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無鉛焊接可靠性討論及過渡階段有鉛、無鉛混用應注意的問題(2)
2010-06-08
顧靄雲

 

 

2.2 再流焊工藝中有鉛焊料與無鉛元件混用


  雖然,有的SMT加工廠還沒有啟動無鉛工藝,但遇到了無鉛元器件,包括獲得豁免的電子產品,也同樣遇到無鉛元件,這種情況在現階段普遍存在。無鉛元件焊端鍍層非常複雜,除了鍍Sn、Sn-Ag-Cu、Ni-Au、Ni-Pd-Au外,還有鍍Sn-Cu 、Sn-Bi等合金層的。有鉛焊料與無鉛有引腳元件混用時,可能會發生焊料合金與焊端鍍層不相容的情況。如果在生產前知道有鉛工藝遇到無鉛元件,可以採取適當措施解決。但如果無意中遇到了無鉛元器件,特別是遇到無鉛BGA、CSP情況時,生產前沒有發現,生產中還是採用有鉛焊料和有鉛工藝,結果非常糟糕,會發生嚴重的可靠性問題。

 


 (1) 有鉛焊料與無鉛元件(無引線或有引腳元件)混用


  有鉛焊料與無鉛元件(無引線或有引腳元件)混用時,一般情況下沒有太大問題,因為無鉛元件引腳和焊端鍍層非常薄,只有幾微米厚,以應用最多的鍍Sn焊端為例,鍍Sn層厚度在3~7μm,Sn的熔點為232℃,應用Sn-37Pb合金焊接時,Sn-37Pb合金在183℃開始熔化,大約在225℃時能夠使微量的鍍Sn層熔化,一般情況下,峰值溫度比焊接有鉛元件略微高5℃左右即可。

 


  但是,有一點要特別警惕!鍍Sn-Bi元件只能應用在無鉛工藝中,不能用到有鉛工藝中。這是因為有鉛焊料中的Pb與Sn-Bi鍍層中的Bi在引腳或焊端界面形成Sn-Pb-Bi(熔點93℃)的三元共晶低熔點層、容易引起焊接界面剝離、空洞等問題,導致焊接強度劣化。

 


  如上所述,無鉛元件焊端鍍層非常複雜,特別是日本和韓國有一些元件是鍍Sn-Bi的。因此,採購、存儲、備料時一定要嚴格管理,特別是工作溫度高、使用環境惡劣、以及高可靠性產品,要預防Sn-Bi鍍層元件混入有鉛工藝中,否則會造成嚴重的可靠性問題。
 

 

(2) 有鉛焊料與無鉛PBGA、CSP混用


  有鉛焊料與無鉛PBGA、CSP混用時,如果採用有鉛焊料的溫度曲線,焊點連接可靠性是最差的。這是因為有鉛焊料與無鉛焊球的熔點不同,有鉛焊料熔點低先熔,而無鉛焊球不能完全熔化,容易造成PBGA、CSP一側焊點失效的緣故。

 


  圖11所示是有鉛焊料與無鉛焊球混用示意圖,從圖中看出:無鉛PBGA、CSP的焊球一般是Sn-Ag-Cu合金,其熔點高(217℃),Sn-37Pb焊料的熔點低(183℃),如果採用Sn-37Pb焊料的溫度曲線,一般峰值溫度在210~230℃。假設一個PBGA的峰值溫度為220℃,再流焊時,當溫度上升到183℃時,印刷在焊盤上的Sn-37Pb焊膏開始熔化,此時,無鉛PBGA的Sn-Ag-Cu焊球還沒有熔化;當溫度上升到220℃時,按照有鉛工藝就要開始降溫、結束焊接了,此時,無鉛焊球剛剛熔化,雖然,Sn-Ag-Cu合金標稱的熔點為217℃,但實際上Sn-Ag-Cu合金並不是真正的共晶合金,固相線與液相線的溫度範圍是216~220℃,因此,有鉛工藝冷卻凝固結束焊接的溫度恰好是無鉛Sn-Ag-Cu焊球剛剛熔化之時,並處於固、液相共存的漿糊狀態,在焊球熔化時,由於器件重力的作用焊球開始下沉,在器件下沉過程中稍有震動或PCB微量變形,使PBGA、CSP元件一側原來的焊接界面結構被破壞,又不能形成新的金屬間合金層界面,最終造成PBGA、CSP一側焊點失效,如圖12所示。因此,有鉛焊料與無鉛焊球混用時,採用有鉛焊接工藝的品質最差。

 

 

  

 

圖11 有鉛焊料與無鉛焊球混用示意圖

 

 

圖12 BGA、CSP在元件一側的界面失效

 


解決措施:


1有鉛工藝遇到無鉛PBGA、CSP時,可以通過提高焊接溫度的方法來解決


  必須將焊接溫度提高到235℃左右,使器件一側的焊球實現二次回流,這樣可以使器件一側的焊球合金充分熔化,在焊球與器件的焊盤之間生成新的金屬間化合物,形成良好的電氣與機械連接。

 


2也要注意其他有鉛元件能否承受高溫


2.3 無鉛波峰焊不能使用有鉛元件和鍍Sn-37Pb的印製板,必須預防和控制Pb污染


  一般情況下,有鉛波峰焊是可以使用無鉛元件和無鉛印制板的。因為無鉛元件引腳鍍層和無鉛印制板焊盤表面鍍層主要是Sn。有鉛波峰焊使用無鉛元件和無鉛印制板時需要重點考慮的是無鉛鍍層對焊料的污染問題。另外,與再流焊工藝一樣,要警惕鍍Sn-Bi元件在有鉛工藝中的應用。

 


  無鉛生產線很重要的一個問題是預防和控制Pb污染。在過渡階段尤為重要。因為RoHS要求限制的Pb含量是非常嚴格的。一旦超過0.1的比重,就不符合RoHS的要求了。因為0.1的重量百分比,不是產品總重量的wt%,而是指占鍍層的wt%。

 


  RoHS指令中用的是“Homogeneous Material”這個詞,譯成中文為“均質材料”。而“均質材料”的含義是指“用機械的方法不能再分離的最小單元”。圖13是“均質材料”舉例。

 

 

 

圖13 均質材料舉例

 

 


  對於波峰焊,無鉛與有鉛的焊接設備是不相容的。無鉛波峰焊機只能用於無鉛波峰焊工藝。無鉛波峰焊比無鉛再流焊的工藝難度大得多,對無鉛波峰焊機的要求也比較嚴格。建立無鉛波峰焊生產線特別要控制Pb污染。無鉛波峰焊使用有鉛元件和有鉛PCB會發生焊縫翹起現象,嚴重時還會將焊盤帶起。

 


  因此,無鉛波峰焊不能使用有鉛元件和鍍Sn-37Pb的印製板,要嚴格控制Pb污染。必須將無鉛焊料中的Pb含量限制在0.1 Wt%以下,因此,每月需對錫鍋中Pb的含量進行監測,Pb含量超過0.1Wt%,必須換新的無鉛焊錫.

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