- 鉛化焊接中的熱風(fēng)整平技術(shù)
- 各種焊接效果的對(duì)比
- 操作溫度在250℃～260℃之間
- 銅含量達(dá)到大約0．5％
鉛在電子工業(yè)中有著非常廣泛的應(yīng)用需求，這是因?yàn)樗膬r(jià)格比較低廉，同時(shí)具有良好的導(dǎo)電性和相對(duì)較低的熔點(diǎn)。然而，根據(jù)有關(guān)的國(guó)際公約，特別是歐盟的規(guī)定：許多國(guó)家和電子產(chǎn)品用戶(hù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定，在提供銷(xiāo)售的商品中要消除有害材料一一鉛的使用。因此盡管它的應(yīng)用非常普及，但在電子行業(yè)中人們還是在不斷地尋找鉛的替代品。
1 在無(wú)鉛化挑戰(zhàn)中的熱風(fēng)整平技術(shù)的思考
熱風(fēng)整平(HotAirLeveling，簡(jiǎn)稱(chēng)HAL)的工作原理是利用熱風(fēng)將印制板表面及孔內(nèi)多余焊料吹掉，剩余焊料均勻涂覆在焊盤(pán)及無(wú)阻焊料線(xiàn)條、表面封裝器件上面。
熱風(fēng)整平的工藝比較簡(jiǎn)單，主要是：放板、熱風(fēng)整平前處理、熱風(fēng)整平、熱風(fēng)整平后清洗和檢查等。熱風(fēng)整平的工藝雖然簡(jiǎn)單，但是，若想熱風(fēng)整平出優(yōu)良合格的印制板還有很多的工藝條件需要掌握，例如：焊料溫度、風(fēng)刀氣流溫度、風(fēng)刀熱風(fēng)壓力、操作時(shí)間和提升速度等等。這些條件都有設(shè)定值，但操作時(shí)又要根據(jù)印制板的外在條件及加工單的要求作相的調(diào)整變化，例如：板厚、板長(zhǎng)、單面、雙面和多層板。它們所采用的條件是有差異，只有熟悉掌握各種工藝參數(shù)，根據(jù)印制板的不同的類(lèi)型和要求，進(jìn)行耐心細(xì)致地設(shè)備調(diào)整，才能用熱風(fēng)整平出合格的印制板。
約10年前，在全世界所有PCB組件中的80％以上仍然采用熱風(fēng)整平工藝技術(shù)。3年前，在所有PCB組件中仍然有超過(guò)60％的采用熱風(fēng)整平作為PCB表面處理方式。然而到目前為止，絕大多數(shù)的研究工作是針對(duì)利用化學(xué)鍍鎳浸金(ElectrolessNickellm-mersionGold，簡(jiǎn)稱(chēng)ENIG)、浸銀、浸錫和有機(jī)焊料防護(hù)(OrganicSolder：Preservative，簡(jiǎn)稱(chēng)OSP)對(duì)PCB組件進(jìn)行表面涂覆處理。針對(duì)PCB組件的無(wú)鉛化熱風(fēng)整平處理常常被人遺忘。
無(wú)鉛化合金熱風(fēng)整平工藝技術(shù)可分為兩大類(lèi)：SnAgCu合金和SnCu合金。盡管說(shuō)SnCu基合金與SnPb37的熔化點(diǎn)之間有固定的差異(44℃)，但當(dāng)這兩大類(lèi)合金在用于裝配和熱風(fēng)整平處理的時(shí)候，工藝操作溫度的實(shí)際差異在10℃～20℃之間。在采用熱風(fēng)整平工藝、波峰焊接和SMT。焊接設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，SnPb合金通常在250℃～260℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行操作，而SnCuCo合金的工藝操作溫度在260℃一270℃的范圍內(nèi)，SAC305合金在255℃．265℃的溫度范圍內(nèi)。表l詳細(xì)列舉了一些無(wú)鉛化焊料和SnPb合金的物理參數(shù)。
