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1、1附件 5：南京信息职业技术学院毕业设计(论文)说明书作者 吴 建 国 学号 20625D13 系部 机电工程系 专业 电子表面组装 题目 无铅焊接的可靠性分析 指导教师 彭 琛 评阅教师 完成时间： 2009 年 05 月 15 日 2毕业设计( 论文)中文摘要题目：无铅焊接的可靠性分析摘要：铅（Pb）,是一种有毒的金属,对人身体有害,并且对自然环境有很大的破坏性,出于环境保护的要求,特别是 ISO14000 的导入,世界大多数国家开始禁止在焊接材料中使用含铅成分,即无铅焊接(Leadfree)。接着抛给我们一个问题:无铅焊接的可靠性如何呢?有些专家称无铅焊接比有铅焊接可靠性更优越,然而有些
2、专家持相左意见,真实情况是什么呢?下面我们从无铅工艺，影响可靠性的因素，焊接缺陷等等几个方面论证无铅焊接技术的可靠性,道路任重道远。关键词：无铅工艺，影响因素，焊接缺陷3毕业设计( 论文)外文摘要Title : The Reliability of Lead-free Analysis Abstract: Lead (Pb), a poisonous metal, is bad for the human being and destructive to the natural environment. For the sake of environmental protection, esp
3、ecially after the introduction of ISO14000, a majority of the countries in the world start to prohibit the use of Pb in the soldering material，that means lead-free soldering. Then we get a problem: How about the reliability of the lead-free soldering? Some experts say that lead-free soldering is mor
4、e reliable than lead soldering while some others dont think so. Whats the truth? Next we will demonstrate the reliability of the lead-free soldering in the aspects of the lead-free process ，factors determined the reliability, soldering imperfection and so on. Its a challenging task and there is a lo
5、ng way ahead in this regard. keywords: lead-free process, influencing factors, soldering defects4目录1 绪论2 无铅工艺3 影响无铅焊接可靠性的因素3.1 可靠性的概念3.2 无铅材料对可靠性的影响3.3 焊接工艺对可靠性的影响4 无铅焊接的缺陷分析4.1 高温带来的缺陷4.2 焊点的剥离4.3 焊料不足4.4 克氏空孔（ Kirkendall Voids） 结论致谢参考文献51 绪论电子工业使用的主要是含铅焊剂。由于丰富和廉价的供应和良好的物理和化学特性使人喜欢使用铅进行焊接。但研究表明铅是有害
6、的,这一重金属随着长期暴露而在人体内累积可损坏血液和神经系统。因此目前禁止在燃油、染料中使用铅化合物，饮用水供应也不能使用铅管,蓄电池的铅电极也要限制使用铅。消费电子产品的大幅度增加、寿命周期的缩短以及这些产品在寿命周期结束时的再循环增加了有关在电子装置中使用铅的问题。电子装置中的铅会威胁人类和环境，特别是通过废弃电子废料和水剂焊接清洗的废水而污染地下水。各个国家列出的路标计划都直指未来 5 年的无铅产品。在北美，原设备生产厂（OEM）和电子产品生产服务（EMS）供应商都需要准备到 2004 年提供无铅产品的过程，目标是到 2008 年完全消除铅。在欧洲，电气与电子设备废料（WEEE）指令提出
7、，铅、汞、镉、六价铬和卤化阻燃剂要在 2008 年 1 月逐步停止使用。WEEE 指令的目的是防止废料的产生，提倡预防，鼓励再循环，尽量减少环境影响。最近，已有多种无铅焊剂正在进行试验以取代 Sn/Pb 焊剂合金，用其他材料代替铅进行焊接可带来可靠性问题。Sn/Pb 焊剂合金在进行试验和可靠性分析时有丰富的数据库，这些数据库在预计元器件的寿命以及新元器件的设计中是非常有用的。但无铅合金没有这样的数据库，而缺乏无铅焊接组件可靠性的关键数据已经成为一个日益突出的问题。确定无铅焊接元器件的可靠性要求进行深入的试验。用于可靠性评价的常见试验方法有热循环、功率循环、三点弯曲试验、振动试验、转矩试验、剪力
8、试验和张力试验。在这些试验方法中，热循环是最常用的。用热循环的优点在于，疲劳寿命数据可直接应用到特定受试系统上。但从热循环结果外推数据则要非常小心。但是，我国在无铅焊接技术及其材料的研究方面还较落后，虽然已在进行相关研究，但基本是处于采用国外材料和工艺技术的应用性研究阶段，有计划的开发性研究方面尚很欠缺，对相关的材料、工艺、标准等内容的研究尚有待于政府层面的策划和组织。面临日本、美国和欧洲的禁铅政策和国际环保政策6门槛限制，必须加大对无铅焊接技术的研究力度，尽快实现我国电子产品制造的无铅焊接。2 无铅工艺SMT 的组装方式及其工艺流程主要取决于表面组件 SMA(Surface Mount As
