表面安装技术
考虑到环境和健康因素，欧盟已于2008年通过立法停止使用含铅焊料，美国和日本也在积极考虑通过立法减少和禁止使用铅等有害元素。铅的毒害目前，全球电子工业使用的焊料每年消耗约20000吨铅，约占世界铅年产量的5%。铅和铅化合物已被美国环境保护署(EPA)列为对人体和环境危害最大的65，438+07种化学品之一。目前无铅焊料常用的含铅合金焊料粉有Sn-Pb、Sn-Pb-Ag、Sn-Pb-Bi等。常用的合金成分有63%Sn/37%Pb和62%Sn/36%Pb/2%Ag。不同的合金比例有不同的熔化温度。对于标准Sn63和Sn62焊料合金，回流温度曲线的峰值温度在203和230度之间。然而，大多数无铅焊膏的熔点比Sn63合金高30到45度。因此，无铅钎料的基本要求目前国际公认为:添加Ag、Cu、Sb、In等其他合金元素的Sn基软钎料合金，Pb的质量分数在0.2%以下。无铅焊料并不是什么新技术，但如今的无铅焊料研究都是为了寻找一种年消耗量在5 ~ 6万吨的Sn-Pb焊料的替代品。因此，替代合金应满足以下要求:
(1)其全球储备足以满足市场需求。有些元素，如铟、铋，储量较小，只能作为无铅焊料中的微量添加剂；
(2)无毒。一些替代元素，如镉和碲，是有毒的。有些元素，如锑，如果改变毒性标准，也可以认为是有毒的；
(3)可以加工成所有需要的形状，包括手工焊接和修理用的焊丝；焊锡膏用焊料粉；用于波峰焊接的焊棒等。并不是所有的合金都能加工成所有的形态，比如铋含量的增加会导致合金变脆，无法拉成细丝；
(4)相变温度(固相/液相线温度)与Sn-Pb焊料相似；
(5)适当的物理性质，特别是导电性、导热性和热膨胀系数；
(6)在冶金性能上与现有元件基板/引线和PCB材料的兼容性；
(7)足够的机械性能:剪切强度、抗蠕变性、等温抗疲劳性、热机抗疲劳性和金相组织的稳定性；
(8)良好的润湿性；
(9)可接受的成本价。
新型无铅焊料的成本应小于22.2/kg，因此In的质量分数应小于1.5%，Bi的含量应小于2.0%。早期的R&D计划侧重于新合金成分的确定、多相图的研究和润湿性、强度等基本性能的考察。后期研发计划主要集中在SnCu、SnAg、SnAgCu、SnAgCuSb、SnAgBi五个合金系列。深入讨论了疲劳性能、生产行为和工艺优化。表2.3 NCMS国家制造科学中心提出的无铅焊料性能评价标准IPC也于2000年6月发布了“无铅电子产品组装指南”的研究报告。
目前国际上关于无铅焊料的主要结论如下:现有的无铅焊料种类繁多，没有一种能为SnPb焊料的直接替代提供全面的解决方案。
(1)对于一些特殊工艺，可以直接替换一些特定的无铅焊料；
(2)目前最吸引人的无铅焊料是Sn-Ag-Cu系列。其他可能的组合包括Sn-0.7Cu、Sn-3.5Ag和Sn-Ag-Bi；
(3)高铅高熔点焊料目前还没有合适的无铅替代品；
(4)目前焊剂的化学体系不需要大的改变；
(5)无铅焊料形成的焊点可靠性优于SnPb合金。
几种无铅焊料的比较
(1)SnCu:价格最便宜；最高熔点；机械性能最差。
(2)SnAg:机械性能好，焊接性好，热疲劳可靠性好。* * *晶体的熔点为2265438±0℃。SnAg和SnAgCu组合的区别很小，其选择主要取决于价格、货源等其他因素。
(3)SnAgCu(Sb):近几年才知道Sn-Ag-Cu之间存在三元* * *晶体，其熔点低于Sn-Ag***晶体。当然，这种三元* * *晶体的确切成分还有争议。与锡银和锡铜相比，该组合具有更好的可靠性和可焊性。此外，通过添加0.5%Sb，可以进一步提高高温可靠性。
