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介紹無鉛焊接材料選擇原則

時(shí)間:2010-05-25 18:07:27來源:原創(chuàng) 作者:admin 點(diǎn)擊:
現(xiàn)今無論是出于環(huán)保節(jié)能的要求,還是技術(shù)的考慮,無鉛化越來越成為眾多PCB廠家的選擇。
  然而就無鉛替代物而言,現(xiàn)在并沒有一套獲得普遍認(rèn)可的規(guī)范,與該領(lǐng)域眾多專業(yè)人士的多次討論,我們得出下面技術(shù)和應(yīng)用要求:
  金屬價(jià)格:許多裝配廠商都要求無鉛合金的價(jià)格不能高于63Sn/37Pb,但不幸的是現(xiàn)有的無鉛替代物成本都比63Sn/37Pb高出至少35%。在選擇無鉛焊條和焊錫絲時(shí),金屬成本是其中最重要的因素;而在制作焊錫膏時(shí),技術(shù)成本在總體制造成本中所占比例較高,對(duì)金屬的價(jià)格還不那么敏感。
  熔點(diǎn):大多數(shù)裝配廠家(不是)都要求固相溫度最小為150℃,以便滿足電子設(shè)備的工作溫度要求,最高液相溫度則視具體應(yīng)用而定。
  波峰焊用焊條:成功實(shí)施波峰焊,液相溫度應(yīng)低于爐溫260℃。
  手工/機(jī)器焊接用焊錫絲:液相溫度應(yīng)低于烙鐵頭工作溫度345℃。
  焊錫膏:液相溫度應(yīng)低于回流焊溫度250℃。對(duì)現(xiàn)有許多回流焊爐而言,該溫度是實(shí)用溫度的極限值。許多工程師要求最高回流焊溫度應(yīng)低于225~230℃,然而現(xiàn)在沒有一種可行的方案來滿足這種要求。人們普遍認(rèn)為合金回流焊溫度越接近220℃效果越好,能避免出現(xiàn)較高回流焊溫度是最理想不過的,這樣能使元件的受損程度降到最低,最大限度減小對(duì)特殊元件的要求,還能將電路板變色和發(fā)生翹曲的程度降到最低,并避免焊盤和導(dǎo)線過度氧化。
  導(dǎo)電性好:這是電子連接的基本要求。
  導(dǎo)熱性好:能散發(fā)熱能,合金具備快速傳熱能力。
  較小固液共存溫度范圍:非共晶合金會(huì)在介于液相溫度和固相溫度的某一溫度范圍內(nèi)凝固,大多數(shù)冶金專家建議將此溫度范圍控制在10℃以內(nèi),以便形成的焊點(diǎn),減少缺陷。合金凝固溫度范圍較寬,則有會(huì)發(fā)生焊點(diǎn)開裂,使設(shè)備過早損壞。
  低毒性:合金成分無毒,此項(xiàng)要求將鎘、鉈和汞排除在考慮范圍之外;有些人也要求不能采用有毒物質(zhì)所提煉的副產(chǎn)品,因而又將鉍排除在外,鉍主要來源于鉛提煉的副產(chǎn)品。
  具有的可焊性:在現(xiàn)有設(shè)備和免清洗型助焊劑條件下該合金應(yīng)具備充分的潤(rùn)濕度,與常規(guī)免清洗焊劑一起使用。對(duì)波峰進(jìn)行惰性的成本不太高,可以接受波峰焊加惰性環(huán)境的使用條件要求;但就SMT回流焊而言,合金最好要具備在空氣下進(jìn)行回流焊的能力,對(duì)回流焊爐進(jìn)行惰性成本較高。
  的物理特性(強(qiáng)度、拉伸度、疲勞度等) 合金提供63Sn/37Pb所能達(dá)到的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性,而且不會(huì)在通孔器件上出現(xiàn)突起的角焊縫(特別是對(duì)固液共存溫度范圍較大的合金)。
  生產(chǎn)可重復(fù)性/熔點(diǎn)一致性:電子裝配工藝是一種大批量制造工藝,要求其重復(fù)性和一致性都保持較高的水平,某些合金的成分不能在大批量條件下重復(fù)制造,其熔點(diǎn)在批量生產(chǎn)時(shí)成分變化而發(fā)生較大變化,便不能給予考慮。3種成分構(gòu)成的合金往往會(huì)發(fā)生分離或成分變化,使得熔點(diǎn)不能保持穩(wěn)定,合金的程度越高,其發(fā)生變化的性就越大。
