(shù)：焊接工藝技術(shù)焊接技術(shù)的重要性——焊點是元器件與印制電路板電氣連接和機械連接的連接點。焊點的結(jié)構(gòu)和強度就決定了電子產(chǎn)品的性能和可靠性。焊接技術(shù)在電子制造中的地位2.1焊接工藝概述（2）焊接基本方法手工烙鐵焊接浸焊波峰焊再流焊2.1焊接工藝概述（3）軟釬焊與電子焊接工藝定義

焊接學(xué)中，把焊接溫度低于450℃的焊接稱為軟釬焊，所用焊料為軟釬焊料。電子產(chǎn)品的焊接一般均為軟釬焊。軟釬焊的特點1）釬料熔點低于焊件熔點；2）加熱到釬料熔化，潤濕焊件；3）焊接過程焊件不熔化；4）焊接過程需要加焊劑；（清除氧化層）5）焊接過程可逆。（解焊）

2.1焊接工藝概述（4）——是通過熔融的焊料合金與兩個被焊接金屬表面之間生成金屬間合金層，從而實現(xiàn)兩個被焊接金屬之間電氣與機械連接的焊接技術(shù)。電子焊接的定義2.1焊接工藝概述（5）

概述當(dāng)焊料被加熱到熔點以上，焊接金屬表面在助焊劑的活化作用下，對金屬表面的氧化層和污染物起到清洗作用，同時使金屬表面獲得足夠的激活能。熔融的焊料在經(jīng)過助焊劑凈化的金屬表面上進行浸潤、發(fā)生擴散、冶金結(jié)合，在焊料和被焊接金屬表面之間生成金屬間結(jié)合層，冷卻后使焊料凝固，形成焊點。2.2焊接機理焊接過程分析－物理與化學(xué)清洗（1）助焊劑中的溶劑溶解母材表面的污染物－－物理清洗；（2）助焊劑中的活性物質(zhì)（有機酸、鹵素以及松香等）通過化學(xué)反應(yīng)去除母材（被焊面）的氧化物－－－化學(xué)清洗（松香去除氧化膜——松香的主要成分是松香酸，軟化點約為74～140℃。170℃呈活性反應(yīng)，300℃以上無活性。松香酸和CuO反應(yīng)生成松香酸銅。松香酸在常溫下和300℃以上不能和CuO起反應(yīng)。一般采用氯離子Cl-或有機酸，使氧化膜生成氯化物或有機化物而溶解。）（3）部分母材被溶解——活性強的助焊劑容易溶解母材。2.2焊接機理（1）焊接過程分析－－續(xù)（4）助焊劑與焊料的反應(yīng)A助焊劑中活性劑在加熱時能釋放出的活性劑（如HCl）與焊料表面的氧化物（SnO）起反應(yīng)。B活性劑的活化反應(yīng)產(chǎn)生激活能，減小焊料的界面張力，提高浸潤性。C焊料與助焊劑反應(yīng)，產(chǎn)生部分錫渣。（5）焊料與母材的反應(yīng)潤濕、擴散、冶金結(jié)合，形成結(jié)合層2.2焊接機理（1）潤濕角θ

θ=焊料和母材之間的界面與焊料表面切線之間的夾角。

當(dāng)θ=0°時，完全潤濕；

當(dāng)θ=180°時，完全不潤濕。焊點的最佳潤濕角Cu----Pb/Sn15~45°2.2焊接機理（2）潤濕液體在固體表面漫流的物理現(xiàn)象潤濕是物質(zhì)固有的性質(zhì)潤濕是焊接的首要條件潤濕條件（1）液態(tài)焊料與母材表面清潔，無氧化層和其它污染物。清潔的表面使焊料與母材原子緊密接近，產(chǎn)生引力，稱為潤濕力。當(dāng)焊料與被焊金屬之間有氧化層和其它污染物時，妨礙金屬原子自由接近，不能產(chǎn)生潤濕作用。這是形成虛焊的原因之一。（2）液態(tài)焊料與母材之間有良好的親和力，能互相溶解?；ト艹潭热Q于：原子半徑和晶體類型，因此潤濕是物質(zhì)固有的性質(zhì)。2.2焊接機理（2）表面張力與潤濕力熔融焊料在金屬表面潤濕的程度除了與液態(tài)焊料與母材表面清潔程度有關(guān)，還與液態(tài)焊料的表面張力有關(guān)。表面張力與潤濕力的方向相反，表面張力大不利于潤濕。表面張力是物質(zhì)的本性，不能消除，但可以改變。2.2焊接機理（2）表面張力分析

