無鉛制程導(dǎo)入面臨問題及解決方案1 引言實施無鉛化電子組裝，許多企業(yè)并不主動，而是在各種壓力下才轉(zhuǎn)為無鉛化生產(chǎn)。外來壓力主要包括法令規(guī)定、環(huán)保要求、市場利益、用戶需求、有害物質(zhì)回收處理和無鉛技術(shù)方面等。無鉛化電子組裝實施5步法，即：（1）選擇正確的物料和設(shè)備，（2）定義制程工藝；（3）建立可靠的制造工藝：收集分析數(shù)據(jù)，排除制程中缺陷；（4）執(zhí)行無鉛化生產(chǎn)：生產(chǎn)開始后仔細(xì)跟蹤制程并作必要的調(diào)整；（5）控制并改進(jìn)制程：持續(xù)不斷的跟進(jìn)、監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)，并良好控制整個制程。2 物料選擇2.1 PCB無鉛化制造中涉及許多與PCB有關(guān)的問題，包括設(shè)計、材料和工藝等，特別需要關(guān)注和控制的問題有：可焊性及熱過程中可焊性的退化問題；較低CTE基材選用問題；合適的焊盤涂層材料選擇問題；焊接過程中大尺寸PCB下垂變形問題；高溫下基板z軸的熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致通孔可靠性問題；基材高溫分解引起的可靠性問題；基材吸水后在高溫再流過程中可能導(dǎo)致的內(nèi)部分層、玻璃纖維和樹脂界面接合的退化問題；另外還有兼容性和長期可靠性問題。2.1.1 基材對于簡單產(chǎn)品，焊接溫度為235240攝氏度，對于大熱容量的復(fù)雜產(chǎn)品，可能需要260攝氏度高溫才能滿足要求，傳統(tǒng)PCB基材大量使用溴化環(huán)氧樹脂等含鹵素聚合物的阻燃材料（含PBB和PBDE），在無鉛工藝高的焊接溫度下可能出現(xiàn)不可接受的變色、起皮和變形，而且容易釋放出高毒性物質(zhì)（如二惡英等致癌物），另外焊接溫度升高，由于材料的CET不匹配，尤其是Z方向，易造成多層結(jié)構(gòu)的PCB金屬化孔鍍層斷裂，一般玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg前后，都要求有較低的CTE，如圖1中B為合適的材料選擇。常用FR4的Tg在135攝氏度左右，Tg下樹脂、玻璃纖維的CTE與Cu（16166/k）相似，而在Tg260攝氏度間Z軸CTE較大，（8090106/k），基于外觀要求、設(shè)計難度和綠色制造等理由，無鉛化用PCB應(yīng)轉(zhuǎn)向使用Tg較高的FR4、FR5或CEMn基材有助于降低不匹配產(chǎn)生的應(yīng)力，但后兩者成本較高，表1和圖2為不同釬料焊接溫度對PCB基材的性能要求。Td為分解溫度/層壓分離溫度，定義為材料重量損失5時的溫度，無鉛工藝中業(yè)界提出將Td改為質(zhì)量減少2的溫度，如圖中Td為220攝氏度和260攝氏度，除了表中對PCB分解溫度的要求外，無鉛后PCB還要求一個參數(shù)T288，含義為溫度在288攝氏度時PCB能保持它的強度多長時間，IPC最近公布的FR4標(biāo)準(zhǔn)草案中為15min，此外在電鍍前還需除掉孔內(nèi)側(cè)樹脂/玻璃纖維，以增強金屬化孔臂與多層板的結(jié)合力，凹蝕深度一般為1320m，鍍銅厚度為25m以上（CEMn指由表面和芯部不同材料構(gòu)成的剛性復(fù)合基敷銅箔層壓板）。