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1、3-2 有铅、无铅混装工艺的质量控制 （参考： 工艺 第20章）,顾霭云,内容,1.有铅/无铅混合制程分析 再流焊工艺中无铅焊料与有铅元件混用 再流焊工艺中有铅焊料与无铅元件混用 2.有铅、无铅混装工艺的质量控制 有铅/无铅混用必须考虑相容性 严格物料管理 采用有铅工艺（用有铅焊料焊接有铅和无铅元器件）的质量控制原则,由于再流焊与波峰焊工艺不同； 无引线或有引脚元件的焊端镀层和引脚表面镀层中的Pb含量（或无铅材料的含量）与BGA焊球中Pb含量（或无铅材料的含量）的不同； 对焊点可靠性的影响也是不一样的。 因此需要对各种具体情况分别讨论。,一有铅/无铅混合制程分析,(一） 无铅焊料与有铅元件混用
2、,1. 无铅焊料与有铅镀层元件（无引线或有引脚元件）混用2. 无铅焊料与有铅PBGA、CSP混用,无铅焊料与有铅元件混用 （无引线或有引脚元件）,有铅元件引脚和焊端镀层只有几微米厚，焊端或引脚镀层中微量Pb在无铅焊料与焊端界面容易发生Pb偏析现象，形成Sn-Ag-Pb的174的低熔点层，可能发生焊缝起翘（ Lift-off ）现象，影响焊点长期可靠性。,Pb在1%左右的微量时发生焊点剥离的概率最高。 这意味着来自元件、PCB镀层的微量Pb混入， 将容易发生Lift-off。,Lift-off（焊点剥离）现象的机理 锡釺焊时的凝固收缩现象,63Sn37Pb合金的CTE是24.510-6，从室温升
3、到183，体积会增大1.2%，而从183降到室温，体积的收缩却为4%，故锡铅焊料焊点冷却后有时有缩小现象。因此有铅焊接时也存在Lift-off，尤其在PCB受潮时。,无铅焊料焊点冷却时也同样有凝固收缩现象。由于无铅熔点高、与PCB的CTE不匹配更严重、出现偏析现象，因此当存在PCB受热变形等应力时，很容易发生Lift-off，严重时甚至会造成焊盘剥落。,PCB焊盘与Sn-0.7Cu焊后发生Lift-off,凝固收缩,冷却时由于基板温度高，焊点先凝固收缩，基板焊盘界面处残留液相，基板越厚，基板内部储存的热量越多，越容易发生焊点剥离。,热传导,收缩,A面回流焊B面波峰焊复合工艺中的问题,完成了A面
4、回流焊，进行B面波峰焊时，在A面大的QFP和PLCC等元件的引脚镀层为Sn-Pb合金时，虽然焊点本身熔点在217 ，不会熔化，但在焊锡与焊盘界面容易形成Pb偏析形成Sn-Ag-Pb的174的低熔点层，使界面发生熔化，在热应力的作用下造成焊点从焊盘上剥离。类似Lift-off（焊点剥离）。,QFP,焊盘处Lift-off,QFP引脚,解决措施： 焊点凝固时适当提高冷却速度； 创造一个平稳的焊点凝固环境； 例如：选择Z轴方向CTE小的PCB材料； 平稳的PCB传输系统，不产生振动。,2. 无铅焊料与有铅PBGA、CSP混用 “气孔多”,再流焊时，焊球上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘与元件焊端，助焊剂排不
5、出去，造成气孔。,气孔,183,217,(二) 有铅焊料与无铅元件混用,1. 有铅焊料与无铅镀层元件（无引线或有引脚元件）混用 2. 有铅焊料与无铅PBGA、CSP混用,有铅焊料与无铅元件 混用（无引线或有引脚元件）,一般情况没有问题。因为焊端镀层非常薄，例如应用最多的镀Sn层厚度在 37m，Sn熔点为232，与Sn-37Pb合金焊接时，一般情况下峰值温度比焊接有铅元件略微高5左右即可以。 但是有一点要特别警惕！镀Sn-Bi元件只能应用在无铅工艺中，不能用到有铅工艺中。这是由于有铅焊料中的Pb与Sn-Bi镀层的在引脚或焊端界面形成Sn-Pb-Bi（熔点93）的三元共晶低熔点层、容易引起焊接界面
