Altera无铅封装回流焊指南

AN 353: 无铅封装无铅封装回流回流焊接指南引言本应用手册将介绍传统焊接和无铅焊接之间存在的一些差异，并提供了Altera 无铅封装回流焊接的一些指南和建议。

世界各国最近颁布的一些行政指令和法规均规定在电子工业中不得使用有害物质。

虽然禁止使用这些物质并未对电子元件回流焊接产生巨大的影响，但铅却是个例外。

在使用无铅焊料将无铅元件焊接到印刷电路板上时需要一些特别的考虑。

本应用手册概述了开发无铅器件回流工艺的一些差异和解决方案的建议。

Altera 在此方面处于业界领先的地位，并且已经采用无铅技术来提供能够满足业界需求的解决方案。

在半导体中，铅主要在封装中使用，作为软焊料的成分，用于含铅封装的表面涂层，以及球栅阵列 (BGA) 封装的焊球。

Altera 一直在积极研究铅化合物的替代品，并且选择对含铅封装采用引线锡表面涂层，而对BGA 封装采用 Sn-3-4%Ag-0.5%Cu 焊球。

另外，选择正确的材料和工艺后，封装的散热稳健性得到提高，从而获得使用无铅焊膏组装电路板时所要求的高回流温度兼容性。

Altera 《无铅 (Pb) 达标报告书》中有无铅封装可靠性证明的更多详情。

如欲了解 Altera 无铅产品系列和解决方案的更多详情，敬请访问 。

回流焊接工艺注意事项本小节将简要介绍传统回流焊接和无铅锡焊之间的一些差异。

无铅元件回流焊接工艺与传统的共晶软焊料回流工艺极为类似。

共晶软焊料所使用的设备工具和工艺步骤均可用于无铅焊接。

《AN 81：表面贴装器件回流焊接指南》介绍了 Altera 标准表面贴装元件回流焊接的一些指南。

所介绍的指南和建议大多数适用于无铅焊接。

然而，也必须考虑到无铅焊接中存在的一些重要差异，因为无铅焊接使用的材料不同，需要更高的回流温度。

下面各小节将描述无铅焊接时必须考虑到的一些重要因素。

PCB 考虑因素关于PCB 的一个需要考虑的重要因素就是表面涂层处理。

业界常用的几种 PCB 无铅表面涂层包括 有机可焊剂(OSP) 和金属表面涂层（例如：电解镍金和浸银）等。

您需要根据湿度、储存、平整性和成本等问题来决定使用何种 PCB 表面涂层。

另外，您必须确保电路板材料能够承受回流温度而不会有热变形或其它损坏。

就大多数情况而言，FR-4 电路板材料都是可以接受的，但是高密度和高复杂性的应用可能要求诸如高 Tg FR-4 的电路板材料。

© February 2009AN-353-2.0AN 353焊料合金和助焊剂考虑因素在业界，有很多的无铅焊料合金和焊膏。

一般来说，无铅合金具有比共晶软焊料更高的焊接温度。

SnAgCu 系列焊料合金在SMT制造中最为常用。

所选用的无铅焊料合金必须是无害的、机械可靠的、能抗热疲劳，要拥有好的浸润性和相对较低的熔化温度，同时还必须同各种有铅及无铅表面涂层相兼容（1）。

在选择适用于无铅处理的助焊剂化学成分时，需要考虑的重要因素包括助焊剂活化温度、活跃级别、与所选无铅焊料合金的兼容性以及可靠性属性，例如：SIR 和电迁移等。

印刷过程考虑因素无铅焊膏需要特别的处置，同时开发电路板印制工艺还必须考虑无铅焊膏的特点，如本小节所述。

的处置焊膏焊膏的无铅焊膏的保质期和储存条件可能不同于共晶软焊膏，具体情况取决于所选的焊膏。

为了避免出现与焊膏处置相关的问题，需严格遵守焊膏厂商提供的焊膏处置建议。