目前市場上出現(xiàn)一種高Tg的環(huán)保型材料，以含磷環(huán)氧樹脂取代溴化環(huán)氧樹脂作主體樹脂，以含氮酚醛樹脂取代傳統(tǒng)的雙氰胺作固化劑，通過添加阻燃助劑或氮和磷的作用提高產(chǎn)品的阻燃性，這種環(huán)保性材料比傳統(tǒng)型材料有以下優(yōu)點：鹵素含量低于0.09（即無氯素板），具有優(yōu)良的耐熱性能（Tg為175攝氏度左右）和低的吸水性，Z軸熱膨脹系數(shù)低，介質(zhì)損耗低，可靠性高，另外，在強度硬度及熱應(yīng)力方面，環(huán)保型材料比傳統(tǒng)的性能要好。2.1.2 預(yù)焊劑傳統(tǒng)PCB表面預(yù)焊劑處理是用有機溶劑將松香系變性樹脂溶解，經(jīng)于銅箔反應(yīng)形成銅與咪唑的絡(luò)合物而起到防銹效果。無鉛化之后，需采用新型咪唑衍生物做成高耐熱性水溶性預(yù)焊劑，其熱解溫度和防氧化能力需好于傳統(tǒng)的性能，比如松下公司研制的K型強耐熱性預(yù)焊劑，熱穩(wěn)定性可達(dá)350攝氏度，而其原來的T型預(yù)焊劑熱穩(wěn)定性僅為250攝氏度。2.1.3 焊盤涂層材料印刷電路板焊盤表面涂層主要起到兩個作用：防止銅導(dǎo)線和焊盤氧化，保證焊盤可焊性，PCB表面無鉛化涂層材料包括Sn、Ag、Bi、Pd、SnAg、SnBi、SnCu、Sn/Ni、Au/Ni、Pd/Ni等。表2為主要的有鉛和無鉛PCB焊盤表面涂層材料比較，圖3為具有良好平整度的無鉛釬料HASL涂層表面。2.2 元件無鉛制程導(dǎo)入過程中碰到的問題有相當(dāng)比例與元件質(zhì)量有關(guān)，無鉛制造中需改善元件的封裝材料和封裝設(shè)計，避免高焊接熱對元件所造成的熱沖擊，確保元件質(zhì)量。2.2.1 設(shè)計速度封裝從安裝可靠性方面觀察，密封樹脂吸收空氣中的水分，再流焊時高溫使分水變成蒸氣而產(chǎn)生膨脹，導(dǎo)致芯片、焊盤和樹脂之間分層，如圖4所示，隨著無鉛化工藝的應(yīng)用，元件急需解決的兩個問題：一是封裝內(nèi)水蒸氣壓增加，二是各部結(jié)構(gòu)材料之間的熱膨脹差距擴(kuò)大，解決措施就是通過新的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝技術(shù)進(jìn)行性能改進(jìn)，或根據(jù)表3元件封裝所能承受的峰值溫度來盡量降低焊接峰值溫度。另外對于片式元件開裂現(xiàn)象，與溫度、CTE差異，元件尺寸等成正比，陶瓷電阻和特殊的電容對溫度曲線的斜率非常敏感，陶瓷體與PCB的熱膨脹系數(shù)相差很大，在焊點加熱或冷卻時容易造成元件體和焊點裂紋，最好采用RTS溫度曲線在降低開裂發(fā)生率。對于0201、0402和0603小元件一般很少開裂，而1206以上的大元件發(fā)生開裂機會較多。2.2.2 濕氣敏感性無鉛焊接較高的再流溫度對塑料封裝元件的濕氣敏感性等級要求十分嚴(yán)峻，由敏感性引發(fā)的產(chǎn)品焊后分層、爆裂等，會嚴(yán)重影響電子組裝的可靠性，必須按照敏感性元件的存儲、使用和管理要求進(jìn)行嚴(yán)格控制，另外還需對濕氣敏感性問題重視和了解，一方面強化對供應(yīng)商的控制，一方面當(dāng)出現(xiàn)問題時可有效的解決。元件濕氣敏感等級要求可以參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：JEP113為濕氣面干性元件符號和標(biāo)識，JSTD033A為濕氣敏感集成電路元件的分級和處置，JEDEC A113為可靠性實驗前塑封元件的預(yù)處理，表4為非氣密性固態(tài)表面貼裝元件的水汽/再流敏感性分級，實踐證明，溫度每升高10設(shè)施度，MSL的可靠性降1級，有效防止措施為提前預(yù)烘烤并盡量降低焊接峰值溫度。