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表面安裝技術

無鉛焊接

考慮到環境和健康因素,歐盟已於2008年通過立法停止使用含鉛焊料,美國和日本也在積極考慮通過立法減少和禁止使用鉛等有害元素。鉛的毒害目前,全球電子工業使用的焊料每年消耗約20000噸鉛,約占世界鉛年產量的5%。鉛和鉛化合物已被美國環境保護署(EPA)列為對人體和環境危害最大的65,438+07種化學品之壹。目前無鉛焊料常用的含鉛合金焊料粉有Sn-Pb、Sn-Pb-Ag、Sn-Pb-Bi等。常用的合金成分有63%Sn/37%Pb和62%Sn/36%Pb/2%Ag。不同的合金比例有不同的熔化溫度。對於標準Sn63和Sn62焊料合金,回流溫度曲線的峰值溫度在203和230度之間。然而,大多數無鉛焊膏的熔點比Sn63合金高30到45度。因此,無鉛釬料的基本要求目前國際公認為:添加Ag、Cu、Sb、In等其他合金元素的Sn基軟釬料合金,Pb的質量分數在0.2%以下。無鉛焊料並不是什麽新技術,但如今的無鉛焊料研究都是為了尋找壹種年消耗量在5 ~ 6萬噸的Sn-Pb焊料的替代品。因此,替代合金應滿足以下要求:

(1)其全球儲備足以滿足市場需求。有些元素,如銦、鉍,儲量較小,只能作為無鉛焊料中的微量添加劑;

(2)無毒。壹些替代元素,如鎘和碲,是有毒的。有些元素,如銻,如果改變毒性標準,也可以認為是有毒的;

(3)可以加工成所有需要的形狀,包括手工焊接和修理用的焊絲;焊錫膏用焊料粉;用於波峰焊接的焊棒等。並不是所有的合金都能加工成所有的形態,比如鉍含量的增加會導致合金變脆,無法拉成細絲;

(4)相變溫度(固相/液相線溫度)與Sn-Pb焊料相似;

(5)適當的物理性質,特別是導電性、導熱性和熱膨脹系數;

(6)在冶金性能上與現有元件基板/引線和PCB材料的兼容性;

(7)足夠的機械性能:剪切強度、抗蠕變性、等溫抗疲勞性、熱機抗疲勞性和金相組織的穩定性;

(8)良好的潤濕性;

(9)可接受的成本價。

新型無鉛焊料的成本應小於22.2/kg,因此In的質量分數應小於1.5%,Bi的含量應小於2.0%。早期的R&D計劃側重於新合金成分的確定、多相圖的研究和潤濕性、強度等基本性能的考察。後期研發計劃主要集中在SnCu、SnAg、SnAgCu、SnAgCuSb、SnAgBi五個合金系列。深入討論了疲勞性能、生產行為和工藝優化。表2.3 NCMS國家制造科學中心提出的無鉛焊料性能評價標準IPC也於2000年6月發布了“無鉛電子產品組裝指南”的研究報告。

目前國際上關於無鉛焊料的主要結論如下:現有的無鉛焊料種類繁多,沒有壹種能為SnPb焊料的直接替代提供全面的解決方案。

(1)對於壹些特殊工藝,可以直接替換壹些特定的無鉛焊料;

(2)目前最吸引人的無鉛焊料是Sn-Ag-Cu系列。其他可能的組合包括Sn-0.7Cu、Sn-3.5Ag和Sn-Ag-Bi;

(3)高鉛高熔點焊料目前還沒有合適的無鉛替代品;

(4)目前焊劑的化學體系不需要大的改變;

(5)無鉛焊料形成的焊點可靠性優於SnPb合金。

幾種無鉛焊料的比較

(1)SnCu:價格最便宜;最高熔點;機械性能最差。

(2)SnAg:機械性能好,焊接性好,熱疲勞可靠性好。* * *晶體的熔點為2265438±0℃。SnAg和SnAgCu組合的區別很小,其選擇主要取決於價格、貨源等其他因素。

(3)SnAgCu(Sb):近幾年才知道Sn-Ag-Cu之間存在三元* * *晶體,其熔點低於Sn-Ag***晶體。當然,這種三元* * *晶體的確切成分還有爭議。與錫銀和錫銅相比,該組合具有更好的可靠性和可焊性。此外,通過添加0.5%Sb,可以進壹步提高高溫可靠性。

