SMT技術(shù)與無鉛制程

1、Date,SMT技朮與Lead free 制程,講師:工程部/王華清,Date,概 念,Date,2.表面貼裝(簡稱SMT) SMT是在P.C.B上使用焊錫墊(Solder Pad),使其高溫融化與連接器管腳焊在一起的技朮. 它的優(yōu)點(diǎn)是:可以雙面安裝,增加P.C.B使用面積層數(shù),使其 布線更合理,更緊湊. 它的缺點(diǎn)是:安裝定位要求高,需要耐高溫材料,如(PA6T. PPS.LCP等),成本較高.,Date,組裝密度高、電子產(chǎn)品體積小、重量輕，貼片元件的體積和重量只有傳統(tǒng)插裝元件的1/10左右，一般采用SMT之后，電子產(chǎn)品體積縮小40%60%，重量減輕60%80%。 可靠性高、抗振能力強(qiáng)。焊點(diǎn)缺

2、陷率低。 高頻特性好。減少了電磁和射頻干擾。 易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率。降低成本達(dá)30%50%。 節(jié)省材料、能源、設(shè)備、人力、時(shí)間等。 為什么要用表面貼裝技術(shù)(SMT)？ 電子產(chǎn)品追求小型化，以前使用的穿孔插件元件已無法縮小 電子產(chǎn)品功能更完整，所采用的集成電路(IC)已無穿孔元件，特別是大規(guī)模、高集成IC，不得不采用表面貼片元件 產(chǎn)品批量化，生產(chǎn)自動(dòng)化，廠方要以低成本高產(chǎn)量，出產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品以迎合顧客需求及加強(qiáng)市場競爭力 電子元件的發(fā)展，集成電路(IC)的開發(fā)，半導(dǎo)體材料的多元應(yīng)用 電子科技革命勢在必行，追逐國際潮流,Date,Date,SMT之優(yōu)點(diǎn) 1,可使封裝密度提高50%-70%; 2

3、,可將多個(gè)零件合並於一個(gè)SMA相; 3,可用更高腳數(shù)之各種零件; 4,提高傳輸速率; 5,組裝前無須任何準(zhǔn)備工作; 6,具有更多且快速之自動(dòng)化生產(chǎn)能力; 7,減少零件貯存空間; 8,節(jié)省製造廠房,且總成本降低.,Date,焊點(diǎn)形成,Date,回焊爐及錫膏印刷機(jī),Date,波峰焊機(jī)器,Date,印刷鋼網(wǎng),Date,Date,印刷,Date,Date,關(guān)於印刷壓力,印刷壓力過大時(shí)，鋼版前端會(huì)彎曲，易造成錫膏滲透，而產(chǎn)生 小錫珠。相反如印刷壓力不足，也無法達(dá)到良好印刷效果，可能會(huì) 造成漏印虛印等等現(xiàn)象。適當(dāng)印刷壓力不但可保護(hù)鋼版、刮刀更可 確保產(chǎn)品良率穩(wěn)定。,Date,關(guān)於基板與鋼版間隙,所謂間隙是

4、指基板與鋼版之間的間隔，如果間隙過大時(shí)很容易 發(fā)生錫膏流進(jìn)反面的鋼版，造成錫膏量過多，易產(chǎn)生短路。相反間 隙過小容易發(fā)生印刷後錫膏量不足使印刷形狀崩潰，產(chǎn)生空焊現(xiàn)象。,Date,關(guān)於印刷速度,印刷速度如太快，會(huì)發(fā)生虛印、漏印或錫膏量不足(錫膏印刷時(shí) 下降未完全)。相反印刷速度太慢，錫膏雖有充分時(shí)間下降，但鋼版 與基板接觸時(shí)間過長，而使錫膏流至反面，造成錫膏拉絲而出現(xiàn)小 錫珠。當(dāng)錫膏黏度太低，再連續(xù)印刷時(shí)易造成滲漏下塌而產(chǎn)生短路。,Date,錫膏與印刷條件(參考值),Date,錫膏,Date,焊料從發(fā)明到使用，已有幾千年的歷史。SnPb焊料以其優(yōu)異的性能和低廉的成本，一直得到人們的重用，現(xiàn)已成為

