無鉛化培訓(xùn)教材rohs

RoHS

(theRestritionoftheuseofcertainHazardousSubstauceinelectricalandelectronucequipment)《禁止在電氣電子設(shè)備中使用特定有害物質(zhì)指令》主持人：李海平時(shí)間：2005.11.512/7/20231RoHS2005秋季國際PCB技術(shù)/信息論壇時(shí)間表112/7/20232RoHS2005秋季國際PCB技術(shù)/信息論壇時(shí)間表212/7/20233RoHS內(nèi)容第一部分：電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化是一個(gè)系統(tǒng)工程第二部分：無鹵FR-4覆銅板“無鉛”化第三部分：對(duì)無鉛化的理解和PCB相關(guān)考慮

12/7/20234RoHS第一部分電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化是一個(gè)系統(tǒng)工程12/7/20235RoHS1、電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化的提出

長(zhǎng)期以來，在機(jī)械、化工和電子等領(lǐng)域中，鉛及其含鉛物質(zhì)，由于具有優(yōu)良的機(jī)械、化學(xué)和電氣特性，在地表內(nèi)儲(chǔ)藏量豐富，價(jià)格又便宜，因而在硫酸工業(yè)、巴比合金（以鉛為主體的合金）、電纜、蓄電池和防X-射線等范圍得到了大量而廣泛的應(yīng)用。近五十年來，鉛及其合金在電子產(chǎn)品中的PCB加工（電鍍、HASL等）、焊接與組裝（焊料、焊膏等）等領(lǐng)域內(nèi)也得到了廣泛地應(yīng)用。盡管鉛及其合金（絕大部分是鉛-錫合金）在電子產(chǎn)品的PCB工業(yè)（或電子產(chǎn)品行業(yè)）中所用的鉛僅占全世界的鉛耗用量的百分之二以內(nèi)，但是由于電子產(chǎn)品的制造（特別是PCB和元組件的加工與焊接或組裝等）使用，特別是廢棄電子產(chǎn)品中的鉛元素的污染與鉛含量將隨著電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展而明顯增加著。12/7/20236RoHS..

如果這些含鉛產(chǎn)品的制造加工、特別是廢棄的電子產(chǎn)品處理不當(dāng)（事實(shí)也證明了這個(gè)問題），鉛及其鉛離子就會(huì)滲透入土壤和污染水源，并以“食物”鏈（通過魚、蝦、蔬菜等）和直接（呼吸、飲水等）進(jìn)入人體內(nèi)部，特別是極容易進(jìn)入血液并積累起來，造成鉛中毒。這種鉛在人類中毒之前，大多呈現(xiàn)慢性癥狀隱匿不易覺察。當(dāng)鉛中毒之后：血濃度超標(biāo)；通常會(huì)引起多動(dòng)癥、脾氣急噪甚至攻擊人；注意力短暫、嗜睡無精神、記憶力下降、智力底下甚至癡呆；消化系統(tǒng)常會(huì)引起食欲不振、反復(fù)腹痛、腹瀉或便秘；造血系統(tǒng)表現(xiàn)為貧血、缺鋅；還會(huì)引起反復(fù)呼吸道感染等，特別是對(duì)小孩影響更甚（還會(huì)引起發(fā)育遲緩等）。從而在20世紀(jì)90年代前后充分引起了人們的重視。12/7/20237RoHS…

在20世紀(jì)90年代初，美國首先提出了無鉛工藝并相應(yīng)制定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來限制電子產(chǎn)品中的鉛的含量，但主要是由于當(dāng)時(shí)無鉛（PCB加工及其焊接焊料）技術(shù)還不成熟，沒有合適的取代品，加上若按這樣做，不僅電子產(chǎn)品的可靠性成問題，而且勢(shì)必加大相關(guān)制造商的制造成本，結(jié)果無鉛工藝及其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)被暫停下來，但是這個(gè)研究工作并沒有停頓起來，而是加大了對(duì)錫-鉛體系的取代品的開發(fā)研究。近十多年來，先后開發(fā)成功可實(shí)用化且接近錫-鉛體系性能與可靠性的錫-銀-銅體系（如SAC305，即Sn-96.5/Ag-3.0/Cu-0.5）和錫-銅體系（如Sn-99.2/Cu-0.8）等，條件和時(shí)機(jī)已接近成熟。12/7/20238RoHS….

于是，歐盟于2003年2月13日頒發(fā)了ROHS即《禁止在電氣電子設(shè)備中使用特定有害物質(zhì)指令》和WEEE即《廢棄電氣電子設(shè)備指令》的兩個(gè)指令，并將在2006年7月1日起正式實(shí)施。接著，中國也相續(xù)進(jìn)行了《電子信息產(chǎn)品污染防止管理辦法》和《電子產(chǎn)品污染管理辦法》等的相關(guān)立法（草案）工作，以便控制國內(nèi)電子產(chǎn)品加工、組裝、使用和廢棄等對(duì)環(huán)境的污染與危害，并鼓勵(lì)和推動(dòng)電子產(chǎn)品走‘綠色化的清潔生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展的道路。這些《指令》等頒布和即將實(shí)施，意味著將對(duì)電子行業(yè)的和其它行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，也意味著無鉛等變革時(shí)代的開始與到來，需要有關(guān)的行業(yè)共同來大力改進(jìn)與完善這項(xiàng)事業(yè)。12/7/20239RoHS…..

兩個(gè)《指令》的核心內(nèi)容：（一）2006年7月1日起，新投放市場(chǎng)的電氣電子產(chǎn)品應(yīng)不含鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻、多（聚）溴聯(lián)苯（PBB）和多（聚）溴聯(lián)苯醚（PBDE）等六種有害物質(zhì)，而作為樹脂阻燃劑的四溴雙酚A（TBBPA）沒有列人；（二）生產(chǎn)商負(fù)責(zé)回收廢棄電氣電子設(shè)備的收集、分類和處理，并負(fù)擔(dān)相關(guān)的費(fèi)用；（三）處理廢棄電氣電子設(shè)備的機(jī)構(gòu)應(yīng)獲得主管機(jī)關(guān)（部門）的許可，處理廢棄電氣電子設(shè)備的單位在存放和處理廢棄電氣電子設(shè)備時(shí)應(yīng)符合WEEE附件三的要求。12/7/202310RoHS……

從上述兩個(gè)《指令》中，可看出：作為電子產(chǎn)品中最重要的部件之一－－PCB（或CCL基材）中用量最大的阻燃劑－四溴雙酚A（TBBPA），經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)踐和反復(fù)完成的年科學(xué)試驗(yàn)表明是無害的，不在有害物質(zhì)之例（列）。接著，歐盟又在2004年12月最新修訂的危險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告中確認(rèn)“四溴雙酚A”對(duì)人體健康是安全的，而對(duì)環(huán)境危險(xiǎn)評(píng)估將在2005年內(nèi)完成，2005年7月在深圳的“覆銅板及印制電路綠色環(huán)保生產(chǎn)與四溴雙酚A的應(yīng)用研討會(huì)”上，BSEF主席DrRaymondBDawson又重申了這個(gè)觀點(diǎn)，并指出四溴雙酚A允許繼續(xù)使用。從目前情況來看，對(duì)PCB或CCL的沖擊是無鉛化焊料問題而不是無鹵化阻燃劑問題。因此，無鉛化是目前和未來推動(dòng)CCL材料、PCB生產(chǎn)和電子組裝等行業(yè)變革與發(fā)展的熱點(diǎn)。同時(shí)，無鉛化電子產(chǎn)品是指電子產(chǎn)品（含原輔材料、PCB、元器件）在制造、加工、焊接、組裝和使用等過程中不含鉛成分的產(chǎn)品（即：實(shí)際規(guī)定質(zhì)量比的Pb≤0.1%wt）。12/7/202311RoHSRoHS限制的化學(xué)物質(zhì)含量

特定有害物質(zhì)最大容許量Hg(水銀)0.1wt％Cd(鎘)0.01wt％Pb(鉛)0.1wt％Cr(VI)(六價(jià)鉻)0.1wt％PBB(多溴聯(lián)苯)0.1wt％PBDE(多溴聯(lián)苯醚)0.1wt％12/7/202312RoHSRoHS指令記載的規(guī)制對(duì)象外項(xiàng)目

