SMT用(yòng)印制闆與無鉛焊接

　　一、 前言   

　　      微電子技術的(de)飛(fēi)速發展和(hé)電子産品小型化(huà)、輕量化(huà)及高(gāo)可(kě)靠的(de)要求，使表面貼裝元器件在電子産品中的(de)應用(yòng)日益廣泛，表面安裝技術因此也(yě)成爲電子裝聯工藝的(de)主流。作爲表面貼裝元器件的(de)安裝、連結和(hé)支撐的(de)載體――SMT用(yòng)印制闆也(yě)有了(le)相應的(de)發展和(hé)進步，對(duì)表面安裝元器件與印制闆焊接連接用(yòng)的(de)焊料，也(yě)逐步由傳統的(de)錫鉛合金焊料逐步向無鉛焊料過渡。   

　　      傳統的(de)Sn63/Pb37共晶焊料，由于其電氣、機械性能和(hé)工藝性能優良，成本低廉，在電子裝聯中的(de)應用(yòng)已經有近百年的(de)曆史，在SMT印制闆及其焊接中的(de)應用(yòng)也(yě)有多(duō)年的(de)經驗，技術相對(duì)也(yě)比較成熟。但是，焊料中的(de)鉛元素危害人(rén)類的(de)健康，對(duì)環境會造成很大(dà)的(de)污染。随著(zhe)科學技術的(de)進步，人(rén)們對(duì)環境保護意識的(de)增強，限制使用(yòng)鉛等有害物(wù)質的(de)呼聲日益強烈，爲此歐盟對(duì)在電氣電子産品中限制使用(yòng)某些物(wù)質進行了(le)立法，頒布了(le)“WEEE” 和(hé)“ROHS”兩項指令，按ROHS指令的(de)規定：從2006年7月(yuè)1日起，投放歐洲市場(chǎng)的(de)電子産品不允許含有Pb 、Hg、Cd、六價Cr和(hé)PBB（多(duō)溴聯苯）、PBDE（多(duō)溴聯苯醚）等有害物(wù)質。我國由信息産業部、外貿部和(hé)技術質量監督局等七部委聯合制定了(le)《電子信息産品污染控制管理(lǐ)辦法》現已頒布，主要目的(de)是爲了(le)控制ROHS指令中規定的(de)鉛、汞等六種有害物(wù)質在電子信息産品中的(de)應用(yòng)（其中軟件、出口産品和(hé)軍工産品除外），該規定從2007年3月(yuè)1日開始實施。這(zhè)意味著(zhe)今後進入中國市場(chǎng)的(de)電子信息産品也(yě)必須是不含鉛、汞等有害物(wù)質。所以在SMT印制闆上采用(yòng)無鉛的(de)塗鍍層和(hé)采用(yòng)無鉛的(de)焊接技術是勢在必行。   

　　      無鉛焊接所用(yòng)的(de)焊料和(hé)印制闆的(de)焊盤塗鍍層都需要無鉛，無鉛焊料一般要比傳統的(de)錫鉛合金焊料的(de)熔點和(hé)焊接溫度要高(gāo)出幾十攝氏度以上，對(duì)SMT印制闆的(de)熱(rè)沖擊應力較大(dà)，并且對(duì)SMT印制闆焊盤塗鍍層的(de)潤濕能力也(yě)比傳統的(de)錫鉛合金焊料差，如何保證焊接的(de)質量和(hé)産品的(de)可(kě)靠性是業界所普遍關注的(de)問題。所以無鉛焊接不僅僅是焊接材料的(de)簡單更換，它涉及到焊接材料、焊接工藝、設備，印制闆基材、表面塗鍍層等相關工藝匹配，以及相關标準和(hé)驗收的(de)問題。   

　　      爲了(le)應對(duì)無鉛焊接的(de)要求，歐美(měi)和(hé)日本等發達國家，早已在無鉛焊接的(de)材料、印制闆的(de)無鉛制程和(hé)基材的(de)更新以及相關标準方面，做(zuò)了(le)大(dà)量的(de)工作和(hé)研究，并且開發出許多(duō)新的(de)材料和(hé)産品。我國在這(zhè)方面工作雖然起步較晚，但是有歐美(měi)等國的(de)經驗借鑒，發展也(yě)比較快(kuài)，然而無鉛焊接與傳統的(de)有鉛焊接還(hái)有許多(duō)不同的(de)特點和(hé)要求，實踐經驗和(hé)技術相對(duì)于有鉛焊接尚不成熟，對(duì)于焊接材料、印制闆與無鉛焊接的(de)匹配以及焊接質量和(hé)驗收标準等方面，有許多(duō)工作需要進一步探討(tǎo)和(hé)研究，本文将根據自己的(de)實踐和(hé)相關資料的(de)體會，淺談SMT印制闆的(de)表面塗鍍層與無鉛焊接的(de)關系。   

