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过渡阶段有铅、无铅混用制程技术分析

   文章来源:Internet  发布时间:2009-09-15  访问量:2407

  由于再流焊与波峰焊工艺不同、无引线或有引脚元件的焊端镀层和引脚表面镀层中的Pb含量(或无铅材料的含量)与BGA焊球中Pb含量(或无铅材料的含量)的不同,不同的混用情况对焊点可靠性的影响也是不一样的,因此需要对各种具体混用制程分别讨论。
  再流焊工艺中无铅焊料与有铅元件混用
  无铅焊接中Pb是杂质,如果Pb含量超过0.1wt%就不符合RoHS要求了。在“无铅”焊点中,Pb的含量可能来源于焊料、元件的焊端、引脚或BGA的焊球。
  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,这是因为在最后凝固形成结晶时,在Sn枝界面处,有偏析金相形成,这些偏析金相在循环负载下开始形成裂纹并不断扩大。例如:2%~5%的Pb可以决定无铅焊料的疲劳寿命,但有研究表明,与Sn-Pb焊料相比,可靠性相差不大。无铅焊料与有铅焊端混用时要控制焊点中Pb含量<0.1wt%。
  无铅焊料与有铅元件(无引线或有引脚元件)混用
  无铅焊料与有铅元件(无引线或有引脚元件)混用时,有铅元件引脚和焊端镀层非常薄,只有几微米厚,因此焊端中的Pb含量非常少,在焊点冷却凝固过程中,焊端或引脚镀层中微量Pb在无铅焊料与焊端界面容易发生Pb偏析现象,可能发生焊缝起翘(Lift-off)现象,严重时还会使焊盘随焊点一起从印制板上翘起。焊缝起翘会影响焊点长期可靠性。因此无铅焊料与有铅元件(无引线或有引脚元件)混用时要关注焊缝起翘现象对可靠性的影响。
  另外,由于无铅焊料与有铅元件(无引线或有引脚元件)混用时,是按照无铅焊接的温度曲线进行再流焊的,而有铅元件和有铅印制板的耐热性能是按照有铅焊接温度制订的,因此要密切关注有铅元件能否耐受无铅焊接的高温冲击;关注器件的潮湿敏感度问题;还要关注PCB材料能否耐受无铅焊接的高温冲击。
  ① 缝起翘现象(Lift-off)现象
  缝起翘现象(Lift-off)也称为焊点剥离现象。如图1所示。此现象主要发生在无Pb焊料与有Pb元件混用时,有研究显示,当焊料熔融时元件焊端镀层混入的Pb,特别是当Pb含量在1%左右的微量时,焊接后在焊点与焊端交界处会加剧分层Lift-off,使焊点浮起。Lift-off现象在有铅元件采用无铅波峰焊的工艺中比较多,严重时甚至会把PCB焊盘一起剥离开。因此过渡阶段波峰焊的焊盘设计可采用SMD(阻焊定义焊盘)方式,用阻焊膜压住焊盘四周,这样可以减轻或避免PCB焊盘剥离现象。
  (a) 元件面         (b) 焊接面           (c) 焊盘起翘
  焊缝起翘现象
  (a) 无铅焊点元件面焊缝起翘,元件面焊缝起翘在IPC-A-610D中属于可接受的
  (b) 焊接面焊缝起翘,焊接面焊缝起翘在IPC-A-610D中属于不可接受的
  (c) QFP引脚焊盘起翘
  下面结合图2对缝起翘现象(Lift-off)现象进行机理分析:
  在焊点冷却凝固过程中,由于以下几个因素,可能引起焊缝起翘(Lift-off)现象。
  (a) 偏析现象
  无铅焊料与Sn-Pb热风整平的焊盘或有铅元件(无引线或有引脚元件)混用时,焊盘或焊端镀层中微量Pb混入Sn-Ag-Cu焊料中,微量Pb在界面容易发生Pb偏析现象,形成Sn-Ag-Pb的174℃的低熔点层。
  (b) 锡釺焊时的凝固收缩现象
  63Sn37Pb合金的CTE是24.5×10-6,从室温升到183℃,体积会增大1.2%,而从183℃降到室温,体积的收缩却为4%,故锡铅焊料焊点冷却后有时有缩小现象。因此有铅焊接时也存在Lift-off,尤其在PCB受潮时。无铅焊料焊点冷却时也同样有凝固收缩现象。