2.2.3 可焊性元件無鉛化就是要引線和焊端部分涂層材料無鉛化，無鉛焊接對元件表面涂層的要求為無鉛、抗氧化、耐260攝氏度高溫，與無鉛釬料生成良好的界面合金，元器件焊端或引腳表面涂層材料有Sn、SnBi、SnCu、SnAg、SAC、Sn/Ni、Au/Ni，Pd/Ni、Ag/Pd，Au/Pd/Ni等，主要涂層材料為Sn、SnCu、SnBi、SnAg和預(yù)鍍NiPd/NiPdAu。所有高錫含量替代方案都產(chǎn)生焊須現(xiàn)象，存在可靠性風(fēng)險。2.2.4 元件標(biāo)簽JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD97對標(biāo)識、符號、識別無鉛組裝的標(biāo)簽、組件和器件都有規(guī)定，要求在內(nèi)包裝和外包裝盒上都要打上標(biāo)簽，明確顯示包裝內(nèi)的產(chǎn)品符合RoHS指令，或者說是無鉛的，圖5標(biāo)簽顯示了帶有特殊無鉛字符的部件編號，同時還有表示無鉛的符號，標(biāo)簽還顯示該部件可采用260攝氏度的再流焊，并通過了3擊潮濕敏感等級（MSL）的認(rèn)證。2.3 釬料傳統(tǒng)共晶釬料的替代方式有無鉛釬料、導(dǎo)電粘合劑（ECA）和嵌入式芯片，無鉛釬料技術(shù)相對比較成熟，而后兩種由于技術(shù)和成本問題，暫時沒有得到廣泛推廣。無鉛釬料選擇應(yīng)考慮以下幾個問題：熔點低，潤濕性好、成本低、易成形，抗氧化，兼容性和可靠性好等，由圖6可以看出，目前使用較多的無鉛釬料有Sn0.7Cu，Sn3.5Ag和SAC3種，SnZn和SnBi等也用于部分場合，圖7和8顯示了無鉛釬料高熔點、低潤濕性特點，表7為無鉛釬料應(yīng)用于不同焊接方法的推薦溫度，另外，主要幾種無鉛釬料相對密度減小12.5，熱傳導(dǎo)率減小34，熱膨脹系數(shù)增大11，并且會形成Ag3Sn和Cu6Sn52種金屬間化合物（如圖9）及錫的枝狀晶體。無鉛化組裝中，建議各種焊接方法使用同一合金，不但可以降低波峰焊時的二次再流風(fēng)險和材料管理風(fēng)險，而且可以防止Pb等有害物質(zhì)的污染。2.4 焊劑無鉛化后焊劑的成分發(fā)生了改變：新的催化劑成分（高的活化溫度），新的樹脂成分（低的分解率），新的熱穩(wěn)定凝較劑（減少塌陷），新的表面活性劑（增強可焊性）及更高溫度的抗氧化劑。在焊劑選擇時，不同的合金應(yīng)該選擇不同的焊劑，以防止化學(xué)反應(yīng)，考慮因素有合金種類、焊接環(huán)境，焊盤和元件鍍層等。用于無鉛釬料的新型焊劑的開發(fā)集中于無松香、無VOC的環(huán)保產(chǎn)品，而且是水溶性或免清晰的。由于無鉛軟釬焊工藝中去除的對象還是Sn的氧化物等。因此現(xiàn)有的焊劑仍然使用，只是由于溫度的升高需要注意防止黑色焊劑殘渣的形成，表6為改進(jìn)的載體配方，其中松油醇、丁基卡必醇醋酸脂和檸檬酸三丁脂中的松油醇揮發(fā)性最強，檸檬酸三丁脂最弱；混合溶劑的揮發(fā)基本符合亨利定律，即溶液中混合酸溶劑的相對含量決定了其蒸氣壓的相對比值，合理調(diào)整三者的相對含量，可以獲得不同層次揮發(fā)特性的有機載體；少量的添加劑對揮發(fā)性幾乎沒有影響，但是能極大地改變載體的各種性能。免清洗焊劑代替松香基焊劑及溶性焊劑，有利于實現(xiàn)益于環(huán)保的免清晰工藝并節(jié)省生產(chǎn)成本。