网印过程无铅焊膏的印刷工艺同共晶焊膏所用工艺一样。

您必须遵守焊膏厂商建议的一些指南，以满足焊膏特定的要求。

一般而言，无铅焊膏特性决定了模板图案寿命、孔径扩张、印刷定义和可重复性等方面的性能。

在设计网板时，您需要考虑的一个重要因素是无铅焊膏具有更高的表面张力，并且不像共晶软焊膏那样可以容易地在焊盘表面上浸润或展开。

这会在回流焊接以后出现裸露的焊盘涂层材料。

您可以通过改变模板孔径设计增加焊盘上的焊膏覆盖来纠正这一问题。

回流工艺考虑因素就无铅焊接而言，回流工艺的标定和优化是您需要考虑的最重要因素。

传统焊接的回流工艺窗口相对较宽。

共晶软焊料的熔点为183°C，回流工艺下限温度通常为200°C，上限温度约为235°C，该温度是大多数元件可以承受的最高温度。

这些高温及低温极限提供了一个35°C 的工艺窗口。

用于BGA 焊球的无铅合金的熔点为217°C。

这种合金要求235°C 的最低回流温度来保证好的浸润。

最高回流温度介于245°C 到260°C 范围内，具体情况取决于封装尺寸（请参见第 5 页表2）。

这就将无铅焊接的工艺窗口限制在10°C 到20°C以内。

回流焊峰值温度的升高结合较窄的工艺窗口，使得制定最佳回流温度曲线成为确保成功无铅组装工艺的一个关键因素。

影响最佳热控制曲线制定的主要因素是组装的尺寸和重量、元件的密度、大小元件的组成以及所用的焊膏化学成分。

通过贴附嵌入至较大BGA 元件外围以及电路板其它关键位置的校准热电偶，可以进行回流温度分析，以确保所有元件均加热至最低回流温度以上，同时确保小元件没有超出最高温度极限（2）。

由于这些元件均会承受更高的回流温度，因此您必须对元件及元件处置选择适合的湿度敏感级别(MSL)。

必须严格遵守储存建议。

更多详情，请参见《制造可靠无铅元件的挑战》为了保证所有封装均得到成功的和可靠的组装，Altera 研究出的和建议的回流温度曲线均基于JEDEC/IPC 标准J-STD-020 修订版D.1（3）。

图 1 显示了符合JEDEC/IPC 标准J-STD-020 修订版 D.1（3）的温度曲线范围。

图1、IR/对流回流温度曲线（IPC/JEDEC J-STD-020D.1）表 1 和表2 列举了JEDEC (3) 建议的回流参数和峰值温度。

一些行业研究表明，Ramp-to-Spike (RTS) 过程会得到更好的无铅组装结果。

相比通常用于共晶软焊的Ramp-Soak-Spike(RSS)温度曲线，这种曲线类型具有更好的浸润和更少的热暴露率。

表 1 中列举了一些无铅回流温度曲线建议。

表 1、无铅回流温度曲线建议（IPC/JEDEC J-STD-020D.1）（第 1 张表格，共2 张）（注解 1）回流参数无铅组装最低预热温度 (Ts MIN ) 150°C 最高预热温度 (Ts MAX ) 200°C 预热时间60–180 秒 Ts MAX 至 T L 上升率 最大 3°C/秒 高于温度 T L (t L ) 的时间 217°C ，60–150 秒 峰值温度 (T P ) 参见表 2 25°C 到 T P 的时间 最长 6 分钟 峰值 T P +/-5° 范围内的时间 10-20 秒 下降率最大 4°C/秒表 1 注释注释：（1） 所有温度均指封装顶部温度，由封装体表测得。

