00106焊接工藝技術(shù)匯編06到日本的無(wú)鉛之旅

1、到日本的無(wú)鉛之旅 by bob willis本文介紹，一個(gè)英國(guó)的專家小組在日本考查無(wú)鉛工藝的報(bào)告，值得我們借鑒。無(wú)鉛中有什么新的東西？在二月份我與七個(gè)工程師的小組去日本旅行，訪問(wèn)了許多為我們工業(yè)提供電子產(chǎn)品的主要供應(yīng)商和生產(chǎn)商。代表團(tuán)訪問(wèn)了 sony, panasonic/matsushita, nec, denso, tdk, senju, koki和 meti政府機(jī)關(guān)，以獲取立法、無(wú)鉛材料發(fā)展、商業(yè)產(chǎn)品和現(xiàn)在使用的裝配工藝的狀態(tài)。討論了許多問(wèn)題： 立法與環(huán)境問(wèn)題 焊接材料的生產(chǎn)與世界范圍的銷(xiāo)售 裝配設(shè)備設(shè)計(jì)與制造 裝配工藝與合約制造 無(wú)鉛研究與可靠性問(wèn)題 檢查和質(zhì)量控制小組成員將在全英國(guó)的

2、研討會(huì)上提出有關(guān)在日本公司內(nèi)無(wú)鉛裝配的現(xiàn)實(shí)狀況的報(bào)告。這些研討會(huì)，與伴隨的報(bào)告，將覆蓋在整個(gè)世界范圍內(nèi)企圖適應(yīng)日本對(duì)無(wú)鉛產(chǎn)品過(guò)于進(jìn)取的實(shí)施的那些公司所面臨的問(wèn)題。以下是從報(bào)告中節(jié)錄的一個(gè)章節(jié)。印刷電路板設(shè)計(jì)規(guī)則對(duì)于無(wú)鉛裝配與焊接，沒(méi)有特殊的設(shè)計(jì)規(guī)則或設(shè)計(jì)變化在日本廣泛實(shí)施。作了一些修改來(lái)克服諸如圓腳失效的工藝缺陷，或?qū)宓脑O(shè)計(jì)調(diào)整到替代的焊接工藝。日本的產(chǎn)品一直總是設(shè)計(jì)的很好適應(yīng)制造工藝 -這種情況有許多年了。實(shí)施了許多消除焊接缺陷的設(shè)計(jì)方法。這些方法是必要的，因?yàn)樵谶@個(gè)市場(chǎng)上有大規(guī)模的消費(fèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)。雖然日本產(chǎn)品傳統(tǒng)上是為消費(fèi)與電訊市場(chǎng)生產(chǎn)，但是許多可制造設(shè)計(jì)(dfm, design for

3、 manufacturing)規(guī)則可使所有的電子產(chǎn)品受益。消除焊接短路的排泄焊盤(pán)(drainage pad)的使用、消除焊接點(diǎn)破裂的窄焊盤(pán)(narrow pad)的使用、和在波峰焊接系統(tǒng)的允許中心板支持的禁區(qū)都是在日本電路板上常見(jiàn)的，但在歐洲和美國(guó)則較少見(jiàn)。用于減少焊錫焊腳失效的唯一特殊設(shè)計(jì)變化是電路板上可焊接焊盤(pán)尺寸的變化。該變化是通過(guò)使用阻焊(resist)界定的焊盤(pán)來(lái)達(dá)到的，這里阻焊圖形交迭焊盤(pán)表面。圖一：阻焊層圖形變化以克服焊腳失效。圖一顯示該設(shè)計(jì)規(guī)則變化前后的一個(gè)例子。它顯示使用阻焊層開(kāi)口來(lái)界定焊盤(pán)表面的變化。代表團(tuán)研討會(huì)之后，在英國(guó)大使館舉行的初次圓桌討論會(huì)上，sony, pana

