《电子组装之无铅手工焊接及维修知识培训教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子组装之无铅手工焊接及维修知识培训教材（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电子组装之无铅手工焊接与维修知识培训教材 Namtai Electronic (Shenzhen) Company Limited “NTSZ” PE部 李岳方 2008年5月14日 版权所有,主要内容 1、前言 2、焊锡基础知识 3、电烙铁、烙铁咀、焊锡丝、清洗剂的选择 4、焊锡过程中的EOS、ESD 5、元器件的维修/拆卸方法 6、无铅焊接的验收和相关标准,1.前言,微电子技术的飞速发展和电子产品小型化、轻量化及高可靠的要求，使表面贴装元器件在电子产品中的应用日益广泛，表面安装技术因此也成为电子装联工艺的主流。作为表面贴装元器件的安装、连结和支撑的载体SMT用印制板也有了相应的发展和进步，
2、表面安装元器件与印制板焊接连接用的焊料，也逐步由传统的锡铅合金焊料向无铅焊料过渡。 传统的Sn63/Pb37共晶焊料由于其电气、机械性能和工艺性能优良，成本低廉，在电子装联中的应用已经有近百年的历史，在SMT印制板及其焊接中的应用也有多年的经验，技术相对也比较成熟。但是，焊料中的铅元素危害人类的健康，对环境会造成很大的污染。随着科学技术的进步，人们对环境保护意识的增强，限制使用铅等有害物质的呼声日益强烈，为此欧盟对在电气电子产品中限制使用某些物质进行了立法，颁布了“WEEE” 和“ROHS”两项指令。,按照ROHS指令的规定：从2006年7月1日起，投放欧洲市场的电子产品不允许含有: Pb、H
3、g、Cd、六价Cr 和 PBB（多溴联苯）、PBDE（多溴联苯醚）等有害物质。 我国由信息产业部、外贸部和技术质量监督局等七部委联合制定了电子信息产品污染控制管理办法现已颁布，主要目的是为了控制ROHS指令中规定的铅、汞等六种有害物质在电子信息产品中的应用（其中软件、出口产品和军工产品除外），该规定从2007年3月1日开始实施,这意味着今后进入中国市场的电子信息产品也必须是不含铅、汞等有害物质。所以采用无铅的焊接技术是势在必行。,为了应对无铅焊接的要求，欧美和日本等发达国家，早已在无铅焊接的材料、印制板的无铅制程和基材的更新以及相关标准方面，做了大量的工作和研究，并且开发出许多新的材料和产品。
4、我国在这方面工作虽然起步较晚，但是有欧美等国的经验借鉴，发展也比较快，然而无铅焊接与传统的有铅焊接还有许多不同的特点和要求，实践经验和技术相对于有铅焊接尚不成熟，对于焊接材料、印制板与无铅焊接的匹配以及焊接质量和验收标准等方面，有许多工作需要进一步探讨和研究，本文将根据自己的实践和相关资料的体会，浅谈无铅焊接工艺中遇到的特殊要求与经常出现的问题。,2.焊接基础知识 锡焊从学科分类属于钎焊学 。 所谓钎焊，简而言之，就是将比母材熔点低的金属材料熔化，使其与母材结合到一起。 锡焊就是采用锡铅系焊料的钎焊。 2.1无铅焊料的特点 无铅焊料是指： 焊料合金中铅的自然含量小于0.1wt（1000ppm）
5、，并且不含ROHS指令中规定的其它有害元素。,无铅焊料合金一般为：Sn 与含Ag、 Cu、 Zn、Bi、 In、Sb 等元素的二元、三元或多元合金。 目前广泛采用的是Sn 95.8/Ag3.5/ Cu0.7的三元共晶合金 及Sn 96.5/Ag3.0/ Cu0.5的三元近共晶合金（日本）。 该焊料与传统的锡铅合金焊料相比其特点是： 2.1.1. 焊料的熔点高 目前常用的无铅焊料合金的熔点一般为216220，因为合金各成分比例的不同，其熔点不同，含银量为3.5的SnAgCu共晶焊料其熔点为217，比传统的Sn-Pb合金共晶焊料高出34，在SMT印制板上的焊接温度也要相应地提高30多摄氏度。 2.