表 2 列举了无铅工艺峰值回流温度 (T P )。

表 2、无铅工艺—峰值回流温度 (TP)封装厚度体积 mm3 < 350体积 mm3 350–2000体积 mm3 > 2000< 1.6 mm 260°C 260°C 260°C 1.6mm–2.55mm 260°C 250°C 245°C > 2.5mm250°C245°C245°C您必须将峰值温度控制在建议最大值（请参见表 2）以下，并使电路板的温度梯度最小化以减少电路板和元件的热应力。

高温可对电镀通孔和其内的套管产生巨大的应力，从而导致破裂。

双面安装过程中，第一次安装的高温会增加第二个安装面上的氧化程度，从而可能在第二次焊接产生可焊性问题。

Altera 广泛地同众多领先的 EMS 公司合作，并成功地证明无铅元件可以在空气中焊接（5）。

然而，就高密度、双面组装的情况，通过选择一些具有强制对流和更多加热区（回流参数工艺控制更加严格）的现代回流炉，您可以缓解窄工艺窗口相关问题。

具有氮回流气体的回流炉的出现，不但提高了低峰值温度下的浸润度，而且还降低了电路板的温度梯度，被证明有益于双面组装(6)。

回流焊接后检回流焊接后检测测行业研究表明，自动 X 射线检测系统可有效用于对无铅焊点的检测。

但我们必须要对这种 X 射线检测系统进行优化，以充分考虑无铅焊料的对比差异以及填锡形状和长度的差异。

对于非BGA 焊点，您还可以使用自动光学检测 (AOI) 和可视检测方法来检测。

重要的考虑因素是无铅焊点不像共晶焊点那样光亮。

需要对检测人员进行培训，以区分共晶焊点和无铅焊点。

您必须对 AOI 系统参数进行优化，以考虑到填锡形状的变化和焊点表面的反射特点 (4)。

手工焊手工焊接接及返工由于无铅焊接要求有更高的焊接温度，因此您必须把焊头温度设定得更高。

更高的焊接温度要求电烙铁必须保持清洁并涂有焊料合金。

无铅焊料对污染的烙铁的影响更加敏感。

如果不保持清洁并且没有涂焊料合金，则较高的焊接温度会导致烙铁头氧化。

使用更加活跃的助焊剂并在氮气环境中完成焊接，可获得更好的焊接效果。

对于无铅焊接操作技术，必须要对操作人员进行全面技术培训。

BGA 返工无铅BGA 的返工过程与共晶 BGA 的返工过程类似。

BGA 返工过程一般包括下列几个步骤： 1、 热曲线控制 2、 去除缺陷元件 3、 焊面重处理4、 焊锡补充或助焊剂运用5、 新元件安装6、 回流焊接7、 回流焊接后检测返工机不仅能够提供无铅加工温度，本身还是具有可视系统的预热设备。

通过该可视系统可精确地安装密间距元件、热气流控制，并具有能够进行热曲线控制和编辑返工工序的软件。

焊面重处理是无铅返工的一个关键过程。

常见方法是烙铁/维克 (wick) 法以及铜箔补偿法。

焊面重处理技术的成功取决于操作者的技能和训练水平。

如果返工的元件已经暴露在潮湿环境中，则在回流焊前需要经过烘干。

烘干参数取决于封装的温度敏感级别。

热曲线控制非常重要，您必须测量出焊点的温度。

还需开发热曲线控制以用于元件拆除和元件替换。

而且经验证，回流期间对电路板预热有助于减少由于热梯度导致的对邻近元件应力。

另外，使用氮气可提高浸润度，并减少返工过程中的制造缺陷（6）。

参考参考文献文献1、《全球无铅焊接发展趋势—第 I 部分和第 II 部分》，作者：Lau, John 和 Liu, Katrina ，发表于 2004 年 1 月和 2 月的《高级封装》。

2、《无铅回流不再是难题》，作者：Baldwin ，Daniel 和 Kazmierowicz ，Philip ，2003 年 12 月发表于 网站。

3、《非密封固态表面贴装器件的潮湿/回流敏感度分类》，JEDEC/电子工业联盟，2008 年 3 月。