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無鉛焊接裝配的基本工藝包括:a. 無鉛PCB制造工藝;b. 在焊錫膏中應(yīng)用的96.5Sn/3.5Ag和95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu共晶和近似共晶合金系統(tǒng);c. 用于波峰焊應(yīng)用的99.3Sn/0.7Cu共晶合金系統(tǒng);d. 用于手工焊接的99.3Sn/0.7Cu合金系統(tǒng)。盡管這些都是可行工藝,但具體實(shí)施起來還存在幾個(gè)大問題,如原料成本仍然高于標(biāo)準(zhǔn)Sn/Pb工藝、對濕潤度的限制有所增加、要求在波峰焊工藝中保持惰性空氣狀態(tài)(要有足量氮?dú)?以及可能將回流焊溫度升到極限溫度范圍(235~245℃之間)而提高了對各種元件的熱性要求等等。 就無鉛替代物而言,現(xiàn)在并沒有一套獲得普遍認(rèn)可的規(guī)范,經(jīng)過與該領(lǐng)域眾多專業(yè)人士的多次討論,我們得出下面一些技術(shù)和應(yīng)用要求:
金屬及合金選擇 在各種候選無鉛合金中,錫(Sn)都被用作基底金屬,因?yàn)樗杀竞艿?,貨源充足,并具備理想的物理特性,如?dǎo)電/導(dǎo)熱性和潤濕性,同時(shí)它也是63Sn/37Pb合金的基底金屬。通常與錫配合使用的其它金屬包括銀(Ag)、銦(In)、鋅(Zn)、銻(Sb)、銅(Cu)以及鉍(Bi)。
![]() 之所以選擇這些材料是因?yàn)樗鼈兣c錫組成合金時(shí)一般會(huì)降低熔點(diǎn),得到理想的機(jī)械、電氣和熱性能。表1列出了各種金屬的成本、密度、年生產(chǎn)能力和供貨方面的情況,另外在考察材料的供貨能力時(shí),將用量因素加在一起作綜合考慮得出的結(jié)果會(huì)更加清晰,例如現(xiàn)在電子業(yè)界每年63Sn/37Pb的消耗量在4.5萬噸左右,其中北美地區(qū)用量約為1.6萬噸,此時(shí)只要北美有3%的裝配工廠采用含銦20%的錫/銦無鉛合金,其銦消耗量就將超過該金屬的全球生產(chǎn)能力。 近5年來業(yè)界推出了一系列合金成分建議,幷且對這些無鉛替代方案進(jìn)行了評估。備選方案總數(shù)超過75個(gè),但是主要方案則可以歸納為不到15個(gè)。面對所有候選合金,我們采用一些技術(shù)規(guī)范將選擇縮到一個(gè)較小的范圍內(nèi)便于進(jìn)行挑選。 銦 銦可能是降低錫合金熔點(diǎn)的*有效成分,同時(shí)它還具有非常良好的物理和潤濕性質(zhì),但是銦非常稀有,因此大規(guī)模應(yīng)用太過昂貴?;谶@些原因,含銦合金將被排除在進(jìn)一步考慮范圍之外。雖然銦合金可能在某些特定場合是一個(gè)比較好的選擇,但就整個(gè)業(yè)界范圍而言則不太合適,另外差分掃描熱量測定也顯示77.2Sn/20In/2.8Ag合金的熔點(diǎn)很低,只有114℃,所以也不太適合某些應(yīng)用。 鋅 鋅非常便宜,幾乎與鉛的價(jià)格相同,并且隨時(shí)可以得到,同時(shí)它在降低錫合金的熔點(diǎn)方面也具有非常高的效率。就鋅而言,其主要缺點(diǎn)在于它會(huì)與氧氣迅速發(fā)生反應(yīng),形成穩(wěn)定的氧化物,在波峰焊過程中,這種反應(yīng)的結(jié)果是產(chǎn)生大量錫渣,而更嚴(yán)重的是所形成的穩(wěn)定氧化物將導(dǎo)致潤濕性變得非常差。也許通過惰性化或特種焊劑配方可以克服這些技術(shù)障礙,但現(xiàn)在人們要求在更大的工藝范圍內(nèi)對含鋅方案進(jìn)行論證,因此鋅合金在今后考慮過程中也會(huì)被排除在外。 