6、剥离、空洞等问题，导致焊接强度劣化。,如果采用有铅焊料的温度曲线，焊点连接可靠性是最差的。这是由于有铅焊料与无铅焊球的熔点不相同，有铅焊料熔点低先熔，而无铅焊球不能完全熔化，容易造成PBGA、CSP一侧焊点失效的缘故。,183,217,解决措施： 提高焊接温度到235左右,2. 有铅焊料与无铅PBGA、CSP混用,在元件一侧的界面失效,二. 有铅、无铅混装工艺的质量控制,1. 有铅/无铅混用必须考虑相容性 2. 严格物料管理 3. 采用有铅工艺（用有铅焊料焊接有铅和无铅元器件）的质量控制原则,1. 有铅/无铅混用必须考虑相容性,（1）材料相容性焊料合金和助焊剂焊料和元器件焊料和PCB焊盘涂镀层
7、 （2）工艺相容性（再流焊、波峰焊和返修工艺） （3）设计相容性,高可靠领域暂时不建议采用无铅工艺 建议采用有铅焊料焊接有铅和无铅元器件工艺,无铅焊料是“高锡”焊料。高锡带来的是高温、表面张力大、黏度大、浸润性差、工艺窗口小等问题，高温又会带来工艺上的难度，可能会导致的元件和电路板降级甚至损坏。另外，焊接温度越高金属间化合物生长速度越快，界面微孔、空洞多，金属间化合物是脆性的，无铅焊点比Sn-Pb焊点更硬也传递了更大的应力，这些问题都会影响无铅产品的长期可靠性。 目前，如果采用无铅焊接，可以买到所有的无铅元件。对于大多数民用、通信等领域，由于使用环境应力小、不恶劣，应用无铅焊接是没有问题的。
8、对于军工等高可靠领域，无铅产品的长期可靠性是有风险的。,混装焊接机理 （用有铅焊料焊接有铅和无铅元器件）,混装焊接过程、原理与63Sn-37Pb是相同的 金属间结合层（IMC）的主要成分是Cu6Sn5和Cu3Sn 由于混装工艺中无铅元件的焊端镀层和焊球的熔点高于锡铅焊料的熔点，因此，焊接温度略高于有铅焊接，有无铅PBGA时焊接温度接近无铅焊接。 有铅/无铅混装焊接，尽量避免温度过高和多次焊接，警惕富铅层与过多的IMC，警惕高温损坏元件和印制板。,常用有铅、无铅元器件焊端镀层与Sn63Pb37焊料相容性比较,特别警惕！ 日本、韩国有的元件镀Sn-Bi，必须在无铅焊料中使用。如果焊料中有Pb，界面
9、形成Sn-Bi-Pb（93）三元共晶低熔点层，将严重影响可靠性。,无铅元器件与Sn63Pb37焊料焊接应注意,无铅元件的焊端镀层大多是镀纯Sn的，容易形成Sn须 片式元件焊端的Ag、Au等元素过早地溶入焊料中，造成气孔 PBGA与Sn63Pb37焊料焊接必须提高1015,有铅/无铅混用工艺相容性,有铅焊料焊接无铅元器件时，Sn-Pb焊料的熔点183，无铅元件焊端镀层Sn熔点为232，无铅BGA焊球Sn-Ag-Cu熔点217。由于无铅元件焊端镀层和焊球的熔点高于Sn-Pb焊料的熔点，因此，焊接时需要提高焊接温度。,有铅焊料焊接有铅元器件时虽然材料和熔点温度都是相容的，但由于焊接温度提高了，高温可
10、能损坏有铅元器件和PCB基板，特别是对潮湿敏感元器件的影响不可忽视。,潮湿敏感度问题,必须高度重视器件的潮湿敏感度问题。吸潮的器件在再流焊过程中由于水蒸汽膨胀随温度升高而上升，对已经受潮的器件都会造成损坏的威胁。无铅焊接温度高，根据经验，焊接温度每提高10，湿度敏感等级提升1级。,SMD潮湿敏感等级（IPC/JEDEC 标准）,有铅/无铅混装时Sn63Pb37焊料与助焊剂的相容性,混装焊接工艺需要提高焊接温度，因此助焊剂的活化温度与活性也要相应提高,设计相容性,PCB和工艺设计时，元器件、基板材料、PCB焊盘涂镀层材料选择不当也会发生材料不相容等等问题。,有铅/无铅混用可能发生相容性问题,(a
11、) 镀Sn元件的Sn须问题 (b) 高温可能损坏元器件封装体及内部连接 (c) 高温对潮湿敏感元件的不利影响 (d) 高温可能损坏PCB (e) 焊料合金与元件焊端或引脚镀层不相容 (f) 焊料合金与PBGA、CSP焊球合金不相容 (g) 各种工艺之间的不相容性 (h) 各种助焊剂之间的不相容性,2. 严格物料管理, 物料管理的一般要求,(a) 元器件采购技术要求。对采购部门进行ROHS培训，加强对上游供应商的管理 (b) 备料 首先要注意是否无铅元件， 向供应商索取元器件的详细资料。 (c) 标识和标签 给无铅元器件、PCB、工艺材料(包括焊膏、焊锡条、焊锡丝、助焊剂)，还包括更改了开口尺寸