(4)SnAgBi(Cu)(Ge):低熔點,200 ~ 210℃;可靠性好;可焊性是所有無鉛焊料中最好的,這壹點已經得到了松下的證實。添加Cu或Ge可以進壹步提高強度;缺點是含有Bi引起的潤濕角上升問題。

(5)SnZnBi:熔點最接近Sn-Pb***晶體;然而,含有Zn帶來了許多問題,例如焊膏的保質期、大量活性焊料殘余、氧化問題和潛在的腐蝕問題。目前不推薦。2.2合金的選擇:本次回流焊工藝設計采用Sn/Ag/Cu合金(Sn/Ag3.0/Cu0.5),因為這種合金被認為是國際工業界的首選,並得到了工業和研究協會成員的推薦。因為雖然有些公會也提出並研究了另壹種合金Sn/0.7Cu(質量百分比),但也有企業在生產中采用了這種合金。但相對於Sn/Cu合金的可靠性和潤濕性,考慮到回流焊和波峰焊使用的是同壹種合金,Sn/Ag/Cu合金成為工藝開發試驗的最佳選擇。Sn/Ag3.0/Cu0.5合金的性能:溶解溫度:固相線217℃/液相線220℃;成本:0.10 USD /cm3與Sn/Cu焊料價格比:2.7機械強度:48kg/mm2伸長率:75%潤濕性:根據Sn/Ag/Cu合金的性質,焊料合金的熔化溫度比原來的Sn/Pb合金高36℃,商品化後的價格也比原來高。工藝焊接溫度采用日本對此合金焊料推薦的工藝曲線,如圖2.1。

日本推薦的無鉛再流焊典型工藝曲線表明,推薦工藝曲線中有三個要點:

(1)預熱區的升溫速率要盡可能的慢(選擇2 ~ 3℃/s的數值),以控制焊膏崩邊引起的焊點和焊球的橋接。

(2)預熱要求必須在(45 ~ 90秒,120 ~ 160℃)範圍內,以控制因PCB基板溫差、助焊劑性能變化等因素引起的再流焊中的缺陷。

(3)最高焊接溫度在230℃以上,並保持20 ~ 30秒,以保證焊接的潤濕性。冷卻速度選擇-4℃/s 6再流焊中的缺陷及其解決方法焊接缺陷可分為主要缺陷、次要缺陷和表面缺陷。任何使形狀記憶合金功能失效的缺陷稱為主要缺陷;二次缺陷是指焊點間潤濕性好,不會造成SMA功能喪失,但可能影響產品壽命的缺陷;表面缺陷是指不影響產品的功能和壽命。受焊膏、基板、元器件可焊性、印刷、貼裝精度、焊接工藝等多種參數影響。在SMT技術的研究和生產中,我們知道合理的表面組裝技術對控制和提高SMT生產質量起著至關重要的作用。

再流焊中的錫珠

(1)再流焊中焊球的形成機理。回流焊中出現的焊球(或焊球)往往隱藏在矩形片式元件兩個焊接端的邊之間或細間距引腳之間,如圖6.1和6.2所示。在元件安裝過程中,焊膏被放置在芯片元件的引腳和焊盤之間。當印刷電路板通過回流爐時,焊膏熔化並變成液體。如果它與焊盤和器件引腳潤濕不良,液態焊料將收縮,焊縫將不會被完全填充,並且所有焊料顆粒不能聚集成焊點。部分液態焊料將從焊縫中流出,形成焊珠。因此,焊料與焊盤和器件引腳的潤濕性差是形成焊珠的根本原因。圖6.1粒度稍大的芯片組件示例。圖6.2不僅僅是散布在引腳周圍的焊球和焊膏。在印刷過程中,由於模板與焊盤的偏差,如果偏差過大,鍋膏會溢出焊盤,加熱後容易出現錫球。貼裝過程中Z軸的壓力是產生錫珠的重要原因,這壹點往往被人們所忽視。因為Z鈾頭是根據元器件的厚度來定位的,所以有些貼片機會在元器件貼在PCB上的瞬間造成錫芽被擠出焊盤。這種分組顯然會造成錫珠。在這種情況下,生產的錫珠尺寸略大。通常只要重新調整Z鈾的高度,就可以防止錫珠。

(2)原因分析及控制方法焊料潤濕性差的原因有很多。以下主要分析與相關流程相關的原因及解決方案:

(1)回流溫度曲線設置不正確。焊膏的回流與溫度和時間有關。如果溫度或時間不夠,錫膏就不會回流。預熱區溫度上升過快,時間過短,使得焊膏中的水分和溶劑沒有完全揮發。當它到達回流區時,會導致水分和溶劑沸騰並飛濺出焊料珠。實踐證明,預熱帶升溫速度控制在1 ~ 4℃/s是理想的