醇基免清洗焊劑對焊接溫度特別敏感，不適合230260攝氏度的高溫焊接，分解將會顯著增加，產(chǎn)生大量煙霧和凝結(jié)物，并且殘留物易于發(fā)生聚合變硬，阻礙探針測試，并且揮發(fā)性有機化合物（VOC）的散發(fā)會對臭氧層形成破壞作用，無VOC新型水基免清洗焊劑已成功開發(fā)，其活性劑和化學(xué)物質(zhì)在水中的反應(yīng)活性比醇中高，且在改善殘留物和提高可焊性方面比醇基更優(yōu)。2.5 焊膏焊膏是將合金粉與粘性很高的焊劑混合而制成的膏狀物，一般需具備以下性能：漏印中透過性好，印刷后粘度保持時間長，無塌邊現(xiàn)象，可焊姓好，錫球飛濺少，滿足在線電性能測試、焊劑殘渣可靠性高（通過SIR和電遷移測試）、清洗性好、性能經(jīng)時變化小，低固溶免清洗焊膏選擇標(biāo)準(zhǔn)為：焊后無殘留物、無腐蝕，板面干凈且不粘手，有足夠高的表面絕緣電阻，離子殘留滿足免清洗要求，不易發(fā)生焊球、橋連等缺陷，無毒及嚴(yán)重氣味，無環(huán)境污染。無鉛再流焊過程中，焊劑較難潤濕合金粉和焊盤及引腳，焊接缺陷率比傳統(tǒng)工藝中要高，建議在制程導(dǎo)入之前，對無鉛焊膏進(jìn)行一系列工藝測試：黏著性測試，冷熱塌陷性測試，典型溫度曲線在空氣和氮氣下的焊球測試，不同表面鍍層材料潤濕鋪展測試，另外焊膏存儲溫度、濕度及存儲時間要嚴(yán)格參照技術(shù)說明。無鉛制程導(dǎo)入面臨問題及解決方案3 設(shè)備與工藝3.1 焊膏印刷工藝無鉛焊膏由于焊劑含量高、缺少鉛的潤滑作用，與有鉛焊膏相比，是率降低了15，擴(kuò)散率由90以上降低至7377，有鉛焊膏對工藝參數(shù)的變化相對不敏感，而無鉛焊膏卻依賴性很大。 無鉛工藝中，絲網(wǎng)最好用聚脂網(wǎng)，鋼網(wǎng)最好用304不銹鋼，鋼網(wǎng)制作方法多采用激光切割，許多因素會影響孔的位置精度和尺寸精度，包括設(shè)備精度及磨損、激光燈的老化、切割過程的溫度和張力等。隨著元件的小型化，鋼網(wǎng)厚度越來越薄，開孔尺寸也越來越小，為了增加焊膏釋放率，一般采用電鑄方法制作，并選擇印刷精度較高的全自動焊膏印刷機，保證焊點覆蓋焊盤的覆蓋率達(dá)90以上，還需選用適當(dāng)?shù)暮辖痤愃?，一般?號粉、合金含量為88.589.5的焊膏，增加金屬沉淀率。采用統(tǒng)一的文件格式，比如GERBER光繪文件來作為制作金屬模板與PCB的共同文件，可以提高金屬模板與PCB對準(zhǔn)精度，此外，其對準(zhǔn)精度除了與印刷機的定位精度有關(guān)，還與PC本身的位置精度有很大關(guān)系，因為PCB制作工藝的收縮和進(jìn)行焊接過程中發(fā)生收縮，會影響第二面的印刷精度。高速印刷與PCB板的板上焊膏成型的清洗度沒有任何關(guān)系，有兩個參數(shù)等更好的描述焊膏印刷性能，即流變系數(shù)和粘度不恢復(fù)率，高的流變系數(shù)意味著焊膏在高剪切率下更容易變稀，低的粘度不恢復(fù)率意味著焊膏在剪切力消除后粘度恢復(fù)的時間更短，可以理解為抗塌陷性好，粘度測試可參考標(biāo)準(zhǔn)JIS Z3284。為了提高焊膏釋放率，建議印刷速度放快、刮刀壓力調(diào)高，以實現(xiàn)對模板表面頂側(cè)充分印刷，且刮刀壓力的起點為每線性英寸印刷區(qū)域10.3413.79kPa。但印刷工藝參數(shù)調(diào)節(jié)并不是一個簡單的平面關(guān)系，如圖10所示無鉛焊膏的工藝窗口，而是一個空間關(guān)系，具體調(diào)節(jié)時要根據(jù)實際情況來優(yōu)化。