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。