　　二、無鉛焊接對(duì)SMT印制闆的(de)特殊要求   

　　      無鉛焊接的(de)核心問題是焊接的(de)材料和(hé)被焊接的(de)元器件端子與印制闆的(de)焊盤塗鍍層上不含鉛，以及SMT印制闆與無鉛焊接工藝的(de)匹配問題。用(yòng)于無鉛焊接的(de)SMT印制闆的(de)特殊要求是由無鉛焊料的(de)特性确定的(de)，所以首先需要了(le)解無鉛焊料的(de)特點，才能更好地提出對(duì)适合無鉛焊接的(de)印制闆的(de)要求。   

　　（一）無鉛焊料的(de)特點   

　　      無鉛焊料是指在焊料中不人(rén)爲的(de)添加鉛元素，焊料合金中鉛的(de)自然含量小于0.1％wt,并且不含ROHS指令中規定的(de)其它有害元素。無鉛焊料合金一般爲含Sn 、Ag、 Cu、 Zn、Bi、 In、Sb 等元素的(de)二元、三元或多(duō)元合金，在諸多(duō)無鉛焊料合金中，根據其各項性能和(hé)成本考慮，在SMT印制闆的(de)焊接中，目前廣泛采用(yòng)的(de)是Sn 95.8/Ag3.5/ Cu0.7的(de)三元共晶合金 及Sn 96.5/Ag3.0/ Cu0.5的(de)三元近共晶合金（日本），含Ag3.0的(de)合金價格較便宜，是目前應用(yòng)于無鉛再流焊接中最多(duō)的(de)焊料，該焊料與傳統的(de)錫鉛合金焊料相比其特點是：   

　　1. 該類焊料的(de)熔點高(gāo)，一般爲216～220℃，因爲合金各成分(fēn)比例的(de)不同，其熔點不同，含銀量爲3.5％的(de)Sn－Ag－Cu共晶焊料其熔點爲217℃，比傳統的(de)Sn-Pb合金焊料高(gāo)出34℃，在SMT印制闆上的(de)焊接溫度也(yě)要相應地提高(gāo)30多(duō)攝氏度。   

　　2.無鉛焊料的(de)表面張力較大(dà)，對(duì)印制闆塗鍍層表面的(de)潤濕性也(yě)比Sn-Pb合金焊料差，對(duì)印制闆焊盤的(de)可(kě)焊性要求高(gāo)。

 

　　3.無鉛焊料的(de)焊接工藝窗(chuāng)口小，工藝控制難度大(dà)。因爲無鉛焊料的(de)熔點高(gāo)在焊接中能形成可(kě)靠焊點所需要的(de)焊接溫度也(yě)要升高(gāo)，從焊接溫度到印制闆所能承受的(de)溫度極限值的(de)範圍變小；無鉛焊料的(de)共晶特性不如錫鉛合金焊料，印制闆橫向的(de)溫差對(duì)焊接質量影(yǐng)響很大(dà)，需要提高(gāo)溫度控制精度和(hé)加熱(rè)溫度的(de)均勻性，因而工藝控制的(de)難度加大(dà)。  

　　4.無鉛焊料中含有銀或其它稀貴金屬，焊料成本高(gāo)。

　　（二）無鉛焊接用(yòng)SMT印制闆的(de)特殊要求  

　　由于無鉛焊料有以上特點，對(duì)SMT用(yòng)印制闆的(de)要求也(yě)就不同于有鉛焊接，尤其是對(duì)印制闆的(de)基材和(hé)表面塗鍍層有更爲嚴酷的(de)要求，具體體現在以下(xià)方面：  

　　1. 無鉛焊料的(de)熔點高(gāo)，波峰焊接溫度高(gāo)，再流焊的(de)溫度曲線不同于有鉛焊料，印制闆通(tōng)過再流爐焊接的(de)溫度高(gāo)、時(shí)間長(cháng)，爲防止焊接過程中印制闆受熱(rè)産生起泡、分(fēn)層、變色或金屬化(huà)孔壁斷裂而損壞，對(duì)印制闆基材的(de)耐熱(rè)性和(hé)熱(rè)穩定性有更高(gāo)的(de)要求。  

　　2. 印制闆表面的(de)塗鍍層應無鉛、表面平整，有良好的(de)可(kě)焊性，能與焊料形成可(kě)靠地焊點，并且能經受焊接的(de)高(gāo)溫而不被氧化(huà)，必要時(shí)需經受重複焊接仍能保持可(kě)焊。傳統的(de)Sn-Pb合金鍍層和(hé)有鉛焊料的(de)HASL塗層已不能應用(yòng)。  