當(dāng)選擇無(wú)鉛化合金的時(shí)候，是選兩種成分還是三種成分，應(yīng)該有不同的考慮。首先，二元合金比起三元合金來(lái)在材料方面顯得相對(duì)簡(jiǎn)單。其次，在熔點(diǎn)溫度方面10℃的差異意味著在通孔波峰焊接應(yīng)用方面的機(jī)會(huì)很小，但是同樣的10℃在再流焊接加熱爐中都顯得較大，在再流焊接加熱爐中呆的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。同樣，由于這二類(lèi)合金能夠與所有的其它電路板上的表面涂覆相適應(yīng)，所以似乎不需要花費(fèi)額外的費(fèi)用在含銀合金上面，以求能夠滿(mǎn)足波峰焊接和熱風(fēng)整平的需要。
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2 相關(guān)的測(cè)試工作
為了能夠產(chǎn)生與SnPb37相媲美的效果，人們?cè)谄诖硐氲臒o(wú)鉛化替代焊料時(shí)，會(huì)要求能夠與SnPb37一樣潤(rùn)濕銅的表面。美國(guó)MetallicResourcesInc公司的技術(shù)人員為了驗(yàn)證上述焊料在熱風(fēng)整平中的表現(xiàn)情況，對(duì)此開(kāi)展了一系列的測(cè)試和研究工作，下面予以介紹。
美國(guó)：MetallicResourcesInc公司的技術(shù)人員采用了潤(rùn)濕天平(WettingBalance)作為測(cè)試的主要手段。通過(guò)對(duì)SnCuCo的潤(rùn)濕情況評(píng)估，以確定在現(xiàn)有的溫度條件下能否達(dá)到最理想的潤(rùn)濕效果。該測(cè)試項(xiàng)目被作為SnCuCo合金和SnPb37潤(rùn)濕特性之間進(jìn)行比較的一種方法，測(cè)試工作是在一臺(tái)Metronelec潤(rùn)濕天平上進(jìn)行的。
利用潤(rùn)濕天平首先對(duì)SnPb37材料進(jìn)行測(cè)試，所采用的溫度為250℃(為推薦采用的操作溫度)，從而建立起一個(gè)基準(zhǔn)值，用來(lái)與所選用的無(wú)鉛化焊料合金進(jìn)行比較。
對(duì)SnPb37合金的測(cè)試：
溫度：250℃；
最大潤(rùn)濕力：0．32mN／mm：
達(dá)到最大潤(rùn)濕效果的時(shí)間：0．241s；
在1．125s時(shí)的平均力：0．32mN／mm。
接下來(lái)，通過(guò)潤(rùn)濕天平對(duì)SnCuCo合金進(jìn)行了測(cè)試：
溫度：250℃、255℃、265℃、275℃：
最大潤(rùn)濕力(mN／mm)：～0.30、～0．30、>0．3l、>0．31：
達(dá)到最大潤(rùn)濕效果的時(shí)間(s)：～0．27、0．26、～0．24、～0．24：
在1．125s時(shí)的平均力(mN／mm)：0．29、0．30、0．31、0．30。
3 對(duì)潤(rùn)濕性測(cè)試結(jié)果的分析
在測(cè)試觀察時(shí)間方面將時(shí)間段設(shè)置為10s，該時(shí)間段是兩大類(lèi)材料之間的最小時(shí)間劃分。對(duì)表面涂覆的檢查顯示SnPb37，就統(tǒng)計(jì)意義來(lái)說(shuō)在所有的溫度段與無(wú)鉛化焊料存在著差異。從潤(rùn)濕起始1s開(kāi)始進(jìn)行密切的檢查，在熱風(fēng)整平和波峰焊接中給予平均2s的接觸時(shí)間是非常重要的，在再流焊接中較長(zhǎng)的接觸時(shí)間顯示了兩組之間的差異。在理想的潤(rùn)濕狀態(tài)下面，為了能夠達(dá)到最大的潤(rùn)濕效果應(yīng)該在開(kāi)始階段盡可能地呈現(xiàn)出陡升的狀態(tài)。
SnPb37在它的上升過(guò)程中幾乎是以不變的斜率上升的。無(wú)鉛化焊料在250℃-255℃的時(shí)候緩慢地開(kāi)始潤(rùn)濕。在265℃～275℃的時(shí)候，上升的速率非常接近理想的形狀。對(duì)于SnPb37來(lái)說(shuō)焊料的潤(rùn)濕是瞬間完成的；上升達(dá)到的最大的潤(rùn)濕力是在0．24lS以?xún)?nèi)。最大潤(rùn)濕力是可以達(dá)到可潤(rùn)濕長(zhǎng)度的0．32mN／mm。
