1.制造成本增高:PCB元器件、焊接材料、助焊剂、设备人员等;
2.加工技术难度增高:无铅焊料焊接温度高、工艺窗口窄;
3.生产设备要求高:波峰焊、回流焊、视觉检测设备、在线测试设备、返工/返修设备等;
4.操作条件要求高:氮气、惰性气体;
5.工作压力提高:指定负责人完成准备工作、确定导人时间表、仪器设备增值预算等;
6.生产品质减低:来料检测含铅量、焊点光亮度降低、残留增多、在线测试难度增加、表面绝缘 电阻增大等。
针对以上问题,我们应该做些什么?
材料准备
无铅焊接对焊料的要求
要实施无铅焊接,首先从材料上考虑,涉及的材料有元器件、PCB、焊接材料、助焊剂等。
对无铅焊料(包括用在PCB焊盘、元器件可焊端、焊接材料)的要求:
1.电导率、热导率、热膨胀系数的匹配;
2.与锡/铅焊料相近的熔点及特性;
3.布线材料与PCB基材、可焊层的兼容;
4.剪切强度、蠕变抗力、等温疲劳抗力、热机疲劳抗力、金属学组织的稳定性;
5.良好的润湿性、可焊性、可靠性;
6.可接受的价格。
代替锡/铅焊料的合金有多种,一般是以Sn为基体,添加Ag、Cu、Sb、In等合金元素。现在市场上主要以锡/银/铜合金为主,取代锡/铅焊料的锡/银/铜合金可有不同的配比形式。日本倾向于96.5%锡/3.0%银/0.5%铜,北美更倾向于95.5%锡/3.9%银/0.6%铜,EU倾向于95.5%锡/3.8%银/0.7%铜。IPC推荐的三种焊料合金是:96.5%锡/3.0%银/0.5%铜,95.5%锡/3.8%银/0.7%铜,95.5%锡/4.0%银/0.5%铜。每种配比形式,供应商都做了大量实验分析,每一家都认为自己的焊料是取代锡/铅焊料的最佳选择。除此之外,表中列出多种可供选择的无铅焊料(用于回流焊的焊膏,用于波峰焊的合金棒,用于手工焊接的焊锡丝)。
无铅焊料的成本大约为锡/铅合金的200%-250%,对铅含量的要求现有以下标准可做参考:
JEDEC<0.2wt%Pb JEIDA<0.1wt%Pb EUELVD<0.1wt%Pb
无铅焊接对PCB的要求:PCB板材应选用玻璃态转化温度(TC)较高的板材,同时采用无铅材料制作PCB的焊盘,尤其是焊盘预镀焊料的PCB。无铅焊接对元器件的要求:对元器件的要求变高,尤其塑封器件,耐热力要达到
设备要求
无铅焊接对波峰焊的要求:锡炉内壁、波峰马达等始终与无铅焊料接触的部件,其抗溶蚀能力应比锡铅焊炉中的部件要更高。因波峰焊在工作时泵和叶轮首先出现凹点磨损现象,随着真正腐蚀-泵的叶轮被"吃掉",泵的作用减弱,接着在锅壁上起凹点,这可能导致针孔和液体焊锡的如一家使用锡/银的公司,每个月更换锡炉中的锡/银焊料,六个月更换泵,每年更换锡锅。以锡/银为例,当设备运行八小时后,不锈钢锡锅中出现铁的金属间化合针状结晶体。针对以上情况,生产厂家改用无铅焊料时,要适应新的焊接温度要求:预热区加长或更新加热组件,波峰焊焊槽、机械结构和传动装置都要适应新的要求,锡槽的机构材料与焊料的一致性(兼容性)要匹配。为提高焊接质量和减少焊料的氧化,生产厂家应考虑:1更换设备;2更换无铅焊槽等配套设施;3在现有波峰焊锡槽等配套设施上涂防护层。
无铅焊接对回流焊要求:加热温度能够满足无铅曲线的要求即可。请注意:因无铅焊料流动性、润湿性较差,要求助焊剂活性强一些;另外无铅焊接要求的回流温度比较高,会加速PCB焊盘、元器件引脚/焊端的氧化。因此焊接过程中充氮气或其他惰性气体可减少焊接缺陷,选择无铅焊接设备时应加以考虑。
无铅焊接对丝网印的要求:大致与锡/铅焊料相同。因60%-80%焊接缺陷源于焊膏印刷质量,所以加强丝网印刷后的质量检查,完善焊膏检测系统在努力提高生产率方面意义重大。
工艺准备
向无铅技术转变时,波峰焊工艺首先向无铅印制板和元器件转变,而后向无铅焊料转变(会带来润湿角上升),而再流焊则无此必要。以锡/银/铜无铅焊料为例,焊接回流曲线的设定为:
升温区:从室温升到
均温区:即预热部分,此时基板上温度差ΔT最小。温度一般从
再流焊区:
冷却区:按-1.5
冷却问题:焊好的组件离开再流焊区后,将被进行急速冷却,区段的温度不高于
波峰焊无铅焊料槽中,可能超标的金属元素主要是铅,铜、铁超标的可能性不大。当铅超标时,根据锡炉容量和超标的数值,从锡炉内取出部分焊料合金,然后添加适量的锡/0.3银/0.7铜,来降低锡炉中铅的含量。铜超标时,根据锡炉容量和超标数值,从锡炉内取出部分焊料合金,然后添加适量的锡/0.3银/0.1铜,来降低锡炉中铜的含量。铅铜均超标时,根据锡炉容量和超标的数值,从锡炉中取出部分焊料合金,然后添加适量锡/0.3银/0.1铜和锡/0.3银/0.7铜,来降低锡炉中铅和铜的含量。
返工/返修过程中,因无铅焊料的流动性、润湿性不如锡/铅焊料,因此使用手工焊接工具时会增加焊接次数,但不可以增加烙铁头与印制板焊盘的接触压力。因为高温情况下,烙铁头与印制板焊盘接触压力的增加会使焊盘脱落,损坏电路板。ERSA的循环温度补偿系统为无铅焊接的拆装带来很大的方便。
对于焊点质量的目检及在线测试仪、X射线检测方法等应根据实际情况作出相应的改进,ERSASCOPE自由定位的高倍放大检查系统能从任意角度观测焊点表面,同时对焊后的清洗工艺也要作出相应的调整。
操作要求
对回流炉操作环境的要求:氮气或惰性气体环境,可增加焊点的亮度,减少元器件及PCB焊盘的氧化程度,提高焊接质量,降低PPM值。对操作人员的要求:通过对人员的培训,加深对无铅工艺的理解和对无铅焊点的认识。
质量检测
无铅焊接焊点光泽相对锡铅焊料要差一些,且PCB上助焊剂残留物较多,可能造成在线测试结果不够准确,同时还要加强表面电阻的测试。无铅焊点的好坏判断标准,业界尚无定论,IPC等专业机构正在进行这方面的实验,相信不远的将来,会有适合无铅焊接的标准出现。现在有关方面的统计显示:无铅焊点的合格率大约在8000PPM左右。要提高焊点质量,应从PCB及元器件的可焊性、传送带速度、传送带倾角、助焊剂比重、涂布情况、预热温度、焊接温度、波峰质量等方面人手,加以调整。
无铅焊接,是对整个电子业的一个挑战,战胜他的同时,亦保护了人类自己。愿我们的工程技术人员与我们的制造供应商一起,迈出无铅焊接坚实的一步!
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