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- 150756
- 性别
- 男
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无铅表面组装工艺试验
郭大琪 黄 强 编译
1前言
与标准的锡／铅焊料相比，使用无铅焊料组装印制板需要更高的工艺温度，该问题在电子工业从含铅焊料向无铅焊料转变时就已成为了人们关注的焦点。由于无铅焊料的熔点高、浸润性差，回流焊接需要的温度比当前使用的含铅焊料的高30~40℃。因此，元件制造商、印制板制造商、组装商和设备制造商大都会受到影响。
对于无铅焊接：是可以使用现有的设备和工具，还是需要更新?无铅焊接点可靠吗?在印制板上，锡／铅元件和无铅元件是否可以混装?锡／铅元件怎样用无铅焊料组装?这些问题，甚至更多的问题，早在几年前就摆在了电子工业的面前。
本试验确定的目的之一是对无铅PWB组装的材料和生产工艺进行试验，以及对无铅焊料连接点和传统焊料连接点进行比较。通过元件制造商、印制板制造商、设备制造商一一主要的原始设备制造商和电子组装服务商的协同努力，NEMI工艺组使用现有的生产设备和工具演示了无铅表面安装生产工艺。
2可靠性试验板的制作
这个项目向电子工业推荐了一种简单的无铅焊料，它的成分是Sn3．9Ag 0．6Cu。这种合金的熔点比共晶锡／铅焊料的高约35℃。该项目的工艺组负责开发新的回流焊工艺，确定所需的新设备，新工艺，并将工艺移交到生产现场，生产用于可靠性试验的组装板。在试验中，这个工艺组确定了一种新的工艺温度分布，并发现，在大多数情况下，现有的生产设备和工艺完全满足更高熔点焊料的应用。在进行工艺试验时(2000年初期)，无铅焊膏还仅仅是在实验室试验生产的，而助焊剂还未被优化。
这个小组把锡／铅(Sn37Pb)焊膏和无铅免清洗3型焊膏都分成了五组。其中一组用于进行印刷试验，试验中，先将焊膏印刷在试验板上，再对其印刷特性、视觉可焊性进行评价，同时进行X-射线缺陷检查。其它四组用于组装印制板。在这个试验中，总共组装了253块线路板(图1)。所有的试验板都是在一个简单的场所生产的，使用的是标准的生产设备。这些线路板中使用了六种具有不同封装形式的元件：CSPl69、CSP208、TSOP48、2512电阻芯片、PBGA256和CBGA256。每一封装形式元件又分成了三种不同的试验单元：①锡／铅焊膏／锡铅元件；②无铅Sn3．9Ag0．6Cu焊膏／锡铅元件；③无铅Sn3．9Ag0．6Cu焊膏／无铅元件。
在试验中使用的印制板，除超薄外形封装(TSOP)和2512电阻器板的表面涂敷是镍／金外，其余的表面均为浸银涂敷。所有的试验板都是用环氧FR-4材料制成的，除TSOP和2512电阻器试验板的玻璃转化温度为130℃外，其余的均为170℃。
在组装中对所有板上的焊膏的量都进行了测量。焊膏体积的典型数据如表1。锡／铅和无铅焊膏的量都是可以接受的。在相同的印刷条件下，无铅焊膏的体积要大一些。这个差别可能是由于所选择的无铅焊膏有更好的印刷特性，因而可用于节距精度相对差一些的元件的组装。
对于锡／铅和无铅元件的拾取和放置方式是一样的。
对于所有印制板的回流焊接，使用的是10温区对流加热炉。炉内为氮气气氛，其氧含量低于30ppm。无铅回流焊接的温度范围是从安装有2512电阻器印制板的高的247℃到安装有塑料焊球阵列(PBGA)印制板的低的239℃。表2示出了在可靠性试验元件的回流焊接过程中焊接的时间和峰值温度。
焊接的含铅焊膏板和无铅焊膏板间的主要差别是焊接点在视觉外观上的差别。图2示出的是锡／铅和无铅焊接的焊球阵列(CBGA)元件焊接点的光学照片。
在可靠性试验板制作好后，对它们进行了电学试验、X-射线检查、声学成象检查和自动光学检查(AOI)。
3 X-射线检查
X-射线检查用于确认工艺和观察与焊接相关的缺陷。并可对试验板组装提供反馈信息。在进行检查时，也对X-射线设备对无铅组装检查的适应性进行了评估。
在X-射线检查中发现，无铅和锡／铅焊接点的X-射线的外形成像是一样的，其操作也相同，只是在测量无铅组装板上焊接点的直径和厚度时需要对设备作一些微调。