對(duì)于SnCuCo來(lái)說(shuō)，在265℃的時(shí)候潤(rùn)濕現(xiàn)象也是在瞬問(wèn)發(fā)生的。上升的斜率是不變的，它接近教科書(shū)上所述的，最大的潤(rùn)濕力略低于0．31mN／mm。對(duì)于SnCuCo來(lái)說(shuō)，在275℃的時(shí)候潤(rùn)濕現(xiàn)象是在瞬間完成的。它的上升斜率與SnPb37組材料非常的相似，最大的潤(rùn)濕力略微地低于0．31mN／mm。
對(duì)于Sn99．5Cu0．3Co來(lái)說(shuō)它的潤(rùn)濕特性曲線(xiàn)可以模擬SnPb37，在SnPb37的基礎(chǔ)上面增加15℃～25℃的操作溫度。在生產(chǎn)過(guò)程中增加預(yù)熱的溫度可以有助于補(bǔ)償所要求的溫度增加，它將有助于控制銅的溶解速率。在增加溫度的同時(shí)，潤(rùn)濕力也會(huì)得到改善，從而與SnPb37相適應(yīng)。
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4 焊料中承載銅的能力
人們可以獲知在SnPb37焊料操作中能夠承載多少銅的重要數(shù)據(jù)。在J-STD一00l中表示最大的銅含量為0．3％。通過(guò)多年SnPb焊接工藝所獲取的經(jīng)驗(yàn)表明，在操作溫度在250℃～260℃之間，銅含量達(dá)到大約0．5％的時(shí)候，會(huì)對(duì)焊料的性能產(chǎn)生不利的影響。令人感到遺憾的是，對(duì)于無(wú)鉛化焊料合金來(lái)說(shuō)類(lèi)似的數(shù)據(jù)還沒(méi)有建立起來(lái)。SnCu0．7中的共熔合金SnCu己經(jīng)擁有的銅含量大大超出在SnPb焊接工藝過(guò)程中能夠容忍的范圍。
美國(guó)MetallicResourcesInc公司的技術(shù)人員通過(guò)有關(guān)設(shè)備來(lái)確定新穎的無(wú)鉛化合金與SnPb合金在銅集中方面是否有相互關(guān)聯(lián)。他們將形狀大小和重量完全相同的純銅段材在不同的溫度情況下面被放入到具有SnCuCo和SnPb共溶合金的實(shí)驗(yàn)池之中。實(shí)驗(yàn)池所選擇的溫度以模擬焊接操作溫度為目標(biāo)。銅片被浸入到流通的焊料池之中，時(shí)間為15min。在15min以后銅片被移出，然后從焊料池中取出樣品。焊料樣品利用發(fā)射分光光度計(jì)(EmissionSpectrophotometer)進(jìn)行分析，然后再放回入焊料池中。
數(shù)據(jù)顯示(表2)銅溶解的速度受到溫度和己有銅含量的共同作用。當(dāng)溫度增加的時(shí)候，溶解的速度也增加，當(dāng)銅的含量增加時(shí)，溶解的速率會(huì)降低。從兩種合金的數(shù)據(jù)中可以得出推薦的操作溫度(對(duì)于SnPb37為250℃，對(duì)于SnCuCo為265℃℃)，這是特別令人感興趣的。這兩種合金在它們所推薦的溫度點(diǎn)上標(biāo)繪出一根曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)它們符合對(duì)數(shù)回歸曲線(xiàn)的特性。
在SnPb37的曲線(xiàn)上顯示在0．1％銅含量下面溶解速率呈現(xiàn)快速上升的現(xiàn)象，而當(dāng)銅含量達(dá)到0．35％的時(shí)候形成平穩(wěn)的上升狀態(tài)，隨后當(dāng)銅含量達(dá)到0．40％時(shí)，它幾乎呈現(xiàn)出一恒定的速率。行業(yè)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)表明在這種銅聚集的周?chē)?，焊料的性能開(kāi)始發(fā)生惡化。當(dāng)焊料中的銅含量達(dá)到0．5％的時(shí)候，各種各樣不良的現(xiàn)象會(huì)發(fā)生。
