要：1 RoSH無(wú)鉛焊料的定義 ；2 獲得豁免的一些RoHS有害物質(zhì) ；3 關(guān)于對無(wú)鉛焊料合金專(zhuān)利的一些看法；4 無(wú)鉛焊接過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題和對策 。
關(guān)鍵詞：無(wú)鉛焊接；無(wú)鉛焊料
RoHS 無(wú)鉛焊料的定義
Maximum Concentration Value (MCV)
大濃度值
Homogeneous Materials
均勻材料
在均勻材料中的大濃度值(MCV)
1. 鉛(Lead,Pb)0.1%
2. 六價(jià)鉻(Hexavalent Chromium,Cr +6 )0.1%
3. 汞(Mercury,Hg)0.1%
4. 鎘(Cadmium,Cd)0.01%
5. 聚合溴化聯(lián)苯(PBB)0.1%
6. 聚合溴化二苯醚(PBDE)0.1%
對均勻材料的理解
1. 均勻材料(Homogeneous Materials) 指的是該物質(zhì)不能通過(guò)機械方式進(jìn)一步分離或分解成其它物質(zhì)。
2. 均勻材料必須整體組成一致。
3. 以組裝后的線(xiàn)路板為例:合金焊點(diǎn)、助焊劑殘余物、焊盤(pán)、焊盤(pán)上噴錫合金、元器件引腳、引腳上的鍍層等均被視為不同的均一物均勻材料。因此必須分別測定其與RoHS相關(guān)的有害物質(zhì)。
獲得豁免的一些RoHS有害物質(zhì)
1. 汞含量不超過(guò)5毫克/燈的小型日光燈.
2. 汞含量不超過(guò)下列要求的熒光燈管:
鹵磷酸鹽 10毫克/燈
三磷酸鹽 (普通壽命型) 5毫克/燈
三磷酸鹽 (長(cháng)壽命型) 8毫克/燈
3. 特殊用途的熒光燈管中的汞.
4. 指令中未提及的其它熒光燈中的汞.
5. 陰極射線(xiàn)管、電子元件、熒光燈管等所用玻璃中的鉛.
6. 鉛含量不超過(guò)0.35wt%的鋼, 鉛含量不超過(guò)0.4wt%的鋁，鉛含量不超過(guò)4wt%的銅.
7. 高融點(diǎn)焊料中的鉛 (如鉛含量超過(guò)85wt%的Sn-Pb焊料)
服務(wù)器、存儲器、存儲陣列系統中所用焊料中的鉛用于交換、信號傳輸、以及電信網(wǎng)絡(luò )管理基礎設施中所用焊料中的鉛電子陶瓷部件中的鉛（如壓電陶瓷）
8.76/769/EEC指令及91/338/EEC修正指令中禁止使用之外鎘鍍層
9.在吸收式電冰箱中作為碳鋼冷卻系統防腐劑的六價(jià)鉻
10.用于配合針型連接器中的鉛
11.用于C-環(huán)型導熱模塊表面涂層的鉛
12.用于倒裝芯片封裝的芯片與載體之間聯(lián)結的焊料中的鉛
13.在光學(xué)玻璃和濾光玻璃中使用的鉛或鎘
關(guān)于對無(wú)鉛焊料合金專(zhuān)利的一些看法
1.所有二元焊料合金均不存在任何專(zhuān)利問(wèn)題
2.Sn-4.0Ag-0.5Cu 在1959年被公開(kāi)發(fā)表過(guò) (德國Max-Plank研究所)
3.Sn-3.0Ag-0.5Cu是80年代使用過(guò)并申請過(guò)專(zhuān)利的產(chǎn)品(美國Harris 公司Engelhard公司)
4.日本千住/松下有關(guān)Sn-Ag-Cu焊料合金的專(zhuān)利覆蓋了上述兩種合金,從而引起爭議和困惑
5.在二元/三元焊料合金中摻雜微量過(guò)度金屬元素是否可等同于雜質(zhì)元素
實(shí)用化的無(wú)鉛焊料
目前已經(jīng)有超過(guò)100個(gè)無(wú)鉛焊料的專(zhuān)利，由于性能、價(jià)格、自然界儲藏量等原因，只有一小部分具有實(shí)用價(jià)值。
實(shí)用化焊料可按熔點(diǎn)范圍作如下分類(lèi) ：
1.低溫無(wú)鉛焊料(熔點(diǎn)低于180℃)
2.熔點(diǎn)與Sn63/Pb37相當的無(wú)鉛焊料(180-200℃)