表面張力——在不同相共同存在的體系中，由于相界面分子與體相內(nèi)分子之間作用力不同，導(dǎo)致相界面總是趨于最小的現(xiàn)象。由于液體內(nèi)部分子受到四周分子的作用力是對稱的，作用彼此抵消，合力=0。但是液體表面分子受到液體內(nèi)分子的引力大于大氣分子對它的引力，因此液體表面都有自動縮成最小的趨勢。熔融焊料在金屬表面也有表面張力現(xiàn)象。大氣大氣液體內(nèi)部分子受力合力=0液體表面分子受液體內(nèi)分子的引力＞大氣分子引力2.2焊接機理（2） ?熔融合金的粘度與表面張力是焊料的重要性能。 ?優(yōu)良的焊料熔融時應(yīng)具有低的粘度和低表面張力，以增加焊料的流動性及潤濕性。 ?錫鉛合金的粘度和表面張力與合金的成分密切相關(guān)。配比（Wt%）表面張力(N/cm)粘度（mPa?s)SnPb20804.67×10-32.7230704.7×10-32.4550504.76×10-32.1963374.9×10-31.9780205.14×10-31.92錫鉛合金配比與表面張力及粘度的關(guān)系（280℃測試）潤濕性分析－－粘度與表面張力2.2焊接機理（2）改善潤濕性－－－焊接中降低表面張力和黏度的措施①提高溫度——升溫可以降低黏度和表面張力的作用。升高溫度可以增加熔融焊料內(nèi)的分子距離，減小焊料內(nèi)分子對表面分子的引力。②適當(dāng)?shù)慕饘俸辖鸨壤猄n的表面張力很大，增加Pb可以降低表面張力。63Sn/37Pb表面張力明顯減小。

η表mn/m粘面度張540力520500T（℃）4801020304050Pb含量%

溫度對黏度的影響250℃時Pb含量與表面張力的關(guān)系

2.2焊接機理（2）③增加活性劑——能有效地降低焊料的表面張力，還可以去掉焊料的表面氧化層。④改善焊接環(huán)境——采用氮氣保護焊接可以減少高溫氧化，降低表面張力（提高潤濕性）。焊接中降低表面張力和黏度的措施2.2焊接機理（2）金屬原子以結(jié)晶排列，原子間作用力平衡，保持晶格的形狀和穩(wěn)定。當(dāng)金屬與金屬接觸時，一定條件下，界面上晶格紊亂導(dǎo)致部分原子從一個晶格點陣移動到另一個晶格點陣。四種擴散形式：表面擴散、晶內(nèi)擴散、晶界擴散、選擇擴散。擴散條件：1）相互距離（金屬表面清潔，無氧化層和其它雜質(zhì)，兩塊金屬原子間才會發(fā)生引力），即潤濕發(fā)生后。2）溫度（在一定溫度下金屬分子才具有動能）2.2焊接機理（3）擴散PbSn表面擴散向晶粒內(nèi)擴散分割晶粒擴散選擇擴散擴散示意圖Cu表面熔融Sn/Pb焊料側(cè)晶粒2.2焊接機理（3）