5、電子組裝焊接中的主要焊接材料。但是，鉛及其化合物屬于有毒物質(zhì)，長期使用會(huì)給人類生活環(huán)境和安全帶來較大的危害。從保護(hù)地球村環(huán)境和人類的安全出發(fā)，限制使用甚至禁止使用有鉛焊料的呼聲越來越強(qiáng)烈，這種具有悠久應(yīng)用歷史的SnPb焊料，將逐漸被新的綠色焊料所替代，在進(jìn)入二十一世紀(jì)時(shí)，這將成為可能。 人體通過呼吸，進(jìn)食，皮膚吸收等都有可能吸收鉛或其化合物，鉛被人體器官攝取后，將抑制蛋白質(zhì)的正常合成功能，危害人體中樞神經(jīng)，造成精神混亂、呆滯、生殖功能障礙、貧血、高血壓等慢性疾病。鉛對(duì)兒童的危害更大，會(huì)影響智商和正常發(fā)育。,無鉛焊料,Date,電子工業(yè)中大量使用的SnPb合金焊料是造成污染的重要來源之一，在制造

6、和使用SnPb焊料的過程中，由于熔化溫度較高，有大量的鉛蒸氣逸出，將直接嚴(yán)重影響操作人員的身體健康。波峰焊設(shè)備在工作中產(chǎn)生的大量的富鉛焊料廢渣，對(duì)人類生態(tài)環(huán)境污染極大。近年來有關(guān)地下水中鉛的污染更引起人們的關(guān)注，除了廢棄的蓄電池大量含鉛外，丟棄的各種電子產(chǎn)品PCB上所含的鉛也不容忽視。以美國為例，每年隨電子產(chǎn)品丟棄的PCB約一億塊，按每塊含SnPb焊料10克，其中鉛含量為40計(jì)算，每年隨PCB丟棄的鉛量即為400噸。當(dāng)下雨時(shí)這些鉛變成溶于水的鹽類，逐漸溶解污染水，特別是在遇酸雨時(shí)，雨中所含的硝酸和鹽酸，更促使鉛的溶解。對(duì)于飲用地下水的人們，隨著時(shí)間的延長，鉛在人體內(nèi)的積累，就會(huì)引起鉛中毒。,D

7、ate,二十世紀(jì)九十年代初，由美國國會(huì)提出了關(guān)于鉛的限制法案，并由工作小組著手進(jìn)行無鉛焊料的研究開發(fā)活動(dòng)。目前，美國已在汽車、汽油、罐頭、自來水管等生產(chǎn)和應(yīng)用中禁止使用鉛和含鉛焊料。但該法案對(duì)電子工業(yè)產(chǎn)生的效能并不大，在電子產(chǎn)品中禁止使用含鉛焊料進(jìn)展緩慢。歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家對(duì)焊料中限制鉛的使用也很關(guān)注。對(duì)于居住環(huán)境意識(shí)較強(qiáng)的歐洲，歐盟于1998年通過法案，已明確從2004年1月1日起任何制品中不可使用含鉛焊料，但因技術(shù)等方面的原因，在電子產(chǎn)品中完全禁止使用鉛有可能推遲至2008年執(zhí)行。在無鉛焊料研究和應(yīng)用方面，日本走得最快。為了適應(yīng)市場的需要，擴(kuò)大市場份額，日本提出了生產(chǎn)綠色產(chǎn)品的概念。松下