3.中高溫無(wú)鉛焊料(200-230℃)
4.高溫無(wú)鉛焊料(230-350℃)
低溫無(wú)鉛焊料(熔點(diǎn)低于180℃)
合金體系 組成（wt%） 熔點(diǎn)/熔程 （℃）
Sn-Bi 42Sn/58Bi 138(e)
Sn-In 48Sn/52In 118(e)
Sn-In 50Sn/50In 118-125
Bi-In 67Bi/33In 109(e)
熔點(diǎn)與Sn63/Pb37相當的無(wú)鉛焊料(180-200℃)
合金體系 組成（wt%） 熔點(diǎn)/熔程 （℃）
Sn-Zn 91Sn/9Zn 198.5（e）
Sn-Zn-Bi 89Sn/8Zn/3Bi 189-199
Sn-Bi-In 70Sn/20Bi/10In 143-193
Bi-In-Ag 77.2Sn/20In/2.8Ag 179-189
中高溫無(wú)鉛焊料(200-230℃)
合金體系 組成（wt%） 熔點(diǎn)/熔程 （℃）
Sn-Ag 96.5Sn/3.5Ag 221(e)
Sn-Ag 98Sn/2Ag 221-226
Sn-Cu 99.3Sn/0.7Cu 227
Sn-Ag-Cu 96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu 216-220
Sn-Ag-Cu 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu 216.4-217
Sn-Ag-Bi 91.7Sn/3.5Ag/4.8Bi 205-210
Sn-Ag-In 95Sn/3.5Ag/1.5In 218(e)
高溫無(wú)鉛焊料(>230℃)
合金體系 組成（wt%） 熔點(diǎn)/熔程 （℃）
Sn-Sb 95Sn/5Sb 232-240
Sn-Au 20Sn/80Au 280(e)
無(wú)鉛焊接過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題和對策
1.潤濕性差、焊點(diǎn)外觀(guān)粗糙
2.工藝窗口小
3.焊接溫度高
4.自定位效應減弱
5.焊點(diǎn)氣孔增多
6.晶須的生成(Whisker Growth)
7.焊點(diǎn)剝離(Fillet Lifting)
8.立碑現象
9.優(yōu)化型及傳統型升溫曲線(xiàn)
潤濕性差:
無(wú)鉛焊料的潤濕性普遍比Sn-Pb共晶體系差,焊點(diǎn)
表面粗糙屬于合金本身的特質(zhì).相對而言,Sn-Ag-Bi
體系的潤濕性?xún)?yōu)于Sn-Ag-Cu體系
出現的問(wèn)題:
1. 與傳統的質(zhì)檢標準不適應
2. 回流焊后焊料不能完全覆蓋焊盤(pán),可能導致焊盤(pán)腐蝕
解決方法:
1. 修訂質(zhì)檢標準
2. 擴大鋼網(wǎng)開(kāi)空,使之盡量與焊盤(pán)大小接近(鋼網(wǎng)開(kāi)空 過(guò)大,錫膏印在PCB板上時(shí)可能會(huì )導致焊錫珠 Solder Ball 的形成)
3. 提高無(wú)鉛焊膏的活性
4. 必要時(shí)采用在氮氣保護下回流
提高無(wú)鉛焊膏的活性可以改善無(wú)鉛焊料潤濕性差的問(wèn)題,同時(shí)也可能導致錫膏儲存壽命和使用壽命的縮短.因此活性的高低的問(wèn)題,是焊膏配方設計過(guò)程中需要考慮的關(guān)鍵性問(wèn)題
普賽特科技有限公司的特有技術(shù)：
采用微膠囊技術(shù)將活化劑用高分子材料包裹起來(lái),形成微膠囊.使產(chǎn)品在常溫下呈現低活性,而在預熱溫區將活化劑釋放出來(lái).從而達到梯度活性。
工藝窗口小:
常見(jiàn)的Sn-Ag-Cu體系回流溫區窗口,由△T=50℃左右, 縮小到△T=20℃左右
出現的問(wèn)題:
1. 由于PCB板面溫度不均勻,造成板面局部過(guò)熱或溫度偏低.
2. 由于提高預熱溫度或延長(cháng)升溫時(shí)間而造成錫膏活性降低,導致焊接不良.
