有铅制程中使用无铅器件的影响.doc

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1、再流焊工艺中有铅焊料与无铅元件混用有的SMT加工厂，虽然还没有启动无铅工艺，但遇到了无铅元器件，包括获得豁免的电子产品，也同样遇到无铅元件，这种情况在现阶段普遍存在。无铅元件焊端镀层非常复杂，除了镀Sn、Sn-Ag-Cu、Ni-Au、Ni-Pd-Au外，还有镀Sn-Cu、Sn-Bi等合金层的。有铅焊料与无铅有引脚元件混用时，可能会发生焊料合金与焊端镀层不相容的情况。如果在生产前知道有铅工艺遇到无铅元件，可以采取适当措施解决。但如果无意中遇到了无铅元器件，特别是遇到无铅BGA、CSP，生产前没有发现，生产中还是采用有铅焊料和有铅工

2、艺，结果非常糟糕，会发生严重的可靠性问题。有铅焊料与无铅元件（无引线或有引脚元件）混用有铅焊料与无铅元件（无引线或有引脚元件）混用时，一般情况下没有太大问题，因为无铅元件引脚和焊端镀层非常薄，只有几微米厚，以应用最多的镀Sn焊端为例，镀Sn层厚度在3～7μm，Sn的熔点为232℃，与Sn-37Pb合金焊接时，Sn-37Pb合金在183℃开始熔化，大约在225℃时能够使微量的镀Sn层熔化，一般情况下峰值温度比焊接有铅元件略微高5℃左右即可以。但是有一点要特别警惕！镀Sn-Bi元件只能应用在无铅工艺中，不能用到有铅工艺中。这是由于有

3、铅焊料中的Pb与Sn-Bi镀层中的Bi在引脚或焊端界面形成Sn-Pb-Bi（熔点93℃）的三元共晶低熔点层、容易引起焊接界面剥离、空洞等问题，导致焊接强度劣化。前面介绍过，无铅元件焊端镀层非常复杂，特别是日本和韩国有一些元件是镀Sn-Bi的。因此，采购、存储、备料时一定要严格管理，特别是工作温度高、使用环境恶劣、以及高可靠产品，要预防Sn-Bi镀层元件混入有铅工艺中，否则会造成严重可靠性问题。有铅焊料与无铅PBGA、CSP混用有铅焊料与无铅PBGA、CSP混用时，如果采用有铅焊料的温度曲线，焊点连接可靠性是最差的。这是由于有铅焊

4、料与无铅焊球的熔点不相同，有铅焊料熔点低先熔，而无铅焊球不能完全熔化，容易造成PBGA、CSP一侧焊点失效的缘故。图5是有铅焊料与无铅焊球混用示意图，从图中看出：无铅PBGA、CSP的焊球一般是Sn-Ag-Cu合金，其熔点高（217℃），Sn-37Pb焊料的熔点低（183℃），如果采用Sn-37Pb焊料的温度曲线，一般峰值温度在210～230℃。假设一个PBGA的峰值温度为220℃，再流焊时，当温度上升到183℃时印在焊盘上的Sn-37Pb焊膏开始熔化，此时无铅PBGA的Sn-Ag-Cu焊球还没有熔化；当温度上升到220℃时，按

5、照有铅工艺就要开始降温、结束焊接了，此时无铅焊球刚刚熔化，虽然Sn-Ag-Cu合金标称的熔点为217℃，但实际上Sn-Ag-Cu合金并不是真正的共晶合金，固相线与液相线的温度范围是216～220℃，因此，有铅工艺冷却凝固结束焊接的温度恰好是无铅Sn-Ag-Cu焊球刚刚熔化之时，并处于固、液相共存的浆糊状态，焊球熔化时由于器件重力的作用焊球开始下沉，在器件下沉过程中稍有震动或PCB微量变形，使PBGA、CSP元件一侧原来的焊接界面结构被破坏，又不能形成新的界面金属间合金层，最终造成PBGA、CSP一侧焊点失效，如图6所示。因此有铅

6、焊料与无铅焊球混用时，采用有铅焊接工艺的质量最差。解决措施：①有铅工艺遇到无铅PBGA、CSP时，可以通过提高焊接温度的方法来解决必须提高焊接温度到235℃左右，使器件一侧的焊球实现二次回流，这样可以使器件一侧的焊球合金充分熔化，在焊球与器件的焊盘之间生成新的金属间化合物，形成良好的电气与机械连接。②也要注意其它有铅元件能否承受高温图5有铅焊料与无铅焊球混用示意图图6BGA、CSP在元件一侧的界面失效无铅波峰焊不能使用有铅元件和镀Sn-37Pb的印制板，必须预防和控制Pb污染一般情况下，有铅波峰焊是可以使用无铅元件和无铅印制板的

7、。因为无铅元件引脚镀层和无铅印制板焊盘表面镀层主要是Sn。有铅波峰焊使用无铅元件和无铅印制板时主要需要考虑无铅镀层对焊料的污染问题。另外与再流焊工艺一样要警惕镀Sn-Bi元件在有铅工艺中的应用。无铅生产线很重要的一个问题是预防和控制Pb污染。在过渡阶段尤为重要。因为RoHS要求限制的Pb含量是非常严格的。一旦超过0.1wt％重量百分比，就不符合RoHS了。因为这个0.1wt％重量百分比，不是产品总重量的wt％，而是指占镀层的wt％。RoHS指令中用的是“HomogeneousMaterials”这个词，译成中文为“均质材料”。而

8、“均质材料”的含义是指“用机械的方法不能再分离的最小单元”。图7是“均质材料”举例。“均质材料”包括：•PCB材料及表面涂镀层•元器件中的金属材料•内、外引线镀层•焊点•电缆导线及镀层、内、外绝缘层材料等图7均质材料（HomogeneousMaterials）举