4、sonic和 toshiba特別強(qiáng)調(diào)這個(gè)減少焊腳失效的技術(shù)，但在訪問(wèn)期間只有 sony再次強(qiáng)調(diào)。通過(guò)減少在板的頂面焊盤(pán)表面積，焊腳的擴(kuò)展范圍減少；這種焊腳沒(méi)有增加太多的焊點(diǎn)強(qiáng)度。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)則情況中，常見(jiàn)到焊錫沒(méi)有完全濕潤(rùn)在頂部焊盤(pán)表面，也導(dǎo)致外觀的缺陷。通過(guò)減少焊盤(pán)表面積，它使得比較容易達(dá)到對(duì)這個(gè)縮小的焊盤(pán)表面積的完全覆蓋。雖然不是特別與板的布局有關(guān)，但是對(duì)模板的設(shè)計(jì)進(jìn)行了修改。例如，sony采用多印(over print)或增加修改的開(kāi)孔，來(lái)保證錫膏將完全濕潤(rùn)焊盤(pán)的表面。許多日本公司正企圖完全覆蓋表面貼裝焊盤(pán)，但是在歐洲和美國(guó)，在諸如金、銅 osp(有機(jī)可焊性保護(hù)層)和銀等選擇性的印刷電

5、路板(pcb)最終表面涂層上，經(jīng)常在回流(reflow)后看到基礎(chǔ)涂層。疊層板(laminate)在我們的訪問(wèn)期間，只討論了三種疊層材料，這些材料是現(xiàn)在使用的或者將來(lái)考慮用于未來(lái)產(chǎn)品的：fr4玻璃環(huán)氧樹(shù)脂、cem3合成物、和 fr5玻璃環(huán)氧樹(shù)脂。fr4疊層板被認(rèn)為是工業(yè)的疊層板支柱。這種材料有多層灌注有環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃纖維織物制成，是最廣泛使用的材料，因?yàn)樗峁┏杀?、電氣和機(jī)械性能之間最好的折衷。在過(guò)去，玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(tg)已經(jīng)達(dá)到 125，但是對(duì)于基本的 fr4的現(xiàn)行規(guī)格已經(jīng)增加到 130135，因?yàn)樵跇?shù)脂技術(shù)的改進(jìn)。cem3疊層板是有環(huán)氧樹(shù)脂的無(wú)紡玻璃纖維布的一種化合物核心。外層表面是以灌

6、注有環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃纖維織物。該材料主要作為一種低價(jià)材料用于電鍍通孔(plated through hole)。fr5疊層板使用多層具有一種多重性環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)的玻璃纖維織物，來(lái)提供更大的機(jī)械穩(wěn)定性。材料的 tg通常在 150160。fr4與 cem3現(xiàn)在正用于或者計(jì)劃用于未來(lái)的生產(chǎn)。有一個(gè)汽車(chē)生產(chǎn)商提到過(guò) fr5，因?yàn)樗麄冋诳紤]這種材料，由于這種材料改進(jìn)的 tg適合于汽車(chē)應(yīng)用?？珊感员砻嫱繉?solderable finishes)日本的公司比世界上其他地方的公司在所制造產(chǎn)品的 pcb上更多地使用經(jīng)過(guò)保護(hù)的銅表面。表面涂層描述為銅箔上涂蓋預(yù)上助焊劑(preflux)。傳統(tǒng)上，預(yù)上助焊劑描述為在

7、清潔的銅箔上的一種樹(shù)脂基涂層，但是這個(gè)術(shù)語(yǔ)在我們的會(huì)談期間用來(lái)描述 osp(有機(jī)可焊性保護(hù)劑)表面涂層。與我們交談的公司不打算因?yàn)檗D(zhuǎn)到無(wú)鉛焊接而改變這類(lèi)表面涂層，雖然也提到評(píng)估現(xiàn)在可以獲得的浸銀工藝的計(jì)劃。象在歐洲一樣，日本公司認(rèn)識(shí)到無(wú)鉛合金在銅表面的濕潤(rùn)和擴(kuò)散比錫/鉛的少。有一個(gè)公司使用這個(gè)信息作為在錫/銀/銅合金內(nèi)增加鉍的論點(diǎn)。我們觀察到鎳/金無(wú)電鍍表面涂層的例子。沒(méi)有人提到這些會(huì)由于轉(zhuǎn)移到無(wú)鉛焊錫合金而改變。我們也咨詢了無(wú)鉛的熱風(fēng)均勻法(hasl)表面涂層，包括正在評(píng)估取代錫/鉛合金的錫/銀和錫/鋅/鉍合金。無(wú)鉛缺陷類(lèi)型在制造期間，可能發(fā)生許多缺陷，由于在無(wú)鉛工藝期間需要的焊接溫度增加了