8、電器、日立、NEC、富士通等各大公司紛紛降低了鉛的使用，并制訂了無鉛化的進(jìn)程計(jì)劃，從2000年開始已在部分產(chǎn)品生產(chǎn)中使用無鉛焊料。 此外，隨著微細(xì)間距器件的發(fā)展，組裝密度愈來愈高，焊點(diǎn)愈來愈小，而其所承載的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)負(fù)荷則愈來愈重，對(duì)可靠性要求日益提高，但傳統(tǒng)的SnPb合金的抗蠕變性差，不能滿足近代電子工業(yè)對(duì)可靠性的要求。因此，無鉛焊料的開發(fā)和應(yīng)用，不僅對(duì)環(huán)境保護(hù)有利，而且還擔(dān)負(fù)著提高電子產(chǎn)品質(zhì)量的重要任務(wù)。,Date,近幾年來有關(guān)無鉛焊料的研究工作發(fā)展很快，世界上各大著名公司、國家實(shí)驗(yàn)室和研究院所都投入了相當(dāng)?shù)牧α块_展無鉛焊料的研究。國內(nèi)外的已有的研究成果表明，最有可能替代SnPb焊料

9、的無毒合金是Sn基合金。無鉛焊料主要以Sn為主，添加A g、Zn、Cu、Sb、Bi、In等金屬元素。通過焊料合金化來改善合金性能，提高可焊性。由于SnIn系合金蠕變性差，In英極易氧化，且成本太高；SnSb銻系合金潤濕性差，Sb還稍具毒性，這兩種合金體系的開發(fā)和應(yīng)用較少。實(shí)際上二元系合金要做成為能滿足各種特性的基本材料是不完善的，目前最常見的無鉛焊料主要是以SnA g、SnZn、SnBi為基體，在其中添加適量的其它金屬元素所組成的三元合金和多元合金。如果單純考慮可焊性，能替代SnPb共晶焊料的無鉛焊料很多，如下表所示。 綜觀SnA g、SnZn、SnBi三個(gè)體系無鉛焊料，與SnPb共晶焊料相比

10、，各有優(yōu)缺點(diǎn)。SnA g系焊料，具有優(yōu)良的機(jī)械性能，拉伸強(qiáng)度，蠕變特性及耐熱老化性都比SnPb共晶焊料優(yōu)越，延展性比SnPb共晶焊料稍差，但不存延展性隨時(shí)間加長而劣化的問題。SnA g系焊料，熔點(diǎn)偏高，通常比SnPb共晶焊料要高3040，潤濕性差，而且成本高。熔點(diǎn)和成本是SnA g系焊料存在的主要問題。SnZn系焊料，機(jī)械性能好，拉伸強(qiáng)度比SnPb共晶焊料好，與SnPb焊料一樣，可以拉制成線材使用；具有良好的蠕變特性，變形速度慢，至斷裂的時(shí)間長。該體系最大的缺點(diǎn)是Zn極易氧化，潤濕性和穩(wěn)定性差，且具有腐蝕性。SnBi系焊料，實(shí)際上是以SnA g（Cu）系合金為基體，添加適量的Bi組成的焊料合金

11、，合金的最大的優(yōu)點(diǎn)是降低了熔點(diǎn)，使其與SnPb共晶焊料相近；蠕變特性好，并增大了合金的拉伸強(qiáng)度，但延展性變壞，變得硬而脆，加工性差，不能加工成線材使用。總之，目前雖然已開發(fā)出許多可以替代SnPb合金的焊料，但尚未開發(fā)出一種完全能替代SnPb合金的高性能低成本的無鉛焊料。,Date,為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境和提高產(chǎn)品質(zhì)量為目的，并考慮電子組裝工藝條件的要求，無鉛焊料應(yīng)滿足以下條件：熔點(diǎn)低，合金共晶溫度近似于Sn63Pb37的共晶溫度183，大致在180220之間；無毒或毒性很低，所選用的材料現(xiàn)在和將來都不會(huì)污染環(huán)境；熱傳導(dǎo)率和導(dǎo)電率要與Sn63Pb37的共晶焊料相當(dāng)；具有良好的潤濕性；機(jī)械性能良好，焊點(diǎn)