12/7/202313RoHS2、無鉛化焊料及其特性

無鉛焊料與傳統(tǒng)Sn－Pb焊料相比，不僅組成體系不同，而且在各種性能上有著很大的差別。同時(shí)，傳統(tǒng)Sn－Pb焊料體系已經(jīng)應(yīng)用50多年的歷史了，有著成熟的應(yīng)用技術(shù)工藝和豐富的使用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而無鉛化焊料，盡管研究了20多年，到目前為止，比較成熟的或勉強(qiáng)能取代Sn－Pb焊料體系的，主要是Sn－Ag－Cu（SAC305）焊料體系，然而無鉛焊料的實(shí)踐應(yīng)用，無論從應(yīng)用時(shí)間，還是從由于應(yīng)用領(lǐng)域與產(chǎn)量都是不多或者是有限的。因此，我們必須對(duì)其深入加以了解，掌握其應(yīng)用中的基本特點(diǎn)、問題和發(fā)展方向，所以無鉛焊料是電子產(chǎn)品整個(gè)無鉛化工程的關(guān)鍵部分。同時(shí)，按無鉛化焊料的誕生、發(fā)展和應(yīng)用等過程來看，無鉛化焊料還是個(gè)“新生事物”，總需要有一個(gè)從無到有、從小到大、從弱到強(qiáng)的發(fā)展壯大的過程。但是，這個(gè)無鉛焊料及其焊接的“新生事物”對(duì)整個(gè)電子產(chǎn)品的制造、加工、焊接、組裝、檢測(cè)和使用等所帶來的沖擊和影響的程度，毫無疑問會(huì)給我們帶來新的認(rèn)識(shí)、新的內(nèi)容、新的方向和新的問題，必須加以了解和掌握，知己知彼，做好相關(guān)的工作，才能把握與控制無鉛化生產(chǎn)產(chǎn)品主動(dòng)權(quán)。12/7/202314RoHS2.1、無鉛化焊料的基本條件

電子產(chǎn)品采用Sn/Pb（63/37或60∽70/40∽30）焊料已有50多年的歷史了，形成了非常成熟的技術(shù)工藝和豐富的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此要取代傳統(tǒng)的有鉛焊料無鉛焊料必須符合或者接近有鉛焊料的一些基本特性和要求。其中，最重要地是：

（1）無鉛焊料組成的合金低共（晶）熔點(diǎn)；（2）無鉛焊料的可焊性（潤(rùn)濕性）；（3）無鉛焊料的可靠性（形成的電子產(chǎn)品的可靠性）。

12/7/202315RoHS（1）無鉛焊料組成的合金低共（晶）熔點(diǎn)

從電子產(chǎn)品的焊接和組裝等工藝技術(shù)條件的要求考慮，不能破壞電子產(chǎn)品中的元器件、組裝件和PCB基板等的基本特性，因此無鉛焊料組成的合金低共（晶）熔點(diǎn)應(yīng)盡量接近傳統(tǒng)Sn－Pb焊料合金低共（晶）熔點(diǎn)183℃，在焊接時(shí)，過高的無鉛焊料合金低共（晶）熔點(diǎn)溫度將會(huì)破壞電子產(chǎn)品中的元器件、組裝件和PCB基板等的基本特性。這是因?yàn)橛腥缦轮T多理由來決定了的:

(a)元器件、組裝件和PCB基板在高溫焊接時(shí)的適應(yīng)性。由于長(zhǎng)期以來采用傳統(tǒng)的Sn－Pb合金焊料體系，因此所建立起來的元器件、組裝件和PCB基板等的耐熱溫度是與Sn－Pb焊料合金體系的焊接條件與要求相適應(yīng)的。如果無鉛焊料合金的低共熔點(diǎn)溫度過高（或遠(yuǎn)超過183℃），這意味著其焊接溫度也會(huì)遠(yuǎn)超過Sn－Pb焊料合金的焊接溫度，當(dāng)無鉛焊料的焊接溫度超過元器件、組裝件和PCB基板的耐熱溫度時(shí)，則意味著不能保證（保持）焊接組裝后的元器件、組裝件和PCB基板等的基本性能。12/7/202316RoHS..

從目前來看，可以取代傳統(tǒng)Sn－Pb焊料的最佳無鉛焊料組成為Sn－Ag－Cu合金體系，其低共（晶）熔點(diǎn)為217℃，高出Sn－Pb焊料合金的低共（晶）熔點(diǎn)34℃。因此無鉛Sn－Ag－Cu合金焊料的焊接溫度也相應(yīng)得高出20∽40℃之間。為了適應(yīng)無鉛化焊料的低共（晶）熔點(diǎn)溫度的提高，對(duì)于耐熱性能較差的某些少數(shù)元器件、組裝件和PCB基板等應(yīng)及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)與提高，如常規(guī)的PCB基板所用的普通FR－4基材，其環(huán)氧樹脂的分解溫度（Td）太低，大多為310℃左右，必須改進(jìn)并提高到350℃左右，才能適應(yīng)目前無鉛化焊料的焊接條件的要求。對(duì)于耐熱性能較差的元器件、組裝件和PCB基板，可以采用比傳統(tǒng)Sn－Pb焊料體系低共（晶）熔點(diǎn)溫度低的無鉛焊料進(jìn)行焊接，如Sn－Bi（58%wt）焊料合金的低共（晶）熔點(diǎn)為139℃，但由于Sn－Bi焊料合金的性能決定著它僅適應(yīng)于低成本、代檔次或可靠性要求不高的低檔電子產(chǎn)品的領(lǐng)域。12/7/202317RoHS…

(b)焊接設(shè)備與設(shè)施在高溫焊接時(shí)的適應(yīng)性。目前絕大多數(shù)的焊接設(shè)備和設(shè)施是以傳統(tǒng)的Sn-Pb合金焊料的焊接溫度與條件來建立的。同理，由于無鉛化焊料的低共(晶)熔點(diǎn)溫度的提高，隨之而來必須提高焊接前的預(yù)熱溫度與時(shí)間、焊接的最高溫度與時(shí)間等，這就意味著必須提高無鉛焊料的焊接設(shè)備的耐熱性能、甚至耐腐蝕性能(如無鉛焊料會(huì)明顯腐蝕不銹鋼操，因而要改用鈦鋼材料等)和相應(yīng)的設(shè)施條件。因此，很高的無鉛合金焊料低共（晶）熔點(diǎn)會(huì)受到目前大多數(shù)現(xiàn)有的生產(chǎn)加工、焊接、組裝設(shè)備與條件的制約，同時(shí)對(duì)電子產(chǎn)品性能、可靠性和成本等各方面都是不利的。12/7/202318RoHS（2）無鉛焊料組成合金的可焊性（濕潤(rùn)性）

從電子產(chǎn)品的焊接工藝條件的基本要求上，最重要的是要求無鉛焊料具有好的可焊性，也就是說在焊接溫度下，熔融的無鉛焊料對(duì)元器件的引腳（或凸塊等）和PCB上的焊盤（墊）應(yīng)具有良好的潤(rùn)濕性，只有良好的濕潤(rùn)性才能得到良好的可焊性的焊接點(diǎn)，這是非常重要的。無鉛焊料的可焊性的好壞是指在焊接溫度下潤(rùn)濕性程度而言的。而無鉛焊接溫度下的潤(rùn)濕性好壞是有其表面張力（參見表3）大小來決定的，表面張力越大，其潤(rùn)濕性就越差，可焊西就越好。因此，無鉛焊料在焊接溫度下潤(rùn)濕性，從而保證其焊接性。盡管提高焊接溫度可以降低無鉛焊料的表面張力和提高潤(rùn)濕性，但是，過高的處理溫度和焊接溫度對(duì)于電子產(chǎn)品的整體可靠性是非常不利的，而采用添加助焊劑可以改善焊接的表面張力和可焊性，但它仍然是十分有限的（在傳統(tǒng)Sn-Pb焊料的焊接中已經(jīng)采用，不可能再降低表面張力，相反，由于無鉛焊料的焊接溫度更高會(huì)破壞助焊劑而失去降低表面張力的助焊劑作用，要開發(fā)和采用更耐高溫的助焊劑，如≥300℃），表面張力和可焊性的大小主要取決于無鉛焊料本身的組成與特性的。12/7/202319RoHS（3）無鉛焊料的焊接點(diǎn)可靠性

影響電子產(chǎn)品可靠性的因素是非常多的，而無鉛焊料所形成的焊點(diǎn)的可靠性是其中最重要的因素之一:（a）焊點(diǎn)焊料的耐熱疲勞強(qiáng)度。焊點(diǎn)的可靠性主要是由焊料本身的機(jī)械-物理特性來決定的，特別是焊料所形成的焊點(diǎn)的耐（抗）熱疲勞強(qiáng)度大小是十分關(guān)鍵的，就是說焊料不僅要有能夠與元器件的引腳和PCB上焊盤（墊）金屬表面形成良好的結(jié)合力，而且焊料本身還有應(yīng)具有良好的耐（抗）熱疲勞強(qiáng)度，焊點(diǎn)總是不斷地受到熱的沖擊，避免不了要發(fā)生“熱脹“，“冷縮”現(xiàn)象，加上由于元器件的引腳的CTE（熱膨脹系數(shù)）和PCB的X-Y方向CTE之間的差別，在焊點(diǎn)內(nèi)的焊料層必然由“熱脹”或“冷縮”而形成殘余（剪）應(yīng)力（俗稱為熱應(yīng)力）。當(dāng)這種殘余應(yīng)力大小≥（特別是超過）焊料的耐疲勞強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生焊點(diǎn)處斷裂，威脅著焊點(diǎn)的可靠性。12/7/202320RoHS..

