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线路板装配中的无铅工艺应用原则模板.doc
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1、线路板装配中无铅工艺应用标准电子装配对无铅焊料基础要求 无铅焊接装配基础工艺包含:a. 无铅PCB制造工艺;b. 在焊锡膏中应用96.5Sn/3.5Ag和95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu共晶和近似共晶合金系统;c. 用于波峰焊应用99.3Sn/0.7Cu共晶合金系统;d. 用于手工焊接99.3Sn/0.7Cu合金系统。尽管这些全部是可行工艺,但具体实施起来还存在多个大问题,如原料成本仍然高于标准Sn/Pb工艺、对湿润度限制有所增加、要求在波峰焊工艺中保持惰性空气状态(要有足量氮气)和可能将回流焊温度升到极限温度范围(235245之间)而提升了对多种元件热性要求等等。 就无铅替换物而言,现在
2、并没有一套取得普遍认可规范,经过和该领域众多专业人士数次讨论,我们得出下面部分技术和应用要求: 1. 金属价格 很多装配厂商全部要求无铅合金价格不能高于63Sn/37Pb,但不幸是现有全部没有铅替换物成本全部比63Sn/37Pb高出最少35%以上。在选择无铅焊条和焊锡丝时,金属成本是其中最关键原因;而在制作焊锡膏时,因为技术成本在总体制造成本中所占百分比相对较高,所以对金属价格还不那么敏感。 2. 熔点 大多数装配厂家(不是全部)全部要求固相温度最小为150,方便满足电子设备工作温度要求,最高液相温度则视具体应用而定。 波峰焊用焊条:为了成功实施波峰焊,液相温度应低于炉温260。 手工/机器焊
3、接用焊锡丝:液相温度应低于烙铁头工作温度345。 焊锡膏:液相温度应低于回流焊温度250。对现有很多回流焊炉而言,该温度是实用温度极限值。很多工程师要求最高回流焊温度应低于225230,然而现在没有一个可行方案来满足这种要求。大家普遍认为合金回流焊温度越靠近220效果越好,能避免出现较高回流焊温度是最理想不过,因为这么能使元件受损程度降到最低,最大程度减小对特殊元件要求,同时还能将电路板变色和发生翘曲程度降到最低,并避免焊盘和导线过分氧化。 3. 导电性好 这是电子连接基础要求。 4. 导热性好 为了能散发烧能,合金必需含有快速传热能力。 5. 较小固液共存温度范围 非共晶合金会在介于液相温度
4、和固相温度之间某一温度范围内凝固,大多数冶金教授提议将此温度范围控制在10以内,方便形成良好焊点,降低缺点。假如合金凝固温度范围较宽,则有可能会发生焊点开裂,使设备过早损坏。 6. 低毒性 合金及其成份必需无毒,所以此项要求将镉、铊和汞排除在考虑范围之外;有些人也要求不能采取有毒物质所提炼副产品,所以又将铋排除在外,因为铋关键起源于铅提炼副产品。 7. 含有良好可焊性 在现有设备和免清洗型助焊剂条件下该合金应含有充足润湿度,能够和常规免清洗焊剂一起使用。因为对波峰进行惰性处理成本不太高,所以能够接收波峰焊加惰性环境使用条件要求;但就SMT回流焊而言,合金最好要含有在空气下进行回流焊能力,因为对
5、回流焊炉进行惰性处理成本较高。 8. 良好物理特征(强度、拉伸度、疲惫度等) 合金必需能够提供63Sn/37Pb所能达成机械强度和可靠性,而且不会在通孔器件上出现突起角焊缝(尤其是对固液共存温度范围较大合金)。 9. 生产可反复性/熔点一致性 电子装配工艺是一个大批量制造工艺,要求其反复性和一致性全部保持较高水平,假如一些合金成份不能在大批量条件下反复制造,或其熔点在批量生产时因为成份改变而发生较大改变,便不能给考虑。3种以上成份组成合金往往会发生分离或成份改变,使得熔点不能保持稳定,合金复杂程度越高,其发生改变可能性就越大。 10. 焊点外观 焊点外观应和锡/铅焊料靠近,即使这并非技术性要求
6、,但却是接收和实施替换方案实际需要。 11. 供货能力 当试图为业界找出某种处理方案时,一定要考虑材料是否有充足供货能力。从技术角度而言,铟是一个相当尤其材料,不过假如考虑全球范围内铟供货能力,大家很快就会将它根本排除在考虑范围之外。 另外业界可能更青睐标准合金系统而不愿选专用系统,标准合金获取渠道比较宽,这么价格会比较有竞争性,而专用合金供给渠道则可能受到限制,所以材料价格会大幅提升。 12. 和铅兼容性 因为短期之内不会立即全方面转型为无铅系统,所以铅可能仍会用在一些元件端子或印刷电路板焊盘上。有些含铅合金熔点很低,会降低连接强度,如某种铋/锡/铅合金熔点只有96,使得焊接强度大为降低。
