无铅焊锡

SA 20% SABC 20% SABC 30% Z83 20%
Others Others SAIB 10% Others Others
美国各组织推荐的无铅合金 组织推荐的无铅合金
• NCMS (National Center for Manufacturing Science) – Sn/Ag3.5/Bi4.8 205 - 210°C – Sn/Ag3.5 221°C – Sn/Bi58 139°C • NEMI (The National Electronics Manufacturing Initiative) – Sn/Ag3.9/Cu0.6 – Sn/g3.5 or Sn/Cu0.7 • Others (Ames mentioned not prior art) – Sn/Ag4.0/Cu0.5 SAC405
• 需考虑板的设计，零件选择及 QA 对焊點要求 • 可能需使用较高的预热，较高焊接温度，较强 焊剂 • 常见 Defect – 短路，不完全填孔 (incomplete hole fill) / 板面不够锡 (insufficient top fillet)
无铅焊接短路问题较严重
偷锡焊盘
无铅设计
各地区对无铅焊锡的需求 各地区对无铅焊 区对无铅
• 欧洲 - Electric and Electronic Equipment (WEEE) Draft Directive ⇒ 2006 年 7 月，在欧洲地区禁止输入或制造含铅电子產品 。 • 北美 – 有关使用无铅物料的活动增加，主要是受全球电子市 场竞争影响。 • 亚洲 (日本外) – 受日本国际企业如 Sony 的影响。 日本外) • 日本 – 对无铅电子组装的推动力最大 – 计划在 2003 年本土的无铅电子产品生产 > 90% – 外地生产线无铅计划仍不是太清晰 • 日本电子情报技技术业协会 (Japanese Electronics Industry and Technology Association) 进行制定无铅工艺标准及更新无铅技 术方向 – 建议SAC305 – 研究 Sn/Zn/Bi
控制在炉中的无铅焊锡 控制在炉中的无铅焊 无铅
• 建议控制铜在锡炉中的含量 (如使用 SAC305 或 SAC405)：0.3 – 0.9% • 使用新的锡条或 97Sn/3Ag, 96Sn/4Ag 来调整铜含 量 • 要定期做金属杂质测试 • 密度较低– 在 Sn/Pb 可浮的物料，如零件、工具 ，可能会沉进锡里而造成污染
无铅焊锡技术
Cookson Electronics ASSEMBLY MATERIALS
Cookson Alpha Metals(Shenzhen)Co.,Ltd.
Max Luo
March 2003
为什么有铅物料对社会造成影响? 物料对 造成影响
堆填区内被废弃的 堆填区内被废弃的 PCBs 不斷增加 区内
合金 Sn/Pb SAC 305 SAC 405 SA 2515 SnCu SnAg Sn 63 / Pb 37 Sn / 3.0 Ag / 0.5 Cu Sn / 4.0Ag / 0.5 Cu Sn/ 2.5 Ag / 1.0 Bi / 0.5 Cu 99.3 Sn / 0.7 Cu 96.5 Sn / 3.5 Ag 推荐焊锡焊接温度 Deg ℃ /Deg ℉ 232-271℃ / 450-520℉ 271-276℃ / 520-530℉ 271-276℃ / 520-530℉ 271-276℃ / 520-530℉ 265-276℃ / 510-530℉ 260-276℃ / 500-530℉
Biblioteka Baidu
SAC 305 成份及杂质规格 成份及杂质规 杂质规格
Component Wt. % (range or max. level) Rem. 3.0 +/- 0.2 0.5 +/- 0.1 0.2 or 0.1 0.2 or 0.1 0.2 or 0.1 0.001 0.001 0.030 0.001 0.02 0.01 Sn Ag Cu Pb Bi Sb Zn Al As Cd Fe Ni
• 汽车 − SAC 50% • 工业电子 − SAC 70% • 消费品 − SAC 60% • 手提电子产品 − SAC 70%
SAC – Sn/3.0Ag/0.5Cu Z83 – Sn/8Zn/3Bi SABC – Sn/2.5Ag/1.0Bi/0.5Cu SAIB – Sn/Ag/2.5In/2.5Bi
Sn/Ag/Cu Family Sn/Ag/Bi/Cu
Sn/Ag/Cu/Sb Castin
Note: Alpha Metals if fully licensed to manufacture and sell the Castin and Oatey alloys world wide. Additionally, AFT is licensed to sell SAC in Japan.
无铅波峰焊
(铜含量的变化)
1.2 1 Cu %w in alloy 0.8
0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 Months of Operation 8 9
Period 1 Period 2
无铅波峰焊
(铅含量的变化)
0.6 Pb %w in alloy 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 Months of Operation 8 9
: 100% elimination of Pb solder
1. Applies to all direct facilites in Japan, Thailand and Viet Nam facilities. Excludes high end computers and legacy replacement parts. 2. Currently, only applies to facilities in Japan. 3. Applies to facilities globally.
