无铅焊接工艺技术Word格式文档下载.docx
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SMT生产线、计算机、扫描仪。
成果验收形式:
论文
参考文献:
实用表面组装技术,SMT相关论文等。
时间
1
5周---6周
资料查阅
3
9周---13周
撰写论文
安排
2
7周---8周
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4
14周---16周
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教研室主任:
系主任:
指导教师情况
姓名
梁万雷
技术职称
工作单位
北华航天工业学院
指导教师评语
指导教师评定成绩:
指导教师签字:
__年_月一一日
答辩委员会评语
最终评定成绩:
答辩委员会主任签字:
单位(公章)
年月
日
此论文写了无铅焊接工艺技术的产生定义和内容,以及特点;
写了无铅焊料,以及无
铅焊料的种类,包括Sn-Ag系、Sn-Zn系、Sn-Bi系、Sn-Cu系等等;
写了无铅焊接工艺技术的工艺流程,即其工艺的五个步骤,并写了在此基础上产生的新的工艺与设备的应用;
写了无铅焊接的常见缺陷“黑盘”现象、表面裂纹(龟裂)、焊点剥离、晶须、离子迁移、元素污染等等,重点研究了“黑盘”现象、表面裂纹(龟裂)、焊点剥离的产生现象,产生机理以及解决措施。
关键词无铅焊接工艺技术工艺流程设备无铅焊料无铅焊接常见缺陷
第1章绪论5
1.1无铅焊接工艺技术的产生5
1.2无铅焊接工艺技术的定义6
第2章无铅焊料7
2.1无铅焊料的提岀与发展阶段7
2.2无铅焊料的要求8
2.3无铅焊料的种类8
2.3.1Sn-Ag系列8
2.3.2Sn-Zn系列9
2.3.3Sn-Bi系列9
2.3.4Sn-Cu系列10
2.4无铅焊料的国内外现状10
2.5无铅焊料的问题11
第3章无铅焊接工艺流程12
3.1工艺流程简介12
3.1.1无铅焊接的现状12
3.1.2无铅焊接的特点和对策13
3.1.3无铅工艺对助焊剂的挑战13
3.1.4氮气在焊接中的工艺应用15
3.2无铅焊接工艺的五个步骤15
第4章无铅焊接工艺技术与设备17
4.1无铅焊接工艺技术的特点17
4.2新的无铅焊接工艺及设备17
4.2.1元器件及PCB板的无铅化17
4.2.2焊接设备的无铅化17
第5章无铅焊接常见缺陷以及解决措施22
5.1缺陷的种类22
5.2“黑盘”现象22
5.2.1产生此现象的表现22
5.2.2产生机理23
5.2.3解决措施24
5.3表面裂纹(龟裂)24
5.3.1产生此现象的表现24
5.3.2产生机理26
5.3.3解决措施27
5.4剥离27
5.4.1产生此现象的表现27
5.4.2产生机理28
5.4.3解决措施29
第6章结论31
致谢32
参考文献33
附录34
第1章绪论
1.1无铅焊接工艺技术的产生
现在的板卡设备上的芯片,都是通过芯片的封装下面的小焊点和PCB板连接的。
这
些小焊点传统上是用铅的,然而Pb是一种有毒的金属,对人体有害,并且对自然环境有很大的破坏性。
铅的特性及对人体的危害:
铅(leadPb),灰白色金属,熔点为327.5C,加热至400〜500C时即有大量铅蒸气逸出,并在空气中迅速氧化成氧化亚铅而凝集为烟尘并四处逸散。