  焊點(diǎn)外觀:焊點(diǎn)的外觀應(yīng)與錫/鉛焊料接近,雖然這并非技術(shù)性要求,但卻是接受和實(shí)施替代方案的
  供貨能力:當(dāng)試圖為業(yè)界找出某種方案時(shí),要考慮材料是否有充足的供貨能力。從技術(shù)的角度而言,銦是一種相當(dāng)特別的材料,但是考慮全球范圍內(nèi)銦的供貨能力,人們很快就會(huì)將它徹底排除在考慮范圍之外。
  業(yè)界更青睞標(biāo)準(zhǔn)合金系統(tǒng)而不愿選專用系統(tǒng),標(biāo)準(zhǔn)合金的獲取渠道比較寬,這樣價(jià)格會(huì)比較有競(jìng)爭(zhēng)性,而專用合金的供應(yīng)渠道則受到限制,材料價(jià)格會(huì)大幅提高。
  與鉛的兼容性:短期之內(nèi)不會(huì)立刻全面轉(zhuǎn)型為無鉛系統(tǒng),仍會(huì)用在某些元件的端子或印刷電路板焊盤上。有些含鉛合金熔點(diǎn)非常低,會(huì)降低連接的強(qiáng)度,如某種鉍/錫/鉛合金的熔點(diǎn)只有96℃,使得焊接強(qiáng)度大為降低。
  金屬及合金選擇
  在各種候選無鉛合金中,錫(Sn)都被用作基底金屬,它成本很低,貨源充足,并具備理想的物理特性,如導(dǎo)電/導(dǎo)熱性和潤(rùn)濕性,它也是63Sn/37Pb合金的基底金屬。通常與錫配合使用的金屬銀(Ag)、銦(In)、鋅(Zn)、銻(Sb)、銅(Cu)以及鉍(Bi)。
  之選擇這些材料是與錫組成合金時(shí)會(huì)降低熔點(diǎn),得到理想的機(jī)械、電氣和熱性能。在考察材料的供貨能力時(shí),將用量因素加在一起作綜合考慮得出的結(jié)果會(huì)更加清晰,例如現(xiàn)在電子業(yè)界每年63Sn/37Pb的消耗量在4.5萬噸左右,其中北美地區(qū)用量約為1.6萬噸,只要北美有3%的裝配工廠采用含銦20%的錫/銦無鉛合金,其銦消耗量就將超過該金屬的全球生產(chǎn)能力。
  近5年來業(yè)界推出了一系列合金成分建議,幷且對(duì)這些無鉛替代方案進(jìn)行了評(píng)估。備選方案總數(shù)超過75個(gè),但是主要方案則可以歸納為不到15個(gè)。面對(duì)候選合金,我們采用技術(shù)規(guī)范將選擇縮到一個(gè)較小的范圍內(nèi)便于進(jìn)行挑選。
  銦:銦是降低錫合金熔點(diǎn)的最有效成分,它還具有非常的物理和潤(rùn)濕性質(zhì),但是銦非常稀有,大規(guī)模應(yīng)用太過昂貴;谶@些原因,含銦合金將被排除在進(jìn)一步考慮范圍之外。雖然銦合金在某些特定場(chǎng)合是一個(gè)比較好的選擇,但就整個(gè)業(yè)界范圍而言則不太合適,差分掃描熱量測(cè)定也顯示77.2Sn/20In/2.8Ag合金的熔點(diǎn)很低,只有114℃,也不太適合某些應(yīng)用。
  鋅:鋅非常便宜,幾乎與鉛的價(jià)格,并且隨時(shí)可以得到,它在降低錫合金的熔點(diǎn)也具有非常高的效率。就鋅而言,其主要缺點(diǎn)在于它會(huì)與氧氣迅速發(fā)生反應(yīng),形成穩(wěn)定的氧化物,在波峰焊過程中,這種反應(yīng)的結(jié)果是產(chǎn)生大量錫渣,而更嚴(yán)重的是所形成的穩(wěn)定氧化物將導(dǎo)致潤(rùn)濕性變得非常差。也許通過惰性化或特種焊劑配方可以克服這些技術(shù)障礙,但現(xiàn)在人們要求在更大的工藝范圍內(nèi)對(duì)含鋅方案進(jìn)行論證,鋅合金在今后考慮過程中也會(huì)被排除在外。