（b）焊點(diǎn)焊料的結(jié)合強(qiáng)度。在焊點(diǎn)處的結(jié)合強(qiáng)度是指元器件引腳金屬表面與焊料之間、焊料與PCB焊盤（更確切地說應(yīng)是PCB焊盤上的金屬表面，可以說Cu、Au、Sn、Ag、Ni等）之間的結(jié)合強(qiáng)度。同理，也由于焊點(diǎn)處的CTE差別在焊接和隨后的使用工程中的“熱脹”、“冷縮”等引起的殘余應(yīng)力（或熱應(yīng)力），當(dāng)這種殘余應(yīng)力≥元器件的引腳金屬表面與焊料之間的結(jié)合力、或者焊料與PCB焊盤金屬表面之間的結(jié)合力時(shí)，在焊點(diǎn)的元器件引腳金屬表面處或PCB焊盤上金屬表面處,便會(huì)發(fā)生剝離現(xiàn)象而影響可靠性。12/7/202321RoHS…

（c）焊點(diǎn)焊接的完整性（潤(rùn)濕性的表現(xiàn)）。這是指焊點(diǎn)處的焊接缺陷率程度而言。大家知道，焊點(diǎn)處的焊接缺陷與焊料類型、組成和生產(chǎn)（設(shè)備、操作等）條件等有關(guān)。在這里主要是指焊料本身的物理特性來說的，特別是指焊料在焊接溫度下的表面張力（或潤(rùn)濕性）大小關(guān)系更大，正如前面可焊性一節(jié)中所述的那樣，焊料在焊接時(shí)的表面張力越大，焊料的濕潤(rùn)性就越差，則焊接的焊點(diǎn)的完整性就越不好，如焊點(diǎn)不飽滿、空洞、剝離、脆裂等。由于無鉛焊料的表面張力，因而出現(xiàn)這些缺陷的幾率和程度就較大，可從下面有關(guān)章節(jié)中得到答案或理解。12/7/202322RoHS2.2、無鉛化焊料類型與主要特點(diǎn)

二十年來，歐美、日本等對(duì)無鉛焊料體系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和開發(fā)，到目前為止，已經(jīng)取得許多成果和進(jìn)步，某些體系的性能已經(jīng)接近有鉛（Sn-Pb）焊料的特性，如Sn-Ag-Cu體系的SAC305等是目前最有可能取代Sn-Pb體系的無鉛焊料，并在工業(yè)電子產(chǎn)品開始得到了應(yīng)用，盡管在航天、航空和國防等高可靠性的領(lǐng)域內(nèi)，有鉛（Sn-Pb）焊料還要繼續(xù)使用一段時(shí)間，但是，隨著時(shí)間的推移和無鉛焊料性能的不斷改進(jìn)，無鉛焊料也一定會(huì)應(yīng)用帶這些高可靠性的領(lǐng)域上的。而對(duì)于低檔次的民用電子產(chǎn)品可以采用低共（晶）熔點(diǎn)和性能較差的無鉛焊料，在發(fā)達(dá)的歐美、特別是日本已經(jīng)開始應(yīng)用推廣了。這些成果和進(jìn)步已經(jīng)表明：2006年7月1日起電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，全球無鉛化電子時(shí)代已經(jīng)到來了。12/7/202323RoHS（1）無鉛焊料的類型

以錫（Sn）金屬為基礎(chǔ)的無鉛焊料可分為二元體系、三元體系、甚至四元體系等，表1列出的是目前認(rèn)為有應(yīng)用價(jià)值的無鉛焊料成分和組成情況。

從表1中可以看出無鉛焊料類型：到目前為止，研究、實(shí)驗(yàn)和試用的二元體系主要集中于Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Zn和SnBi等四個(gè)系列上，而從焊接性能（可靠性）和可靠性角度看，最好使用價(jià)值的應(yīng)是三元體系的SnAgCu（SAC305，其組成為96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu，％wt）體系。12/7/202324RoHS（2）無鉛焊料的基本特性

實(shí)際上，表1不僅列出無鉛焊料的類型，而且也列出了他們最基本特征-低共（晶）熔點(diǎn)和要求的回（再）流焊溫度（通常應(yīng)比低共熔點(diǎn)提高20~40℃）。由于各種無鉛焊料的研究不長(zhǎng)，試用不多，使用（即批量生產(chǎn)）極少，大多還處于改進(jìn)和在開發(fā)之中，加上相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還沒有指定出來或正在制定之中（一般說來，標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)是在產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用到一定時(shí)間之后才能制定出來的），所以有關(guān)無鉛焊料的基本特性還沒有完全統(tǒng)一起來，報(bào)道的也不多且特性相差甚遠(yuǎn)。表2列出的二元體系無鉛焊料的基本特性大有關(guān)文章報(bào)道的綜合數(shù)據(jù)。12/7/202325RoHS2.3、無鉛焊料與有鉛焊料的比較

正如前面所述，目前的無鉛焊料，從可焊性和可靠性等各方面綜合結(jié)果看，最有希望并能取代有鉛焊料（系指?jìng)鹘y(tǒng)的Sn-Pb體系）的類型與組成應(yīng)是三元體系的96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu（又可寫成SAC305）。各種性能（化學(xué)、物理和機(jī)械等）都處在其他無鉛焊料體系之上。因此，我們拿SAC305和傳統(tǒng)63Sn/37Pb組成的有鉛焊料進(jìn)行比較。具體情況參見表312/7/202326RoHS

表3無鉛焊料與有鉛焊料的比較

12/7/202327RoHS

表4無鉛的SAC305焊料與Sn-Pb焊料的焊接性能的比較

從目前的無鉛焊料和Sn-Pb焊料的焊接性能與效果來看，Sn-Pb焊料的焊接性能與效果仍然好于無鉛焊料的焊接性能，主要性能比較見表4。12/7/202328RoHS..

從表3和表4的無鉛焊料（SAC305）和有鉛焊料（63Sn/37Pb）的主要特性比較中可以看出，除了無鉛焊料SAC305的抗熱疲勞強(qiáng)度較好外，其它性能只是以不同程度接近傳統(tǒng)的有鉛焊料，但是比才傳統(tǒng)的有鉛焊料（63Sn/37Pb）的性能來得差。這表明：無鉛焊料要完全取代傳統(tǒng)的有鉛焊料、特別是在高可靠性要求的航天、航空和國防軍事領(lǐng)域還有時(shí)日，但在民用、工業(yè)用等的電子產(chǎn)品領(lǐng)域肯定會(huì)從有鉛焊料過渡到無鉛焊料上來，并必然全面的實(shí)施起來；而無鉛焊料會(huì)在實(shí)施過程中，通過“實(shí)踐、發(fā)現(xiàn)、改進(jìn)”的良性循環(huán)得到發(fā)長(zhǎng)進(jìn)步，最終在各個(gè)領(lǐng)域中必將得到全面地推廣和應(yīng)用。12/7/202329RoHS3、無鉛化焊料的焊接

從上述的無鉛焊料的提出、無鉛焊料及其特性中得知，僅以目前無鉛焊料的試用和有關(guān)報(bào)道來看，無鉛焊料的焊接，不僅要研究解決自身的特征問題，而且更要研究無鉛焊料焊接對(duì)電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化帶來的整個(gè)系統(tǒng)工程的影響問題。由于無鉛焊料還沒有正式實(shí)施，現(xiàn)有的報(bào)道大多是研究部門（如高校、研究所、大企業(yè)集團(tuán)）的先行者和評(píng)論者等的報(bào)告與論文，但為數(shù)也不多，可能是由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)需要或先行實(shí)施無鉛化應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)（特別是整個(gè)系統(tǒng)工程的相互關(guān)系）等還有限的緣故。傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品的焊接方法主要有三種，即波峰焊接、回（再）流焊接（紅外焊接、熱風(fēng)焊接、汽相焊接等）和手工焊接。盡管無鉛焊料的焊接還必須延續(xù)這些焊接方法，但是，就目前無鉛焊料的焊接來看，最關(guān)鍵的有三大問題：（一）是無鉛焊料合金組成的低共（晶）熔點(diǎn)偏高；（二）是無鉛焊料合金潤(rùn)濕性差，焊接需要有更高的焊接溫度和更長(zhǎng)的高溫停留時(shí)間；（三）是無鉛焊料焊接后的焊點(diǎn)（或焊接）的可靠性問題。

12/7/202330RoHS3.1、是無鉛焊料合金組成的低共（晶）熔點(diǎn)