(4)SnAgBi(Cu)(Ge):低熔点，200 ~ 210℃；可靠性好；可焊性是所有无铅焊料中最好的，这一点已经得到了松下的证实。添加Cu或Ge可以进一步提高强度；缺点是含有Bi引起的润湿角上升问题。
(5)SnZnBi:熔点最接近Sn-Pb***晶体；然而，含有Zn带来了许多问题，例如焊膏的保质期、大量活性焊料残余、氧化问题和潜在的腐蚀问题。目前不推荐。2.2合金的选择:本次回流焊工艺设计采用Sn/Ag/Cu合金(Sn/Ag3.0/Cu0.5)，因为这种合金被认为是国际工业界的首选，并得到了工业和研究协会成员的推荐。因为虽然有些公会也提出并研究了另一种合金Sn/0.7Cu(质量百分比)，但也有企业在生产中采用了这种合金。但相对于Sn/Cu合金的可靠性和润湿性，考虑到回流焊和波峰焊使用的是同一种合金，Sn/Ag/Cu合金成为工艺开发试验的最佳选择。Sn/Ag3.0/Cu0.5合金的性能:溶解温度:固相线217℃/液相线220℃；成本:0.10 USD /cm3与Sn/Cu焊料价格比:2.7机械强度:48kg/mm2伸长率:75%润湿性:根据Sn/Ag/Cu合金的性质，焊料合金的熔化温度比原来的Sn/Pb合金高36℃，商品化后的价格也比原来高。工艺焊接温度采用日本对此合金焊料推荐的工艺曲线，如图2.1。
日本推荐的无铅再流焊典型工艺曲线表明，推荐工艺曲线中有三个要点:
(1)预热区的升温速率要尽可能的慢(选择2 ~ 3℃/s的数值)，以控制焊膏崩边引起的焊点和焊球的桥接。
(2)预热要求必须在(45 ~ 90秒，120 ~ 160℃)范围内，以控制因PCB基板温差、助焊剂性能变化等因素引起的再流焊中的缺陷。
(3)最高焊接温度在230℃以上，并保持20 ~ 30秒，以保证焊接的润湿性。冷却速度选择-4℃/s 6再流焊中的缺陷及其解决方法焊接缺陷可分为主要缺陷、次要缺陷和表面缺陷。任何使形状记忆合金功能失效的缺陷称为主要缺陷；二次缺陷是指焊点间润湿性好，不会造成SMA功能丧失，但可能影响产品寿命的缺陷；表面缺陷是指不影响产品的功能和寿命。受焊膏、基板、元器件可焊性、印刷、贴装精度、焊接工艺等多种参数影响。在SMT技术的研究和生产中，我们知道合理的表面组装技术对控制和提高SMT生产质量起着至关重要的作用。
再流焊中的锡珠
(1)再流焊中焊球的形成机理。回流焊中出现的焊球(或焊球)往往隐藏在矩形片式元件两个焊接端的边之间或细间距引脚之间，如图6.1和6.2所示。在元件安装过程中，焊膏被放置在芯片元件的引脚和焊盘之间。当印刷电路板通过回流炉时，焊膏熔化并变成液体。如果它与焊盘和器件引脚润湿不良，液态焊料将收缩，焊缝将不会被完全填充，并且所有焊料颗粒不能聚集成焊点。部分液态焊料将从焊缝中流出，形成焊珠。因此，焊料与焊盘和器件引脚的润湿性差是形成焊珠的根本原因。图6.1粒度稍大的芯片组件示例。图6.2不仅仅是散布在引脚周围的焊球和焊膏。在印刷过程中，由于模板与焊盘的偏差，如果偏差过大，锅膏会溢出焊盘，加热后容易出现锡球。贴装过程中Z轴的压力是产生锡珠的重要原因，这一点往往被人们所忽视。因为Z铀头是根据元器件的厚度来定位的，所以有些贴片机会在元器件贴在PCB上的瞬间造成锡芽被挤出焊盘。这种分组显然会造成锡珠。在这种情况下，生产的锡珠尺寸略大。通常只要重新调整Z铀的高度，就可以防止锡珠。
(2)原因分析及控制方法焊料润湿性差的原因有很多。以下主要分析与相关流程相关的原因及解决方案:
(1)回流温度曲线设置不正确。焊膏的回流与温度和时间有关。如果温度或时间不够，锡膏就不会回流。预热区温度上升过快，时间过短，使得焊膏中的水分和溶剂没有完全挥发。当它到达回流区时，会导致水分和溶剂沸腾并飞溅出焊料珠。实践证明，预热带升温速度控制在1 ~ 4℃/s是理想的