  鉍:鉍在降低錫合金固相溫度作用比較明顯,但對(duì)液相溫度卻沒有這樣的效果,會(huì)造成較大的固液共存溫度范圍,而凝固溫度范圍太大將導(dǎo)致焊腳提升。鉍具有非常好的潤(rùn)濕性質(zhì)和較好的物理性質(zhì),但鉍的主要問題是錫/鉍合金遇到鉛以后其形成的合金熔點(diǎn)會(huì)比較低,而在元件引腳或印刷電路板的焊盤上都會(huì)有鉛存在,錫/鉛/鉍的熔點(diǎn)只有96℃,很造成焊點(diǎn)斷裂。鉍的供貨能力會(huì)因鉛產(chǎn)量受到限制而下降,現(xiàn)在鉍主要還是從鉛的副產(chǎn)品中提煉出來,限制使用鉛,則鉍的產(chǎn)量將會(huì)大大減少。盡管我們也能通過直接開采獲取鉍,但這樣成本會(huì)比較高;谶@些原因,鉍合金也被排除在外。
  四種和五種成分合金
  由四種或五種金屬構(gòu)成的合金為我們提供了一系列合金成分組合形式,各種性不勝枚舉。與雙金屬合金系統(tǒng)相比,大多數(shù)四或五金屬合金可以大幅降低固相溫度,但對(duì)降低液相溫度卻無所大部分四或五金屬合金都不是共晶材料,這意味著在不同的溫度下會(huì)形成不同的金相形式,其結(jié)果回流焊溫度不比簡(jiǎn)單雙金屬系統(tǒng)所需的低。
  一個(gè)問題是合金成分時(shí)常會(huì)發(fā)生變動(dòng),熔點(diǎn)也會(huì)變,這在四或五金屬合金中會(huì)經(jīng)常遇到。由三種金屬組成的合金很難在焊錫膏內(nèi)的錫粉中實(shí)現(xiàn)“同批”和“逐批”一致,在四種和五種金屬組成的合金中實(shí)現(xiàn)同樣的一致性其和困難程度更大。
  多元合金將被排除在進(jìn)一步考慮范圍之外,除非某種多元合金成分具有比二元系統(tǒng)更好的特性。但就目前來看,業(yè)界還沒有找到哪種四或五金屬合金比二元或三元替代方案更好(無論在成本上還是性能上)。
  先考慮焊條(波峰焊)和焊線(手工和機(jī)器焊接)
  對(duì)波峰焊用焊條的要求:能在最高260℃錫爐溫度下進(jìn)行連續(xù)焊接;焊接缺陷(漏焊、橋接等)少;成本盡低;不會(huì)產(chǎn)生過多焊渣。
  結(jié)果選中的合金都符合波峰焊要求,但99.3Sn/0.7Cu和95Sn/5Sb合金與替代方案相比節(jié)省更多成本。比較而言,99.3Sn/0.7Cu的液相溫度比Sn/Sb合金低13℃,99.3Sn/0.7Cu成為波峰焊最佳候選方案。
  手工焊用錫線的要求與上面焊條應(yīng)用非常相似,成本考慮仍然居于優(yōu)先地位,也要求提供較好的潤(rùn)濕和焊接能力。焊線用合金地拉成絲線,而且能用345~370℃的烙鐵頭進(jìn)行焊接,99.3Sn/0.7Cu合金可以滿足這些要求。
  與焊條和焊線相比,焊錫膏較少考慮合金成本,金屬成本在使用焊錫膏的制造流程總成本中所占比重較少,選擇焊錫膏合金的主要要求是盡量降低回流焊溫度?疾毂碇兴泻辖,可以發(fā)現(xiàn)液相溫度最低的是95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu(熔點(diǎn)217~218℃)和96.5Sn/3.5Ag(熔點(diǎn)221℃)。
  這兩種合金都是較為合適的選擇并各具特點(diǎn),相比之下Sn/Ag/Cu合金的液相溫度更低(雖然只有4℃),而Sn/Ag合金則表現(xiàn)出更強(qiáng)的一致性和可重復(fù)制造性,并已在電子業(yè)界應(yīng)用多年,一直保持很好的可靠性。有些主要跨國公司已經(jīng)選擇共晶Sn/Ag合金進(jìn)行評(píng)估無鉛替代方案,大多數(shù)大型跨國公司也開始對(duì)Sn/Ag/Cu合金作初步高級(jí)測(cè)試。