在工业中与铅接触的行业主要有铅矿开采,铅烧绳索和精练、蓄电池制造、电子产品的焊接和电子元件的喷铅作业等等。
在以上接触中铅及其化合物主要通过呼吸和消化道入侵人体造成铅中毒,对人体健康构成危害。
美国环保署研究发现,铅及其化合物是17种
严重危害人类寿命和自然环境的化学物质之一。
通常的职业性铅中毒都是慢性中毒,其对
人体的神经系统、消化系统和血液系统都将造成干扰和伤害,其临订症状表现为头昏头痛、乏力、记忆力下降、恶心、烦躁、食欲不振、腹部胀痛、贫血、精神障碍等。
综上所述,世界大多数国家开始禁止在焊接材料中使用含铅的成分。
日本在2004年禁止生产或销售使用有铅材料焊接的电子生产设备;
欧美在2006年禁止生产或销售使用
有铅材料焊接的电子生产设备;
中国在2004年已进入无铅焊接。
因此,在这种情况下,电子材料开始生产无铅焊料。
欧盟为了限制有害物质在电子电器产品中的使用,并透过妥善的回收及处理废弃电子电器产品达到保护人类健康的目的,于2003年颁布2002/95/EC号法令,即RoHS法令
(RestrictionoftheuseofHazardousSubstancesinElectricalandElectronicEquipmentPirective)电子电机产品之危害物质限用法令。
中国政府一直在给以密切关注和研究对策,国务院专门责成信息产业部负责针对欧盟环保指令的研究和应对工作。
信息产业部根据《清洁生产促进法》和《固体废物污染环境防治法》等有关法规制定的《电子信息产品污染防治管理办法》已经完成,并于2005年
1月1日起施行。
《电子信息产品污染防治管理办法》规定,自2006年7月1日起,列
入电子信息产品污染重点防治目录中的电子信息产品中不得含有铅、汞、镉、六价铬、聚
合溴化联苯乙醚和聚合溴化联苯及其他有毒有害物质。
对于2006年7月1日以前的一段
时间,中国政府要求电子信息产品制造商们实行有毒有害物质的减量化生产措施,并积极
寻找可替代品。
同时,一个名为“电子信息产品污染防治标准工作组”的机构也已经开始筹
备成立,该机构的主要任务是研究和建立符合中国国情的电子信息产品污染防治标准,开
展与电子信息产品污染防治有关的标准研究和制定工作,特别是加快制定急需的材料、工艺、测试方法和实验方法的基础标准。
无铅焊接工艺技术则是使用一种无铅的合成物来取代铅。
不过,从有铅产品转到无铅产品是个复杂的过程,影响到所有的电子器件供应商,并带来许多供应链、无铅制程和可靠性方面的挑战,它要求用基于无铅的材料替代过去使用的富含铅的焊料和装配过程中用到的有铅材料。
无铅焊接工艺技术带来的并不全是革命性的转变,它还是属于一个“发展”技术。
1.2无铅焊接工艺技术的定义
无铅焊接工艺技术是从现有的含铅SMT技术上发展而来的。
自有SMT技术时代开始,快速扩张的用户市场,使工业界已经认识到“革命”式改变的害处,具备较多的“发展性”当然是件好事,然而对于无铅技术来说,这却也非简单。
在SMT的发展过程中,我们已
经有经历过几次影响较大的“发展”经验,例如栅阵排列焊端技术(BGA)、Flip-Chip等等。
有些用户可能对于这些技术带来的挑战还记忆犹新。
但无铅焊接工艺技术的到来,和以前的几个技术相比之下,其难度和挑战绝对是有过之而无不及。
焊接技术实际上就是各种焊接方法、焊接材料、焊接工艺以及焊接设备等及其基础理论的总称。
其中讲到了焊接,母材,焊丝,SMT等.