解決方法:
1. 提高回流焊機的性能(增加溫區、提高溫度控制能力、提高保溫性能等)。
2. 提高焊膏的焊接能力,降低其對溫度變化的敏感性。
3. 當必需提高預熱溫度并延長(cháng)預熱時(shí)間時(shí),考慮在氮氣保護下進(jìn)行回流。
焊接溫度高:通常較小、較簡(jiǎn)單的線(xiàn)路板的回流,其回流峰值溫度可控制在240℃以?xún)?但當采用板面大、有大熱容量元器件的PCB板時(shí)，回流峰值溫度可能必須高于240℃,即FR-4基材的極限溫度。
出現的問(wèn)題:
1. 以FR-4為基材的PCB板損壞
2. 元器件損壞
3. 錫膏活性降低而造成焊接不良
焊接溫度高:
通常較小、較簡(jiǎn)單的線(xiàn)路板的回流,其回流峰值溫度可控制在240℃以?xún)?但當采用板面大、有大熱容量元器件的PCB板時(shí)，回流峰值溫度可能必須高于240℃,即FR-4基材的極限溫度。
解決方法:
1. 采用新型耐高溫基材(FR-5)的PCB板
2. 采用新型元器件
3. 提高錫膏的耐高溫性能
自定位效應降低:
由于無(wú)鉛合金材料的潤濕性較差，在焊接過(guò)程中元件的自定位效應降低。
出現的問(wèn)題:
當貼片過(guò)程中元器件發(fā)生偏移時(shí),回流過(guò)程中得不到充分矯正。
解決方法:
1．提高貼片機的貼片精度
2. 增強焊膏活性及潤濕性
3. 必要時(shí)采用氮氣保護下回流
焊點(diǎn)氣孔增多:
與Sn63/Pb37相比,無(wú)鉛焊接過(guò)程中會(huì )形成較多氣孔.在BGA,CSP等元件的貼裝過(guò)程中與有鉛焊料混用時(shí)更加明顯。
出現的問(wèn)題：
通常情況下少量氣孔的存在，對焊點(diǎn)的機械和抗疲勞性能不產(chǎn)生影響。但當焊點(diǎn)中存在大量氣孔時(shí)，常常表明合金回流不完全，殘余物被包裹在焊點(diǎn)中。有時(shí)氣孔的形成是由于焊盤(pán)潤濕不完全。
解決方法:
1. 優(yōu)化升溫曲線(xiàn)
2. 增強焊膏活性及潤濕性
3. 增強焊盤(pán)的可焊性
4. 避免有鉛焊料和無(wú)鉛焊料混用
晶須的生成(Whisker Growth):
當采用純錫鍍層對焊盤(pán)進(jìn)行保護時(shí),常常由于Sn金屬內部存在較大的應力而生成須狀單晶體。Sn/Cu金屬間化合物的生成,會(huì )增加Sn金屬內部的壓縮應力,從而助長(cháng)晶須的生成。
出現的問(wèn)題 ：
晶須的長(cháng)度一般為幾微米至幾百微米,嚴重時(shí)可能造成QFP等細微間距元器件的短路。
解決方法：
1.避免采用純錫鍍層進(jìn)行焊盤(pán)保護.
2.降低工藝過(guò)程中PCB板的受熱溫度,以減少金屬間化合物生成。
3.在回流焊過(guò)程中,盡量使焊料合金完全覆蓋焊盤(pán)。
焊點(diǎn)剝離(Fillet Lifting):在使用含Bi、In的無(wú)鉛焊料,或者元器件采用Sn/Pb鍍膜時(shí),常常會(huì )發(fā)生焊料合金與焊盤(pán)之間的界面發(fā)生剝離的現象。
產(chǎn)生的原因:
1.焊料的固液共存溫度范圍太大,體系中發(fā)生晶枝生長(cháng)的同時(shí),出現金屬Bi等元素的偏析現象.導致焊盤(pán)界面出現低熔點(diǎn)層.
2.焊接后冷卻速度慢.
3.PCB板通過(guò)通孔導熱，導致在焊盤(pán)界面處焊料凝固延遲。
解決的方法:
1.避免使用含Bi、In的合金和Sn/Pb鍍膜的元件.
2.加快焊接后冷卻速度,以防止晶枝生成而導致Bi等元素的偏析.
3.在PCB板通的設計過(guò)程中避免通孔導熱引起焊盤(pán)偏 熱。
立碑現象(Tombsotoning):在無(wú)鉛焊接過(guò)程中,由于無(wú)鉛焊料的表面張力較大,有時(shí)會(huì )導致0603或0402等片阻片容發(fā)生立碑（翹件）現象。
產(chǎn)生的原因:
1.回流過(guò)程中升溫速度太快（溫差及氣體排放）.
2.焊盤(pán)間距太寬或太窄(漂移).
3.錫膏印刷太厚.
4.焊盤(pán)面積太大.
5.焊盤(pán)及元器件可焊性不均勻.
6.貼片精確度差.
7.阻焊膜太厚(高過(guò)焊盤(pán)).
8.錫膏揮發(fā)性物質(zhì)偏高.
解決方法:
1.調整升溫速率,好采用優(yōu)化升溫曲線(xiàn).
2.調整并優(yōu)化焊盤(pán)設計.
3.降低鋼網(wǎng)厚度.
4.采用可焊性均勻的PCB及元器件.
5.增加貼片精度.
7.調整阻焊膜厚度.
8.采用揮發(fā)性物質(zhì)較低的錫膏.
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