  實(shí)測(cè)評(píng)估結(jié)果
  波峰焊評(píng)測(cè) 將99.3Sn/0.7Cu合金裝入標(biāo)準(zhǔn)Electrovert Econopak Plus波峰焊機(jī)進(jìn)行測(cè)試,這種波峰焊機(jī)配備有USI超聲波助焊劑噴涂系統(tǒng)、Vectaheat對(duì)流式預(yù)熱和“A”波CoN2tour惰性系統(tǒng)。測(cè)試在兩種無鉛印刷電路板上進(jìn)行:帶OSP涂層的裸銅板和采用浸銀拋光的裸銅板(Alpha標(biāo)準(zhǔn)),兩種電路板都采用固態(tài)含量2%且不含VOC的免清洗助焊劑(NR300A2)。對(duì)照,將同樣的電路板在設(shè)備上采用條件進(jìn)行焊接,只是焊料用傳統(tǒng)63Sn/37Pb合金。
  通過實(shí)驗(yàn)可得出以下結(jié)論:
  采用99.3Sn/0.7Cu合金,則有必要對(duì)波峰焊機(jī)進(jìn)行惰性以確保得到適當(dāng)?shù)臐?rùn)濕度,但不對(duì)波峰焊機(jī)或風(fēng)道進(jìn)行惰性,用CoN2tour公司的邊界惰性焊接系統(tǒng)即已足夠。
  使用99.3Sn/0.7Cu焊接的電路板外觀與用63Sn/37Pb合金焊接的電路板沒有區(qū)別,焊點(diǎn)的光亮程度、焊點(diǎn)成型、焊盤潤(rùn)濕和通孔上端上錫也基本一樣。
  與Sn/Pb合金相比,Sn/Cu合金的橋接現(xiàn)象較少,但測(cè)試的條件有限,對(duì)這一點(diǎn)還作更進(jìn)一步的研究。
  99.3Sn/0.7Cu合金在260℃溫度條件下焊接非常成功,在245℃條件下也沒有問題。
  采用Sn/Cu合金的幾個(gè)星期內(nèi)銅的含量沒有發(fā)生變化,之關(guān)注這一問題,是銅在錫中的溶解度很低,而且與溫度有很大關(guān)系。在大批量生產(chǎn)中,電路板的銅吸收與用Sn/Pb合金時(shí)。
  印制和回流焊評(píng)測(cè):針對(duì)Sn/Ag和Sn/Ag/Cu合金開發(fā)了一種新的助焊劑,以便在更高回流焊溫度下得到較好的潤(rùn)濕效果,回流焊溫度較高時(shí)(比常規(guī)回流焊溫度高20℃)要求助焊劑中的活性劑應(yīng)具備更高的熱穩(wěn)定性。在空氣中工作,回流焊溫度較高還使普通免清洗助焊劑變色,這種助焊劑對(duì)高溫要有很強(qiáng)的承受能力。在95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金中使用UP系列焊錫膏時(shí),即使空氣溫度達(dá)到240℃,它也不會(huì)變?yōu)樽厣蜱晟?/DIV>
  UP系列焊錫膏在印刷測(cè)試中表現(xiàn)非常好,測(cè)試時(shí)采用的是MPM UP2000印刷機(jī),印刷條件6mil厚激光切割網(wǎng)板、印刷速度25mm/秒、網(wǎng)板開口間距16~50mil以及接觸式印刷,焊膏印出的輪廓非常清晰且表現(xiàn)出的脫模性能。這種焊錫膏在中止印刷后(停放超過一小時(shí))再開始使用時(shí)無需進(jìn)行攪拌,其網(wǎng)板使用壽命在8小時(shí),粘性也可保持8小時(shí)。
  回流焊采用Electrovert Omniflo七溫區(qū)回焊爐,在空氣環(huán)境下進(jìn)行焊接。溫度在200秒時(shí)間里以近似線性的速率上升到240℃,溫度高于熔點(diǎn)(221℃)的時(shí)間為45秒。
  得出結(jié)論如下:
  UP系列焊錫膏95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu 88-3-M13表現(xiàn)出的印刷性。