金屬間結(jié)合層Cu3Sn和Cu6Sn5金屬間結(jié)合層Cu3Sn和Cu6Sn5放大1,000倍的QFP引腳焊點橫截面圖以63Sn/37Pb焊料為例，共晶點為183℃焊接后（210-230℃）生成金屬間結(jié)合層：Cu6Sn5和Cu3Sn合金化－－冶金結(jié)合，形成結(jié)合層2.2焊接機理（4）2.3焊點質(zhì)量影響因素分析焊點質(zhì)量的主要影響因素：（1）金屬間化合物（IMC）種類與厚度（2）焊接材料的質(zhì)量（3）焊料量當(dāng)溫度達到210-230℃時，Sn向Cu表面擴散，而Pb不擴散。初期生成的Sn-Cu合金為：Cu6Sn5（η相）。其中Cu的重量百分比含量約為40%。隨著溫度升高和時間延長，Cu原子滲透（溶解）到Cu6Sn5中，局部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镃u3Sn（ε相），Cu含量由40%增加到66%。當(dāng)溫度繼續(xù)升高和時間進一步延長，Sn/Pb焊料中的Sn不斷向Cu表面擴散，在焊料一側(cè)只留下Pb，形成富Pb層。Cu6Sn5和富Pb層之間的的界面結(jié)合力非常脆弱，當(dāng)受到溫度、振動等沖擊，就會在焊接界面處發(fā)生裂紋。以63Sn/37Pb焊料與Cu表面焊接為例（1）金屬間化合物（IMC）類型與厚度2.3焊點質(zhì)量影響因素分析（1）焊點(結(jié)合層)結(jié)構(gòu)示意圖Pb熔融Sn/Pb焊料側(cè)Cu焊端表面CuSnCu6Sn5Cu3Sn富Pb層2.3焊點質(zhì)量影響因素分析（1）焊料直接與Cu生成的合金層紅色的箭指示的是Cu3Sn層2.3焊點質(zhì)量影響因素分析（1）Cu6Sn5與Cu3Sn兩種金屬間結(jié)合層比較名稱分子式形成位置顏色結(jié)晶性質(zhì)η相Cu6Sn5焊料潤濕到Cu時立即生成Sn與Cu之間的界面白色（SEM）球狀良性，強度高ε相Cu3Sn溫度高、焊接時間長引起Cu與Cu6Sn5之間灰色（SEM）骨針狀惡性，強度差，脆性CuCu3SnCu6Sn5富Pb層Sn/Pb拉伸力（千lbl/in2）

*＞4μm時，由于金屬間合金層太厚，使連接處失去彈性，由于金屬間結(jié)合層的結(jié)構(gòu)疏松、發(fā)脆，也會使強度小。*厚度為0.5μ～1.5m時抗拉強度最佳；*0.5~4μm時的抗拉強度可接受；*＜0.5μm時，由于金屬間合金層太薄，幾乎沒有強度；金屬間合金層厚度（μm）金屬間合金層厚度與抗拉強度的關(guān)系金屬間合金層厚度與抗拉強度的關(guān)系金屬間結(jié)合層的質(zhì)量與厚度的影響因素

(a)焊料的合金成份和氧化程度(要求焊料合金組分盡量達到共晶或近共晶；含氧量應(yīng)小于0.5%，最好控制在80ppm以下）(b)被焊接金屬表面的氧化程度（只有在凈化表面，才能發(fā)生化學(xué)擴散反應(yīng)）(c)焊接溫度和焊接時間焊點和元件受熱的熱量隨溫度和時間的增加而增加。金屬間結(jié)合層的厚度與焊接溫度和時間成正比。例如SnPb焊料在183℃以上，但沒有達到一定的溫度時在Cu和Sn之間的擴散，不能生成足夠的金屬間結(jié)合層。一般只有在～220℃維持2秒鐘的條件下才能生成良性的結(jié)合層。但焊接溫度更高時，擴散反應(yīng)率就加速，就會生成過多的惡性金屬間結(jié)合層。焊點變得脆性而多孔。IMC厚度是溫度和時間的函數(shù)運用焊接理論正確設(shè)置工藝溫度曲線才能獲得最好焊點質(zhì)量。Sn-Pb系焊料金相圖（2）焊接材料的質(zhì)量有鉛、無鉛都應(yīng)首先選擇共晶或近共晶焊料合金最佳焊接溫度線液態(tài)固態(tài)①A-B-C線——液相線②A-D、C-E線——固相線③D-F、E-G線——溶解度曲線④D-B-E線——共晶點⑤L區(qū)——液體狀態(tài)⑥L+、L+區(qū)——二相混合狀態(tài)⑦+區(qū)——凝固狀態(tài)2.3焊點質(zhì)量影響因素分析（2）（3）與焊料量有關(guān)2.3焊點質(zhì)量影響因素分析（3）2.4無鉛焊接原理無鉛焊接過程、原理與有鉛是一樣的。主要區(qū)別是由于合金成分和助焊劑成分改變了，因此焊接溫度、生成的金屬間結(jié)合層及其結(jié)合層的結(jié)構(gòu)、強度、可靠性也不同了。何況有鉛焊接時Pb是不擴散的，Pb在焊縫中只起到填充作用。另外，無鉛焊料中Sn的含量達到95%以上。金屬間結(jié)合層的主要成分還是Cu6Sn5和Cu3Sn