12、要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱老化性能；要與現(xiàn)有的焊接設(shè)備和工藝兼容，可在不更新設(shè)備不改變現(xiàn)行工藝的條件下進(jìn)行焊接；與目前使用的助焊劑兼容；焊接后對(duì)各焊點(diǎn)檢修容易；成本要低，所選用的材料能保證充分供應(yīng)。 這是研制開發(fā)無鉛焊料的方向，要做到滿足以上要求，有一定的難度，因此，對(duì)性能、成本均理想的綠色焊料的研制已成為研究的熱點(diǎn)。 電子組裝焊接是一個(gè)系統(tǒng)工程，對(duì)無鉛焊接技術(shù)的應(yīng)用，其影響因素很多，要使無鉛焊接技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用，還必從系統(tǒng)工程的角度來解析和研究以下幾個(gè)方面的問題： 元件：目前開發(fā)已用于電子組裝用的無鉛焊料，熔點(diǎn)一般要比Sn63Pb37的共晶焊料高，所以要求元件耐高溫，而且要求元件也無鉛化，即元

13、件內(nèi)部連接和引出端（線）也要采用無鉛焊料和無鉛鍍層。 PCB：要求PCB板的基礎(chǔ)材料耐更高溫度，焊接后不變形，表面鍍覆的無鉛共晶合金材料與組裝焊接用無鉛焊料兼容，而且要考慮低成本。 助焊劑：要開發(fā)新型的氧化還原能力更強(qiáng)和潤濕性更好的助焊劑，以滿足無鉛焊料焊接的要求。助焊劑要與焊接預(yù)熱溫度和焊接溫度相匹配，而且要滿足環(huán)保的要求。迄今為止，實(shí)際測試證明免清洗助焊劑用于無鉛焊料焊接更好。 焊接設(shè)備：要適應(yīng)新的焊接溫度的要求，預(yù)熱區(qū)的加長或更換新的加熱元件、波峰焊焊槽，機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)裝置都要適應(yīng)新的要求，錫鍋的結(jié)構(gòu)材料與焊料的一致性（兼容性）要匹配。為了提高焊接質(zhì)量和減少焊料的氧化，采用新的行之有效的

14、抑制焊料氧化技術(shù)和采用隋性氣體（例如N 2）保護(hù)焊技術(shù)是必要的。,Date,廢料回收：從含A g的Sn基無鉛無毒的綠色焊料中分離Bi和Cu將是非常困難的，如何回收SnA g合金又是一個(gè)新課題。所以，無鉛焊料的實(shí)用化進(jìn)程是否順利，與焊接設(shè)備制造商、焊料制造商、助焊劑制造商和元器件制造商四者間的協(xié)調(diào)作用有很大關(guān)系，其中只要有一方配合不好，就會(huì)對(duì)推廣應(yīng)用無鉛焊料產(chǎn)生障礙。目前，焊接設(shè)備制造商已經(jīng)開始行動(dòng)，正在推出或即將推出適應(yīng)無鉛焊料焊接的回流焊爐。 此外，采用無鉛焊料替代SnPb焊料在解決污染的同時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)一系列新的問題。例如SnPb系列焊料中，Sn與Pb對(duì)H、Cl等元素的超電勢都比較高，而無

15、鉛焊料中A g、Zn、Cu等元素對(duì)H、Cl的超電勢都很低，由于超電勢的降低而易引起焊接區(qū)殘留的H、Cl離子遷移產(chǎn)生的電極反應(yīng)，從而會(huì)引起集成電路元件短路。 盡管當(dāng)前無鉛焊料的研究開發(fā)和應(yīng)用正走向深入研究階段，但根據(jù)世界各國的開發(fā)狀況來看，要在短時(shí)間內(nèi)研制出使用性能超過SnPb共晶焊料的高性能的無鉛焊料是一件困難的事情。全面考慮成本、性能的新型無鉛焊料標(biāo)準(zhǔn)尚未制訂，其測試方法和性能綜合評(píng)定方法也有待于在繼續(xù)的研制及應(yīng)用過程中得以解決，還有許多工作要做。但是焊接材料的無鉛、無毒化方向已定，沒有別的選擇，只有行動(dòng)起來，投身到研究、開發(fā)、推廣應(yīng)用無鉛焊料的行列中去，為推動(dòng)我國無鉛焊料的開發(fā)和應(yīng)用，為地