总的来说，在无铅焊膏组装板上检查出的缺陷比在锡／铅焊膏组装板上的要多一些。在检查用无铅焊膏组装的锡／铅或无焊球栅阵列(BGA)／芯片尺寸封装(CSP)元件时，观察到空洞率有所增加；在检查用无铅焊膏组装无铅TSOP元件时，发现其浸润性有一些降低，如表3所示：
空洞是由于在无铅焊膏的焊接中使用的是临时助焊剂，同时无铅SnAgCu合金的可焊性降低(与锡／铅和在无铅焊膏焊接工艺期间升高工艺温度的相比)。加速热循环试验发现，用无铅焊膏组装无铅元件，其焊接中的空洞没有引起可靠性问题。进一步的研究工作将是优化在更高回流温度使用的无铅焊膏助焊剂。
X-射线检查还发现，不同的锡／铅或无铅组装的试验单元的各种形式元件的焊球直径和焊接点厚度没有差别。
4AOI(自动光学检查)
为了确定无铅焊接点和锡／铅焊接点在视觉外观和形状方面的差别，用AOI装置对引线框架和芯片元件进行了检查。
用无铅焊膏组装的锡／铅电阻元器件的焊接点与用锡／铅焊膏组装的锡／铅电阻器元件的焊接点在外观上是一样的，但用无铅焊膏组装的纯锡电阻器，在印制板焊盘一边的浸润性降低了；并且在焊点表面发现有一些裂纹-可能是由于焊接点的冷却不当造成的。尽管如此，ATC试验没有发现机械完整性问题。
5声学显微镜检查
为了确定和比较元件内部损伤，在回流焊接前和回流焊接后对TSOP48、CSPl69、CSP208、PGA256和CPGA256元件的内部损伤情况用声学显微镜进行了检查。
元件检查是按照IPC／JEDECJSTD-020修订版B规定标准进行的。在组装前，元件在125~C下烘烤12小时，烘烤后存储在氮气室中。在元件安装和用表2示出的时间和峰值温度回流焊接在试验板上后，对元件再一次进行了检查。
TSOP48在组装前，就存在有一些内部损伤。按照JSTD-020B的标准，这些有损伤的元件是可以接受的。在回流焊接后，元件内部的损伤增加了，按照JSTD-020B的标准，这些损伤的大部分仍然是可以接受的。但有一些用无铅焊料时间-温度组装的元件，按照这个标准是不能接受的。
对于其它类型元件，在回流前发现内部有一些轻微损伤，在锡／铅或无铅工艺的时间-温度回流后元件内部的这些些轻微损伤的程度并未增加。这些轻微损伤完全在STD-020B判据的范围之内，它们是可以接受的。在热循环可靠性试验后，又再一次进行了分析，没有发现元件内部损伤和起鳞有进一步的增加。
6返工评价
CSP256和PBGA256试验板的返工包括：元件去除、印制板焊盘修理、放置和回流新的元件。对于用无铅焊膏组装的无铅PBGA和CSP元件，元件去除的峰值温度分别是244℃和246℃。印制板焊盘修理好后，在印制板焊盘表面和元件上涂敷焊膏和助焊剂，把新的元件安装在印制板上并进行回流焊接。
对于PBGA的无铅返工，焊接的峰值温度是244℃(217℃以上时间是66秒)；对于CSP的无铅返工，焊接的峰值温度是246℃(217℃以上时间是68秒)。在焊接时，无铅元件壳体表面的温度通常比焊接点的温度高15℃。为了避免这种情况，在用热喷嘴从四面对元件焊接点加热时，采用了一种被称之为强制空气流冷却的方法把冷空气施加到元件壳体上表面以降低元件壳体温度。由于采用了这种技术，在无铅返工中，PGBA和CSP元件壳体表面的温度分别降低了201℃和231℃。
尽管返工开发工作是试验性的，而且样品数量很少，但它为在无铅返工期间可能碰到的问题提供了一种基本的解决方案。
7结束语
在印制板的组装生产试验中发现，使用共晶锡／铅焊膏和使用无铅SnAgCu焊膏之间没有大的差别。唯一的不同就是回流温度。在大多数情况下，现有的生产设备和工具可以用于这些的新的工艺。
X-射线、声学和AOI检查设备完全可以用于无铅组装工艺。在对试验组装板的检查中发现，无铅焊膏焊接点和锡／铅焊膏焊接点在外观上存在差别；另外，对于AOI检查还有很多工作要做。X-射线检查发现，用无铅焊膏组装CSP／BGA-形式元件时，焊接点中的空洞增多了；用无铅焊膏组装TSOP-形元件时，焊膏的浸润性有一些降低。
声学检查表明，更高的回流温度会诱发产生元件缺陷。然而，大多数这些缺陷仍在元件规范之内。在CSP和PBGA的无铅返工中，开发了一种降低这类元件壳体表面温度的方法。关于无铅组装、无铅返工方面更多的开发工作，有待进一步研究。
本文摘自《电子与封装》 |
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