(2)如果锡珠总是出现在同一个位置，就要检查金属模板的设计结构。模板开口尺寸腐蚀精度达不到要求，焊盘尺寸过大，表面材质较软(如铜模板)，会造成印刷的锡膏轮廓不清，相互桥接。这种情况在细间距器件的移印中经常出现，回流焊后引脚之间必然会产生大量的焊球。因此，要根据焊盘图形的不同形状和中心距，选择合适的模板材料和模板制造工艺，以保证焊膏的印刷质量。
(3)如果从贴装到回流焊时间过长，锡膏中的焊料颗粒会被氧化，助焊剂变质，活性降低，导致锡膏不回流焊，产生锡珠。选择工作寿命更长的锡膏(我们认为至少是4小时)会减轻这种影响。
(4)另外，印刷有锡膏的印制板清洗不充分，会使锡膏残留在印制板表面和通孔上。在回流焊接之前，当元件被附着时，印刷的焊膏变形。这些也是锡珠产生的原因。因此，在生产过程中要加强操作人员和技术人员的责任心，严格按照工艺要求和操作规程进行生产，加强过程的质量控制。6.2垂直芯片问题(曼哈顿现象)芯片组件一端焊接在焊盘上，另一端倾斜。这种现象被称为曼哈顿现象，如图6.5所示。造成这种现象的主要原因是元件两端受热不均匀，焊膏相继熔化。在以下情况下，构件两端受热会不均匀:图6.5垂直现象图6.6构件偏离垫块，因此两侧受力不平衡，产生垂直现象。
(1)组件排列方向设计不正确。我们假设在回流焊炉的宽度上有一条回流焊限制线，锡膏一旦通过就会立即熔化，如图6.7所示。片式矩形元件一端先通过回流焊限线，焊膏先熔化，完全浸润元件端金属表面，具有液体表面张力；而另一端没有达到183℃液相温度，所以焊膏没有熔化，只有助焊剂的粘附力，远远小于回流焊膏的表面张力，从而使未熔化端的元件端直立。因此，元件两端应同时保持在回流限制线内，使两端焊盘上的锡膏同时熔化，形成平衡的液体表面张力，保持元件位置不变。图6.7焊盘一侧的锡绿色粉末熔化。当两个垫之间的张力不平衡时，将出现纪念碑。
(2)在气相焊接过程中，印刷电路元件的预热不充分。气相焊接是通过惰性液体蒸汽凝结在元件引脚和PCB焊盘上时释放热量来熔化焊膏。气相焊接分为平衡区和饱和蒸汽区。在饱和蒸汽区，焊接温度高达265438±07℃。在生产过程中，我们发现如果待焊接的元器件预热不充分，受到65，438+000℃以上的温差变化，气相焊接的汽化力很容易使封装尺寸小于65，438+0206的片式元器件浮起，造成立片现象。我们将焊接好的构件在高低温箱中以145 ~ 150℃的温度预热1 ~ 2 min，然后在气相焊接的平衡区预热约1min，最后缓慢进入饱和蒸汽区进行焊接，从而消除竖片现象。
(3)焊盘设计质量的影响。如果芯片元件的一对焊盘尺寸不一样或者不对称，也会导致印刷的锡膏量不一致。小焊盘对温度反应快，上面的锡膏容易熔化，大焊盘则相反。因此，小焊盘上的锡膏熔化后，元件会在锡膏的表面张力下变直竖起。垫的宽度或缝隙过大，也可能出现竖片现象。严格按照标准规范设计焊盘是解决这一缺陷的前提。6.3桥接也是SMT生产中常见的缺陷之一，会造成元器件之间的短路，发生桥接时必须修复。连接发生的过程。
(1)焊锡膏质量问题焊锡膏中的金属含量较高，特别是印刷时间长了，容易增加。锡膏粘度低，预热后溢出焊盘外；焊膏坍落度不佳，预热后Han溢出，会导致IC引脚桥接。解决办法是调整锡膏。
(2)印刷系统重复精度差，对位不均匀，锡膏印刷在银条外，这在细间距QFP生产中比较常见；钢板与PCB对位不良，钢板窗口尺寸/厚度设计不当，PCB焊盘设计合金镀层不均匀，都会导致锡膏过多，都会造成桥接。解决办法是调整印刷机，提高PCB焊盘的涂层。