16、球村的環(huán)境保護(hù)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn),Date,常見焊料的基本性能,Date,關(guān)於REFLOW(迴焊),Date,Profile之預(yù)熱段,各種錫膏在預(yù)熱段要求的升溫速率及進(jìn)入恆溫區(qū)的溫度並不盡相同，其主要取決於溶劑(Solvent)的揮發(fā)溫度以及松香(Rosin)的軟化點(diǎn),Date,Profile恆溫區(qū),恆溫區(qū)其目的在於使PCB上所有的零件溫度達(dá)到均溫，減少零件熱衝擊，恆溫區(qū)的長度則取決於PCB面積的大小及零件之多寡 FLUX開始變軟像液體一樣, Rosin Activator 開始清除氧化層,Date,Profile之焊接區(qū),液態(tài)的免洗助焊劑滴入液態(tài)的Rework錫槽，將發(fā)現(xiàn)助焊劑極速的去除錫面上的

17、氧化物，且當(dāng)松香和焊錫皆為液態(tài)，焊錫性最佳,Date,超過溶點(diǎn)以上時(shí)間,一般設(shè)定為4590 秒 溫升至peak Temp. 後接著快速冷卻須 考慮內(nèi)部應(yīng)力造成元件龜裂上升及冷卻 率介於2.53.5 c/sec.不可超過 4. 冷卻速度太慢會(huì)引起焊錫組織粗大化而 導(dǎo)致接合強(qiáng)度的減低.,Date,回流焊缺陷分析： 錫珠(Solder Balls)：原因：1、絲印孔與焊盤不對(duì)位，印刷不精確，使錫膏弄臟PCB。 2、錫膏在氧化環(huán)境中暴露過多、吸空氣中水份太多。3、加熱不精確，太慢并不均勻。4、加熱速率太快并預(yù)熱區(qū)間太長。5、錫膏干得太快。6、助焊劑活性不夠。7、太多顆粒小的錫粉。8、回流過程中助焊劑揮

18、發(fā)性不適當(dāng)。錫球的工藝認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)是：當(dāng)焊盤或印制導(dǎo)線的之間距離為0.13mm時(shí)，錫珠直徑不能超過0.13mm，或者在600mm平方范圍內(nèi)不能出現(xiàn)超過五個(gè)錫珠。 錫橋(Bridging)：一般來說，造成錫橋的因素就是由于錫膏太稀，包括 錫膏內(nèi)金屬或固體含量低、搖溶性低、錫膏容易榨開，錫膏顆粒太大、助焊劑表面張力太小。焊盤上太多錫膏，回流溫度峰值太高等。 開路(Open)：原因：1、錫膏量不夠。2、元件引腳的共面性不夠。3、錫濕不夠(不夠熔化、流動(dòng)性不好)，錫膏太稀引起錫流失。4、引腳吸錫(象燈芯草一樣)或附近有連線孔。引腳的共面性對(duì)密間距和超密間距引腳元件特別重要，一個(gè)解決方法是在焊盤上預(yù)先上錫。

19、引腳吸錫可以通過放慢加熱速度和底面加熱多、上面加熱少來防止。也可以用一種浸濕速度較慢、活性溫度高的助焊劑或者用一種Sn/Pb不同比例的阻滯熔化的錫膏來減少引腳吸錫。,回流焊缺陷分析： 錫珠(Solder Balls)：原因：1、絲印孔與焊盤不對(duì)位，印刷不精確，使錫膏弄臟PCB。 2、錫膏在氧化環(huán)境中暴露過多、吸空氣中水份太多。3、加熱不精確，太慢并不均勻。4、加熱速率太快并預(yù)熱區(qū)間太長。5、錫膏干得太快。6、助焊劑活性不夠。7、太多顆粒小的錫粉。8、回流過程中助焊劑揮發(fā)性不適當(dāng)。錫球的工藝認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)是：當(dāng)焊盤或印制導(dǎo)線的之間距離為0.13mm時(shí)，錫珠直徑不能超過0.13mm，或者在600mm平方

