PCB组装中的无铅焊返工
时间：2016-09-22 11:06:10双智利官网浏览次数：2106
返工是无铅PCB组装的批量生产工艺中的一个重要组成部分,在最初的供应链上的每个环节都在经历学习曲线的转换期,情形尤其如此,由于需要保修,事实上在产品的整个生命周期内都存在着返工的问题。
人们发现，无铅焊料台金通常不象Sn／Pb焊料那样易于润湿和芯吸，因此无铅焊的返工是较困难的，其在QFP中的应用就是一个明显的例子。不过，尽管存在着这些差异，成功的针对无铅焊料(Sn／ Ag／Cu或Sn／Ag)的返工方法(手工的及半自动的)还是得到开发并发展起来，通过使用焊剂凝胶、笔式焊剂和芯吸焊料等，可应用于如分立元件、面阵列封装等各种类型的元件。大多数用于Sn／Pb的返工设备仍可适用于无铅焊中。当然必须对焊接参数加以调节，以便适用于无铅焊料的较高熔融温度和较低的可润湿性。Sn／Pb返工中采用的其它预防措施(如必要时的板子烘干)也适用于无铅焊的返工。研究表明，采用适当的返工工艺，可以形成具有适当的粒子结构金属间化合物的可靠的无铅焊点。
特别要注意减少返工工艺对焊点、元件和PCB带来负面影响的可能性。由于焊接温度的上升，层压材料、玻璃纤维和Cu之间的Z轴热膨胀系数(CTE)不匹配，给Cu层返工温度曲线、Cu布局和导通孔的几何形状(如孔径比)等。要确定在什么样的条件下层压材料(如高的Tg、低的CTE)能够满足无铅焊的要求而替代传统的FR4，还需要艰苦的研究和工作。这并不是说较低成本的材料(如CEM、FR2等)不能够用于无铅焊接中。事实上，在批量生产中这类解决方案获得了应用，具体情形需要对每个案例逐一分析。另外，返工对焊盘和掩膜粘性的影响，也需要进行认真地评估。
同样，返工对元件可靠性的影响也必须加以认真地研究探讨。可能会发生翘曲和脱层等问题。最近发布的IPC一020B标准明确提出，返工是无铅焊接中较高温度元件额定值的考虑重点之一。
另一个需要加以考虑的问题是电化学的可靠性。当焊剂残余物溶解于板子上的湿气冷凝时，在电偏置下面的导体踪迹之间会产生电化学反应，从而导致表面绝缘电阻(SIR)下降。如果产生电迁移和枝状生长的话，由于导体踪迹之间形成"短路"，就可能引起更为严重的故障。电化学的可靠性受免清洗应用中焊剂残余物抵抗电迁移和枝状生长的性决定.因此,必须实施以IPC(按照TM-650 2.6 3.3)或Telecordia测试为基础的SIR测试，以确保返工使用的焊剂和再流焊剂/波峰焊剂及返工焊剂之间的任意反应物，不会给免清洗应用带来电适移和枝状生长的风险。
"元件混合"的问题需要加以特别的关注，尤其是在向无铅焊接过渡的转换期。关于无铅焊接中铅对长期可靠性的影响的初步研究表明，焊点中铅的含量不同．当铅的含量在中间值范围时，影响最大，因为在持续凝固的枝蔓间锡晶粒间界中形成了偏析相(如粗糙的铅粒子)，在这个位置上可能出现裂缝，并在周期负荷下蔓延。例如，研究显示，2～5％的含铅量就会给无铅焊料的疲劳寿命带来不利的影响，不过可能不会比 Sn／Pb焊料的效果差。因此，如果使用无铅焊返修含铅的板子的话，从焊料的角度而言，无铅焊料和Sn／Pb焊料混合到一起的可靠性可能不会比Sn／Pb焊料更差。然而，温度对元件的影响(特别是塑封元件)是一个值得关注的问题。另一方面．用Sn／Pb焊料返修无铅焊的板子形成的焊点的可靠性，不如其它板子上的无铅焊点的可靠性高。
就材料供应而言，在过渡期应将用于无铅焊接的焊烙铁和焊接材料(芯式焊料、焊剂凝胶等)标记清楚，这一点非常关键。必须对操作人员进行无铅返工工艺和检验的培训。因为大量返工和高昂的材料成本会对总成本产生直接的影响。