第2章无铅焊料
2.1无铅焊料的提出与发展阶段
铅锡焊料的应用已有悠久的历史。
由于它具有较低的熔点、良好的性价比以及易获得性,铅锡焊料成为低温焊料中最主要的焊料系列,被广泛用于食品容器、有色金属、建筑
金属构件、运行机械、输水系统管道以及其它流体和气体管道装置的焊接等领域。
电子技
术的发展,铅锡焊料扮演了重要的角色,使其应用领域和需求量得到大幅度增加。
进入20世纪后期,随着现代工业和科学技术的发展,人们对环境的保护意识越来越强,铅锡合金带来的负面影响日渐突出,引起全球范围内的高度重视。
欧美一些发达国家均以立法的形式禁止和限制使用含铅制品,美国环保局将铅列入对人类自身最有危害的17种化学物质之一。
1994年,北欧环境部长会议提出逐步取缔铅的使用,以减少铅对人类健康和生存环境的危害。
欧洲国家相继提出有关法律草案,规定从2002年1月1日起在汽车上取消铅、汞、镉等有毒金属(铅蓄电池除外)的使用。
从2008年起在电子工业中禁止使用含铅焊料材料。
日本贸易部也作出类似的法律规
定。
在中国,提出了废旧电池统一回收的试行方案,其目的也是减少铅对环境的污染。
在
世界范围内保护环境的大趋势下,对含铅产品的限制或禁止使用,终将以法律形式加以确定。
这导致了“无铅焊料”成为全球性的研究热点。
无铅焊料的发展是由于人们认识到生态环境的重要性以及人的身体健康而发展起来的,其大致可以分为以下几个阶段:
(1)无铅焊料的提出阶段1991年和1993年,美国参议院提出“ReidBill:
要求将电子
焊料中铅含量控制在0.1%以下。
由于当时所有的电子产品都离不开有铅焊料,有铅焊
料发展得也相当成熟,而在那时人们对生态环境的保护意识还不够,对铅对人体损伤的认识不足,因而没有受到重视。
(2)无铅焊料的发起阶段从1991年起NEMI、NCMS、NIST、NPL、PCIF、ITRI、
JIEP等组织相继开展无铅焊料的专题研究,耗资超过2000万美元,目前仍在继续。
(3)无铅焊料的运用阶段在1998年10月,第一款批量生产的无铅电子产品
PanasonicMiniDiscMJ30问世。
20世纪90年代中期,日本和欧盟作出了相应的立法:
日本规定2001年在电子工业中淘汰铅焊料,在2004年禁止生产或销售使用有铅焊料焊接的电子生产设备;
而欧美在2006年禁止生产或销售使用有铅材料焊接的电子生产设备,但是由于无铅焊料还存在技术上的原因,在2008年才能实现电子产品无铅化。
2.2无铅焊料的要求
(1)使用产品时的材料消耗情况。
(2)产品制造过程中使用的能量情况。
(3)产品处理后的重复使用性。
(4)材料从制造到再生利用这期间的辐射情况。
经过大量的比较后筛选出几种好的锡合金,它们为铜(Cu)、银(Ag)、钢(In)、锌(Zn)、铋(Bi)、锑(Sb)。
选择这些金属材料可在和锡组成合金时降低焊料的熔点,使其得到理想的物理特性。
2.3无铅焊料的种类
现在各种系别组成的无铅焊料合金有很多种,其中主要有:
Sn-Ag、Sn-Zn、Sn
-Bi、Sn-Cu等二元合金以及在此基础上添加其他合金元素形成的三元、四元乃至五元合金。
下面就对现今主要的无铅焊料合金组织结构及性能进行介绍。
2.3.1Sn-Ag系列
Sn—Ag系焊料作为锡铅替代品已在电子工业使用了多年。
典型的组成比例是
Sn96.5-Ag3.5,其熔点为221T。
这种焊料所形成的合金组织是由不含银的纯B—Sn和微细的Ag3Sn相组成的二元共晶组织。
添加Ag所形成的Ag3Sn因为晶粒细小,对改善机械性能有很大的贡献。
随着Ag含量的增加,其屈服强度和拉伸强度也相应增加。
从强度方面来说,添加1-2%以上的Ag就能与Sn-Pb共晶焊锡相同或者超过它。