通過(guò)從SnCuCo合金上面所獲取的數(shù)據(jù)認(rèn)識(shí)進(jìn)行推斷，當(dāng)焊料的操作溫度維持在265℃的時(shí)候，可以預(yù)計(jì)當(dāng)焊料中銅含量大約在0．85％的時(shí)候可以獲得令人滿(mǎn)意的效果，當(dāng)高于1．0％的時(shí)候性能會(huì)變壞。
一些其它值得注意的現(xiàn)象包括：對(duì)于初始銅含量大約為O．3％的未經(jīng)使用的SnCuCo，與銅含量為0的新啟用的SnPb37相比較，在經(jīng)歷各種溫度狀態(tài)下的研究后發(fā)現(xiàn)，銅溶解的速度顯得相當(dāng)?shù)穆?br /> [page]
5 銅厚度的減少
從現(xiàn)在的推測(cè)來(lái)看如果熱風(fēng)整平采用高錫無(wú)鉛化焊料并處在一個(gè)較高的操作溫度下面的時(shí)候，將會(huì)從PCB組件上去除大量的銅。為了決定哪些是需要特別關(guān)注的問(wèn)題，美國(guó)MetallicResourcesInc公司的技術(shù)人員通過(guò)熱風(fēng)整平技術(shù)對(duì)PCB組件開(kāi)展研究。從研究數(shù)據(jù)中可以看出，就從PCB組件上面移除銅來(lái)說(shuō)，在SnCuCo合金和SnPb37之間沒(méi)有什么差異。
在通過(guò)第一次的時(shí)候，無(wú)鉛化合金比起SnPb37焊料除去的銅要少。同樣，當(dāng)通過(guò)第二次的時(shí)候，僅有12．5％和10％被移除，在經(jīng)歷第三次的時(shí)候僅有25％和20％的銅被移除(表3)。
正如前文所談及的那樣，在實(shí)施PCB組件制造的時(shí)候，所采用熱風(fēng)整平工藝的比例從高達(dá)所有電路板中的80％減少到大約60％。隨著要求具有平坦一致的表面(共平面)的SMT技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展，這種減少現(xiàn)象還會(huì)同步的發(fā)生。傳統(tǒng)的SnPb熱風(fēng)整平工藝能夠提供具有令人滿(mǎn)意共面性的SMT電路板?，F(xiàn)在關(guān)注的是無(wú)鉛化中熱風(fēng)整平會(huì)產(chǎn)生什么問(wèn)題，經(jīng)無(wú)鉛化熱風(fēng)整平的電路板會(huì)更好還是更壞，或者與經(jīng)SnPb熱風(fēng)整平工藝處理的PCB組件是否具有相同的共平面效果?美國(guó)MetallicRe—sourcesInc公司的技術(shù)人員為此開(kāi)始了一次又一次的試驗(yàn)，結(jié)果表明SnCuCo比起傳統(tǒng)的SnPb共熔合金，會(huì)產(chǎn)生略簿一些、更趨共平面效果的涂覆。這些結(jié)果被反復(fù)地的進(jìn)行研究。表4顯示了從一臺(tái)水平放置的熱風(fēng)整平設(shè)備上實(shí)施這些試驗(yàn)的一些測(cè)試結(jié)果。
6 對(duì)表面涂覆的測(cè)試
針對(duì)電路板可以采用包括熱風(fēng)整平焊料涂覆在內(nèi)的許多不同的板表面涂覆技術(shù)。美國(guó)MetallicRe—sourcesInc公司的技術(shù)人員為了確定如何對(duì)SAC305和SnCuCo焊膏進(jìn)行潤(rùn)濕，開(kāi)展了費(fèi)用昂貴的測(cè)試工作，以求能夠在目前所有可以采取的表面涂覆技術(shù)中尋找到能滿(mǎn)足要求的電路板表面處理技術(shù)。將已知的每一種焊膏利用不同的板涂覆技術(shù)對(duì)試樣進(jìn)行涂覆，然后將它們放置在所推薦的操作溫度卜進(jìn)行再流焊接，其中對(duì)SAC305采用255，而對(duì)SnCuCo采用265℃。圖1顯示了SnPb37在水溶性和非水溶性焊膏中的潤(rùn)濕情況(Sn63WSPaste為水溶性焊膏、sn63NCPaste為免清洗焊膏)，這里采用了五種類(lèi)型的電路板表面處理方式。對(duì)于每一種板涂覆技術(shù)分別測(cè)試了10件樣品，最左邊的一列為熱風(fēng)整平涂覆，隨后為OSP、浸錫、浸銀和ENIG。測(cè)試結(jié)果顯示在水溶性和非水溶性焊膏兩種方式中浸銀會(huì)產(chǎn)生不良的潤(rùn)濕后果，隨后是ENIG和OSP。在浸錫(見(jiàn)第三列)的實(shí)例中，焊膏散布在銅表面下方，從而形成金屬間的晶?，F(xiàn)象。