(2)如果錫珠總是出現在同壹個位置,就要檢查金屬模板的設計結構。模板開口尺寸腐蝕精度達不到要求,焊盤尺寸過大,表面材質較軟(如銅模板),會造成印刷的錫膏輪廓不清,相互橋接。這種情況在細間距器件的移印中經常出現,回流焊後引腳之間必然會產生大量的焊球。因此,要根據焊盤圖形的不同形狀和中心距,選擇合適的模板材料和模板制造工藝,以保證焊膏的印刷質量。

(3)如果從貼裝到回流焊時間過長,錫膏中的焊料顆粒會被氧化,助焊劑變質,活性降低,導致錫膏不回流焊,產生錫珠。選擇工作壽命更長的錫膏(我們認為至少是4小時)會減輕這種影響。

(4)另外,印刷有錫膏的印制板清洗不充分,會使錫膏殘留在印制板表面和通孔上。在回流焊接之前,當元件被附著時,印刷的焊膏變形。這些也是錫珠產生的原因。因此,在生產過程中要加強操作人員和技術人員的責任心,嚴格按照工藝要求和操作規程進行生產,加強過程的質量控制。6.2垂直芯片問題(曼哈頓現象)芯片組件壹端焊接在焊盤上,另壹端傾斜。這種現象被稱為曼哈頓現象,如圖6.5所示。造成這種現象的主要原因是元件兩端受熱不均勻,焊膏相繼熔化。在以下情況下,構件兩端受熱會不均勻:圖6.5垂直現象圖6.6構件偏離墊塊,因此兩側受力不平衡,產生垂直現象。

(1)組件排列方向設計不正確。我們假設在回流焊爐的寬度上有壹條回流焊限制線,錫膏壹旦通過就會立即熔化,如圖6.7所示。片式矩形元件壹端先通過回流焊限線,焊膏先熔化,完全浸潤元件端金屬表面,具有液體表面張力;而另壹端沒有達到183℃液相溫度,所以焊膏沒有熔化,只有助焊劑的粘附力,遠遠小於回流焊膏的表面張力,從而使未熔化端的元件端直立。因此,元件兩端應同時保持在回流限制線內,使兩端焊盤上的錫膏同時熔化,形成平衡的液體表面張力,保持元件位置不變。圖6.7焊盤壹側的錫綠色粉末熔化。當兩個墊之間的張力不平衡時,將出現紀念碑。

(2)在氣相焊接過程中,印刷電路元件的預熱不充分。氣相焊接是通過惰性液體蒸汽凝結在元件引腳和PCB焊盤上時釋放熱量來熔化焊膏。氣相焊接分為平衡區和飽和蒸汽區。在飽和蒸汽區,焊接溫度高達265438±07℃。在生產過程中,我們發現如果待焊接的元器件預熱不充分,受到65,438+000℃以上的溫差變化,氣相焊接的汽化力很容易使封裝尺寸小於65,438+0206的片式元器件浮起,造成立片現象。我們將焊接好的構件在高低溫箱中以145 ~ 150℃的溫度預熱1 ~ 2 min,然後在氣相焊接的平衡區預熱約1min,最後緩慢進入飽和蒸汽區進行焊接,從而消除豎片現象。

(3)焊盤設計質量的影響。如果芯片元件的壹對焊盤尺寸不壹樣或者不對稱,也會導致印刷的錫膏量不壹致。小焊盤對溫度反應快,上面的錫膏容易熔化,大焊盤則相反。因此,小焊盤上的錫膏熔化後,元件會在錫膏的表面張力下變直豎起。墊的寬度或縫隙過大,也可能出現豎片現象。嚴格按照標準規範設計焊盤是解決這壹缺陷的前提。6.3橋接也是SMT生產中常見的缺陷之壹,會造成元器件之間的短路,發生橋接時必須修復。連接發生的過程。

(1)焊錫膏質量問題焊錫膏中的金屬含量較高,特別是印刷時間長了,容易增加。錫膏粘度低,預熱後溢出焊盤外;焊膏坍落度不佳,預熱後Han溢出,會導致IC引腳橋接。解決辦法是調整錫膏。

(2)印刷系統重復精度差,對位不均勻,錫膏印刷在銀條外,這在細間距QFP生產中比較常見;鋼板與PCB對位不良,鋼板窗口尺寸/厚度設計不當,PCB焊盤設計合金鍍層不均勻,都會導致錫膏過多,都會造成橋接。解決辦法是調整印刷機,提高PCB焊盤的塗層。

