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有鉛和無鉛混合組裝的工藝可靠性

http://www.b2b.hc360.com 中國金屬加工網 信息來源:Author發布時間:2019年06月14日瀏覽:643

一、概述

21世紀初,當時一些通信用終端產品(如手機等),由于國際市場的需要,率先要實現產品的無鉛化,一時給元器件、PCB等廠商帶來了產品必須迅速更新換代的巨大沖擊。當時由于元器件無鉛化的滯后,系統組裝企業曾經由于部分無鉛元器件無貨源,而只能短時用有鉛元器件來替代。這就是無鉛化早期出現過的無鉛釬料焊接有鉛元器件的向前兼容現象。然而時過幾年后,元器件等的無鉛化取得了突飛猛進的發展,全面滿足了終端產品的生產需要。由于綠色無鉛化是元器件等行業發展的大趨勢,對元器件生產廠商來說,原有的有鉛生產線,大部分都是一步到位地改造成無鉛生產線了,市場上無鉛元器件正迅速取代有鉛元器件。這又導致了市場尚無無鉛化要求的許多有鉛產品(如通信類產品中的系統產品),因購不到有鉛元器件而不得不選用無鉛元器件替用,這就又出現了用有鉛釬料焊接無鉛元器件引腳的向后兼容的狀態,如表1所示。

表1

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由于產品生產成本的巨大壓力,在目前市場尚無無鉛化要求的情況下,幾乎絕大部分的企業,在各自的產品生產中均不得不采取了這種向后兼容的混合生產方式。市場的需求導致了這種混合生產工藝方式僅在幾年的時間便演變成電子業界產品生產的主流工藝。

二、有鉛向無鉛技術轉變的過渡時期

由有鉛制造向無鉛制造轉變不可能一蹴而就。因此,電子產品組裝生產線在一個較長的時間內,都可能是使用無鉛元器件和有鉛釬料進行組裝焊接的混合組裝階段,即有鉛(SnPb)釬料和無鉛(SAC)釬料共同存在于同一塊PCBA上。表1列舉的第一個可能的無鉛組裝PCBA是向前端兼容。在改變了焊膏成分和相應的再流曲線之后,前端兼容組裝的BGA等器件,在焊到PCBA上時使用了無鉛焊膏,這就造成BGA類器件的SnPb釬料球被無鉛焊膏中的Ag、Cu等替代金屬所污染。表1列舉的第二個可能的無鉛組裝PCBA是向后端兼容。后端兼容方案的提出是在器件供應商引入無鉛器件之后,但不是所有使用這些器件組裝PCBA的生產商都能將他們的生產線轉變為無鉛生產線。出于節約生產成本因素,這些PCBA組裝生產商仍將使用普遍存在的有SnPb焊膏和SnPb再流焊接曲線來焊接無鉛器件。這樣混裝形成的焊點又會對無鉛BGA類器件的釬料球造成Pb污染。

三、有鉛與無鉛混合組裝的相容性

1.組合類型1)SAC釬料球與SnPb焊膏組合(向后兼容)SAC釬料球與SnPb焊膏(見圖1)工藝相容性存在的問題,主要是SnPb焊膏在再流過程中,當使用SnPb焊膏和普通溫度曲線時,因再流峰值溫度為205~220℃,當SAC釬料球合金不能完全熔化時,可能會產生下面的幾種后果:(1)自校正作用減弱或沒有自對準作用產生,它可能產生局部開路的焊點,這對精細間距引腳器件尤為重要。(2)釬料球坍塌不夠,器件共面性的問題更趨嚴重。它可能產生局部開路的焊點。(3)釬料球沒有發生熔塌,兩種合金極少混合,焊點顯微結構不均勻,可能產生內應力。SAC釬料球與SnPb焊膏混用時,當再流峰值溫度高于225℃(如232℃)時,此時,SAC釬料球完全熔化。與使用SnPb釬料球/SnPb焊膏組合相比,其可靠性并不下降。

圖1 SAC釬料球與SnPb焊膏

2)SnPb釬料球與SAC焊膏組合(向前兼容)SnPb釬料球與SAC焊膏混用時,有鉛釬料球先熔化,覆蓋在焊盤與元器件焊端上面,助焊劑揮發物不易完全排出,易發生空洞,如圖2所示。

圖2 排氣不暢形成空洞

Jessen研究了焊膏材料與PBGA、CSP引腳釬料球材料對再流焊接后空洞的影響程度,按下述不同組合而遞減:SnPb球/SAC焊膏>SAC球/SAC焊膏>SnPb球/SnPb焊膏Jessen還以下述模型(見圖3、圖4)對上述現象作了解釋。

圖3 熔點:合金A>合金B

圖4熔點:合金A<合金B

當釬料球的熔化溫度高于焊膏的熔化溫度時,不會有助焊劑揮發氣體滲透進釬料球中形成空洞,如圖3所示。但是,如果釬料球的熔化溫度低于焊膏的熔化溫度,如圖4所示,則一旦釬料球達到熔化溫度,助焊劑中產生大量的揮發氣體將進入熔化的釬料球釬料中,形成非常明顯的空洞。這個空洞形成過程將一直持續下去,直到焊膏釬料熔化后與釬料球釬料結合。而結合后才會導致助焊劑揮發物從熔化釬料內部被驅趕出來,空洞形成過程就會由于缺少揮發物質而慢慢地平息下來。2.組合的相容性從上述模型中可以看出,只有當球的熔點不低于焊膏的熔點時,混合應用才是可以接受的,否則就將導致不可接受的空洞。BGA、CSP等面陣列芯片的有鉛、無鉛混合組裝類型的相容性如圖5~圖8所示。

圖5 SnPb球/SnPb焊膏(純有鉛)

圖6 SAC球/SnPb焊膏(向后兼容)

圖7 SAC球/SAC焊膏(純無鉛)

圖8 SnPb球/SAC焊膏(向前兼容)

圖5和圖7分別示出了純有鉛和純無鉛再流焊接后的焊點切片圖像,從金相切片分析可見,這兩種焊點質量都比較好,而全面評估似乎圖7比圖5更優秀些。圖8所反映的組合再流焊后的焊點質量最差。就混合組裝工藝而言,目前電子業界應用最為廣泛的是:SAC釬料球、Sn37Pb焊膏這一向后兼容的組合。

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