添加3%以上的Ag,强度值显著比Sn-Pb共晶焊锡要高,但超过3.5%以后,拉伸强度相对降低。
这是因为除了微细的Ag3Sn结晶以外,还形成了最大可达数十微米的板状Ag3Sn初晶。
形成粗大的金属间化合物不仅使强度降低,而且对疲劳和冲击性能也有不良影响,因此对
Ag的含量和金属界面的金属间化合物要进行认真的考究。
在Sn-Ag合金里添加Cu,能够在维持Sn-Ag合金良好性能的同时稍微降低熔点,而且添加Cu以后,能够减少所焊材料中铜的浸析。
Sn—Ag—Cu无铅焊料是目前被认为最接近实用化的Sn—Pb焊料替代品,也是目前无铅焊料得首选。
典型的组成比例是Sn3.0Ag0.5Cu,熔点为216~217C。
Sn与次要元素Ag和Cu之间的冶金反应是决定应用温度、同化机制及机械性能的主要因素。
在这三元素之间有三种可能的二元共晶反应。
在温度动力学上Sn更适合与Ag或Cu反应,来形成Ag3Sn或Cu6Sn5金属间化合物。
Ag3Sn细微结晶具有相当长的纤维状组织。
Ag与Cu一样也是几乎不能固溶于B-Sn的元素。
较硬的Ag3Sn和Cu6Sn5粒子在锡基质的锡银铜三重合金中,可通过建立一个长期的内部应力,有效地强化合金。
这些硬粒子也可有效地阻挡疲劳裂纹的蔓延。
Ag3Sn和
Cu6Sn5粒子的形成可分隔较细小的锡基质颗粒。
Ag3Sn和Cu6Sn5粒子越细小,越可以有效地分隔锡基质颗粒,结果是得到整体更细小的微组织。
这有助于颗粒边界的滑动机制,因此延长了提升温度下的疲劳寿命。
Sn3.0Ag0.5Cu焊点中Sn先结晶,以枝晶状(树状)出现,中间夹Cu6Sn5和Ag3Sn。
当Cu含量在0.5~1.3%,Ag含量在3.0~3.5%时可以得到比较好的合金性能。
232Sn-Zn系列
Sn-Zn系无铅合金的典型组成比例为Sn9Zn,熔点是199C,被认为是最有发展潜力的无铅焊料。
Sn、Zn元素以固溶体的形式构成合金,说明了Sn—Zn有较好的互熔性。
Zn能均匀致密的分散在Sn中。
但由于存在润湿性和抗氧化性差等问题曾被认为是一种并不理想的无铅焊料。
近年来对Sn—Zn系合金润湿的研究取得了明显进展,在Sn—Zn中添加Bi焊料是目前研究较为广泛的无铅合金材料。
Bi是一种表面活性元素,在熔融状
态下,Bi元素能够向溶体表面富集,导致合金的表面张力减小。
因此,Bi的加入提高了
合金的润湿性能,研究表明在Sn—9Zn为共晶合金的基础上加入Bi虽然提高了合金的润湿性,但往往伴随着焊料力学性能的下降,通过调节合金中Zn的含量,能够减少初生
Zn相的生成,在提高润湿性(缩短润湿时间)的条件下降低由于Bi的加入带来的力学性
能恶化效果。
Sn8Zn3Bi合金是一种典型的Sn—Zn系无铅焊料,其润湿性、热学特性、力学性能等性能匹配良好。
对于防止Sn-Zn系焊料的抗氧化一般可以通过在焊料中添加微量金属的办法来解决。
但是还在进一步的研究中。
2.3.3Sn-Bi系列
Sn—Bi系合金是典型的低熔点无铅焊料,Sn-58Bi熔点为139C。
Bi是除Pb以外离Sn较近元素,Bi是元素周期中排在第V主族(氮族)元素的末位,Bi的非金属性明显比Pb强,Bi是菱状晶体(类似金属晶体),具有脆性,在Sn合金里添加Bi的焊锡,可以形成从共晶点的139C到232C的熔化温度范围非常宽的合金。
该合金形成化合物,并且共晶成分形成单纯的共晶组织。
然而基体中固溶大量的Bi是别的合金所没有得特色。
Sn-58Bi共晶合金应用于主板封装已经超过20年。
SnBi合金的导电/导热性能不及SnPb合金,Bi与Sn有较好的互熔性,但Sn-Bi合金硬度高,延伸性低,不能拉成丝,一句话SnBi合金焊料不及SnPb合金焊料那样好。
所以考虑在Sn-58Bi中添加Ag具有改善该合金塑性的效果,其延伸率的变化非常明显。