。當(dāng)然也不能忽視次要元素也會產(chǎn)生一定的作用。以Sn-Ag-Cu為例分析無鉛焊接過程在Sn-Ag-Cu三個元素之間有三種可能的二元共晶反應(yīng)：（a）Ag與Sn在221℃形成錫基質(zhì)相位的共晶結(jié)構(gòu)和ε金屬之間的化合相位(Ag3Sn)。（b）Cu與Sn在227℃形成錫基質(zhì)相位的共晶結(jié)構(gòu)和η金屬間的化合相位(Cu6Sn5)。（c）Ag與Cu在779℃形成富Agα相和富Cuα相共晶合金。但在Sn-Ag-Cu的三種合金固化溫度的測量研究中沒有發(fā)現(xiàn)779℃相位轉(zhuǎn)變。在溫度動力學(xué)上解釋：更適于Ag或Cu與Sn反應(yīng)，生成Ag3Sn和Cu6Sn5。Sn與次要元素Ag和Cu之間的冶金反應(yīng)Sn-Ag-Cu無鉛焊料中Ag與Sn在221℃形成共晶板狀的Ag3Sn合金板狀的Ag3Sn較硬，當(dāng)Ag含量超過3.2wt%以后（出現(xiàn)過共晶成分）拉伸強度降低，容易造成疲勞壽命降低，因此推薦使用低Ag的Sn3Ag0.5Cu。Sn-Ag-Cu焊接過程中的合金化3無鉛工藝材料無鉛助焊劑無鉛焊料無鉛焊錫膏無鉛焊錫絲助焊劑的作用在焊焊過程中去除母材和液態(tài)焊料表面的氧化物，為液態(tài)焊料的鋪展創(chuàng)造條件；以液體薄層覆蓋母材和焊料表面，從而隔絕空氣起保護作用；起界面活性作用，改善液態(tài)焊料對母材表面的潤濕性。助焊劑的組成溶劑、活性劑（鹵素、有機酸、松香等）、表面活性劑、成膜物質(zhì)、特殊添加劑3.1無鉛助焊劑（1）3.1無鉛助焊劑（2）序號J-STD-004分類與之相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)焊劑分類(GB/JIS)1L0類型焊劑(0表示無鹵素；1表示有鹵素，下同)所有R類型焊劑2一些低固態(tài)“免洗”型焊劑3一些RMA類型焊劑4L1類型焊劑大部分RMA5一些RA類型6M0類型焊劑一些RA類型7一些低固態(tài)“免洗”型焊劑8M1類型焊劑大部分RA類型焊劑一些RSA類型焊劑9H0類型焊劑一些水溶性焊劑10H1類型焊劑（L，M，H表示活性高低）一些RSA類型焊劑11大部分水溶性焊劑與合成活化焊劑助焊劑的分類與選用3.1無鉛助焊劑（3）助焊性（擴展率，最好》90％）腐蝕性（銅鏡腐蝕、銅板腐蝕）表面絕緣電阻（SIR，》1012歐姆）鹵素含量（Cl％）殘留物固體含量關(guān)鍵性能指標PCBA腐蝕的案例3.2無鉛焊錫膏本身項目（粘度、坍塌性能、潤濕性、錫珠試驗、金屬含量、工藝性－可印刷性、干燥時間）助焊劑部分（SIR、腐蝕性、鹵素）合金部分（化學(xué)成分、粒度形狀以及分布）要評估的關(guān)鍵性能指標焊錫膏的坍塌性能測試3.3無鉛焊錫絲合金部分（金屬與雜質(zhì)）助焊劑（SIR、腐蝕性、鹵素、殘留物）本身項目（助焊劑含量、線徑、連續(xù)性、噴濺量）要評估的關(guān)鍵性能指標焊錫絲－噴濺試驗噴濺量％＝焊錫絲電烙鐵注意：無鉛焊錫絲助焊劑含量增大；腐蝕性增加；噴濺量增加！3.4無鉛焊料（1）(1)電、力學(xué)性能良好；(2)潤濕性良好;(3)無潛在電解腐蝕或晶須生長;(4)成本適中;(5)可被加工成各種不同形式;(6)與現(xiàn)有的焊劑系統(tǒng)兼容;(7)能夠與市場上現(xiàn)行的波峰焊、SMT和手工組裝工藝兼容。理想的無鉛焊料標準3.4無鉛焊料（2）目前使用的主流無鉛焊料焊接工藝無鉛焊料推薦機構(gòu)回流焊工藝95.5Sn-3.8Ag-0.7CuIDEALS95.5Sn-3.9Ag-0.6CuNEMI96.5Sn-3.0Ag-0.5CuJIEDA96.5Sn-3.5Ag/SnAgBi/Sn42Bi58波峰焊工藝SnAg(3.0~4.0)Cu(0.5~0.7)99.3Sn-0.7Cu96.5Sn-3.5AgSnAg(3.0~4.0)Cu(0.5~0.7)手工焊工藝99.3Sn-0.7Cu96.5Sn-3.5Ag3.4無鉛焊料（3）ISURFSenjuNEMIBRITEEURAMJEIDA無鉛焊料的專利問題USPatentno.5,527,628(IowaState&Ames)3.5-7.7Ag1-4Cu0-10Bi0-1ZnJPPatentno.5,050,286(Senju)3-5Ag0.5-3Cu0-5Bi0-5Sb，二元合金無專利問題4無鉛工藝的特點（1－高熱容）Sn-Pb共晶焊料只需要30-50秒的再流時間來保證充分鋪展。無鉛焊料需要50-70秒的再流時間來保證充分鋪展。Pb-freeReflowProfile(Example)4無鉛工藝的特點（2－小工藝窗口）