8、，因此隨后在現(xiàn)場(chǎng)的產(chǎn)品上也會(huì)發(fā)生缺陷。多年來(lái)，在歐洲和美國(guó)的公司都認(rèn)為最好的替代合金將是那些具有比現(xiàn)有的錫/鉛合金較高焊接溫度的材料。在日本的公司都傾向于尋找一種可以在較低的工藝溫度下使用的合金。今天，大多數(shù)公司都同意，一個(gè)最終的解決方案將是基于錫/銀/銅的一種合金。在日本的會(huì)談期間，除標(biāo)準(zhǔn)的工藝缺陷之外，還討論了濕潤(rùn)差、焊接焊腳失效和焊錫污染(氧化物)。這些缺陷特別與現(xiàn)在正在使用的無(wú)鉛工藝有關(guān)。無(wú)鉛焊錫與傳統(tǒng)的合金相比會(huì)增加濕潤(rùn)差或者有限的情況，因此有必要對(duì)現(xiàn)在的檢查標(biāo)準(zhǔn)作可能的改變。在歐洲和美國(guó)，有限的濕潤(rùn)經(jīng)常是視為理所當(dāng)然，因?yàn)槎鄶?shù)工程師都印刷比焊盤(pán)面積小的錫膏。至今，幾乎所有的焊腳失效

9、的例子都是與波峰焊接工藝有關(guān)的。在英國(guó)的試驗(yàn)也已經(jīng)看到發(fā)生在通孔元件上的這類(lèi)缺限，這些通孔元件已經(jīng)使用錫膏中的引腳工藝(pin-in-paste)或插入回流焊接工藝進(jìn)行了焊接。在日本，用錫膏的通孔元件焊接叫做多點(diǎn)焊接(multi-spot soldering)。sony已經(jīng)在其 discman(類(lèi)似于 walkman)的裝配線上使用多點(diǎn)焊接技術(shù)超過(guò)十年之久。在使用無(wú)鉛合金的波峰焊接之后，看到焊腳失效，一般在電鍍通孔板的板頂面出現(xiàn)。焊腳從板的表面升起，如圖二所示。圖二：掃描電子顯微鏡顯示一個(gè)焊腳從板的表面升起。在完整的報(bào)告中，強(qiáng)調(diào)了三種不同的焊腳失效，并討論了它們對(duì)可靠性的影響。圖三、四、五解釋

10、了所討論的這些問(wèn)題，但是來(lái)自一個(gè)歐洲的、當(dāng)使用插入式回流焊接時(shí)對(duì)錫/銀/銅合金進(jìn)行的評(píng)估。圖三：焊腳升起圖四：焊盤(pán)升起圖五：焊腳撕開(kāi)在過(guò)去，焊腳升起發(fā)生在厚的多層板上；在這些情況中，升起是純粹與板的 z軸膨脹與收縮有關(guān)的。現(xiàn)在，ipc對(duì)于 pcb的標(biāo)準(zhǔn) ipc-a-600不允許在裝配之前有升起焊盤(pán)的板供應(yīng)。對(duì)裝配的 ipc-a-600允許焊接之后升起的焊盤(pán)，并認(rèn)為是應(yīng)用級(jí)別 1，2和3的一個(gè)工藝標(biāo)志。升起允許到達(dá)一個(gè)焊盤(pán)的厚度。這類(lèi)缺陷的許多例子是在這個(gè)高度之上，認(rèn)為是不能接受的。有一家公司在介紹使用錫/鋅合金錫膏的無(wú)鉛裝配中強(qiáng)調(diào)了焊錫污染。視覺(jué)上，該缺陷看上去象已經(jīng)完全回流并結(jié)合在一起的少量錫膏，但是沒(méi)有形成錫球。通常，如果錫/鉛錫膏的顆粒留在阻焊層的表面上，或者流到片狀元件的下面，顆粒將回流和形成一個(gè)錫球。當(dāng)處于一個(gè)片狀或者小型有源元件之下時(shí)，顆粒將從零件的下邊出現(xiàn)并且叫做焊錫珠(solder bead)。原先，