(3)貼合壓力過大,壓後錫膏浸出是生產中常見的原因,所以要調整Z軸的高度。如果貼片精度不夠,會造成元器件移位,IC管腳變形,那麽就要根據原因進行改進。

(4)預熱溫度過快,錫膏中的溶劑無法揮發。6.4吸/芯吸現象芯吸現象又稱抽芯現象,是常見的焊接缺陷之壹,如圖6.8所示,在氣相回流焊接中較為常見。毛細現象是焊料離開焊盤,沿著引腳行進到引腳和芯片體之間,會形成嚴重的虛焊現象。圖6.8芯吸現象產生的原因壹般認為是元件引腳導熱系數高,溫度上升快,使焊料先潤濕引腳,焊料與引腳之間的潤濕力遠大於焊料與焊盤之間的潤濕力,引腳向上傾斜會加劇芯吸現象。在紅外再流焊中,PCB基板和焊料中的有機助焊劑是紅外線的優良吸收介質,但鉛可以部分反射紅外線。相比較而言,焊料先熔化,其與焊盤的潤濕力大於與引線的潤濕力,所以焊料不會沿引線上升,出現毛細現象的概率要小得多。解決方法如下:SMA在氣相再流焊時,放入氣相爐前要充分預熱;應仔細檢查並保證PCB焊盤的可焊性,可焊性差的PCB不得用於生產;元件的平面度不容忽視,平面度差的器件不宜用於生產。6.5焊接後個別焊點周圍會出現淡綠色氣泡,嚴重時會出現指甲蓋大小的氣泡,不僅影響外觀質量,嚴重時還會影響性能,這是焊接過程中常見的問題之壹。阻焊膜起泡的根本原因是阻焊膜和陽基板之間有氣體/水蒸氣。在不同的工藝流程中會夾帶少量的氣體/水蒸氣。當遇到高溫時,氣體會膨脹,導致阻焊膜和陽極基板之間的分層。焊接,焊盤溫度比較高,所以焊盤周圍首先出現氣泡。目前加工過程中經常需要清洗,幹燥後再進行下道工序。例如,蝕刻後,應在幹燥後粘貼阻焊膜。此時,如果幹燥溫度不夠,水蒸氣會被夾帶到下壹道工序中。加工前PCB的存放環境不好,濕度過高,焊接時沒有及時烘幹;在波峰焊接過程中,經常使用含水焊劑。如果PCB預熱溫度不夠,助焊劑中的水蒸氣會沿著通孔的孔壁進入PCB基板內部,水蒸氣會先進入焊盤周圍,遇到焊接高溫後會產生氣泡。解決辦法是;(1)各個環節都要嚴格把關,采購的PCB要檢驗入庫。壹般在標準條件下,不應有起泡現象;(2)多氯聯苯應在通風幹燥的環境中存放不超過6個月;(3)焊接前,PCB應在烘箱中進行105℃/4h ~ 6h的預烘;6.6 PCB失真PCB失真是SMT量產中常見的問題,會對組裝和測試產生相當大的影響。所以在生產中要盡量避免這個問題。PCB變形的原因有:(1)PCB本身原材料選擇不當,PCB的Tg低,尤其是紙基PCB,其加工溫度過高,會使PCB彎曲。(2)PCB設計不合理,元器件分布不均勻會造成PCB熱應力過大,形狀較大的連接器和插座也會影響PCB的伸縮,甚至造成永久變形。(3)雙面PCB,如果壹面銅箔太大(如地線),另壹面銅箔太小,會造成兩面收縮不均,變形。(4)回流焊溫度過高也會造成PCB變形。針對以上原因,解決方法如下:在價格和空間允許的情況下,選擇Tg高的PCB或增加PCB厚度,以獲得最佳的縱橫比;合理設計PCB板,兩邊的鋼箔面積要均衡,沒有電路的地方要用鋼層覆蓋,以網狀的形式出現,增加PCB板的剛性,PCB板安裝前要預熱,條件是105℃/4h;調整夾具或夾緊距離,保證PCB受熱膨脹的空間;焊接工藝溫度應盡可能降低;當出現輕微變形時,可將其放入定位夾具中,升高溫度釋放應力,壹般會達到滿意的效果。6.7引腳焊接後開路/虛焊IC引腳焊接後,部分引腳出現虛焊,這是常見的焊接缺陷。原因有很多。主要原因是* * *的平坦度較差,尤其是QFP器件。由於存放不當,導致引腳變形,有時難以發現(有些貼片機沒有檢查* * *平面度的功能),其過程如圖6.9所示。圖6.9 ***平面度差的構件,焊後需要焊接。因此,應註意組件的保管,不得將組件帶走或拆開包裝。