smt工藝技朮-无铅焊接：控制与改进工艺

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1、无铅焊接：控制与改进工艺ByGerjanDiepstraten　　本文描述怎样控制与改进无铅工艺...。　　在实施无铅工艺之后，我们必须经常跟进、监察和分析数据，以保持工艺在控制之中。　　无铅焊接已经引入了，因此无数的问题也提出来了。尽管如此，许多问题还是必须回答的，包括无铅的定义、它的实施成本、和甚至是否所有技术问题已经解决。但是，实验继续在新的无铅合金的可靠性上提供好的数字。　　本文讨论成本与能量效应，并展示工艺必须不断地检验，因为技术与工艺知识在将来会改进的。一个标准改进模式，比如德明循环(Demingcycle)，可

2、用来维护无铅焊接工艺的控制，作出调整和改进，并在可能的时候实现成本的节约。材料成本　　焊锡　　作为一个例子，某种焊接机的锡锅含有大约760公斤的锡铅(SnPb)合金。用SnPb来填满锡锅将花大约$3,960美元。SnPb的密度为8.4g/mm3。用锡铜(SnCu)合金填满相同的锡锅需要661公斤，其密度为7.31g/mm3:质量=(7.31÷8.4)x760=661.　　结果是焊锡成本增加28%或$5,063美元。其它无铅替代方案，如锡银(SnAg,135%)和锡银铜(SnAgCu,145%)对焊锡成本的影响甚至更大。　　考

3、虑到焊接点和将SnPb与无铅进行比较，我们可以作下列计算。如果形状相同，那么无铅合金的质量将较少，由于其密度较大。对于一个SnCu焊接的通孔引脚连接器，焊锡质量为：(ρSnCuxρSnPb)xmassSnPb　　因为焊点看上去不同，湿润可能较差，焊点的角度不同，我们必须验证是否计算的质量差别大约等于焊接点的实际质量增加。　　为了证实，我们焊接一块有连接器的板(每块板总共192个引脚)，称出焊接前后的重量差别(表一)。重量的增加多少都是所焊接的焊锡。表一、SnPb与SnCu的焊接质量比较　SnPbSnCu焊接192个引脚的板，

4、质量增加(克)1,5841,296焊锡成本100%128%焊接470个通孔的板，每孔的平均质量(毫克)10,3828,880焊锡成本100%126%　　助焊剂　　象在所有焊接工艺中一样，助焊剂起主要的作用。可焊性和焊接缺陷可以改进和减少，如果使用正确的助焊剂。如果我们实施“绿色”焊接工艺，我们使用无VOC的水基助焊剂，它比醇基助焊剂有一些优势。　　几个试验目前已经证明无VOC的助焊剂与无铅焊锡比免洗助焊剂显示较好的结果。特别是对于板上的残留物和可焊性，它们是较好的。一个理由就是应用到板上的数量较少了。在助焊剂中的活性剂和化学

5、物质在水中比在醇类中反应更有化学活性。虽然无VOC的助焊剂更贵，用这些助焊剂的总成本大约是相同的或甚至更少，因为用于焊接的总数量将减少。　　如果可焊性提高，返工的数量将减少。助焊剂数量减少也将造成维护减少。清洁机器的零部件将较容易，可以用热水而不是化学品和仪器来完成。　　可是，锡球的数量随着无VOC助焊剂的使用而增加。这个增加的部分原因是工艺中较高的温度，使得阻焊(solderresist)软化。与锡铅工艺比较，这些锡球的清除要容易得多。　　新的无VOC助焊剂现在正在开发。助焊剂供应商正尝试将松香溶解与水基助焊剂，在锡球数量

6、上的减少另人赞赏。这些研究将继续下去，因为大多数助焊剂供应商还没有成功地找到正确的配方。　　元件　　对于许多元件，改变引脚的最终表面涂层将不是一个主要问题。如果发生对无铅表面涂层的将来很大的需求，那么元件供应商更可能在将来转换而不是现在。因为技术是现成的，这些元件的价格预计不会大幅地增加。　　SnAg与SnAgCu锡球对于BGA似乎是SnPb的一个可接受的替代。对于周边封装的替代引脚表面涂层正在研究之中，可靠性和锡须(tinwhisker)问题必须解决。较高的工艺温度增加对元件潮湿敏感性性能和封装完整性的要求。可以经受较高温

7、度，如280°C5秒钟，的塑料现在正在设计，将会把价格推高。因此，需要一种具有高精度(ΔT较小和良好的传热)的回流焊接炉来运行无铅温度曲线，满足较便宜元件的规格。如果能将最高峰值温度限制在245°C，并且将所有的焊锡按照无铅锡膏的规格带到熔点以上，那么对于用户可以得到元件成本的减少。　　板的材料　　除了禁止铅之外，卤化阻燃剂(halogenatedflameretardants)也将从板的材料中消除。因此，使用无铅表面涂层的新的板材必须用较高玻璃态转化温度(Tg)来经受较高的工艺温度。这些新的板材，以及无铅表面涂层，将影响价

8、格。现在还不清楚这些价格将增加多少，因为多数电路板供应商还在优化板材的选择与其制造工艺。　　氮气　　回流焊接炉。在回流焊接中，人们经常讨论氮气的必要性。一些工艺要求氮气，因为它提高可湿润性，得到较好的焊接点的可靠性。在其它工艺中，氮气可能造成更多的元件竖立，因此禁止或控制在一定水平。　　即