随Ag量的增加,在0.5wt%Ag出现延伸率
的峰值。
但是含Bi焊料在遇到含铅合金包括元器件端焊头重的铅以及PCB焊盘中的含铅
涂层时,其焊点强度会明显下降,产生这种现象的原因之一是Sn、Pb、三元素混熔后会
形成Sn-Pb-Bi三元共晶析出,该合金的熔点仅为97C左右。
因此含Bi的焊料一定要杜绝Pb的存在。
234Sn-Cu系列
Sn—Cu系合金中的合金化合物比较复杂,在共晶点处可以看作Sn-Cu6Sn5的二元
合金,熔点为227C。
该合金不含Ag、价格低,现在主要在重视经济的单面基板波峰焊方面广泛使用。
由于Cu6Sn5不像Ag3Sn那样稳定,所以在微细共晶组织在100C保持数十小时就会消失,变成分散的Cu6Sn5颗粒的粗大组织同时在Cu和Cu6Sn5之间会生成Cu3Sn。
因此Sn-Cu系焊锡的高温保持性能和热疲劳等可靠性比Sn-Ag系合金差。
为了细化该合金中的Cu6Sn5相,曾经尝试添加微量的Ag、Ni、等元素。
仅仅添加0.1%的Ag,即可使塑性提高50%。
另外,添加Ni具有减少焊锡渣量的效果,已经逐渐稳定地用作波峰焊生产使用的焊锡。
2.4无铅焊料的国内外现状
在20世纪80年代后期,美国首次颁布了限制铅使用的法律一一减少铅暴露条律(S1729)、铅税法(H1R12479,S11347)。
“无铅电子产品”的理念,由美国传到欧洲、日本和全世界发达国家。
在这种情况下,世界上用量最大的铅锡焊料,从生产到使用都受到了强烈的冲击,“无铅锡基环保焊料”成为最热门的研究课题。
美国TMS(TheMinerals,Metals&
MaterialsSociety)春、秋季年会均有论文报告无铅焊料的研究成果。
欧共体的奥地利、德国、法国、英国等16国联合制定了COST531(无铅焊料材料)研究计划。
对无铅焊料的研究,基本上是从以下三个方面进行的:
(1)新型无铅焊料合金的研制与设计;
(2)焊接头疲劳研究及可靠性设计;
(3)无铅焊料工艺性能研究。
通过20多年的研究开发,各国材料工作者都取得了一定
的研究成果,一些性能较好的无铅焊料已经商业化。
在有限度的改变焊接工艺的前提下,无铅焊料可以部分取代铅锡焊料。
近七、八年以来,日本、美国、澳大利亚、韩国等国家的一些公司,如日本铝钎料株式社、日立制作,美国国际机械公司,澳大利亚伊科索尔德
国际股份有限公司,韩国三星等企业都在中国境内申请并获得专利,且产品获得商业应用
价值和市场份额。
我国无铅焊料发展的历史不长,起步较晚,但发展速度很快。
研究工作
主要集中在大专院校和科研院所,有一些焊料生产单位也在进行开发研制。
但国内还未形成无铅焊料的批量生产,这是由于我国没有立法限制铅的使用,国内一些大的电子产品生产企业,其产品主要是针对国内市场,使用无铅焊料的要求还远不是那么强烈。
而我国一
些技术含量较高的机电产品,由于使用了铅锡焊料,在出口时受到阻碍,已严重影响了这类产品在国际市场上的竞争力。
受世界大环境的影响,随着我国对环境和生态的高度重视,使用无铅焊料替代铅锡焊料已提到议事日程。
我国是锡的生产和出口大国,也是消耗焊料
的各种电器生产的大国,如无铅焊料的研究没有实质性的突破,将会严重影响我国的机电、微电子行业的发展,产品将失去市场竞争力。
因此,大力发展无铅环保焊料是当前一项迫切和亟待解决的问题。
2.5无铅焊料的问题
对于无铅焊料,主要的问题在以下几方面:
1.替代合金应是无毒性的。
一些考虑中的替代金属,如镉和锑,是毒性的;
其它金属,如锑、铟,由于改变法规的结果可能落入毒性种类。
2.熔点应同锡铅体系焊料的熔点(183C)接近,不应超过200C。
3.供应材料必须在世界范围内容易得到,数量上满足全球的需求。