從目前的無鉛焊料可實(shí)用性角度來看，大多數(shù)的無鉛焊料合金組成的低共（晶）熔點(diǎn)是很高的，如現(xiàn)在最佳的SAC305低（晶）熔點(diǎn)為217℃，比起傳統(tǒng)的63Sn/37Pb有鉛焊料的低共（晶）熔點(diǎn)（183℃）高出34℃。按照傳統(tǒng)Sn-Pb焊料合金的長(zhǎng)期應(yīng)用實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)，焊料的焊接溫度要高出焊料合金的低共（晶）熔點(diǎn)40~60℃左右。這就意味著無鉛焊料（SAC305和SAC405）的焊接溫度比傳統(tǒng)的63Sn-37Pb焊料的焊接溫度還得提高20~40℃之間。同樣，對(duì)于所焊接的元器件、PCB等的預(yù)熱溫度也得相應(yīng)提高溫度（目前大多提高50℃左右），更高的預(yù)熱溫度和焊接溫度、更長(zhǎng)的高溫焊接時(shí)間和更快的冷卻速度等對(duì)元器件、PCB基板都帶來了靈感大的考驗(yàn)與挑戰(zhàn)，如圖1所示12/7/202331RoHS圖1Sn-Pb焊料與Sn-Ag-Cu焊料的焊接溫度曲線12/7/202332RoHS3.2、無鉛焊料合金的潤(rùn)濕性能

無鉛焊料合金（SAC305為例）在高溫熔融時(shí)，由于表面張力比傳統(tǒng)63Sn-37Pb焊料來得大（見圖2），因此其潤(rùn)濕性能較差，其潤(rùn)濕時(shí)間要長(zhǎng)，如在230~260℃之間，無鉛SAC305焊料的焊接潤(rùn)濕時(shí)間是傳統(tǒng)Sn-Pb焊料的2~3倍（見圖3）。這就意味著：無鉛SAC305焊料的焊接溫度不僅要有更高的溫度（20~40℃），而且在高溫焊接的停留時(shí)間也要長(zhǎng)（大約要再增加1/3的時(shí)間），才能獲得較滿意的焊接效果。同時(shí)，高溫焊接后的冷卻速度應(yīng)比傳統(tǒng)Sn-Pb焊料焊接后的~冷卻速度快一倍才行，否則會(huì)使焊點(diǎn)的潤(rùn)濕性（或飽滿程度）變差和產(chǎn)生裂縫等，但快速冷卻也會(huì)容易引起微空洞等，只能采取折衷的方案。無鉛焊料的潤(rùn)濕性較差和高溫焊接需要停留時(shí)間較長(zhǎng)的根本原因是由于這些無鉛化焊料在焊接的高溫下具有較大的表面張力的結(jié)果,因?yàn)楸砻鎻埩κ鞘谷廴诘臒o鉛焊料的液體表面縮小(即反抗表面擴(kuò)展)的一種力,也就是說是反抗焊接潤(rùn)濕性能的,因此表面張力大是無鉛焊料的潤(rùn)濕性較差的主要原因,同時(shí),也正因?yàn)闊o鉛焊料的表面張力大,為了保持焊接的焊點(diǎn)的完(飽)滿性,從而必須采用高溫下快速地冷卻(一般為6c/s),下來,以便能滿足這種要求,而采用常規(guī)Sn-Pb焊料的緩慢的冷卻速度的（一般為3C/s）,不僅潤(rùn)濕性差,而且會(huì)帶來更多的焊點(diǎn)缺憾,當(dāng)然,更快冷卻速度可以得到很好的潤(rùn)濕性焊點(diǎn),但是會(huì)引起更大大熱應(yīng)力問題，所以通過實(shí)驗(yàn)兼顧各種性能而采用的折中方案是最科學(xué)的。12/7/202333RoHS圖2傳統(tǒng)63Sn/37Pb焊料和無鉛SAC305焊料的表面張力隨溫度變化情況圖3傳統(tǒng)Sn-Pb焊料與兩種無鉛焊料的潤(rùn)濕時(shí)間與溫度的關(guān)系12/7/202334RoHS3.3、無鉛焊料焊接的可靠性

(1)無鉛焊料的焊接點(diǎn)可靠性。

從目前無鉛焊料的實(shí)驗(yàn)、試用和報(bào)道等來看,無鉛焊料的焊接點(diǎn)在抗熱疲勞性能(強(qiáng)度)較優(yōu)于傳統(tǒng)Sn-Pb焊料外,其他的性能皆劣與傳統(tǒng)Sn-Pb焊料所形成的焊接點(diǎn),無鉛焊料所形成的焊接點(diǎn)比起傳統(tǒng)Sn-Pb焊料主要有如下不足和缺陷：☆①易于形成微空洞(micro-voids)。這些微空洞主要發(fā)生在PCB焊盤(墊)表面與焊接接觸的界面處(見圖4)，尤其是銅焊盤的銅與錫界面之間將較為嚴(yán)重，因此焊盤上涂覆有OSP，化學(xué)鍍銀，化學(xué)鍍錫等是較易于形成微空洞的，這些涂(鍍)覆層很薄而僅僅是保護(hù)銅表面(防氧化)作用，在焊接時(shí)無鉛焊料與銅表面發(fā)生作用，而熱風(fēng)整平(HASL或HAL)和化學(xué)鎳/金與無鉛焊料的界面處，在焊接時(shí)引起的微空洞是較少的，主要原因是無鉛焊料的表面張力大，再加上0SP,化學(xué)銀,化學(xué)錫和化學(xué)鎳/金的涂(鍍)覆層總會(huì)含有不同程度微量有機(jī)物(主要來自添加劑)，兩者的共同左右都會(huì)引起有不同程度的微空洞存在。12/7/202335RoHS圖4無鉛焊料與焊盤界面處的微空洞12/7/202336RoHS②微空洞的危害性

無鉛焊料焊接點(diǎn)處的微空洞是指焊料與焊盤界面處的微空洞，其空洞最大直徑可達(dá)40um，危害是很大的，它關(guān)系到焊接的可靠性問題。因?yàn)椋海╝）焊料與焊接界面處的空洞就意味著接觸面積減少了，由于焊接點(diǎn)的結(jié)合力大小是由結(jié)合強(qiáng)度和接觸面積來決定的，也就是說焊接點(diǎn)的結(jié)合力減少了，結(jié)合力減少的程度將取決于微空洞的多少；（b）隨著PCB等的高密度化的發(fā)展，焊接點(diǎn)和焊盤的接觸面積將越來越小，也就是說焊接點(diǎn)的結(jié)合力也越來越?。僭O(shè)焊料與焊盤的結(jié)合強(qiáng)度不變），如果這些微空洞的仍然存在，則其結(jié)合力將變得更小；（c）這些微空洞的存在也是焊接點(diǎn)可靠性潛在的危險(xiǎn)因素，在產(chǎn)品使用過程中，由于環(huán)境條件（特別是溫度變化）的變化，使這些微空洞發(fā)生變化（如熱脹冷縮）形成內(nèi)應(yīng)力，從而削弱或破壞結(jié)合力；（d）這些微空洞甚至可禍藏或滋生有害氣體與物質(zhì)等，當(dāng)然也會(huì)損害焊接點(diǎn)的結(jié)合力。這些微空洞影響焊接的可靠性主要表現(xiàn)在焊接外焊料與焊盤虛（假）焊、剝離、斷裂等現(xiàn)象，好在無鉛焊料具有較好的抗熱疲勞強(qiáng)度，較少的微空洞存在仍然可以保證可靠性所必須的結(jié)合力的。12/7/202337RoHS③微空洞的成因

從無鉛焊料在焊接中會(huì)出現(xiàn)較多的微空洞結(jié)構(gòu)，并且主要存在于焊盤的銅表面與焊料的錫的界面之處。因此，產(chǎn)生這些微空洞的原因，除了上述①理由外，還與在制板上的銅表面狀態(tài)和無鉛焊料的錫特征等有關(guān)。對(duì)于在制板銅表面來說主要是表面粗糙度和清潔性方面，很顯然較小的粗糙度和清潔的銅表面是有利于降低微空洞機(jī)率的，因此PCB的焊盤表面應(yīng)該盡量降低粗糙度和提高表面清潔度。但是，我們還應(yīng)該看到無鉛焊料不僅含有更多的錫（比傳統(tǒng)Sn-Pb焊料的Sn含量），而且它的焊接是在更高的熔融溫度和更長(zhǎng)的時(shí)間下進(jìn)行的，這就意味著錫和銅之間形成的界面合金化合物（IMC）會(huì)更加嚴(yán)重，這些IMC（主要是Sn和Cu之間的各種合金化合物，由于是富Sn的條件，因此以Cu6Sn5合金化合物為多。但是無鉛焊料在高溫焊接時(shí)，焊接溫度比傳統(tǒng)Sn-Pb焊料更高，加上無鉛焊料在焊接溫度時(shí)的表面張力大，潤(rùn)濕性差，因此使Sn和Cu流動(dòng)與擴(kuò)散（主要是Ｓn向Cu表面流動(dòng)與擴(kuò)散）不均勻，來不及形成整體而均勻的Cu6Sn5等IMC潤(rùn)濕層，而是出現(xiàn)大小不一的微空洞，即所謂的Kirkendallvoids。因此，從這種微空洞的成因上看，降低無鉛焊料的表面張力（可加入某些微量金屬元素）、降低銅表面粗糙度和提高清潔度也是有利的。12/7/202338RoHS(2)無鉛焊料在焊接時(shí)PCB的可靠性