工藝窗口的大幅縮小?。?！如采用SnAgCu焊料(熔點為217oC)，再加上5oC的控制限制，實際的工藝窗口只有8oC。如此之窄，對于電子組裝絕對是一個挑戰(zhàn)。同時，工藝過程的溫度實時監(jiān)控更為重要。應(yīng)對策略：增加窗口上限！提高焊接的最高溫度！元器件的安全溫度235～245℃SAC熔點217℃SnPb熔點183℃4無鉛工藝的特點（3－低潤濕性）SnCu(260):~1.8~2.3sSnPb(235):~0.8s同樣條件下：助焊劑、(溫度)被焊面tw5無鉛PCB與元器件5.1無鉛元器件標識（1）IPC1066Note:ItemsthatcontainPbshallnotusethislabelevenifexemptedbyRoHS.5.1無鉛元器件標識（2）MaterialsthatcontainindiumIndiumContainingMaterialswithBismuthBismuthContainingTin/Zinc=SnZn(noBi)

orversionsZinccontainingSnAgCuandit’sversionsTin/Silver/Copper

Au,NiPd,NiPdAu

PureTin(Sn)

SnCu,SnAg,SnAgCuX

MaterialTypeProposedMarkPreplatedmaterialsTinPlate(allforms)OtherPbFreesolders(NoBismuth)Categorizatione1e2e3e4e5e6e75.2無鉛PCB與PCBA標識SubstrateER–EpoxyResinUR–UrethaneResinAR–AcrylicResinSR–SiliconeResinXY-ParyleneSize:aminimumof22mmx25mmwiththeminimumdiameterofthecircle=18mm.Location:onPCBlayer1(topside)atthelowerrighthandsegment.Halogen-free:Resinsthatcontainlessthan900ppmbromine,andlessthan900ppmchlorine,andlessthan1500ppmtotalhalogens.NOTE:RoHSprohibitedbrominatedsubstancesarenotgenerallyfoundinprintedwiringboardmaterials.BOARD/ASSEMBLYMARKING5.3無鉛PCB的基本要求1）基材穩(wěn)定性，高的Tg和Td（FR4？）2）焊盤可焊性LeadingPCBCu-PadFinishesOSP(OrganicSolderPreservative),EntekENIG(ElectrolessNickel-ImmersionAu)ImAg(ImmersionSilver)HASL(Hot-AirSolderLeveling),SnCu5.3無鉛元器件的基本要求1、Solderability可焊性2、ResistancetoSolderHeat耐焊接熱（Reflow，flow，Handsoldering）3、ResistancetoDissolutionofMetallization金屬化涂層（或端子）耐熔解(260-30s)4、WhiskerTest錫須試驗5、塑料封裝器件潮濕回流敏感度評價5.3.1無鉛元器件可焊性要求由有鉛工藝向無鉛工藝轉(zhuǎn)換過程中各要素的變化有鉛良好焊點形成要素100％無鉛無鉛無鉛無鉛端子可焊性S焊接溫度ΔT助焊劑活性A焊料潤濕性w無鉛元器件可焊性測試評價01WettingBalance潤濕天平法測試方法與依據(jù)：ANSI/J-STD-002B,IEC60068-2-58,MIL-STD-202G無鉛元器件可焊性測試評價02DipandLook5.3.2ResistancetoSolderingHeat耐焊接熱Reflow，flow，Handsoldering

HandsolderingwavesolderingReflow235(30S)，F(xiàn)low260(10S)，Handsoldering350(5S)SolderingHeat造成的元件損傷SolderingHeat造成的器件損傷Cross-sectionof144LQFPpackageafterlevel