(3)贴合压力过大，压后锡膏浸出是生产中常见的原因，所以要调整Z轴的高度。如果贴片精度不够，会造成元器件移位，IC管脚变形，那么就要根据原因进行改进。
(4)预热温度过快，锡膏中的溶剂无法挥发。6.4吸/芯吸现象芯吸现象又称抽芯现象，是常见的焊接缺陷之一，如图6.8所示，在气相回流焊接中较为常见。毛细现象是焊料离开焊盘，沿着引脚行进到引脚和芯片体之间，会形成严重的虚焊现象。图6.8芯吸现象产生的原因一般认为是元件引脚导热系数高，温度上升快，使焊料先润湿引脚，焊料与引脚之间的润湿力远大于焊料与焊盘之间的润湿力，引脚向上倾斜会加剧芯吸现象。在红外再流焊中，PCB基板和焊料中的有机助焊剂是红外线的优良吸收介质，但铅可以部分反射红外线。相比较而言，焊料先熔化，其与焊盘的润湿力大于与引线的润湿力，所以焊料不会沿引线上升，出现毛细现象的概率要小得多。解决方法如下:SMA在气相再流焊时，放入气相炉前要充分预热；应仔细检查并保证PCB焊盘的可焊性，可焊性差的PCB不得用于生产；元件的平面度不容忽视，平面度差的器件不宜用于生产。6.5焊接后个别焊点周围会出现淡绿色气泡，严重时会出现指甲盖大小的气泡，不仅影响外观质量，严重时还会影响性能，这是焊接过程中常见的问题之一。阻焊膜起泡的根本原因是阻焊膜和阳基板之间有气体/水蒸气。在不同的工艺流程中会夹带少量的气体/水蒸气。当遇到高温时，气体会膨胀，导致阻焊膜和阳极基板之间的分层。焊接，焊盘温度比较高，所以焊盘周围首先出现气泡。目前加工过程中经常需要清洗，干燥后再进行下道工序。例如，蚀刻后，应在干燥后粘贴阻焊膜。此时，如果干燥温度不够，水蒸气会被夹带到下一道工序中。加工前PCB的存放环境不好，湿度过高，焊接时没有及时烘干；在波峰焊接过程中，经常使用含水焊剂。如果PCB预热温度不够，助焊剂中的水蒸气会沿着通孔的孔壁进入PCB基板内部，水蒸气会先进入焊盘周围，遇到焊接高温后会产生气泡。解决办法是；(1)各个环节都要严格把关，采购的PCB要检验入库。一般在标准条件下，不应有起泡现象；(2)多氯联苯应在通风干燥的环境中存放不超过6个月；(3)焊接前，PCB应在烘箱中进行105℃/4h ~ 6h的预烘；6.6 PCB失真PCB失真是SMT量产中常见的问题，会对组装和测试产生相当大的影响。所以在生产中要尽量避免这个问题。PCB变形的原因有:(1)PCB本身原材料选择不当，PCB的Tg低，尤其是纸基PCB，其加工温度过高，会使PCB弯曲。(2)PCB设计不合理，元器件分布不均匀会造成PCB热应力过大，形状较大的连接器和插座也会影响PCB的伸缩，甚至造成永久变形。(3)双面PCB，如果一面铜箔太大(如地线)，另一面铜箔太小，会造成两面收缩不均，变形。(4)回流焊温度过高也会造成PCB变形。针对以上原因，解决方法如下:在价格和空间允许的情况下，选择Tg高的PCB或增加PCB厚度，以获得最佳的纵横比；合理设计PCB板，两边的钢箔面积要均衡，没有电路的地方要用钢层覆盖，以网状的形式出现，增加PCB板的刚性，PCB板安装前要预热，条件是105℃/4h；调整夹具或夹紧距离，保证PCB受热膨胀的空间；焊接工艺温度应尽可能降低；当出现轻微变形时，可将其放入定位夹具中，升高温度释放应力，一般会达到满意的效果。6.7引脚焊接后开路/虚焊IC引脚焊接后，部分引脚出现虚焊，这是常见的焊接缺陷。原因有很多。主要原因是* * *的平坦度较差，尤其是QFP器件。由于存放不当，导致引脚变形，有时难以发现(有些贴片机没有检查* * *平面度的功能)，其过程如图6.9所示。