由于無鉛焊料要求更高的預(yù)熱溫度、焊接溫度和更長(zhǎng)的高溫焊接時(shí)間，因此PCB基板將受到比傳統(tǒng)Sn－Pb焊料體系焊接更大（高）的熱沖擊和熱應(yīng)力，從而使PCB基板也帶來更大的損害，其結(jié)果必然要影響PCB基板的可靠性。無鉛焊料在焊接時(shí)影響常規(guī)PCB基板的可靠性，主要在有五個(gè)方面：

①

基板分層、裂縫、變色等；②層間連接的導(dǎo)通孔發(fā)生裂縫、斷開，甚至剝離（類似凹縮）；③焊盤（連接盤）翹起、脫落；④PCB基板扭曲、翹曲；⑤更易于發(fā)生CAF現(xiàn)象。

這五個(gè)方面發(fā)生的危害皆是與熱成正比例的，因而其危害程度將比傳統(tǒng)Sn-Pb焊料在焊接時(shí)帶來機(jī)率更多、幾率更高、程度更大。這些危害與克服，既是對(duì)CCL的要求，又是向PCB基板的挑戰(zhàn)。12/7/202339RoHS

①PCB

基板分層、裂縫、變色等問題

PCB基板分層、裂縫和變色等的程度都是與熱成正比例的由于無鉛焊接溫度傳統(tǒng)Sn-Pb焊料要高20∽40℃(見表5),而在高溫焊接(熔融態(tài))時(shí)的停留時(shí)間要長(zhǎng)1/3∽1/2(見表3)這樣便易發(fā)生如下問題：(a)由于基板內(nèi)材料CTE（熱膨脹系數(shù)）的差異，在常規(guī)PCB基板發(fā)生層內(nèi)半固化片與CCL基片之間(含導(dǎo)電圖形)之間更易于發(fā)生分層起泡；（b）基板介質(zhì)層內(nèi)玻纖布與樹脂或板面樹脂發(fā)生微裂縫，這是由于玻纖布的CTE（5∽7ppm/℃）和樹脂的CTE（常規(guī)環(huán)氧樹脂小于Tg溫度下，CTE約為80ppm/℃,而≥Ｔg溫度時(shí)，其CTE將超過200ppm/℃）差別，或者是銅箔（CTE為17ppm/℃）與介質(zhì)層（CTE為14∽17ppm/℃）的CTE差別，甚至CCL基片和半固化片的CTE（即主要是‘新’、‘舊’介質(zhì)層）之間差別等而引起的，也有可能是與樹脂的分解溫度（Td）較低有關(guān)；（c）PCB基板表面變色（開始炭化的象征），這表明高的溫度下已經(jīng)使樹脂結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化或發(fā)生分解現(xiàn)象。焊料體系合金低共熔點(diǎn)（℃）熱風(fēng)焊料整平（℃）最高焊接溫度（℃）熔融停留時(shí)間（秒）Sn-Ag-Cu系217250~260250~26090Sn-Cu系227260~270260~27090Sn-Pb系183220~240220~24060

表5在焊接時(shí)無鉛焊料與Sn-Pb焊料的操作條件

12/7/202340RoHS②層間連接導(dǎo)通孔的裂縫、斷開與剝離

這是指PCB基板厚度（Z）方向發(fā)生可靠性問題。同理。她也是基板內(nèi)介質(zhì)層和導(dǎo)通孔銅鍍層之間CTE差別而引起的可靠性問題，所不同的是這種CTE的差別，主要是樹脂與孔內(nèi)鍍銅層在Z方向的CTE差別大而發(fā)生的。PCB多層板的顯微切片金相圖中，所引起的裂縫、斷開和剝離主要發(fā)生在：（a）在第2層和第（n-1）層與通孔銅鍍層斷開，因?yàn)樵谶@兩個(gè)連接處是多層PCB基板內(nèi)銅結(jié)合較差（與最外層比）和第二大的膨脹處，當(dāng)然也是CTE差別最大處；（b）在孔內(nèi)壁某處局部裂縫，大多是發(fā)生在孔內(nèi)鍍層有缺陷處，如空洞、雜質(zhì)或鍍銅層較薄地方等；（c）在孔內(nèi)壁某處發(fā)生環(huán)行斷開（裂），主要是由于孔內(nèi)銅鍍層厚度不均勻（往往發(fā)生在最薄處）造成的，特別是常規(guī)的直流電鍍的情況。當(dāng)然這三種缺陷情況也可能由于銅鍍層的延展性不高（如銅鍍層的延展性≤12％時(shí)）在無鉛焊料的焊接條件下加劇了這些缺陷的發(fā)生幾率與程度。12/7/202341RoHS③焊盤翹起與脫落

在無鉛焊料焊接時(shí)，PCB基板上的焊盤會(huì)出現(xiàn)幾率更多的翹起與脫落，從研究與報(bào)道的情況來看，主要有兩個(gè)方面的原因：（a）是在高熱（高溫焊接）沖擊下，由于不同材料（銅泊與樹脂）CTE差別引起的高熱應(yīng)力而產(chǎn)生的，這意味著高的熱應(yīng)力（注意：這里是指無鉛焊料的焊接后的高凝固點(diǎn)和快速的冷卻速度等產(chǎn)生的）已超過了焊盤銅箔與樹脂之間的結(jié)合力；（b）除了（a）的原因外，焊盤銅箔處具有更高的溫度（銅的導(dǎo)熱率高、傳熱也高），使焊盤下的樹脂表面具有更高的溫度，從而使樹脂（特別是常規(guī)的環(huán)氧樹脂的分解溫度較低，即Td=310~320℃之間）發(fā)生局部的高溫分解所致；（c）其它方面，如CCL基板的等級(jí)與性能、加工處理等也不無關(guān)系。12/7/202342RoHS④PCB基板發(fā)生扭曲與翹曲

目前從國內(nèi)幾家PCB企業(yè)（公司）的實(shí)驗(yàn)和試用都表明：無論是單面板、雙面板，還是多層板，無鉛焊料的焊接比Sn-Pb焊料有更大的翹曲度和扭曲性。這是由于無鉛焊料必須在更高溫度與更長(zhǎng)時(shí)間的條件下進(jìn)行，加工焊接后需要更快的冷卻速度和更高的凝固點(diǎn)（與低共熔點(diǎn)相同），因此使得整體的PCB基板內(nèi)部的各種材料的CTE差別更大（注意：這里系指無鉛焊料焊接后的高凝固點(diǎn)和快速冷卻溫度帶來的結(jié)果），響應(yīng)的綜合熱應(yīng)力也較大，因而在冷卻下來的“自由”態(tài)下，表現(xiàn)出有更大的翹曲度和扭曲性。12/7/202343RoHS⑤關(guān)于CAF（離子遷移）問題

采用無鉛焊料的焊接會(huì)產(chǎn)生CAF更大的幾率，有關(guān)這方面的研究與報(bào)道看得不多。但是，從CAF產(chǎn)生的機(jī)理可以知道，七條件簡(jiǎn)述有：（a）存在可移動(dòng)的離子（可以是內(nèi)部固有的或外來的）；（b）潮濕（濕氣、水分、溶液等）條件；（c）形成電極的電壓；（d）形成通道,如導(dǎo)電層(或孔、線)之間的介質(zhì)層內(nèi)有裂縫、分離，或表面污染的。很顯然，無鉛焊料要求有更高焊接溫度和更長(zhǎng)的焊接時(shí)間，因而使PCB基板在焊接時(shí)產(chǎn)生的缺陷將帶來更大的幾率和程度，這無疑是給CAF打開了更多與更大的通道，因此無鉛焊料的焊接條件與要求，必然會(huì)加重CAF的幾率與程度。再加上PCB不斷走向高密度化，使導(dǎo)通孔與導(dǎo)通孔、導(dǎo)線與導(dǎo)線、層與層（介質(zhì)層越來越?。┑鹊拈g距越來越小，這些也是給CAF發(fā)生增加了幾率與程度。所以，在PCB實(shí)施無鉛焊料焊接和不斷發(fā)展高密度化的過程中，PCB的CAF問題是應(yīng)值得引起業(yè)界重視、研究和解決的一個(gè)重要課題。12/7/202344RoHS3.4、無鉛焊料焊接的類型與注意點(diǎn)

目前，無鉛焊料焊接的類型與方法仍然延續(xù)統(tǒng)Sn-Pb焊料焊接的設(shè)施與方法,主要是波峰焊接、再流焊接（可分為紅外焊接、熱風(fēng)和汽相焊接等）和手工焊接等。目前還開展激光焊接，但主要用于封裝基（載）板上。表6無鉛焊料的焊接類型與注意點(diǎn)

12/7/202345RoHS..