實際無鉛焊膏印刷效果，釋放率較低，需考慮模板開口的設(shè)計，由于無鉛焊膏的擴(kuò)散性不如有鉛焊膏，模板孔徑于焊盤孔徑比恢復(fù)到1：1或更大：對于間距大于0.5mm的元件，一般采取1：1.021.10的開口比例；對于間距5mm的元件，一般采用1：1的開口比例，圖12為印刷模板開孔設(shè)計示例。 為了實現(xiàn)量好的焊膏印刷體積和圖形質(zhì)量，根據(jù)IPC7525要求，必須保證按照圖13，模板開孔最小寬度與模板厚度比W/T1.6（SnPb為1.5）模板開孔面積比大于0.71（SnPb為0.66）對于0402、0201等小元件，為了防止墓碑或錫珠現(xiàn)象的產(chǎn)生，需對焊盤形狀進(jìn)行如圖14所示的修改，此外，還需加大模板擦試頻率，選擇擦試或超聲波清洗方式，選用對應(yīng)焊膏的清洗劑，若無特殊要求，可選用酒精和去離子水。3.2 元件五貼裝工藝貼片過程中，無鉛元件的電極顏色比有鉛的暗，元件識別條件值應(yīng)特別注意，才能保證高的貼裝率。另外，由于無鉛釬料潤濕性差、自矯正作用小，為了保證元件在焊接位置的正確性須提高貼裝精度，對于1005元件，其寬度為0.5mm，如果元件焊接寬度要求為元件寬度的2/3，那么元件左右偏移最大值為0.16mm。但是元件在焊盤上縱向偏移時，不能超過0.05mm，否則容易造成立碑缺陷，尤其是在氮氣環(huán)境中，選用貼片精度在0.05mm的全自動貼片機，才能保證元件的焊接質(zhì)量。3.3 再流焊設(shè)備與工藝3.3.1 設(shè)備特點無鉛釬料的高熔點、低潤濕性導(dǎo)致工藝窗口變小，質(zhì)量控制難度相應(yīng)加大，為滿足無鉛焊接要求，再流焊設(shè)備應(yīng)該具有以下特點：更高的加熱溫度和效率；更好的溫度控制精度（1攝氏度）和溫度均勻性（T2攝氏度）；更多的加溫區(qū)數(shù)，具有可控的冷卻系統(tǒng)、焊劑過濾及管理系統(tǒng)、氮氣保護(hù)系統(tǒng)及實時溫度控制功能。溫區(qū)選擇時一般統(tǒng)推薦使用8溫區(qū)（雙焊接區(qū)）。對于大重型組建最好使用8溫區(qū)以上（三焊接區(qū)）。更多的溫區(qū)，曲線調(diào)節(jié)靈活，傳輸速度快，生產(chǎn)加工能力強，對于大重型組件，還需有中央支撐以防止PCB變形。3.3.2 溫度曲線特點溫度曲線的設(shè)定除了參考焊膏推薦商的溫度曲線參數(shù)外，還要考慮電子元件的耐熱性問題及實際焊接質(zhì)量問題，圖16示溫度曲線形狀有RSS和RTS兩種，無鉛焊接優(yōu)選RTS曲線形狀（帳篷形）。這是因為帳篷形溫度曲線具有以下特點：（1）減少PCB上最冷與最熱元件之間的溫差，提高溫度均勻性，有助于減少橋連、焊球、豎碑、芯吸及焊珠等缺陷；（2）合理升溫速率控制在0.52攝氏度/秒之間，最好為1.01.5攝氏度/秒，過大會導(dǎo)致合金粉末向外飛濺，過低則焊劑由擴(kuò)撒取代快速蒸發(fā)產(chǎn)生爆破，避免產(chǎn)生錫球，但會導(dǎo)致熔化前的熱輸入增加，在強制熱風(fēng)對流加熱方式中合金粉末氧化嚴(yán)重，導(dǎo)致潤濕不良。熱塌陷與熱擾動效應(yīng)為焊膏的本質(zhì)特性，它們?yōu)闇囟鹊暮瘮?shù)，導(dǎo)致粘度下降，溶劑蒸發(fā)效應(yīng)為一動態(tài)現(xiàn)象，其為溫度和時間的函數(shù)，導(dǎo)致粘度升高，對焊膏的塌陷起到一定的作用，圖17為兩種物理變化對焊膏粘度影響示意圖。采用帳篷形曲線降低升溫斜率，有利于溶劑更多蒸發(fā)而抵消分子熱振動帶來的影響，當(dāng)升溫斜率足夠低時，焊膏粘度反而會隨著