鉍 鉍在降低錫合金固相溫度方面作用比較明顯,但對液相溫度卻沒有這樣的效果,因此可能會(huì)造成較大的固液共存溫度范圍,而凝固溫度范圍太大將導(dǎo)致焊腳提升。鉍具有非常好的潤濕性質(zhì)和較好的物理性質(zhì),但鉍的主要問題是錫/鉍合金遇到鉛以后其形成的合金熔點(diǎn)會(huì)比較低,而在元件引腳或印刷電路板的焊盤上都會(huì)有鉛存在,錫/鉛/鉍的熔點(diǎn)只有96℃,很容易造成焊點(diǎn)斷裂。另外鉍的供貨能力可能會(huì)因鉛產(chǎn)量受到限制而下降,因?yàn)楝F(xiàn)在鉍主要還是從鉛的副產(chǎn)品中提煉出來,如果限制使用鉛,則鉍的產(chǎn)量將會(huì)大大減少。盡管我們也能通過直接開采獲取鉍,但這樣成本會(huì)比較高?;谶@些原因,鉍合金也被排除在外。 四種和五種成分合金 由四種或五種金屬構(gòu)成的合金為我們提供了一系列合金成分組合形式,各種可能性不勝枚舉。與雙金屬合金系統(tǒng)相比,大多數(shù)四或五金屬合金可以大幅降低固相溫度,但對降低液相溫度卻可能無所作為,因?yàn)榇蟛糠炙幕蛭褰饘俸辖鸲疾皇枪簿Р牧?,這意味著在不同的溫度下會(huì)形成不同的金相形式,其結(jié)果就是回流焊溫度不可能比簡單雙金屬系統(tǒng)所需的低。 另外一個(gè)問題是合金成分時(shí)常會(huì)發(fā)生變動(dòng),因此熔點(diǎn)也會(huì)變,這在四或五金屬合金中會(huì)經(jīng)常遇到。由三種金屬組成的合金很難在焊錫膏內(nèi)的錫粉中實(shí)現(xiàn)“同批”和“逐批”一致,在四種和五種金屬組成的合金中實(shí)現(xiàn)同樣的一致性其復(fù)雜和困難程度更大。 所以多元合金將被排除在進(jìn)一步考慮范圍之外,除非某種多元合金成分具有比二元系統(tǒng)更好的特性。但就目前來看,業(yè)界還沒有找到哪種四或五金屬合金比二元或三元替代方案更好(無論在成本上還是性能上)。 表2列出一些主要無鉛替代方案,以及*終選用或不選用的原因,表中包括了單位重量價(jià)格、單位體積價(jià)格(對焊錫膏而言單位體積價(jià)格更具成本意義)以及熔點(diǎn)等信息,這些合金按照其液相溫度遞增順序排列?,F(xiàn)根據(jù)每種焊接應(yīng)用的特殊要求分別選出合適的合金。 先考慮焊條(波峰焊)和焊線(手工和機(jī)器焊接)。 對波峰焊用焊條的要求包括:a. 能在*高260℃錫爐溫度下進(jìn)行連續(xù)焊接;b. 焊接缺陷(漏焊、橋接等)少;c. 成本盡可能低;d. 不會(huì)產(chǎn)生過多焊渣。 結(jié)果所有選中的合金都符合波峰焊要求,但99.3Sn/0.7Cu和95Sn/5Sb合金與其它替代方案相比能夠節(jié)省更多成本。比較而言,99.3Sn/0.7Cu的液相溫度比Sn/Sb合金低13℃,因此99.3Sn/0.7Cu成為波峰焊*佳候選方案。 手工焊用錫線的要求與上面焊條應(yīng)用非常相似,成本考慮仍然居于優(yōu)先地位,同時(shí)也要求能夠提供較好的潤濕和焊接能力。焊線用合金必須能夠很容易地拉成絲線,而且能用345~370℃的烙鐵頭進(jìn)行焊接,99.3Sn/0.7Cu合金可以滿足這些要求。 與焊條和焊線相比,焊錫膏較少考慮合金成本,因?yàn)榻饘俪杀驹谑褂煤稿a膏的制造流程總成本中所占比重較少,選擇焊錫膏合金的主要要**盡量降低回流焊溫度??疾毂碇兴泻辖?,可以發(fā)現(xiàn)液相溫度*低的是95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu(熔點(diǎn)217~218℃)和96.5Sn/3.5Ag(熔點(diǎn)221℃)。 這兩種合金都是較為合適的選擇并各具特點(diǎn),相比之下Sn/Ag/Cu合金的液相溫度更低(雖然只有4℃),而Sn/Ag合金則表現(xiàn)出更強(qiáng)的一致性和可重復(fù)制造性,并已在電子業(yè)界應(yīng)用多年,一直保持很好的可靠性。