從上述的無鉛焊料的類型與特性、無鉛焊料的焊接及其特征中得知，僅以目前無鉛焊料（實(shí)施無鉛化工程的首要內(nèi)容）狀態(tài)來看，要在2006年7月1日起電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化，總覺得十分勉強(qiáng)，仍然存在著不少疑難和問題，顯然還需要有一個(gè)過渡時(shí)間，而不是全面的鋪開來。但是，無鉛化工程仍然必須實(shí)施的，首先會(huì)在民用電子產(chǎn)品和工業(yè)用電子產(chǎn)品等領(lǐng)域?qū)嵤┢饋?，隨著無鉛焊料、CCL等原輔材料、PCB基板等的改善和進(jìn)步，必然會(huì)逐步或迅速推廣和應(yīng)用到其它電子產(chǎn)品的領(lǐng)域。目前無鉛焊料存在的問題主要有：（a）最佳的無鉛焊料（SAC305）還沒有達(dá)到有鉛焊料（63Sn/37Pb）性能（特別是表面張力和濕潤(rùn)性方面）的等級(jí);（b）無鉛焊料焊接的焊點(diǎn)，其潤(rùn)濕性差、各種缺陷較多，這些問題嚴(yán)重威脅著電子產(chǎn)品的可靠性;（c）更重要的是目前最佳的無鉛焊料（SAC305）的焊接溫度偏高20~40℃之多，而且高溫焊接的停留時(shí)間偏長(zhǎng)（約增長(zhǎng)30％以上），這對(duì)元器件、CCL基材、PCB基材、焊接條件（設(shè)備、助焊劑等）等都帶來了新的沖擊與要求，必須系統(tǒng)地加以解決才行：（d）電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)必須相應(yīng)跟上，當(dāng)然無鉛化電子產(chǎn)品的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)是“實(shí)踐”中來的，需要經(jīng)過產(chǎn)品的試驗(yàn)、應(yīng)用等一定時(shí)間加上綜合總結(jié)才能制定出來。但是，無鉛化的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)是可以結(jié)合傳統(tǒng)的有鉛焊料的主要特征和差異等制定相應(yīng)（即使是草案或過度性的）規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn),特別是可靠性的試驗(yàn)（如熱沖擊、熱應(yīng)力等）將會(huì)有更嚴(yán)格的要求。12/7/202346RoHS4、實(shí)施無鉛化對(duì)CCL和PCB基板的基本要求

從上述幾節(jié)的無鉛焊料的評(píng)述中，對(duì)CCL基材的最基本的要求是具有好的耐熱性能,或者說要提高抗高溫性能。這是由無鉛焊料特性來決定的，與傳統(tǒng)Sn－Pb焊料比起來,無鉛焊料的最根本的兩大特征：（1）最有希望與應(yīng)用的無鉛SAC305焊料的低共（晶）熔點(diǎn)為217℃，比傳統(tǒng)Sn-Pb系高出34℃；（2）在高溫焊接時(shí)表面張力大，因而潤(rùn)濕性差。無鉛焊料的這兩大特征決定著PCB基板在焊接中比傳統(tǒng)Sn-Pb焊料有更高的要求：（1）需要有更高的預(yù)熱溫度（提高50℃左右）與更長(zhǎng)的預(yù)熱時(shí)間（增加15秒以上）；（2）要有更高的焊接溫度（提高20~40℃）；（3）需要有更長(zhǎng)的焊接時(shí)間，在熔融態(tài)的停留時(shí)間從60秒延長(zhǎng)到90秒；（4）焊接后需要有更快的冷卻速度，由3℃/秒提高到6℃/秒，即快一倍的冷卻速度。另外，如采用無鉛焊料進(jìn)行HASL時(shí)，PCB基板還要先受到更高溫度的熱傷害。無鉛焊料在焊接時(shí)對(duì)PCB基板的主要傷害，我們?cè)诒疚牡?.3節(jié)中有講到。除了持續(xù)改進(jìn)無鉛焊料及其焊接技術(shù)外，主要的是提高PCB基板的耐熱性能和散熱性能，其途徑主要是通過PCB用的CCL基材、PCB制造工藝和熱設(shè)計(jì)（對(duì)于板外的散熱和導(dǎo)熱措施，如風(fēng)冷、液冷、板面貼壓散熱片等），來加以解決。12/7/202347RoHS4.1、提高CCL的耐熱性能

要提高和改善PCB基板的耐熱性能，最根本的是選用高耐熱的CCL基材。能適應(yīng)無鉛焊料焊接條件的CCL應(yīng)具備如下要求：即高的熱分解溫度Td、高的Tg溫度、低的溫度膨脹系數(shù)CTE和好的耐CAF特性等。（1）高的熱分解溫度（Td）無鉛焊料焊接的PCB實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用表明，采用高分解溫度（Td）樹脂的CCL基材是最重要，或者說CCL的耐熱性能主要是取決樹脂的熱分解溫度。所以，僅僅采用高Tg和低CTE基材是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，即如果CCL中樹脂的分解溫度（Td）低（如≤320℃）的話，不僅制造（CCL）成本增加了，而且耐熱性能也不能提高和改善的（參見表7）。從表中可看出：因選擇低Tg和高分解溫度Td（最好≥305℃）樹脂組成的基材（HGHD）或高Tg和高Td的樹脂組成的基材（HGHD），才能得到更好的耐熱的PCB可靠性性能。因此，影響無鉛焊接PCB耐熱可靠性的最重要因素是CCL基材中樹脂的熱分解溫度（Td），只有提高CCT基材中樹脂的熱分解溫度（如Td≥350℃，最近IPC草案規(guī)定≥330℃或≥340℃），才能保證無鉛焊接PCB的耐熱可靠性問題。12/7/202348RoHS表7四種FR-4材料層壓為2.36mm（93mil）厚的十層板耐熱性能情況

基材特性LGLDHGLDLGHDHGHDTg（DSC），（℃）140172142175Td（℃）32031035035050~250℃的Z向膨脹（％）4.403.404.303.15T260（分鐘）4.5212.51512/7/202349RoHS（2）采用高Tg的樹脂基材

高Tg樹脂層壓板基材具有較高的耐熱特性，因而對(duì)PCB無鉛化是有利的，這意味著，比常規(guī)的PCB的Tg提高多少溫度就可相應(yīng)地提高了PCB基材的“軟化”溫度（見表8），因而在無鉛焊料焊接時(shí)具有更好的熱尺寸穩(wěn)定性。同時(shí)，一般來說，較高的Tg溫度也具有較低的CTE，這對(duì)于PCB無鉛化也是有利的。樹脂名稱Tg溫度（℃）CTE（ppm）備注常規(guī)環(huán)氧樹脂125~13580~85

耐熱（改性）環(huán)氧樹脂150~17050~70

PPE/PPO樹脂180~24040~45聚苯醚BT樹脂185~23040~45雙馬來酰脘-三嗪樹脂PI樹脂220~26040~45聚酰亞脘表8各種基材樹脂的Tg和CTE

12/7/202350RoHS（3）選用低熱膨脹系數(shù)CTE的CCL材料（4）提高耐CAF特性在CCL基材介質(zhì)中，提高耐CAF性能可采取如下措施：①提高樹脂對(duì)玻纖布的浸潤(rùn)性；②選用新型結(jié)構(gòu)玻纖布（開纖布或扁平布）為增強(qiáng)材料；③降低樹脂中的離子含量；④降低CCL吸水性。12/7/202351RoHS4.2、PCB在制板的加工改進(jìn)

除了CCL基材影響PCB耐熱可靠性外，在PCB生產(chǎn)中也會(huì)影響其耐熱可靠性、耐CAF性能，特別是孔內(nèi)鍍銅層的結(jié)合力、延展性和厚度均勻性對(duì)PCB產(chǎn)品耐熱可靠性的影響是不可忽視的。

（1）提高基銅（CCL上的銅）和電鍍銅的結(jié)合力。采用“直接電鍍”工藝與技術(shù)，消除化學(xué)鍍銅層結(jié)合力差的缺點(diǎn)，提高PCB內(nèi)層與孔壁的結(jié)合力。

（2）提高鍍銅層的延展性。目前大多數(shù)的鍍銅層延展性處于8∽12％之間，其延展性不高主要原因是由于銅鍍層中的晶粒過大、鍍層中C、S（來自添加劑）含量較高等而造成的，從而使鍍層結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力較大。因此，在鍍銅過程中控制好“晶核形成大于‘結(jié)晶成長(zhǎng)’的比率，從而可獲得較小的晶粒和表面粗糙度（凹凸）小的結(jié)構(gòu)，可明顯提高鍍銅層的延展性（18∽20％），因而大大提高了PCB（Z方向）導(dǎo)通孔的耐熱可靠性。目前采用這種技術(shù)形成的電沉積的銅箔的延展性已經(jīng)達(dá)到、甚至超過冷扎的銅箔的延展性，并大量地使用于撓性印制板（FPC）上。同時(shí)，在常規(guī)的FR－4基材上采用這種鍍銅工藝與技術(shù)而生產(chǎn)的剛性多層板，也明顯地提高了鍍銅層的延展性，其耐熱應(yīng)力可達(dá)30次（在299％／10秒下）以上，高、低溫循環(huán)（熱沖擊）次數(shù)高達(dá)1800次以上。

（3）提高鍍銅層厚度均勻性。除了采用低電流密度和高分散能力鍍液等條件外，目前已走向脈沖電鍍技術(shù)而且是最理想并易于達(dá)到鍍銅層的均勻厚度的，均勻的孔內(nèi)銅鍍層無疑可提高Z方向的耐熱性能。

（4）提高耐CAF性能。從PCB制造加工角度看，提高鉆孔的對(duì)位度、降低孔壁粗糙度（如小于15um等），提高在制板（penals）表面清潔度，改善層間致密性和結(jié)合力等，這些措施皆能提高耐CAF性能。12/7/202352RoHS..