圖2顯示了焊膏通過(guò)薄薄的浸錫層(因?yàn)樗谠倭骱附拥臏囟葪l件下面很容易發(fā)生溶化現(xiàn)象)進(jìn)入到銅表面形成散布現(xiàn)象的放大圖像，結(jié)果就形成了金屬間化合物，它將會(huì)導(dǎo)致不良的可焊性情況產(chǎn)生。參見(jiàn)圖1所示，熱風(fēng)整平樣品顯示出產(chǎn)生了比OSP、浸銀和ENIG更大的潤(rùn)濕面積。這種涂覆還不會(huì)擴(kuò)展到銅的下方。
圖3顯示了SAC305水溶性和非水溶性焊劑在同樣的電路板表面涂覆處理情況下所反映出來(lái)的潤(rùn)濕特性。同樣，浸銀處理后形成了最差的潤(rùn)濕效果，隨后是OSP、ENIG和浸錫。經(jīng)熱風(fēng)整平技術(shù)表面處理的樣品在兩種情況下都顯示出具有較大的潤(rùn)濕面積。[page]
圖4顯示了SnCuCo合會(huì)的潤(rùn)濕特性。它與存采用了各種涂覆方式的電路板上的SAC305具有非常相似的效果。這也就說(shuō)明SnCuCo至少與SAC305一樣，在電路板潤(rùn)濕方面具有相同的性能。
為了能夠進(jìn)一步方便地進(jìn)行比較，圖5顯示了SnCuCo和SAC305在所有五種電路板涂覆形式中的潤(rùn)濕特性。再一次，熱風(fēng)整平表面涂覆處理表現(xiàn)出最好的潤(rùn)濕效果，隨后是浸錫、ENIG、OSP和浸銀。
7對(duì)潤(rùn)濕測(cè)試的總結(jié)
美國(guó)MetallicResourcesInc公司的技術(shù)人員通過(guò)上述的測(cè)試工作做出了總結(jié)，指出不同涂覆所產(chǎn)生的效果：
ENIG——潤(rùn)濕效果不良。然而，標(biāo)準(zhǔn)的SnPb37焊膏能夠比SAC305和SnCuCo提供20％以上的擴(kuò)散效果。
浸銀——在所有的焊膏中均表現(xiàn)出不良的潤(rùn)濕效果。
OSP——對(duì)于具有鈷和SAC合金的材料表現(xiàn)出不良的潤(rùn)濕效果。標(biāo)準(zhǔn)的SnPb37顯示可以達(dá)到超出30％以上的良好潤(rùn)濕效果。
浸錫——標(biāo)準(zhǔn)的SnPb37趨向于通過(guò)完全去除掉非常簿的熔錫涂層而達(dá)到下面的銅層上面。有證據(jù)表明在涂層的外沿部分有金屬問(wèn)化合物的跡象。
熱風(fēng)整平——SnPb37顯示在涂層的邊沿沒(méi)有金屬間化合物的情況下具有良好的潤(rùn)濕表現(xiàn)。同樣也顯示與鈷和SAC合金相結(jié)合具有適度的潤(rùn)濕效果。
就整體而言，熱風(fēng)整平電路板表面涂覆處理可以達(dá)到最佳的潤(rùn)濕效果，它不會(huì)受到焊膏的影響。鉆的潤(rùn)濕效果與SAC一樣好。于是廉價(jià)的鈷成為SAC的良好替代品。焊膏趨向于通過(guò)薄薄的錫層進(jìn)入到銅巾進(jìn)行擴(kuò)散，從而引發(fā)銅的小瘤現(xiàn)象發(fā)生。浸銀表面處理方法在整塊電路板上展示出的潤(rùn)濕效果最差。ENIG和OSP與SnPb37焊膏結(jié)合的表現(xiàn)略好一點(diǎn)。
美國(guó)MetallicResourcesInc公司的技術(shù)人員通過(guò)對(duì)經(jīng)過(guò)不同表面涂覆處理的電路板進(jìn)行合金涂覆測(cè)試后的平均情況比較，發(fā)現(xiàn)無(wú)論采用什么樣的無(wú)鉛化合金，所有焊膏都能夠與經(jīng)過(guò)熱風(fēng)整平涂覆的電路板很好的適應(yīng)，展現(xiàn)了傳統(tǒng)的熱風(fēng)整平技術(shù)在無(wú)鉛化工藝中的廣泛應(yīng)用前景。