2a/260°Cindicatingcrackinmoldcompound.Cross-sectionofthe2-layerPBGApackageafterindicatingdelaminationwithinthedieattachlayerandinternalsubstratelayers5.3.3ResistancetoDissolutionofMetallization金屬化涂層（或端子）耐熔解(260-30s)---SMD5.3.4MSL？塑封器件的回流敏感度Moisture/ReflowSenstive問題由來塑料封裝器件潮濕回流敏感度等級等級最低耐受時間(FloorLife)[注]試驗要求時間條件時間(h)條件1無限制30℃/85%RH16885℃/85%RH21年30℃/60%RH16885℃/60%RH2a4周30℃/60%RH67230℃/60%RH3168小時30℃/60%RH19230℃/60%RH472小時30℃/60%RH9630℃/60%RH548小時30℃/60%RH7230℃/60%RH5a24小時30℃/60%RH4830℃/60%RH6標簽上的時間30℃/60%RH標簽上的時間30℃/60%RH5.3.5Tinwhisker錫須－－問題產(chǎn)生PTHLeadedComponents:(e.g.,PGA)Sn(eitherplateordip)SMTLeadedComponents:(e.g.,PQFP)Matte-Sn(forshortlifecycleapplications)Matte-SnwithNibarrierunderlayer*SolderBalledComponents:(e.g.,PBGA)Sn4wt%AgCuDiscreteComponents:(e.g.,chipresistor)Matte-SnComponent－LeadingSurfaceFinishes主要元器件引腳的可焊性涂層錫須特征純錫單晶，最長可達>10mm典型大?。?～3微米×300微米錫須的主要形狀：Filament/Nodule/Column/Hillock危險：可導(dǎo)致細間距引腳元器件將來短路的可靠性問題！VariousKindsofTinWhiskersForFinePitchLeadedComponentsTinWhiskersMayShortCircuits!錫須的結(jié)構(gòu)TinWhiskerMechanisms(1)ThediffusionofCuintoSnandtheformationofCu6Sn5cangeneratecompressivestressintheSnlayer.(2)Thethermalloads.(3)Themechanicalloads.(4)Theshockandvibrationloads.(5)Theself-diffusionofSnalongSngrainboundariestotherootofawhiskerwillsupplymoreSnatomstopushtheSnwhiskerupward(dislocationloopclimbingeffectonthegrainboundaries).(6)SnOxlayerwithweakspots錫須生長過程NodulePicturesTakenPeriodically(x1700)如何降低錫須造成的可靠性風(fēng)險？鍍大結(jié)晶顆粒的matte-錫以減低錫須生長速率鍍厚錫，最好》10um,最少＝8um回流或再熔化一次錫鍍層，以釋放鍍層中的壓縮應(yīng)力使用鎳阻擋層，阻止銅擴散入錫層形成錫銅IMC使用合金鍍層（如Sn－Cu/Bi）采用退火工藝（150℃×3h）錫表面形成較厚的SnO，但不能太厚以免潤濕不良ForHigh-End(LongLifeCycle)Lead-FreeSMTLeadedComponentsThestressintheSn-layerduetotheformationoftheNi3Sn4IMC(inter-MetallicCompound)isintension1m