　　3. SMT印制闆應平整，闆的(de)翹曲度小，一般翹曲度≤0.75%,并且在焊接的(de)高(gāo)溫下(xià)印制闆也(yě)不允許彎曲變形。翹曲會影(yǐng)響表面貼裝元器件與闆的(de)共平面性，降低焊接的(de)可(kě)靠性。  

　　引起印制闆翹曲是多(duō)因素的(de)綜合影(yǐng)響，有印制闆基材方面、印制闆加工的(de)工藝控制問題、印制闆設計時(shí)布線的(de)均勻程度和(hé)熱(rè)設計問題，以及焊接工藝的(de)控制等方面的(de)原因。根本原因是印制闆基材中的(de)銅箔、樹脂和(hé)增強材料的(de)熱(rè)膨脹系數的(de)差異，在高(gāo)溫下(xià)熱(rè)膨脹的(de)影(yǐng)響将更爲明(míng)顯，如果将上述影(yǐng)響因素控制得(de)好，會使印制闆的(de)翹曲降到可(kě)以接受的(de)程度。  

　　4. 印制闆的(de)基材應有較低的(de)吸濕率和(hé)較好的(de)耐離子遷移性能（CAF）。SMT印制闆的(de)元器件安裝密度越來(lái)越高(gāo)，印制導線的(de)間距越來(lái)越小，導線之間的(de)絕緣電阻是印制闆重要的(de)電氣性能，離子遷移（CAF）會引起在印制闆組裝件使用(yòng)時(shí)絕緣電阻下(xià)降，如果基材的(de)吸濕率大(dà)，會加劇CAF現象的(de)形成，在潮濕的(de)條件下(xià)，焊接的(de)高(gāo)溫還(hái)容易引起印制闆産生白斑或分(fēn)層，使絕緣電阻下(xià)降。焊接的(de)高(gāo)溫能引起印制闆表面樹脂的(de)揮發，如果樹脂的(de)揮發量大(dà)，印制闆的(de)表面粗糙容易吸濕，會加速CAF現象的(de)産生，所以無鉛焊接需要選擇耐離子遷移性能好的(de)基材。  

　　5. SMT印制闆在滿足無鉛要求的(de)同時(shí)，還(hái)應不含PBB/PBDE類有鹵素的(de)阻燃劑材料，無鹵素雖然與無鉛焊接沒有直接關系，但是都是在ROHS“指令”和(hé)“規定”中同時(shí)限制使用(yòng)的(de)有害物(wù)質，在采用(yòng)無鉛焊接的(de)同時(shí)也(yě)必須考慮印制闆的(de)基材中無鹵素的(de)問題。并且無鹵素基材的(de)耐熱(rè)性一般高(gāo)于有鹵素的(de)基材，所以更适合于SMT印制闆。  

　　在現有的(de)FR-4型的(de)印制闆基材中采用(yòng)的(de)阻燃劑不是“指令”中明(míng)文限制使用(yòng)的(de)PBB和(hé) PBDE，它是采用(yòng)四溴雙酚A（TBBA）作阻燃劑，屬于反應型阻燃劑，在環氧樹脂中參與化(huà)學反應，不具有生物(wù)降解的(de)可(kě)能性，許多(duō)研究表明(míng)它對(duì)于人(rén)類和(hé)環境的(de)危害要小于PBB和(hé) PBDE危害的(de)十倍以上，在沒有性價比更好的(de)無鹵素阻燃劑的(de)情況下(xià)仍可(kě)以使用(yòng)，這(zhè)也(yě)是目前仍在采用(yòng)FR-4型的(de)印制闆基材的(de)原因。盡管毒性很低，但是它終究是含有鹵素，是有一定毒性的(de)，将逐漸被性價比更好的(de)無鹵素型印制闆基材所代替。可(kě)以替代鹵素的(de)阻燃劑有磷（P）、氮（N）、無機氫氧化(huà)物(wù)（如水(shuǐ)合氧化(huà)鋁、氫氧化(huà)鎂）等，目前采用(yòng)較多(duō)的(de)無鹵素阻燃劑有含P、含N或兩者組合，但是這(zhè)類阻燃劑也(yě)有一定的(de)不足，含P的(de)樹脂基材中的(de)有機磷也(yě)有毒性，所以最環保型的(de)阻燃劑應是不含鹵素和(hé)磷。目前市場(chǎng)已開發出這(zhè)一類的(de)無鹵素印制闆基材，如蘇州生益公司的(de)S1155/S1156等闆材，随著(zhe)技術的(de)進步将會有更多(duō)無鹵素的(de)印制闆基材進入市場(chǎng)。