某些金属如铟和铋数量比较稀少,只够用作无铅焊锡合金的添加成分。
4.替代合金还应该是可循环再生的,如将三四种金属加入到无铅替代焊锡配方中可能使循环再生过程复杂化,并且增加其成本。
5.机械强度和耐热疲劳性要与锡铅体系焊料大体相同。
6.焊料的保存稳定性要好。
7.替代合金必须能够具有电子工业使用的所有形式,包括返工与修理用的锡线、锡膏
用的粉末、波峰焊用的锡条、以及预成型。
不是所有建议的合金都可制成所有的形式,例
如铋含量咼将使合金太脆而不能拉成锡线。
8.合金相图应具有较窄的固液两相区。
能确保有良好的润湿性和安装后的机械可靠性。
9.焊接后对各种焊接点检修容易。
10.导电性好,导热性好。
第3章无铅焊接工艺流程
3.1工艺流程简介
传统的锡铅焊料在电子装联中已经应用了近一个世纪。
共晶焊料的导电性、稳定性、抗蚀性、抗拉和抗疲劳、机械强度、工艺性都是非常优秀的,而且资源丰富,价格便宜。
是一种极为理想的电子焊接材料。
但由于铅污染人类的生活环境,危害人类的健康。
据统计,某些地区地下水的含铅量已超标30倍,施行无铅焊接工艺技术是大势所趋。
3.1.1无铅焊接的现状
无铅焊料合金成分的标准化目前还没有明确的规定。
IPC等大多数商业协会的意见:
铅含量<0.1-0.2WT%(倾向<0.1%,并且不含任何其它有毒元素的合金称为无铅焊料合金。
1、无铅焊料合金
无铅化的核心和首要任务是无铅焊料。
正公认能用的有:
(1)目前最有可能替代Sn/Pb焊料的合金材料
(2)目前应用最多的无铅焊料合金三元共晶形式的Sn95.8\Ag3.5\Cu0.7(美国)和三
元近共晶形式的Sn96.5\Ag3.0\Cu0.5(日本)是目前应用最多的用于再流焊的无铅焊料。
其熔点为216-220C左右。
无铅合金焊料较仍然有以下问题:
(A)熔点高34C左右。
(B)表面张力大、润湿性差。
(C)价格高
2、PCB焊盘表面镀层材料
无铅焊接要求PCB焊盘表面镀层材料也要无铅化,PCB焊盘表面镀层的无铅化相对于元器件焊端表面的无铅化容易一些。
目前无铅标准还没有完善,因此无铅元器件焊端表面镀层的种类很多。
3、目前无铅焊接工艺技术处于过渡和起步阶段
虽然国际国内都在不同程度的应用无铅技术,但目前还处于过渡和起步阶段,从理论
到应用都还不成熟。
没有统一的标准,对无铅焊接的焊点可靠性还没有统一的认识,因此
无论国际国内无铅应用技术非常混乱,因此目前迫切需要加快对无铅焊接技术从理论到应用的研究。
3.1.2无铅焊接的特点和对策
(1)无铅焊接的主要特点
(A)高温、熔点比传统有铅共晶焊料高34C左右。
(C)工艺窗口小,质量控制难度大。
(2)无铅焊点的特点
(A)浸润性差,扩展性差。
(B)无铅焊点外观粗糙。
传统的检验标准与AOI需要升级。
(C)无铅焊点中气孔较多,尤其有铅焊端与无铅焊料混用时,焊端(球)上的有铅焊料
先熔,覆盖焊盘,助焊剂排不出去,造成气孔。
但气孔不影响机械强度。
(D)缺陷多-由于浸润性差,使自定位效应减弱。
无铅焊点外观粗糙、气孔多、润湿角大、没有半月形,由于无铅焊点外观与有铅焊点有较明显的不同,如果有原来有铅的检验标准衡量,甚至可以认为是不合格的,随着无铅技术的深入和发展,由于助焊剂的改进以及工艺的进步,无铅焊点的粗糙外观已经有了一些改观。
3.1.3无铅工艺对助焊剂的挑战
(1)无铅工艺对助焊剂的要求
(A)由于焊剂与合金表面之间有化学反应,因此不同合金成分要选择不同的助焊剂。
(B)由于无铅合金的浸润性差,要求助焊剂活性高。
(C)提高助焊剂的活化温度,要适应无铅高温焊接温度。
(D)焊后残留物少,并且无腐蚀性,满足ICT探针能力和电
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