7、金属及合金选择 在多种候选无铅合金中,锡(Sn)全部被用作基底金属,因为它成本很低,货源充足,并含有理想物理特征,如导电/导热性和润湿性,同时它也是63Sn/37Pb合金基底金属。通常和锡配合使用其它金属包含银(Ag)、铟(In)、锌(Zn)、锑(Sb)、铜(Cu)和铋(Bi)。 之所以选择这些材料是因为它们和锡组成合金时通常会降低熔点,得到理想机械、电气和热性能。表1列出了多种金属成本、密度、年生产能力和供货方面情况,另外在考察材料供货能力时,将用量原因加在一起作综合考虑得出结果会愈加清楚,比如现在电子业界每十二个月63Sn/37Pb消耗量在4.5万吨左右,其中北美地域用量约为1.6万吨,此
8、时只要北美有3%装配工厂采取含铟20%锡/铟无铅合金,其铟消耗量就将超出该金属全球生产能力。 近5年来业界推出了一系列合金成份提议,幷且对这些无铅替换方案进行了评定。备选方案总数超出75个,不过关键方案则能够归纳为不到15个。面对全部候选合金,我们采取部分技术规范将选择缩到一个较小范围内便于进行挑选。 铟 铟可能是降低锡合金熔点最有效成份,同时它还含有很良好物理和润湿性质,不过铟很稀有,所以大规模应用太过昂贵。基于这些原因,含铟合金将被排除在深入考虑范围之外。即使铟合金可能在一些特定场所是一个比很好选择,但就整个业界范围而言则不太适宜,另外差分扫描热量测定也显示77.2Sn/20In/2.8A
9、g合金熔点很低,只有114,所以也不太适合一些应用。 锌 锌很廉价,几乎和铅价格相同,而且随时能够得到,同时它在降低锡合金熔点方面也含有很高效率。就锌而言,其关键缺点在于它会和氧气快速发生反应,形成稳定氧化物,在波峰焊过程中,这种反应结果是产生大量锡渣,而更严重是所形成稳定氧化物将造成润湿性变得很差。可能经过惰性化或特种焊剂配方能够克服这些技术障碍,但现在大家要求在更大工艺范围内对含锌方案进行论证,所以锌合金在以后考虑过程中也会被排除在外。 铋 铋在降低锡合金固相温度方面作用比较显著,但对液相温度却没有这么效果,所以可能会造成较大固液共存温度范围,而凝固温度范围太大将造成焊脚提升。铋含有很好润
10、湿性质和很好物理性质,但铋关键问题是锡/铋合金碰到铅以后其形成合金熔点会比较低,而在元件引脚或印刷电路板焊盘上全部会有铅存在,锡/铅/铋熔点只有96,很轻易造成焊点断裂。另外铋供货能力可能会因铅产量受到限制而下降,因为现在铋关键还是从铅副产品中提炼出来,假如限制使用铅,则铋产量将会大大降低。尽管我们也能经过直接开采获取铋,但这么成本会比较高。基于这些原因,铋合金也被排除在外。 四种和五种成份合金 由四种或五种金属组成合金为我们提供了一系列合金成份组合形式,多种可能性不胜枚举。和双金属合金系统相比,大多数四或五金属合金能够大幅降低固相温度,但对降低液相温度却可能无所作为,因为大部分四或五金属合金
11、全部不是共晶材料,这意味着在不一样温度下会形成不一样金相形式,其结果就是回流焊温度不可能比简单双金属系统所需低。 另外一个问题是合金成份时常会发生变动,所以熔点也会变,这在四或五金属合金中会常常碰到。由三种金属组成合金极难在焊锡膏内锡粉中实现“同批”和“逐批”一致,在四种和五种金属组成合金中实现一样一致性其复杂和困难程度更大。 所以多元合金将被排除在深入考虑范围之外,除非某种多元合金成份含有比二元系统愈加好特征。但就现在来看,业界还没有找到哪种四或五金属合金比二元或三元替换方案愈加好(不管在成本上还是性能上)。 表2列出部分关键无铅替换方案,和最终选择或不选择原因,表中包含了单位重量价格、单位
12、体积价格(对焊锡膏而言单位体积价格更具成本意义)和熔点等信息,这些合金根据其液相温度递增次序排列。现依据每种焊接应用特殊要求分别选出适宜合金。 先考虑焊条(波峰焊)和焊线(手工和机器焊接)。 对波峰焊用焊条要求包含:a. 能在最高260锡炉温度下进行连续焊接;b. 焊接缺点(漏焊、桥接等)少;c. 成本尽可能低;d. 不会产生过多焊渣。 结果全部选中合金全部符合波峰焊要求,但99.3Sn/0.7Cu和95Sn/5Sb合金和其它替换方案相比能够节省更多成本。比较而言,99.3Sn/0.7Cu液相温度比Sn/Sb合金低13,所以99.3Sn/0.7Cu成为波峰焊最好候选方案。 手工焊用锡线要求和上
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