10m

錫須評價使用方法(1)JEDECSTANDARDJESD22A121MeasuringWhiskerGrowthonTinandTinAlloySurfaceFinishesSonyTechnicalStandardSS-00245-8(10)[TinWhiskerevaluation]1)HighTemperature/HumidityTest:85oC,85%RHfor500hrs2)ThermalCyclingTest:-35oCfor30minto125oCfor30min500cyclesNotes:NoBiasVoltageandheattreatmentEvaluationcriteria:Whiskerformation50umorless錫須評價使用方法(2)0錫須評價中發(fā)現(xiàn)的典型(1)SEM檢查錫須時注意與枝晶的區(qū)別6無鉛手工焊工藝定義與用途典型工藝曲線工藝流程手工焊過程控制工具選擇材料選擇定義使用電烙鐵與焊錫絲形成焊點的過程。用途1）自動焊接后焊接面的修補與加強焊；2）整機中各部件的裝聯(lián)焊接；3）產(chǎn)量很小或單件生產(chǎn)產(chǎn)品的焊接；4）溫度敏感元器件與有特殊靜電要求的元器件的焊接；5）產(chǎn)品設(shè)計人員與維修人員的修正焊接。6.1手工焊工藝定義與用途6.2手工焊工藝曲線（1）表示助焊劑活化區(qū)綠色區(qū)代表回流焊區(qū)粉色區(qū)代表器件損壞紅色區(qū)代表PCB損壞無鉛加工窗口,回流焊有鉛加工窗口,接回流焊典型手工錫焊（焊點）實時溫度

–時間曲線無鉛曲線有鉛曲線6.2手工焊工藝曲線（2）330～380240～275160～200溫度/℃無鉛取上限有鉛取下限6.2烙鐵頭溫度的設(shè)定（3）焊料名稱熔點（℃）焊接溫度℃（熔點＋50℃）烙鐵頭溫度℃（焊接溫度＋100）Sn-Pb共晶焊料183233333Sn-0.7Cu227277377SACSnAg(3-4)Cu(0.5-0.7)2172673676.3工藝流程1.準備焊接：清潔烙鐵2.加熱焊件：烙鐵頭放在被焊金屬的連接點3.熔錫潤濕：添加錫絲，錫絲放在烙鐵頭對側(cè)處4.撤離焊錫：撤離錫絲5.停止加熱：撤離烙鐵（確保每個焊點焊接時間2~3s）6.4手工焊工藝過程控制（1）

焊前準備－烙鐵頭清潔烙鐵頭前端因助焊劑污染，易引起焦黑殘渣，妨礙烙鐵頭前端的熱傳導(dǎo)。最好每個焊點焊接前都要對烙鐵頭進行清潔。每天使用前清潔劑將海綿清洗干凈

，沾在海棉上的焊錫附著在烙鐵頭上，會導(dǎo)致助焊劑不足，同時海棉上的殘渣也會造成二次污染烙鐵頭。烙鐵頭的溫度超過松香溶解溫度后插入松香，使其表面涂覆一薄層松香，然后才開始進行正常焊接。加熱焊件工（焊）件通過與烙鐵頭接觸獲得焊接所需要的溫度。1）接觸位置：烙鐵頭應(yīng)同時接觸需要互相連接的兩個焊件，烙鐵頭一般傾斜45度，應(yīng)該避免只與一個焊件接觸或接觸面積太小的現(xiàn)象。2）接觸壓力：烙鐵頭與焊件接觸時應(yīng)施以適當(dāng)壓力，