图6.9 ***平面度差的构件，焊后需要焊接。因此，应注意组件的保管，不得将组件带走或拆开包装。第二，引脚的可焊性不好。如果IC存放时间长，引脚会发黄，可焊性差也会导致虚焊。生产时要检查元器件的可焊性，特别要注意贮存期不能太长(自生产之日起一年内)，贮存时不能暴露在高温高湿环境中，包装袋不能随便打开。三是锡膏质量差，金属含量低，可焊性差。通常用于焊接QFP装置的焊膏应该具有不低于90%的金属含量。第四，预热温度过高，容易造成IC引脚氧化，使可焊性变差。第五，模板窗口尺寸小，导致锡膏不足。通常模板制作完成后，要仔细检查模板窗口的尺寸，不能过大也不能过小，要与PCB焊盘的尺寸相匹配。6.8片式元件的开裂在SMC生产中，片式元件的开裂在多层片式电容器(MLCC)中比较常见，主要是由作用力和机械应力引起的。(1)对于MLCC电容器，有很大的结构脆弱性。通常，MLCC由多层陶瓷电容器组成，其强度低，并且极其不耐受热和机械冲击。(2)在贴片过程中，贴片机的Z轴吸合高度，尤其是一些不具备Z轴软着陆功能的贴片机，是由贴片元件的厚度而不是压力传感器决定的，所以元件厚度的公差会造成裂缝。(3)3)PCB的翘曲应力，尤其是焊接后的翘曲应力，容易造成元器件开裂。(4)部分PCB板分割时，会损坏元器件。预防措施是:仔细调整焊接工艺曲线，特别是预热区的温度不能过低；在贴装过程中，应小心调整贴片机的Z轴吸附高度。要注意拼图的刮刀形状；PCB的翘曲，尤其是焊后翘曲，要有针对性的矫正。如果是PCB的质量问题，就需要另一个重点考虑。6.9其他常见焊接缺陷(1)润湿性差润湿性差表现为PCB焊盘上的吃锡不良或元器件引脚上的吃锡不良。原因:元器件引脚PCB焊盘被氧化/污染；回流焊温度过高；焊膏质量差。会导致润湿性差，严重时会出现虚焊。(2)锡量很少，表现在焊点不充分，IC引脚根部的弯月面很小。原因:打印模板窗口小；灯芯现象(温度曲线差异)；焊膏的金属含量很低。这些都会导致含锡量小，焊点强度不足。(3)引脚损坏引脚损坏表现为器件引脚平整度差或弯曲，直接影响焊接质量。原因:运输/取放过程中损坏。因此，应小心保存组件，尤其是FQFP。(4)污染物覆盖衬垫。污染物会覆盖衬垫，这在生产中时有发生。起因:来自现场的纸；胶带上的异物；用手触摸PCB板或元件；字符映射表位置不对。所以要注意生产现场的清洁，工艺要规范。(5)锡膏量不足，生产中经常出现。原因:印刷第一个PCB/机器停止后印刷；印刷工艺参数改变；钢板窗被挡住；焊膏的质量变差。以上原因有一个会导致锡量不足，要相应解决问题。(6)锡膏有棱角。锡膏有棱角，生产中经常出现，不容易发现。严重的话会焊接。原因:印刷机提网速度过快；模板孔壁不光滑，使锡膏呈现为锭状。7总结目前国内外对无铅焊接技术做了大量的研究，对包括Sn-Cu系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Ag-Bi-Cu系、Sn-Bi系、Sn-Sb系在内的多种无铅焊料进行了深入的研究。国际工业研究协会等电子行业协会也推荐了Sn-Ag-Cu系列等典型合金材料的几种合金比的工艺参数。一些有实力的企业在这一研究成果的基础上进行了反复的实验研究，不断优化工艺参数，尽可能获得最大的效益。本课题参考国内外文献和相关期刊，选取合适的参数；选择SMT相关网站上符合技术要求的回流焊设备，形成无铅回流焊工艺。最后，对焊接过程中可能出现的焊接缺陷进行了理论分析，并提出了相应的解决方法。本课题是对技术的理论研究。由于设备的缺乏和我对SMT的肤浅不全面的认识，谬误在所难免。感谢您的批评和指正。