第二,引腳的可焊性不好。如果IC存放時間長,引腳會發黃,可焊性差也會導致虛焊。生產時要檢查元器件的可焊性,特別要註意貯存期不能太長(自生產之日起壹年內),貯存時不能暴露在高溫高濕環境中,包裝袋不能隨便打開。三是錫膏質量差,金屬含量低,可焊性差。通常用於焊接QFP裝置的焊膏應該具有不低於90%的金屬含量。第四,預熱溫度過高,容易造成IC引腳氧化,使可焊性變差。第五,模板窗口尺寸小,導致錫膏不足。通常模板制作完成後,要仔細檢查模板窗口的尺寸,不能過大也不能過小,要與PCB焊盤的尺寸相匹配。6.8片式元件的開裂在SMC生產中,片式元件的開裂在多層片式電容器(MLCC)中比較常見,主要是由作用力和機械應力引起的。(1)對於MLCC電容器,有很大的結構脆弱性。通常,MLCC由多層陶瓷電容器組成,其強度低,並且極其不耐受熱和機械沖擊。(2)在貼片過程中,貼片機的Z軸吸合高度,尤其是壹些不具備Z軸軟著陸功能的貼片機,是由貼片元件的厚度而不是壓力傳感器決定的,所以元件厚度的公差會造成裂縫。(3)3)PCB的翹曲應力,尤其是焊接後的翹曲應力,容易造成元器件開裂。(4)部分PCB板分割時,會損壞元器件。預防措施是:仔細調整焊接工藝曲線,特別是預熱區的溫度不能過低;在貼裝過程中,應小心調整貼片機的Z軸吸附高度。要註意拼圖的刮刀形狀;PCB的翹曲,尤其是焊後翹曲,要有針對性的矯正。如果是PCB的質量問題,就需要另壹個重點考慮。6.9其他常見焊接缺陷(1)潤濕性差潤濕性差表現為PCB焊盤上的吃錫不良或元器件引腳上的吃錫不良。原因:元器件引腳PCB焊盤被氧化/汙染;回流焊溫度過高;焊膏質量差。會導致潤濕性差,嚴重時會出現虛焊。(2)錫量很少,表現在焊點不充分,IC引腳根部的彎月面很小。原因:打印模板窗口小;燈芯現象(溫度曲線差異);焊膏的金屬含量很低。這些都會導致含錫量小,焊點強度不足。(3)引腳損壞引腳損壞表現為器件引腳平整度差或彎曲,直接影響焊接質量。原因:運輸/取放過程中損壞。因此,應小心保存組件,尤其是FQFP。(4)汙染物覆蓋襯墊。汙染物會覆蓋襯墊,這在生產中時有發生。起因:來自現場的紙;膠帶上的異物;用手觸摸PCB板或元件;字符映射表位置不對。所以要註意生產現場的清潔,工藝要規範。(5)錫膏量不足,生產中經常出現。原因:印刷第壹個PCB/機器停止後印刷;印刷工藝參數改變;鋼板窗被擋住;焊膏的質量變差。以上原因有壹個會導致錫量不足,要相應解決問題。(6)錫膏有棱角。錫膏有棱角,生產中經常出現,不容易發現。嚴重的話會焊接。原因:印刷機提網速度過快;模板孔壁不光滑,使錫膏呈現為錠狀。7總結目前國內外對無鉛焊接技術做了大量的研究,對包括Sn-Cu系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Ag-Bi-Cu系、Sn-Bi系、Sn-Sb系在內的多種無鉛焊料進行了深入的研究。國際工業研究協會等電子行業協會也推薦了Sn-Ag-Cu系列等典型合金材料的幾種合金比的工藝參數。壹些有實力的企業在這壹研究成果的基礎上進行了反復的實驗研究,不斷優化工藝參數,盡可能獲得最大的效益。本課題參考國內外文獻和相關期刊,選取合適的參數;選擇SMT相關網站上符合技術要求的回流焊設備,形成無鉛回流焊工藝。最後,對焊接過程中可能出現的焊接缺陷進行了理論分析,並提出了相應的解決方法。本課題是對技術的理論研究。由於設備的缺乏和我對SMT的膚淺不全面的認識,謬誤在所難免。感謝您的批評和指正。

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