人们发现，无铅焊料台金通常不象Sn／Pb焊料那样易于润湿和芯吸，因此无铅焊的返工是较困难的，其在QFP中的应用就是一个明显的例子。不过，尽管存在着这些差异，成功的针对无铅焊料(Sn／ Ag／Cu或Sn／Ag)的返工方法(手工的及半自动的)还是得到开发并发展起来，通过使用焊剂凝胶、笔式焊剂和芯吸焊料等，可应用于如分立元件、面阵列封装等各种类型的元件。大多数用于Sn／Pb的返工设备仍可适用于无铅焊中。当然必须对焊接参数加以调节，以便适用于无铅焊料的较高熔融温度和较低的可润湿性。Sn／Pb返工中采用的其它预防措施(如必要时的板子烘干)也适用于无铅焊的返工。研究表明，采用适当的返工工艺，可以形成具有适当的粒子结构金属间化合物的可靠的无铅焊点。
特别要注意减少返工工艺对焊点、元件和PCB带来负面影响的可能性。由于焊接温度的上升，层压材料、玻璃纤维和Cu之间的Z轴热膨胀系数(CTE)不匹配，给Cu层返工温度曲线、Cu布局和导通孔的几何形状(如孔径比)等。要确定在什么样的条件下层压材料(如高的Tg、低的CTE)能够满足无铅焊的要求而替代传统的FR4，还需要艰苦的研究和工作。这并不是说较低成本的材料(如CEM、FR2等)不能够用于无铅焊接中。事实上，在批量生产中这类解决方案获得了应用，具体情形需要对每个案例逐一分析。另外，返工对焊盘和掩膜粘性的影响，也需要进行认真地评估。
同样，返工对元件可靠性的影响也必须加以认真地研究探讨。可能会发生翘曲和脱层等问题。最近发布的IPC一020B标准明确提出，返工是无铅焊接中较高温度元件额定值的考虑重点之一。
另一个需要加以考虑的问题是电化学的可靠性。当焊剂残余物溶解于板子上的湿气冷凝时，在电偏置下面的导体踪迹之间会产生电化学反应，从而导致表面绝缘电阻(SIR)下降。如果产生电迁移和枝状生长的话，由于导体踪迹之间形成"短路"，就可能引起更为严重的故障。电化学的可靠性受免清洗应用中焊剂残余物抵抗电迁移和枝状生长的性决定.因此,必须实施以IPC(按照TM-650 2.6 3.3)或Telecordia测试为基础的SIR测试，以确保返工使用的焊剂和再流焊剂/波峰焊剂及返工焊剂之间的任意反应物，不会给免清洗应用带来电适移和枝状生长的风险。
"元件混合"的问题需要加以特别的关注，尤其是在向无铅焊接过渡的转换期。关于无铅焊接中铅对长期可靠性的影响的初步研究表明，焊点中铅的含量不同．当铅的含量在中间值范围时，影响最大，因为在持续凝固的枝蔓间锡晶粒间界中形成了偏析相(如粗糙的铅粒子)，在这个位置上可能出现裂缝，并在周期负荷下蔓延。例如，研究显示，2～5％的含铅量就会给无铅焊料的疲劳寿命带来不利的影响，不过可能不会比 Sn／Pb焊料的效果差。因此，如果使用无铅焊返修含铅的板子的话，从焊料的角度而言，无铅焊料和Sn／Pb焊料混合到一起的可靠性可能不会比Sn／Pb焊料更差。然而，温度对元件的影响(特别是塑封元件)是一个值得关注的问题。另一方面．用Sn／Pb焊料返修无铅焊的板子形成的焊点的可靠性，不如其它板子上的无铅焊点的可靠性高。
就材料供应而言，在过渡期应将用于无铅焊接的焊烙铁和焊接材料(芯式焊料、焊剂凝胶等)标记清楚，这一点非常关键。必须对操作人员进行无铅返工工艺和检验的培训。因为大量返工和高昂的材料成本会对总成本产生直接的影响。
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