從通用的耐熱高可靠性角度看或者從成本與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)觀點(diǎn)上看，最佳的途徑應(yīng)是具有高分解溫度的常規(guī)FR-4或耐熱（高分解溫度）FR-4基材和先進(jìn)的電鍍（精細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)）技術(shù)相結(jié)合的方法。但是，在選擇FR-4基材時(shí)，最好選用低玻璃化溫度（LG）與高分解溫度（HD），或高玻璃化溫度（HG）和高分解溫度（HD）的材料，如前面表7所示，這樣，可以得到更好的耐熱性能的PCB產(chǎn)品。

12/7/202353RoHS4.3、該善PCB導(dǎo)（散）熱措施

大家知道，PCB中的介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）是很小的，由于其散熱差，不能把PCB上由于焊接和使用過程產(chǎn)生的高熱快速地傳遞（導(dǎo)）或釋放出去。所以，在PCB使用過程中極易使PCB內(nèi)部溫度升過高而變形（不同材料CTE差別等形成的熱應(yīng)力）過大，從而也會(huì)引起耐熱可靠性問題。為了了解決這個(gè)問題，我們可以采取下述五種有效措施來降低PCB的溫升和高熱（溫）問題。

（1）在CCL的介質(zhì)層中加入高導(dǎo)熱性的材料（填料）提高PCB的熱導(dǎo)率，從而把相當(dāng)?shù)臒崃靠焖偕l(fā)出去，使PCB中的熱量不會(huì)聚集過多引起高溫，從而降低了PCB整體溫升，提高了可靠性。這種在PCB介質(zhì)中加入導(dǎo)熱性材料以‘粉末顆?！ㄈ绲稹⑻沾煞哿系龋┘尤氲綐渲衼硇纬山橘|(zhì)層的，因此這些材料大多是由CCL制造商來完成的。這些材料的散熱性能（程度）是取決于加入導(dǎo)熱率材料的種類與數(shù)量（由所占體積比率和導(dǎo)熱率）來確定的。同時(shí)，這些導(dǎo)熱率高的材料加入還可帶來CTE下降，有利于改善PCB的尺寸穩(wěn)定性和耐熱可靠性。隨著電子產(chǎn)品便攜化進(jìn)步與發(fā)展，要求PCB進(jìn)一步高密度化和薄型化的發(fā)展，改善和提高PCB介質(zhì)層的導(dǎo)熱性能是今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。12/7/202354RoHS（2）采用導(dǎo)熱性能材料堵塞（充填）導(dǎo)通孔來改善和提高導(dǎo)熱性能

在PCB的導(dǎo)通孔中采用堵塞導(dǎo)電膠（如含銀－銅顆粒），或者采用電鍍銅填孔技術(shù)等方法，皆能得到良好的導(dǎo)熱性能，快速地降低板內(nèi)的溫度，改善PCB耐熱的可靠性。采用電鍍銅填孔方法具有最好的導(dǎo)熱性能。12/7/202355RoHS（3）改進(jìn)導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來改善和提高導(dǎo)熱性能

采用疊孔、盤內(nèi)孔和AGSP積層（advancedgradesolid-bump）凸塊等都能得到最好的導(dǎo)熱效果，并改善PCB加工、焊接和使用的耐熱的可靠性，這些結(jié)構(gòu)不僅能夠改善PCB的導(dǎo)熱性能，而且還能夠提高電氣性能，因此在便攜式電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。12/7/202356RoHS（4）在PCB內(nèi)部夾入金屬芯形成‘金屬芯印制板’

由于PCB內(nèi)部加入金屬芯（如銅或鋁等）可以把PCB內(nèi)部產(chǎn)生的高熱速度的傳導(dǎo)出來，從而降低了PCB整體的溫度。金屬芯（特別是AI基板）結(jié)構(gòu)的PCB主要應(yīng)用于大功率的場(chǎng)合（如電源板、汽車電裝板等）。12/7/202357RoHS（5）

在PCB的表面形成（粘結(jié)，屬于高導(dǎo)熱性的）散熱片的結(jié)構(gòu)，如銅板、鋁板等按PCB結(jié)構(gòu)加工的散熱片，然后與粘結(jié)劑一起熱壓而成。這樣，可以把大功率與高密度的組件產(chǎn)生的熱PCB內(nèi)部傳導(dǎo)出來的熱通過散熱片而散發(fā)出去，從而降低了產(chǎn)品的整體溫度，提高PCB體系的耐熱可靠性。以上的多種措施可分開或結(jié)合起來靈活使用，可得到很好的耐熱、導(dǎo)熱或降溫效果，提高產(chǎn)品的耐熱可靠性。12/7/202358RoHS結(jié)論

從上述幾節(jié)的評(píng)述中，電子產(chǎn)品即將實(shí)施無鉛化的過程中，我們可以清楚地看到并得出如下結(jié)論（充分和必要條件）。

(1)電子產(chǎn)品實(shí)施無鉛化工程或者無鉛焊料時(shí)代已經(jīng)到來了。盡管還有不少疑慮與問題，但是這些都是前進(jìn)中的課題，在有鉛焊料的過渡中會(huì)迅速得到克服、改進(jìn)和提高，最終會(huì)得到全面推廣和應(yīng)用。

(2)最有希望取代傳統(tǒng)Ｓn－Pb焊料的無鉛焊料是Sn-Ag-Cu體系的SAC305焊料。但它的低共（晶）熔點(diǎn)高出34℃，加上熔融焊接時(shí)的表面張力又增加1／5∽1／6、造成潤(rùn)濕性差（潤(rùn)濕時(shí)間由0.6秒增如到2秒）等，這些關(guān)鍵因素決定了無鉛焊料在焊接時(shí)要有更高的焊接溫度（20∽50℃）和延長(zhǎng)高溫焊接的停留時(shí)間（熔融態(tài)由60秒延長(zhǎng)到90秒）。加上，要求快一倍的冷卻速度（由３℃／秒增加到6℃／秒）。這些焊接環(huán)境條件的變化要求其上下游作相應(yīng)的改變，主要是提高耐（抗）熱性能，或者提高抗熱（殘余）應(yīng)力性能。12/7/202359RoHS..

(3)提高CCL的耐熱性能，其實(shí)最關(guān)鍵的是提高熱分解溫度（Td），其次才是降低CTE、提高Tg溫度和提高耐（抗）CAF能力。從目前產(chǎn)品等次（密度等）與成本來看，應(yīng)優(yōu)先采用高分解溫度（Td）、低Tg溫度等為宜，然后再向高Td和Tg等過渡。

(4)改進(jìn)（革）PCB制造工藝技術(shù)。除了選用適合無鉛焊料護(hù)理的CCL基材外，PCB在制板制造過程中的主要方面是：①降低鉆孔位置度偏差、孔壁粗糙度（≤15um）和表面清潔度，有利于改善CAF能力；②提高銅鍍層的延展性、厚度均勻性，增加PCB（特別是多層板）耐（抗）熱能力；③采用導(dǎo)熱材料或電鍍銅等填孔，改善散熱條件。

(5)制定實(shí)施無鉛化相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要有個(gè)提出與完善過程。但是會(huì)相繼制定出來，主要是在Sn-Pb體系基礎(chǔ)結(jié)合錫-鉛焊料焊接的特性而制定出“過渡性”的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)將突出產(chǎn)品可靠性和使用壽命為特點(diǎn)，重點(diǎn)是在熱沖擊、熱應(yīng)力的CAF等的試驗(yàn)要求與方法上。