9、semblies)的类型、使用的元件种类和组装设备条件。大体上可以分为单面混装、双面混装和全表面组装 3 种类型 6 种组装方式，如表 1 所列1。表 1 SMT 的组装方式序号组装方式 电 路 基 板 元器件 特征1单面混装先贴法 单面 PCB表面组装元器件及通孔元件先贴后插，工艺简单，组装密度低2SMD 和 THC 都在 A 面单面 PCB 同上先贴后插，工艺较复杂，组装密度高3双面混装THC 在 A 面 B两面都有 SMD单面 PCB 同上THC 和 SMC/SMD 在 PCB同侧4 单面表面组装 单面 PCB 表面组装元器件工艺简单，适合小型化的电路组装5表面组装双面表面组装 单面 P
10、CB 表面组装元器件 高密度薄型化目前，表 1 中的 3 和 5 为当前组装方式的主流，现介绍这两种工艺流程1。(1)SMIC 和 THC 混合组装在 A 面，SMC/SMD 组装在 B 面，如图 1 所示。(2)双表面组装工艺流程如图 2 所示。7来料检测 组装开始 PCB A 面涂敷焊膏 贴装 SMIC 烘干再流焊翻板PCB B 面涂敷焊膏贴装 SMD粘结剂固化翻板 双波峰焊接 溶剂清洗 最终检测图 1 SMIC 和 THC 混装在 A 面，SMC/SMD 组装在 B 面来料检测 组装开始 PCB A 面涂敷焊膏 涂敷粘结剂（选用） 贴装 SMD固化再流焊清洗翻板B 面涂敷贴装 SMD 烘
11、干固化 清洗 最终检测再流焊 B 面图 2 双表面组装工艺流程图3影响无铅焊接可靠性的因素3.1 可靠性的概念可靠性是指产品在规定的时间内，在规定的条件下，完成规定任务的概率和可能性。电子产品和系统是在一定的应用条件下、一定使用时间内发挥作用。各种产品的应用条件各不相同，如空调主要是温湿度的影响，而冲击的变化不大；汽车电子，不仅温湿度变化很大，而且震动很大，机械冲击也很大。各种电子产品的使用寿命要求也不一样，如手机，寿命 13 年；而汽车电子、通讯设备的寿命要求很高。所以在特定条件下、在特定时间范围内，我们希望产品的失效不能超过某一个程度，完成产品所能完成任务的概率或可能性就是产品的可靠性。8
12、对无铅焊接技术可靠性影响因素很多，主要涉及无铅焊料、元器件、印制电路板（PCB）、焊接设备、回流温度曲线、焊接工艺等问题。我们从下面几个方面探讨无铅焊接的可靠性。3.2无铅材料对可靠性的影响要实施无铅焊接，首先从材料上考虑，涉及的材料有合金焊料、PCB、元器件等。3.2.1取决于合金焊料的成分对于回流焊，“主流的”无铅焊接合金是 Sn-Ag-Cu(SAC)，而波峰焊则可能是 SAC 或 Sn-Cu。SAC 合金和 Sn-Cu 合金拥有不同的可靠性性能。代替锡/铅焊料的合金有多种，一般是以 Sn 为基体，添加 Ag、Cu、Sb、In等合金元素。现在市场上主要以锡/银/铜合金为主，取代锡/铅焊料的
13、锡/银/铜合金可有不同的配比形式。日本倾向于 96.5银/0.5铜，北美更倾向于95.5银0.6铜，EU 倾向于 95.5锡/3.8银/0.7铜。IPC 推荐的三种焊料合金是：96.5锡/3.0银/0.5铜，95.5锡/3.8银/0.7铜，95.5锡/4.0银/0.5铜。现阶段市场上各无铅焊料所占份额如图 3 所示图 3 各种无铅焊料市场份额比例3.2.2取决于 PCB 板材PCB 板材应选用玻璃态转化温度(Tg)的板材，同时采用无铅材料制作 PCB的焊盘，尤其是焊盘预镀焊料的 PCB。玻璃化转变温度 Tg(Glass Transition Temperature) 聚合物在某一定温度条件下，
14、基材结构发生变化，在这个温度之下，基材又9硬又脆，称玻璃态；在这个温度之上，基材变软，机械强度明显变低，称橡胶态或皮革态。这种决定材料性能的临界温度称作玻璃化转变温度。聚合物一般是由有机材料合成，大多数层压板 (除陶瓷基板外 )，都含有聚合物，所以一般的覆铜箔层压板都具有 Tg 这一固有特性。进入无铅化时代，由于焊接温度的提高，必然对板材耐热性提出更高的要求。Tg 是选择 PCB 的 重要参数，Tg 越高越好。IPC 最近发布的第二份“无铅”FR 一 4 的标准草案提出，玻璃化温度(Tg)建议在 155以上。3.2.3取决于元器件某些元器件，如塑料封装的元器件、电解电容器等，受到提高的焊接温度
15、的影响程度要超过其它因素。其次，锡丝是使用寿命长的高端产品中精细间距的元器件更加关注的另一个可靠性问题。此外，SAC 合金的高模量也会给元器件带来更大的压力，给低 k 介电系数的元器件带来问题，这些元器件通常会更加易失效。3.2.4取决于热机械负荷条件在热循环条件下，蠕变/疲劳交互作用会通过损伤积聚效应而导致焊点失效(即组织粗化/弱化，裂纹出现和扩大)，蠕变应力速率是一个重要因素。蠕变应力速率随着焊点上的热机械载荷幅度变化，从而 SAC 焊点在“相对温和”的条件下能够比 Sn-Pb 焊点承受更多的热循环，但在 “比较严重”的条件下比 Sn-Pb 焊点承受更少的热循环。热机械负荷取决于温度范围、元器件尺寸及元器件和基底之间的 CTE 不匹配程度。例如，有报告显示，在通过热循环测试的同一块电路板上，带有 Cu 引线框的元器件在 SAC 焊点中经受的热循环数量要高于 Sn-Pb 焊点，而采用 42 合金引线框的元器件(其 PCB 的 CTE 不匹配程度更高)在 SAC 合金焊点中比 Sn-Pb 焊点将提前发生故障。也是在同一块电路板上，0402 陶瓷片状器件的焊点在 SAC 中通过的热循环数量要超过 Sn-Pb，而 2512 元器件则相反。再举一个例子，许多报告称，在 0和