6、1.2.无铅焊料的表面张力较大 无铅焊料的表面张力较大，对印制板涂镀层表面的润湿性也比Sn-Pb合金焊料差，焊接后焊料的扩展面积小，对印制板焊盘的可焊性要求高。,2.1.3.无铅焊料的焊接工艺窗口小，工艺控制难度大。 因为无铅焊料的熔点高，在焊接中能形成可靠焊点所需要的焊接温度也要升高，从焊接温度到印制板所能承受的温度极限值的范围变小；无铅焊料的共晶特性不如锡铅合金焊料，印制板横向的温差对焊接质量影响很大，需要提高温度的控制精度和加热温度的均匀性，因而工艺控制的难度加大。 2.1.4.无铅焊料中含有银或其它稀贵金属，焊料成本高。 无铅焊料中银的用量虽然只有SnPb焊料中Pb含量的9左右，但是银
7、价格很高(铅与银的价格比为：1：250300)必然会使焊料的成本提高。但是，因为焊膏的成本制造费占较大比重，所以最终产品的价格略高于有铅焊膏。 2.1.5无铅焊料焊点的强度根据焊料成分不同有很大区别，对于Sn-Ag-Cu系列的张力强度略高于SnPb焊料。,2.2无铅焊接对SMT印制板的特殊要求 由于无铅焊料有以上特点，对SMT用印制板的要求也就不同于有铅焊接，尤其是对印制板的基材和表面涂镀层有更为严酷的要求，具体体现在以下方面： 2.2.1.基材的耐热性和热稳定性要求高 无铅焊料的熔点高，焊接也温度高，再流焊的温度曲线不同于有铅焊料，印制板通过再流炉焊接的温度高、时间长，为防止焊接过程中印制板
8、受热产生起泡、分层、变色或金属化孔壁断裂而损坏，对印制板基材的耐热性和热稳定性有更高的要求。 2.2.2. 印制板表面的涂镀层应无铅、表面平整，有良好的可焊性，能与焊料形成可靠的焊点，并且能经受焊接的高温而不 易氧化，必要时需要经受重复焊接仍能保持可焊。传统的Sn-Pb合金镀层和有铅焊料的HASL涂层已不能应用。,2.2.3. SMT印制板应平整，板的翘曲度小 一般SMT板的翘曲度0.75%，并且在焊接的高温下印制板也不允许弯曲变形。翘曲会影响表面贴装元器件与板的共平面性，降低焊接的可靠性。尤其是在无铅焊接条件下温度高，更易引起翘曲。所以印制板高温下也应保持较小的翘曲。 引起印制板翘曲是多因素
9、的综合影响，有印制板基材方面、印制板加工的工艺控制问题、印制板设计时布线的均匀程度和热设计问题以及焊接工艺的控制等方面的原因。 最根本原因是印制板基材中的铜箔、树脂和增强材料的热膨胀系数的差异，（在X-Y方向铜大于树脂，Z向树脂大于铜）。在高温下热膨胀的影响将更为明显，如果将上述影响因素控制得好，会使印制板的翘曲降到可以接受的程度,2.2.4. 基材的吸湿率低和耐离子迁移性能好 SMT印制板的元器件安装密度越来越高，印制导线的间距越来越小，导线之间的绝缘电阻是印制板重要的电气性能。 离子迁移（CAF）是印制板在加电使用过程中，在直流电场作用下，产生电化学反应，在印制板上相互靠近而平行的电路上施
10、加电压后，在电场作用下，导线之间析出树枝状金属的状态，或者是沿着基材的玻璃纤维表面发生金属离子的迁移（CAF），从而降低了导线间的绝缘。焊接的高温能引起印制板表面树脂的挥发，如果树脂的挥发量大，印制板的表面粗糙容易吸湿，会加速CAF现象的产生，所以无铅焊接需要选择耐离子迁移性能好的基材。 在潮湿的条件下，吸湿性高的基材在焊接的高温还容易引起印制板产生白斑或分层，使绝缘电阻下降。所以应选用吸湿率低或吸湿后对电性能影响不大的基材，如BT树脂等。,2.2.5.不含卤素类阻燃剂 SMT印制板在满足无铅要求的同时，还应不含PBB/PBDE类有卤素的阻燃剂材料，无卤素虽然与无铅焊接没有直接关系，但是都是在
11、ROHS“指令”和“规定”中同时限制使用的有害物质，在采用无铅焊接的同时也必须考虑印制板的基材中无卤素的问题。并且无卤素基材的耐热性一般高于有卤素的基材，所以更适合于SMT印制板。 在现有的FR-4型的印制板基材中，采用的阻燃剂不是“指令”中明文限制使用的PBB和 PBDE，它是采用四溴双酚A（ TBBA）作阻燃剂，属于反应型阻燃剂，在环氧树脂中参与化学反应，不具有生物降解的可能性，许多研究表明它对于人类和环境的危害要小于PBB和 PBDE危害的十倍以上，在没有性价比更好的无卤素阻燃剂的情况下仍可以使用，这也是目前仍在采用FR-4型的印制板基材的原因。,TBBA型阻燃剂尽管毒性很低，但是它终究