12/7/202360RoHS第二部分無鹵FR-4覆銅板“無鉛”化12/7/202361RoHS前言

2006年7月1日，歐盟兩個(gè)指令:即ROHS《禁止在電氣電子設(shè)備中使用特定有害物質(zhì)指令》和WEEE《廢棄電氣電子設(shè)備指令》的正式實(shí)施，標(biāo)志著全球電子行業(yè)將進(jìn)入無鉛焊接時(shí)代。由于焊接溫度的提高，對(duì)覆銅板熱可靠性的要求，將大幅提高。對(duì)無鹵FR-4覆銅板來說，也不例外。為了滿足市場(chǎng)的需求，抓緊研發(fā)適合“無鉛”化要求的無鹵FR-4覆銅板，勢(shì)在必行！12/7/202362RoHS一﹑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

2004年4月，在美國IPC年會(huì)上，日本印制電路行業(yè)協(xié)會(huì)（JPCA）代表團(tuán)出示了一套無鹵覆銅板標(biāo)準(zhǔn)，其中包括了無鹵FR-4覆銅板標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)號(hào)JPCA-ES-04）在JPCA標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)無鹵覆銅板作了以下明確規(guī)定：按照J(rèn)PCA-ES-01實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行檢測(cè)，氯（C1）、溴（Br）含量分別小于0.09wt％，氯（C1）和溴（Br）總含量小于0.15wt％的覆銅板，為無鹵覆銅板。近年來，有關(guān)“無鉛”化的技術(shù)，發(fā)展速度！產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化工作，相對(duì)滯后?！盁o鉛”無鹵FR-4覆銅板，目前國際上尚無標(biāo)準(zhǔn)。出于技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)需要，有關(guān)“無鉛”FR-4覆銅板產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化，美國IPC標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)正在推動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的討論和制定。今年，IPC先后發(fā)布了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)草案，在全球內(nèi)征求意見和討論。在草案中，對(duì)板材的耐熱性提出了多項(xiàng)新的要求，見表-1。12/7/202363RoHS表-1“無鉛”FR-4覆銅板項(xiàng)目IPC標(biāo)準(zhǔn)草案-1草案-2Tg（℃）≥170≥155熱應(yīng)力（288℃、10S）通過目測(cè)通過目測(cè)熱分解溫度（℃）≥330≥340熱分層時(shí)間（分鐘）T-260－≥30T-288≥30≥15T-300≥30≥2T-320≥10－Z軸CTE（PPM/℃）Tg前≤75≤60Tg后≤300≤30012/7/202364RoHS二、無鹵FR-4“無鉛”化思路(1)多官能環(huán)氧樹脂的應(yīng)用在傳統(tǒng)FR-4覆銅板的制造工藝中，采用的是二官能溴化環(huán)氧樹脂。由于固化后交聯(lián)密度低，板材耐熱性不理想，要滿足高焊接溫度的要求，有困難。若將多官能環(huán)氧樹脂引入樹脂體系中，由于固化后樹脂交聯(lián)密度提高，板材Tg、熱分解溫度、熱分層時(shí)間等耐熱性將得到改善。12/7/202365RoHS(2)引入非雙氰胺的固化劑

雙氰胺（DICY）是典型的潛伏性固化劑，具有優(yōu)秀的綜合效果。在FR-4覆銅板生產(chǎn)中，一直被廣泛采用。但，美中不足是吸濕性偏大、熱解溫度偏低、耐離子遷移性（CAF）欠佳等。為了提高熱可靠性，選用分雙氰胺的固化劑，很有必要。綜合考量，線型酚醛樹脂是比較理想的固化劑之一。引入線型酚醛樹脂，有利于板材耐熱性、吸濕性、耐CAF性等性能的改善和提高。12/7/202366RoHS(3)無鹵化

傳統(tǒng)FR-4覆銅板，是通過溴化環(huán)氧樹脂中溴（Br）的作用，使板材具有阻燃效果。對(duì)于無鹵FR-4覆銅板來說，近幾年的主要工藝路線是采用含磷（P）環(huán)氧樹脂取代溴化環(huán)氧樹脂。但是，當(dāng)前對(duì)無鹵FR-4覆銅板提出了“無鉛”化，單一依靠含磷環(huán)氧樹脂這種工藝線路，要同時(shí)滿足高耐熱性和阻燃性的要求，有一定困難。若采用含P、含N的樹脂，P和N的協(xié)同作用，則可取得耐熱性和阻燃性兼優(yōu)的綜合效果。12/7/202367RoHS三、樹脂組份綜合上述設(shè)計(jì)思路，選擇了下列樹脂組份，見表-2

表-2樹脂組份

主樹脂多官能環(huán)氧樹脂固化劑線型酚醛樹脂阻燃劑含P、含N樹脂促進(jìn)劑咪唑類12/7/202368RoHS四、測(cè)試結(jié)果

在無鹵FR-4“無鉛”化的研發(fā)中，重點(diǎn)考察板材中鹵素含量、IPC標(biāo)準(zhǔn)（草案-1）對(duì)板材的要求及其它相關(guān)性能。

(1)鹵素含量采用JPCA-ES-01《無鹵型覆銅板實(shí)驗(yàn)方法》，通過離子色譜分析檢測(cè)板材中鹵素含量。檢測(cè)結(jié)果見表-3。結(jié)果表明，在無鹵方面完全符合JPCA標(biāo)準(zhǔn)要求。

表-3鹵素含量

項(xiàng)目指標(biāo)(wt％)）結(jié)果(wt％)氯（C1）含量小于0.090.0454溴（Br）含量小于0.090C1+Br總含量小于0.150.045412/7/202369RoHS(2)阻燃性

阻燃性測(cè)試方法，按美國UL-94標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。結(jié)果見表-4。結(jié)果表明，板材具有優(yōu)秀的阻燃性能，達(dá)到V-0級(jí)水平。表-4阻燃性

試驗(yàn)條件單位結(jié)果C-48/23/50SV-0E-24/125V-012/7/202370RoHS(3)玻璃化溫度（Tg）

測(cè)試方法采用差示掃描分析法（DSC），結(jié)果見圖-1。結(jié)果表明。材料具有較高的玻璃化溫度，Tg為186.48/189.84（℃）。12/7/202371RoHS(4)熱分層時(shí)間（T-300）

測(cè)試方法采用熱機(jī)械分析（TMA）。結(jié)果見圖-2。結(jié)果表明，板材具有優(yōu)秀的耐熱性，熱分層時(shí)間（T-300）大于60分鐘。

12/7/202372RoHS(5)熱分解溫度(Td)

測(cè)試方法采用熱解重量分析法（TGA）。結(jié)果見圖－3。結(jié)果表明，板材具有較高的熱分解溫度。按升溫速率5℃/min條件測(cè)試，熱失重在5%時(shí)的熱分解溫度為385.6℃。12/7/202373RoHS(6)耐堿性

測(cè)試條件：80℃、10％NaOH水溶液，浸泡60分鐘。結(jié)果：目測(cè)法，試樣外觀無異常。12/7/202374RoHS(7)一般性能

按IPC-4101A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表－5。結(jié)果表明，板材所有技術(shù)指標(biāo)均符合要求。

表－5例行檢測(cè)12/7/202375RoHS結(jié)論

無鹵覆銅板“無鉛”化，是環(huán)保和市場(chǎng)需求的產(chǎn)物。從以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，我國在無鹵FR-4“無鉛”化研發(fā)方面，已取的成功表明，為06年歐美PCB市場(chǎng)的打入奠定基礎(chǔ)。12/7/202376RoHS第三部分對(duì)無鉛化的理解和PCB相關(guān)考慮匯總12/7/202377RoHS一、無鉛化的定義、測(cè)量方法

1﹑什么是無鉛的定義?

無鉛的定義目前尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),只能從歐、美、日中某些重要協(xié)會(huì)組織的定義而加以說明：RoHS＜0.1wt％PbJEIDA＜0.1wt％PbEUELVD＜0.1wt％Pb注意：1）.焊料組分中含有＞0.85％wt％Pb以上材料屬于赦免的范圍。2）.對(duì)于無鉛化的材料，并非100％絕對(duì)不含鉛。3）.對(duì)于＜0.1wt％Pb的表述，請(qǐng)不要等同描述為＜1000PPMwtPb因從數(shù)理統(tǒng)計(jì)概念上，兩者存在本質(zhì)上的區(qū)別。12/7/202378RoHS2﹑如何測(cè)定無鉛物質(zhì)中鉛的含量呢？

首先，需要對(duì)需檢測(cè)的物品的物質(zhì)組成成分進(jìn)行區(qū)分，形成各種均勻的材質(zhì)，然后，對(duì)各種均勻的材質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。所謂均勻的材質(zhì)是指：

①構(gòu)成的物質(zhì)不能用機(jī)械的方式進(jìn)行拆分。②構(gòu)成的物質(zhì)是完全相同的。因此，諸如PCB板，我們可拆分為阻焊油墨、基材、字符油墨、銅等然后對(duì)其含鉛量分別測(cè)量，任一成份超標(biāo)均不符合無鉛化。12/7/202379RoHS二、無鉛焊料評(píng)選的準(zhǔn)則，種類及