  焊点冷却凝固过程中,相对于PCB基板而言,焊点散热速度快,当焊点温度降到217℃时,由于凝固收缩现象,使焊点以引脚为中心率先凝固收缩(如焊点上向右上方的箭头所示);由于基板的热容量大,温度高,在焊盘界面处存在残留液相,基板冷却过程中向下收缩(如PCB处向下的箭头所示),由于焊盘界面处存在174℃的低熔点层,冷凝收缩时使焊点从焊盘上浮起,造成焊缝起翘(Lift-off)。基板越厚,基板内部储存的热量越多,越容易发生焊缝起翘。
  (c) PCB在Z轴方向的热膨胀系数(CTE)大
  一般情况,PCB在Z轴方向的CTE比X、Y方向大,例如普通FR-4板材的Z轴方向的CTE比X、Y方向大4倍,因此Z轴方向受热变形的应力大,焊点冷凝收缩时增加了焊缝起翘的力度。
  (d) 焊点凝固时传输系统的震动
  焊点凝固过程中传输系统的震动也会加重焊缝起翘现象。因此焊接设备的传输系统应尽量平稳。
  由于无铅合金的熔点高、焊点与PCB的CTE不匹配更严重,容易出现偏析现象,焊点冷却凝固过程的时间越长越容易发生焊缝起翘现象,严重时甚至会造成焊盘剥离。
  关于焊缝起翘(Lift-off)现象的机理还要继续研究。当焊料、元件、PCB全部无Pb化后是否不会产生Lift-off现象了,也要继续研究。
  焊缝起翘现象的机理分析
  ② A面回流焊+B面波峰焊复合工艺中的问题
  在A面回流焊+B面波峰焊复合工艺中,当完成了A面回流焊,所有的焊点都是合格的,如图3(a)所示。但是,进行B面波峰焊时,在A面大的QFP和PLCC等元件的引脚镀层为Sn-Pb合金时,虽然焊点本身熔点在217 ℃,不会熔化,但在焊锡与焊盘界面容易形成Pb偏析——形成Sn-Ag-Pb的174℃的低熔点层,使界面发生熔化,在热应力或震动等应力的作用下造成焊点从焊盘上浮起。类似Lift-off现象。如图3(b)所示。
  焊盘处
  (a) 回流焊+面波峰焊复合工艺       (b) QFP引脚的焊缝浮起示意图
  A面回流焊+B面波峰焊复合工艺中的问题
  防止焊缝起翘(Lift-off)现象的方法:
  尽量采用单面板
  不使用Bi、In合金(低熔点更容易发生Lift-off)
  无铅工艺不使用Sn-Pb镀层元件
  加快冷却速度,消除偏析
  添加微量元素,消除偏析
  考虑PCB的散热设计,使基板内部的热有效释放
  回流焊+波峰焊复合工艺时,采用SMD焊盘设计
  选择Z轴方向CTE小的PCB材料,减小基板热收缩(尤其厚度方向)
  焊接设备的传输系统应尽量平稳,不产生振动,创造一个平稳的焊点凝固环境;
  ③ 元器件耐热问题
  无铅焊料与有铅元件混用时,还要考虑有铅元件能否经受无铅焊接温度的问题。例如某些1206以上的大尺寸陶瓷体阻、容元件发生开裂失效的机会较多;有些钽电容只能承受183℃以上不能超过60s,240℃不能超过10s;一些小型表面贴装变压器的骨架不耐高温,要求220℃不能超过10s;有的有铅器件230℃不能超过10s;一些热敏元件如聚合物开关(PWS)在再流焊后阻值会发生变化,在温度降低后仍不能恢复。因此。需要注意对元器件的选择,避免无铅焊接温度对元器件损伤及失效。
  ④ 元器件的潮湿敏感度问题
  无铅焊料与有铅元件混用时,还必须高度重视器件的潮湿敏感度问题。吸潮的器件在再流焊过程中由于水蒸汽膨胀,使水蒸汽压随温度升高而上升,对已经受潮的器件都会造成损坏的威胁。连接器和其他塑料封装元器件(如PBGA、QFP等)在高温时失效明显增加。主要是分层、爆米花、变形等。无铅焊接温度高,根据经验粗略统计,焊接温度每提高10℃,湿度敏感器件(MSD)的湿度敏感等级(MSL)提升1级,可靠性随之降1级。解决措施是对湿度敏感元器件(MSD)按照要求进行管理、存储和使用,并采取有效措施。例如:
  设计在明细表中应注明元件潮湿敏感度;
  工艺要对潮湿敏感元件做时间控制标签,做到受控管理;
  对已经受潮的潮湿敏感元器件进行去潮烘烤处理;
  尽量降低峰值温度。
  无铅焊料与有铅PBGA、CSP混用
  无铅焊料与有铅PBGA、CSP混用时,有铅PBGA、CSP的焊球一般是Sn-37Pb合金,与无铅Sn-Ag-Cu焊膏焊接后,焊点中Pb含量比较多,是不符合RoHS要求的,但在过渡阶段这种情况还不能完全避免。
  无铅焊料与有铅焊球混用时焊点中气孔(空洞)多。这是由于Sn-37Pb焊球的熔点(183℃)低,无铅Sn-Ag-Cu焊膏的熔点(217℃)高,熔点不同造成的。无铅焊料与有铅焊球混用时,是按照无铅焊料合金的熔点进行焊接的,一般峰值温度在235~245℃,复杂的组装板可能要达到260℃。当温度上升到183℃时Sn-37Pb焊球就开始熔化;当温度上升到200℃时,熔融的Sn-37Pb合金液体的粘度很小,流动性已经很好了,此时在焊盘上的无铅焊膏中的Sn-Ag-Cu合金还没有熔化,被熔融的Sn-37Pb合金液体完全覆盖住;当温度上升到217℃以上时,Sn-Ag-Cu焊料合金才开始熔化,助焊剂活化、分解、与氧化铜反应、焊接界面反应产生的气体被厚厚的Sn-37Pb合金液体覆盖住,气体排不出去,造成空洞,如图4所示。
  IPC-A-610D规定,只要空洞不是分布在界面,焊球截面空洞的总尺寸小于焊球直径的25%,则认为可接受,但是,如果气孔和空洞位于焊球与器件焊盘的界面、或焊球与PCB焊盘的界面处时,会影响可靠性,是不可接受的;如果PCB设计时焊盘上有过孔,当过孔的填充高度低于焊盘高度时,印刷焊膏后残留在焊膏下面的空气在再流焊过程中由于气体膨胀,还可能会造成大空洞,影响可靠性。
  无铅焊料与有铅焊球混用
  设置温度曲线时,缓慢升温,增加180℃以前的预热时间,这样不仅能够减小组装板表面的温差Δt,还能让助焊剂充分挥发;缩短有铅BGA到无铅焊料的熔化时间(即183℃~217℃的升温时间),使无铅合金与Sn-37Pb焊球尽量在较短的时间内一起熔化,这些措施能够减少空洞的形成,但这样的温度曲线对再流焊设备有更高的要求,要求回流区有更高的加热效率。
  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。
  是有铅焊料与无铅焊球混用,从中看出: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
  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。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“Homogeneous Materials” 这个词,译成中文为“均质材料”。而“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
  均质材料(Homogeneous Materials)举例
  对于波峰焊,无铅与有铅的焊接设备是不兼容的。无铅波峰焊机只能用于无铅波峰焊工艺。无铅波峰焊比无铅再流焊的工艺难度大的多,对无铅波峰焊机的要求也比较严格。建立无铅波峰焊生产线特别要控制Pb污染。无铅波峰焊使用有铅元件和有铅PCB会发生焊缝起翘现象(Lift-off),严重时还会将焊盘带起。
  因此,无铅波峰焊不能使用有铅元件和镀Sn-37Pb的印制板,要严格控制Pb污染。无铅焊料中的Pb含量必须限制在0.1 Wt%以下,因此每月对锡锅中Pb的含量需要进行监测,Pb含量超过0.1Wt%,必须换新的无铅焊锡。

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