有些主要跨國公司已經(jīng)選擇共晶Sn/Ag合金進(jìn)行評估作為無鉛替代方案,大多數(shù)大型跨國公司也開始對Sn/Ag/Cu合金作初步**測試。 實(shí)測評估結(jié)果 波峰焊評測 將99.3Sn/0.7Cu合金裝入標(biāo)準(zhǔn)Electrovert Econopak Plus波峰焊機(jī)進(jìn)行測試,這種波峰焊機(jī)配備有USI超聲波助焊劑噴涂系統(tǒng)、Vectaheat對流式預(yù)熱和“A”波CoN2tour惰性系統(tǒng)。測試在兩種無鉛印刷電路板上進(jìn)行:帶OSP涂層的裸銅板和采用浸銀拋光的裸銅板(Alpha標(biāo)準(zhǔn)),兩種電路板都采用固態(tài)含量2%且不含VOC的免清洗助焊劑(NR300A2)。另外作為對照,將同樣的電路板在相同設(shè)備上采用相同條件進(jìn)行焊接,只是焊料用傳統(tǒng)63Sn/37Pb合金。 通過實(shí)驗(yàn)可得出以下結(jié)論:
印制和回流焊評測 針對Sn/Ag和Sn/Ag/Cu合金開發(fā)了一種新的助焊劑,以便在更高回流焊溫度下得到較好的潤濕效果,因?yàn)榛亓骱笢囟容^高時(shí)(比常規(guī)回流焊溫度高20℃)要求助焊劑中的活性劑應(yīng)具備更高的熱穩(wěn)定性。另外如果在空氣中工作,回流焊溫度較高還可能使普通免清洗助焊劑變色,所以這種助焊劑對高溫要有很強(qiáng)的承受能力。在95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金中使用UP系列焊錫膏時(shí),即使空氣溫度達(dá)到240℃,它也不會(huì)變?yōu)樽厣蜱晟?/p> UP系列焊錫膏在印刷測試中表現(xiàn)非常好,測試時(shí)采用的是MPM UP2000印刷機(jī),印刷條件包括6mil厚激光切割網(wǎng)板、印刷速度25mm/秒、網(wǎng)板開口間距16~50mil以及接觸式印刷,焊膏印出的輪廓非常清晰且表現(xiàn)出良好的脫模性能。另外這種焊錫膏在中止印刷后(停放超過一小時(shí))再開始使用時(shí)無需進(jìn)行攪拌,其網(wǎng)板使用壽命在8小時(shí)以上,粘性也可保持8小時(shí)。 回流焊采用Electrovert Omniflo七溫區(qū)回焊爐,在空氣環(huán)境下進(jìn)行焊接。回焊曲線如圖1,從圖中可看出溫度在200秒時(shí)間里以近似線性的速率上升到240℃,溫度高于熔點(diǎn)(221℃)的時(shí)間為45秒。 得出結(jié)論如下:
其它特性 選擇一種簡單普通二元合金的*大好處在于它已經(jīng)完成了大量測試且已被廣泛接受,如96.5Sn/3.5Ag合金已在某些電子領(lǐng)域應(yīng)用了很長的時(shí)間。95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu現(xiàn)正接受同樣嚴(yán)格的測試,并在一些地方顯示出非常相似的性能和優(yōu)點(diǎn)。
福特汽車公司對使用Sn/Ag合金的測試板和實(shí)際電子組件進(jìn)行了熱循環(huán)試驗(yàn)(-40℃~140℃),已完成**熱疲勞測試研究,另外他們還將無鉛組件用于整車中,測試結(jié)果顯示Sn/Ag合金的可靠性與Sn/Pb合金相差無幾甚至更好。摩托羅拉公司也已經(jīng)完成了Sn/Ag和Sn/Pb合金的熱循環(huán)和振動(dòng)研究,測試表明Sn/Ag合金完全合格,其它OEM廠商在各自的Sn/Ag和Sn/Ag/Cu合金研究中也得到了類似的結(jié)論。 根據(jù)研究結(jié)果,Sn/Ag和Sn/Pb在導(dǎo)電性、表面張力、導(dǎo)熱性和熱膨脹系數(shù)等各方面所取得結(jié)果大致相當(dāng)(見表3)。 本文結(jié)論 通過上述討論,我們可以得到一個(gè)實(shí)際可行的標(biāo)準(zhǔn)無鉛焊接工藝,其基本內(nèi)容包括:
雖然上述方案還未能達(dá)到研究無鉛替代方案工程師們所確定的每項(xiàng)目標(biāo),但基本上能令人滿意,該方案*大限制在于96.5Sn/3.5Ag合金所要求的回流焊溫度比Sn/Pb合金的要高20~30℃,因此回流焊對元件的要求也有所提高。元器件供應(yīng)商應(yīng)與電子裝配廠密切合作以解決高溫回流焊帶來的種種問題。 隨著新技術(shù)的發(fā)展,將來還會(huì)有更多更好的替代方案推出,這里討論的系統(tǒng)*大價(jià)值在于其它復(fù)雜系統(tǒng)可以根據(jù)它提供的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參照比較。在考察更加復(fù)雜的系統(tǒng)之前,應(yīng)多問下面一些可以定量回答的問題: 焊錫膏 1. 新的合金系統(tǒng)是否能將回流焊溫度降至與Sn/Ag合金差不多的程度(Sn/Ag合金*低回流焊溫度為240℃,而95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金的*低回流焊溫度則為235℃)? 2. 與Sn/Ag或Sn/Ag/Cu合金相比,金屬和焊錫膏的成本如何? 3. 合金中各材料有沒有技術(shù)參數(shù)限制?各材料在技術(shù)參數(shù)范圍內(nèi)變化時(shí)其固相和液相溫度的變化情況如何? 焊條 1. 合金的成本如何?與Sn/Cu合金比較哪一個(gè)更貴? 2. 合金是否具有Sn/Cu合金所沒有的優(yōu)點(diǎn)? 為什么要采用無鉛方案? 在談?wù)摻】岛?*問題時(shí),人們一般考慮兩個(gè)因素——危害和危險(xiǎn)。危害是指某物質(zhì)存在毒性以及食入、吸入或吸收后對人體的影響,危險(xiǎn)更多是指采取正確預(yù)防措施后材料的**性或者危害發(fā)生的可能性。 鉛是一種有毒物質(zhì),人體吸收了過量的鉛會(huì)引起鉛中毒,攝入低劑量的鉛則可能對人的智力、神經(jīng)系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)造成影響。在評定鉛的危險(xiǎn)性時(shí),通常是通過調(diào)查飲食或呼吸攝入的可能性。就電子業(yè)而言,一般正常條件下鉛不會(huì)達(dá)到使其氣化的溫度,因此這方面的危險(xiǎn)無法定量測出,只能通過監(jiān)測確定。 可以采用一些簡單的預(yù)防措施,包括在保養(yǎng)波峰焊錫爐和清理殘?jiān)鼤r(shí)戴上面罩,在有鉛區(qū)域禁止抽煙,盡可能減少在工作區(qū)攝入鉛的可能性。另外當(dāng)接觸焊錫膏、焊條、焊線等含鉛物體后,務(wù)必在吃飯、飲水和抽煙之前清洗雙手,徹底消除攝入鉛的可能途徑。 一般地說,從鉛吸收來源來看食入鉛的危險(xiǎn)要高于呼吸吸入,所以應(yīng)強(qiáng)調(diào)養(yǎng)成良好衛(wèi)生習(xí)慣的重要性,在含鉛的區(qū)域嚴(yán)禁飲食和抽煙以將危險(xiǎn)降到*低。事實(shí)證明,只要采取了正確的預(yù)防措施,在工作場所使用鉛還是相對較為**的。 既然在電子工業(yè)中使用鉛的危險(xiǎn)如此之小,那么人們?yōu)槭裁催€在考慮徹底消除鉛的使用呢?其實(shí)主要的擔(dān)心是含鉛材料的處置問題,如印刷線路板等。之所以有這種擔(dān)心,是因?yàn)槟切┍蛔鳛槔幚淼膹U印刷電路板在埋入地下后,其中所含的鉛可能會(huì)從電路板滲出進(jìn)入地下水,繼而流入我們的飲用水之中。 |
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