12、是含有卤素，是有一定毒性的，将逐渐被性价比更好的无卤素型印制板基材所代替。可以替代卤素的阻燃剂有磷（P）、氮（N）、无机氢氧化物（如水合氧化铝、氢氧化镁）等，目前采用较多的无卤素阻燃剂有含P、含N或两者组合，但是这类阻燃剂也有一定的不足，含P的树脂基材中的有机磷也有毒性，所以最环保型的阻燃剂应是不含卤素和磷。 目前市场已开发出这一类的无卤素印制板基材，如苏州生益公司的S1155/S1156等板材，随着技术的进步将会有更多无卤素的印制板基材进入市场。,2.3 焊锡原理,锡焊技术,可靠性,2.3.1. 焊接可靠性：,2.3.2. 焊接三要素： 三要素 母材、焊料、焊剂 在焊剂的帮助下，适当的温度下
13、，焊料在金属表面产生润湿，作为焊料成分的锡金属向母材金属扩散，在界面上形成合金层（金属互化层），即金属化合物，使两者结合在一起。上述锡焊过程即是润湿扩散冶金结合过程。 2.3.3. 助焊剂的作用： 去除金属表面氧化物 降低焊料的表面张力，有助于焊料润湿、扩散 形成热桥，有助于焊料融化 防止焊料、焊盘的氧化,2.3.4. 润湿： 在焊接过程中，我们把溶解的焊料在被焊金属表面上形成均匀、平滑、连续并且附着牢固的合金的过程，称之为焊料在母材表面的润湿。 2.3.5. 润湿力： 在焊接过程中，将由于清洁的熔融焊料与被焊金属之间接触而导致润湿的原子之间相互吸引的力称为润湿力。 在自然界中有很多这方面的例
14、子，举例来说，在清洁的玻璃板上滴一滴水，水滴可在玻璃板上完全铺开，这时可以说水对玻璃板完全润湿；如果滴的是一滴油，则油,滴会形成一球块，发生有限铺开，此时可以说油滴在玻璃板上能润湿；若滴一滴水银，则水银将形成一个球体在玻璃板上滚动，这时说明水银对玻璃不润湿。焊料对母材的润湿与铺展也是一样的道理，当焊料不加助焊剂在焊盘上熔化时，焊料呈球壮在焊盘上滚动，也就是焊料的内聚力大于焊料对焊盘的附着力，此时焊料不能润湿焊盘；当加助焊剂时，焊料将在焊盘上铺开，也就是说此时焊料的内聚力小于焊料对焊盘的附着力，所以焊料才得以在焊盘上润湿和铺展。,2.3.6. 表面张力与润湿力： 在焊接过程中，焊料的表面张力是一
15、个不利于焊接的重要因素，但是，因为表面张力是物理的特性，只能改变它，不能取消它，在焊接过程中，降低焊料表面张力可以提高焊料的润湿力。 2.3.7. 减小表面张力的方法： 表面张力一般会随着温度的升高而降低； 改善焊料合金成分（如锡铅焊料：表面张力随铅的含量增加而降低）； 增加活性剂，可以去除焊料的表面氧化层，并有效地减小焊料的表面张力； 采用惰性保护气体，介质不同，焊料表面张力不同。,使用助焊剂前后的效果比较：,2.3.8. 熔化的焊料要润湿固体金属表面所需具备的两个条件： 液态焊料与母材之间应能互相溶解，即两种原子之间有良好的亲和力。（能结合的金属种类很多，其中表面氧化的容易度、氧化物的性质
16、与焊锡的亲和力等均有差异，焊锡的程度也就非常不同。常见的金属的焊锡容易度顺序是：银、铜、黄铜、青铜、钢铁、不锈钢、铝 ） 焊料和母材表面必须“清洁”。 2.3.9. 润湿角： 是指焊料与母材间的界面和焊料熔化后焊料表面切线之间的夹角，又称接触角。润湿角不能大于90度，否则被视为缺陷。,2.3.10. 使用电烙铁应注意的若干问题： 1、应仔细阅读电烙铁的使用说明书。 2、电烙铁使用之前，必须检查电源线或接地是否良好。 3、通电之前，应检查供电电压与所用的电烙铁额定电压是否一致。 4、电烙铁一般使用温度不宜超过380 （若需要更高者，也不宜超过400 并时间不可太长）。且不使用之时，应及时关闭电源。 5、正在使用的烙铁头其头部应经常保持清洁和上锡，待焊或焊接中的烙铁头，头部（长度约510mm处）必须均匀沾涂上一层薄锡，切忌对表面有电镀层的烙铁头用粗砂纸或锉刀进行整修。,6、要定期或适时地清除烙铁头、其内孔或外径上的氧化物与污焦层。 7、应选用中等活性（RMR）或免清洗（NC）的助焊剂为宜，切忌用卤素含