20、范圍內(nèi)不能出現(xiàn)超過五個(gè)錫珠。 錫橋(Bridging)：一般來說，造成錫橋的因素就是由于錫膏太稀，包括 錫膏內(nèi)金屬或固體含量低、搖溶性低、錫膏容易榨開，錫膏顆粒太大、助焊劑表面張力太小。焊盤上太多錫膏，回流溫度峰值太高等。 開路(Open)：原因：1、錫膏量不夠。2、元件引腳的共面性不夠。3、錫濕不夠(不夠熔化、流動(dòng)性不好)，錫膏太稀引起錫流失。4、引腳吸錫(象燈芯草一樣)或附近有連線孔。引腳的共面性對(duì)密間距和超密間距引腳元件特別重要，一個(gè)解決方法是在焊盤上預(yù)先上錫。引腳吸錫可以通過放慢加熱速度和底面加熱多、上面加熱少來防止。也可以用一種浸濕速度較慢、活性溫度高的助焊劑或者用一種Sn/Pb不同

21、比例的阻滯熔化的錫膏來減少引腳吸錫。,Date,錫膏之成份,錫膏組成 : a.重量與體積的關(guān)係 flux metal 重量比 10 90 體積比 50 50 V=W/S S:比重,Date,錫膏的成份 :,1.錫 粉 2.助焊劑,錫粉之要求,愈圓愈好 愈小愈均勻愈好(流動(dòng)性佳,成形佳) 氧化層愈薄愈好,Date,FLUX之功能,提供RHEOLOGY流動(dòng)性及黏度才可印刷 清除零件,pad,solder之氧化層 減少Solder表面張力以增加焊錫性 防止加熱過程中再氧化,FLUX之主要成份,LIQUID液體 : Solvent溶濟(jì),SOLIDS固體 : Rosin鬆香 Activator崔化濟(jì) T

22、hixotropic agent,Date,溶濟(jì)SOLVENT之職責(zé),防止塌陷 黏滯時(shí)間/Stencil life 黏度控制,鬆香ROSIN之職責(zé),焊接能力 防止塌陷 黏滯力 殘留物之顏色 印刷能力 ICT 測試能力,Date,ACTIVATOR之職責(zé),活化強(qiáng)度 信賴度 保存期限,Thixotropic agent之職責(zé),黏度 印刷能力 防止塌陷 ODOR,Date,注意事項(xiàng):,儲(chǔ)存 010以下可保存90天 室溫232可保存25天N.A. 使用前 回溫至少24小時(shí)達(dá)25 回溫後未使用放回允許一次 攪拌38 min. ref. 1000 rpm,Date,注意事項(xiàng):,開罐後 印刷作業(yè)環(huán)境溫度25

23、2, 24小時(shí)內(nèi)用完 超時(shí)報(bào)廢 使用時(shí) 建議作業(yè)環(huán)境 溫度252 ; 相對(duì)濕度 60%. 印刷後 2小時(shí)內(nèi)過Air- reflow 刮除清洗重印,Date,關(guān)於REFLOW(迴焊),Date,助焊劑(Flux)的作用,錫膏=焊錫粉末+助焊劑 其中助焊劑功用 1.除氧化 去除金屬表面其錫膏的氧化膜(化學(xué)作用) ，使焊點(diǎn)成為較容易焊接的表面， 但是無除去油質(zhì)及灰塵等作用。 2.降低表面張力/催化助焊 降低溶融後的表面張力，增加焊錫擴(kuò)散性，幫助合金成長層的產(chǎn)生。 3.防止二度氧化作用 在進(jìn)行焊接時(shí)，溶融焊錫與焊點(diǎn)金屬表面與大氣接觸進(jìn)行氧化作用，F(xiàn)lux 在做完除氧化後，會(huì)覆蓋焊接點(diǎn)與焊點(diǎn)金屬表面，來防止焊接點(diǎn)產(chǎn)生二度 氧化。,Date,焊點(diǎn)形成,Date,回流焊曲線,Date,回流