【5A版】无铅焊PCB装配的挑战与机遇.doc

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1、7A版优质实用文档无铅焊PCB装配的挑战与机遇清华－伟创力伟创力SMT实验室王豫明王天曦编译摘要本文概述了无铅焊接中所遇到的问题。PCB装配的问题包括焊料合金的特性、冶金学反应、焊膏要求、对PCB/元器件的影响、电/机械性能的可靠性。工艺方面问题包括回流焊、波峰焊、返修，以及质量、设备、成本、设计。无铅的转换需要仔细运作，工业界共同广泛合作才能达到平滑过渡。关键词：无铅焊、PCB装配、焊接互连的可靠性、回流焊、波峰焊。前言在过去的十年里，工业界花费了很多的经历去寻找无铅合金。在此之后，学术界、金融

2、界、电子工业已经广泛地逐渐转入PCB的无铅焊接。通过寿命循环分析，人们对无铅的优点和环境的受益方面仍有很多的争议，但就目前的趋势，世界范围内，从立法、研发、商业运作、商业要求、市场竞争等，无铅焊料的PCB装配势在必行，即使从有铅到无铅的转换可能是一个缓慢和逐步的过程。十年前开始的无铅工作，重点是对不含Pb的合金进行鉴别，同时满足原共晶Sn-Pb合金的基本工艺和性能。现在已经很清楚，PCB的无铅装配几乎涉及了电子制造的每一个领域：材料、工艺、设计、元器件、可靠性、质量、设备、成本。本文概述了无铅焊料

3、的问题和机会。图1：影响电迁移的因素一、材料1．合金特点无铅焊料合金必须满足下列要求：l合金成份中不含铅或对环境造成关注的元素。l合金熔点的温度范围在180－230℃。157A版优质实用文档7A版优质实用文档l合金具有良好的物理特性，如导电性/导热性，润湿性、表面张力等。l合金具有良好的化学性能，如腐蚀性、氧化性、残渣的形成、电迁移等。l合金的冶金性能良好l合金具有可制造性，容易加工成焊膏、焊条、焊丝形式。l合金的成本合理、资源丰富l合金的机械性能良好。早期的研究工作中，共晶的Sn-Ag合金开发出

4、来作为无铅焊料。现在，工业界已经集中在Sn-Ag-Cu三重共晶合金（熔点217℃）作为回流焊接，或Sn-Cu共晶合金（熔点227Sn-Cu）用作波峰焊。通常认为Sn-Ag-Cu合金中，Ag含量从3.0%-4.0%（按照重量百分比）的变化,都被认为是可接受的合金。其他三重或四重无铅焊料合金也存在，几乎都以Sn作为主要的成分配方，除了某种特别的合金如Au-Sn外。根据润湿性、残渣的形成和可靠性，Sn-Cu仅次于Sn-Ag-Cu，然而，它的成本比Sn-Ag-Cu低得多，所以在波峰焊中，Sn-Cu合金成为

5、很有吸引力的无铅替代合金，特别是对成本敏感的产品。波峰焊中焊条的成本直接与金属的成本有关，而回流焊中，金属成本只是焊膏成本的一部分，即使很多制造厂商愿意使用相同的合金焊料Sn-Ag-Cu在用一块PCB的两面回流焊和波峰焊，但大多数产品中，一种板的一面用Sn-Ag-Cu回流焊，另一面用Sn-Cu波峰焊。由于Sn-Cu二元金相陡峭的斜率（在液相线上合金成分每百分之一的改变，温度变化30℃，约Sn-Pb斜率的20倍），因此Sn-Cu焊料槽中的化学成分需要密切的控制，好几种Sn-Cu合金也被介绍，包括Ag

6、、Ni、和其他合金元素。Sn-Zn共晶合金提供了相对较低的熔点温度（189℃）和有利的机械性能，由于在波峰焊接时残渣形成量大，限制了含Zn合金的波峰焊使用，但是可以考虑回流焊中使用，这仍有很多工作需要去做，如157A版优质实用文档7A版优质实用文档配制一种可行的免清洗的Sn-Zn合金焊膏，且焊膏的搁架寿命能达6个月。Sn-Bi共晶合金（或各种变化合金如添加Ag等）提供了较低的熔点温度（约138℃），在热机械负载时具有良好的可靠性，可以选作适当的应用。2．无铅合金定义当我们实施无铅焊实际应用时，无铅

7、合金的定义仍是一个讨论的题目；流行的观点和工业上相应的标准是：铅含量0.1－0.2wt％（大多数0.1％）以下，其他元素（如Ag、Cu）的含量公差为±0.2％为无铅。通过商业协会团体（如IPC）的大多数的意见，根据Sn-Ag-Cu合金，在无铅焊料成分的标准化方面也做了一些努力。这些努力也有助于无铅批量化生产的转变。3．冶金性能和兼容性对Sn-Ag和Sn-Ag-Cu合金的物理性能和机械性能已进行了大量的研究。人们已经很好地认识到Bi含量的合金与Sn-Pb合金元件端头之间的兼容性问题，通过在97℃形成

8、三元Sn-Pb-Bi合金，只是没有得到更精确的数量问题。大多数人认为，无铅焊料PCB装配的转变将是一个逐步的过程，在这个转变期间，许多产品的装配可能是使用无铅焊料和有铅引脚元件。在“无铅”焊点中，铅的含量可能来源于元件的引脚或BGA的焊球。对于波峰焊，由于元件引脚Pb-Sn电镀层不断融解，焊点中铅的含量需要进行监视。无铅焊料中的Pb对长期可靠性的影响是一个课题，需要更进一步研究。初步的研究显示，焊点中Pb含量的不同对可靠性的影响是不同的，当含量在某一个中间范围时，影响最大，这是因为