  無鉛焊錫膏能提供的粘力且能保持足夠的時(shí)間。
  對(duì)測(cè)試板而言,95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金所需的240℃最高溫度是可以接受的。
  回流焊無需氮?dú)庖材苋〉煤芎眯Ч?/DIV>
  焊點(diǎn)光亮度好,與標(biāo)準(zhǔn)Sn/Pb合金
  助焊劑殘留物外觀(顏色及透明度)比采用Sn/Pb合金及普通助焊劑在標(biāo)準(zhǔn)熱風(fēng)回流焊(峰值溫度220℃,高于183℃的時(shí)間為45秒)后的情形好得多。
  潤(rùn)濕和擴(kuò)散特性與Sn/Pb標(biāo)準(zhǔn)合金。
  當(dāng)使用沒有阻焊膜的裸FR-4板子時(shí),過高的回流焊溫度會(huì)使線路板出現(xiàn)嚴(yán)重變色(變深),淺綠色阻焊膜會(huì)使變色看起來較輕,中/深綠色阻焊膜則使變色基本上看不出來。
  有些元件經(jīng)高溫回流焊后會(huì)出現(xiàn)變色和氧化跡象,將這種無鉛焊料用于兩面都有表面安裝器件的電路板上時(shí),建議在回流焊后再安裝需作波峰焊接的底面SMD器件,以免過度受熱影響可焊性。
  用UP系列96.5Sn/3.5Ag合金進(jìn)行的測(cè)試所獲結(jié)果相似,只是回流溫度提高了3~5℃。
  特性
  選擇一種簡(jiǎn)單普通二元合金的最大好處在于它已經(jīng)完成了大量測(cè)試且已被廣泛接受,如96.5Sn/3.5Ag合金已在某些電子領(lǐng)域應(yīng)用了很長(zhǎng)的時(shí)間。95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu現(xiàn)正接受同樣嚴(yán)格的測(cè)試,并在地方顯示出非常相似的性能和優(yōu)點(diǎn)。
  福特汽車公司對(duì)使用Sn/Ag合金的測(cè)試板和電子組件進(jìn)行了熱循環(huán)試驗(yàn)(-40℃~140℃),已完成全面熱疲勞測(cè)試研究,他們還將無鉛組件用于整車中,測(cè)試結(jié)果顯示Sn/Ag合金的可靠性與Sn/Pb合金相差無幾甚至更好。摩托羅拉公司也已經(jīng)完成了Sn/Ag和Sn/Pb合金的熱循環(huán)和振動(dòng)研究,測(cè)試表明Sn/Ag合金合格,OEM廠商在各自的Sn/Ag和Sn/Ag/Cu合金研究中也得到了類似的結(jié)論。
  根據(jù)研究結(jié)果,Sn/Ag和Sn/Pb在導(dǎo)電性、表面張力、導(dǎo)熱性和熱膨脹系數(shù)等各所取得結(jié)果大致相當(dāng)。
  本文結(jié)論
  通過上述討論,我們可以得到一個(gè)可行的標(biāo)準(zhǔn)無鉛焊接工藝,其基本內(nèi)容
  對(duì)焊錫膏應(yīng)用而言,可將95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu或96.5Sn/3.5Ag合金與UP系列助焊劑配合使用。
  對(duì)波峰焊應(yīng)用而言,焊錫條可使用99.3Sn/0.7Cu合金。
  對(duì)手工/機(jī)器焊接而言,焊錫線可使用99.3Sn/0.7Cu合金。
  雖然上述方案還未能達(dá)到研究無鉛替代方案工程師們所確定的每項(xiàng)目標(biāo),但基本上能令人滿意,該方案最大限制在于96.5Sn/3.5Ag合金所要求的回流焊溫度比Sn/Pb合金的要高20~30℃,回流焊對(duì)元件的要求也有所提高。元器件供應(yīng)商應(yīng)與電子裝配廠密切合作以高溫回流焊帶來的種種問題。
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