12、的模板做无铅标识和标签。 (d) 无铅元器件编号方式 必须与组装厂沟通（一致、统一）,(e) 识别 对生产线操作人员进行培训，提高识别能力。 (f) 材料管理自动化 使用条形码，或附着在材料包装上的RFID标签 (g) 生产线设置验证 手工验证自检、互检、专职检查。 半自动验证人工扫描条形码标签。 闭环验证系统自动探测和验证。 (h) 可追溯性与材料清单 对每一块PCB编序号,(i) 无铅元器件、PCB、工艺材料的储存 设立单独的无铅工艺材料、无铅元器件、用于无铅的模板、工具仓库； 或从现有的仓库划出相当的空间用于无铅物料、工具等物品的储存 (j) 无铅的专用工具 无铅专用模板、烙铁或焊台、镊
13、子、刷子等工具，并做标识。 (k) 设立无铅手工焊接的专用工位 (m) 加强静电防护与管理措施 (n) 对湿度敏感器件（MSD）采取正确的控制措施, 设计人员在BOM表上必须标注的内容 元器件的内引线材料、焊端表面镀层材料； 最高耐温及最高温度下的耐受时间； 最大升温和降温斜率； 潮敏度等级。 工艺人员根据设计文件进行工艺控制和设计温度曲线 例如对潮敏元件、含Bi元件的控制等 操作人员要按照正确的工艺方法实施, 对全线人员进行培训,对全线人员（包括采购人员、各级库房工作人员、工艺、检验、设备操作人员、管理人员等）进行培训； 提高全线人员的无铅意识，提高对无铅元器件、PCB、工艺材料、工具、无铅
14、产品标识和标签（包括企业内部专用的无铅元器件和无铅产品标识和标签）的识别能力； 并自觉遵守无铅管理制度。,从产品设计开始就考虑到材料、工艺、设计之间的相容性；充分考虑散热问题；仔细地选择PCB板材、焊盘表面镀层、元件、焊膏及助焊剂等；比有铅焊接时更加细致地进行工艺优化和工艺控制；更加严格细致地进行物料管理。,3. 采用有铅工艺（用有铅焊料焊接有铅和无铅元器件）的质量控制原则, 焊接材料的选择 焊料合金 助焊剂 焊膏, 焊料合金：选择Sn-37Pb共晶合金,合金成分是决定焊料熔点及焊点质量的关键参数，应尽量选择共晶或近共晶合金。选择共晶合金具有以下好处： 熔点最低，焊接温度也最低，焊接时不会损坏
15、元件和印制板 凝固时形成的结晶颗粒最小，结构最致密，有利于提高焊点强度 冷却凝固时只要降到共晶点温度，立即从液相变成固相，因此在凝固过程中没有塑性范围，有利于焊接工艺的控制。塑性范围大的合金，在合金凝固、形成焊点时需要较长时间，如果在合金凝固期间PCB和元器件有任何震动（包括PCB变形），都会造成“焊点扰动”，有可能会发生焊点开裂，使电子设备过早损坏。, 助焊剂的选择 常用助焊剂有：松香型助焊剂、水溶性助焊剂、低固含量的免清洗助焊剂、无VOC助焊剂。 助焊剂的性能直接影响焊接质量，如果选择不当，不仅起不到助焊作用，反而会造成机械强度降低、电化学腐蚀、电迁移等可靠性问题。因此，正确选择助焊剂十分
16、重要。助焊剂通常与焊料匹配使用，要根据焊料合金，根据不同的工艺方法，同时还要根据被焊的元件引脚、PCB焊盘的涂镀层材料、金属表面氧化程度，以及产品对清洁度和电性能的具体要求进行选择。,军用及生命保障类如卫星、飞机仪表、潜艇通信、保障生命的医疗装置、微弱信号测试仪器等产品必须采用清洗型的助焊剂。 通信类、工业设备类、办公设备类、计算机等类型的电子产品可采用免清洗或清洗型的助焊剂。 一般家用电器类电子产品均可采用免清洗型助焊剂，或采用RMA（中等活性）松香型助焊剂，可不清洗。 手工焊接和返修时一定要选择与再流焊、波峰焊时相同的助焊剂 水溶性焊剂的可焊性非常好，常用于高可靠和金属表面氧化较严重的场合。但由于其残留物的腐蚀性很大，因此在使用过程中，需经常添加专用的稀释剂调节活性剂浓度，以确保良好的焊接效果。并要求焊后2小时内必须进行清洗。,