使用原来 使用原来 63/37 锡炉
1. 排出 63/37 锡 2. 尽力去除所有处於较难接近地方的锡 ( 困难、人力) 3. 以纯锡清洗及排出 4. 加入无铅锡
(使用新炉可免除上述工作和腐蚀的危险) 使用新炉可免除上述工作和腐蚀的危险) 上述工作和腐蚀
较高预热曲线 预热曲
• 建议制程改动 议制程改动 程改
为什么无铅成本较高？ 么无铅成本较高？ 成本较高
• 金属价格提高 金属价格提高
– 原來的 37% 铅被锡或其他更贵的金属代替
• 密度
– 无铅焊接材料的密度较低 (約少 20%)，生产成本较高
• 生产成本
– 能源费用提高，由於较高溶点。当进行焊接时，所需温度也提 高了
• 专利费用
– 大多数无铅焊接材料都需付约 4%-8% 专利费用
–为了减低冲击 (thermal shock)，板底与波峰 稳度相差少於 120 ℃
• 影响
–需使用较受热的板 (FR4) 及零件 –焊剂需抵受较高的预热及较高的炉温 –空气对流式 (Air-convection) 预热较好，尤 其是使用水型焊劑
较高锡炉温度 锡炉温度
• 选择零件能抵受在温度 265 ℃ ，4 秒时间 否则，锡炉温度需调低至 255 - 260 ℃ • 减少曲板 – 使用较厚的线路板 (> 1.6mm) – 板面跟板底的温差少於 16 ℃ – 使用金属工具牢固板子，减少变形 • 主波跟片波的距离需缩短 ≤ 5cm，减少热冲击 • 风扇或相等冷却气体应装在波峰後加强冷却
• 偷锡焊盘可以是另加的焊盘或较大焊盘 用於吸取过多的锡
Examples of Solder Thief Designs
Courtesy of Bob Gillis
偷锡焊盘的作用
无铅设计
Courtesy of Bob Gillis
Fillet Lifting
锡冷却速度较板为快，当板跟锡收缩时，近焊盘的锡仍然是液态，造成锡 速度较 板跟锡 缩时，近焊盘 仍然是液态 造成锡 板子) 点起离焊盘 (板子)
SAC 305/405 温度线
量度温度
准确度 温差电隅的不同连接方法 – 准确度 隅的不同连
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Average Range Stan Dev
Solder
Al Tape
Kapton Tape
Epoxy
无铅焊 无铅焊锡的湿润能力较 63/37 差 湿润能力较 能力
注：依据 Wetting Balance 结果 – 湿润时间短，湿润力大来计算
控制在炉中的无铅焊锡 控制在炉中的无铅焊 无铅
• 工业界认同在锡条的铅含量共识规格：≤ 0.2% (2000ppm) • 使用无铅零件及线路板 (建议铅含量少於 0.05%) • 建议铅在锡炉中的上限为 0.3%，最高上限为 0.5% • 铅 – 可靠性问题 增加产生 Sn/Pb/Ag 合金的机会 (溶点为 179℃) ，造成高铅含量区在锡点中较後才凝固，在 thermal cycle 测试中造成撕裂状况
无铅波峰制程 无铅波峰制程 波峰
波峰焊接机
对焊接设备的损害 焊接设备的损害
–不是每部炉都是抗腐蚀 –当炉受损後，铁的溶蚀使锡受到污染 –使用较抗腐蚀不锈钢，如 316 型 –不锈钢有抗腐蚀涂膜 –使用较低焊接温度，如 2600C
无铅腐蚀
六个月后
最佳无铅锡炉温度 最佳无铅锡炉温度 无铅锡炉温
无铅零件生产商 – 取自 IPC 网页 无铅零件生产 零件生
• • • • • • • • • • • • • • • AMD Analog Devices Fujitsu Hitachi Infineon Intel IZM Infopool Murata National Semiconductor Panasonic Philips Sony Semiconductor Products ST Microelectronics Texas Instruments Tyco Electronics
National Physical Laboratory
33
焊剂选择
• 较高固体含量 (RF800T, SMX018) • 低固、无松香、水基 (EF2202, EF3100) 低固、无松香、酒精基不适合
无铅焊点外观
–不平滑 –不光亮，光度不平均
无铅 SMT 制程
Solder Paste
在日本市场使用的无铅焊 在日本市场使用的无铅焊锡 无铅
Fillet Lifting • 制程改善
–避免使用含铋 (Bi)、铅 (Pb) 的零件及板 子 –出波後，加强冷却令板子的冷却速度较焊点 为快，减少 “Fillet lifting”
Fillet Lifting 主因
板子持热较久， 使焊点与焊盘的介面较热 焊点冷却较快，使介 面受压
板子设计
加大的焊盘及重叠型的抗焊膜增强机械力
焊盘部份被抗焊膜覆盖 部份被抗焊膜覆盖
氮气的好处 的好处
• 改善湿润性 (Wetting) • 用较低的炉温 (对温度敏感的零件有帮助 ) • 减少锡渣 • 导热系数 (heat transfer coefficient) 比空气 高，使用温度可较低
锡铜) 氮气的影响：SnCu (锡铜) 的影响
无铅合金专利
Alloy Royalty CED / Patent Holder Patent Requirement Coverage AFT (Name) Territory (Increased Access
Cost) Yes Yes Yes Yes Aimes / Iowa State Senju Metals Oatey Solder Joint Solder Solder Solder U.S. Japan N. America N. America Yes Yes Yes Yes
Time to 2/3 maximum wetting force (secs.)
10 8 6 4 2 0
Air Nitrogen
Flux = pure rosin
200
210
220
230
240
250
0
260
270
280
290
Temperature ( C)
–用较低炉温，可达到同样的湿润力 (Wetting force)
日本国际企业无铅时间推行表 日本国际企业无铅时间推行表 国际
2001 Fujitsu NEC
2 1
2002
2003
2004
2005
2006
Toshiba Sony
3
Panasonic Hitachi M itsubishi
: 50% elimination of Pb solder vs. 1997 levels.