在PCB组装中无铅焊料的返修

licheng521

摘　要：由于润湿性和芯吸性不足，所以，无铅焊接的返工是比较困难的，因此为各种不同元件的无铅焊接而开发研制出成功的返工和组装方法。
　　返工是无铅 PCB 组装的批量生产工艺中的一个重要组成部分，在最初的过渡时期，当供应链上的每个环节形成信息曲线时，尤其如此。然而，由于需要保修，所以在整个产品的寿命周期范围内仍存在着返工的问题。
　　人们发现，无铅焊料合金通常不象 Sn/Pb 焊料那样易于润湿和芯吸，因此，无铅焊料的返工是较困难的，其在 QFP 中的应用就是一个明显的例子。尽管存在着这些差异，通过使用焊剂凝胶、笔式焊剂和芯吸焊料等已为用于象分立元件、面阵列封装等不同元件的无铅焊料（Sn/Ag/Cu 或 Sn/Ag ）开发出成功的返工方法（即手工和半自动）。大多数用于 Sn/Pb 的返工设备仍可以用于无铅焊料中。必须对焊接参数进行调节，以便适用于无铅焊料的较高的熔融温度和较低的可润湿性。 Sn/Pb 返工中采用的其它预防方法（如必要时的板子烘干）仍适用于无铅焊料的返工。研究表明，使用适当的返工工艺可以制造出具有适当粒子结构和形成的金属间化合物的可靠的无铅焊点。
　　特别要注意减少返工工艺对焊点、元件和 PCB 带来负面影响的可能性。由于焊接温度的上升，层压材料、玻璃纤维和 Cu 之间的 Z 轴热膨胀系数（ CTE ）不匹配，给 Cu 层上施加了更大的应力，就有可能出现镀覆通孔中 Cu 的开裂，从而导致故障的产生。这是一个相当复杂的问题，因为它是由许多变量而决定的，如象 PCB 层数和厚度、层压材料、返工温度曲线、 Cu 布局和导通孔的几何形状（如孔径比）等。要确定在什么样的条件下层压材料（如高的 Tg 、低的 CTE ）才能够替代传统的 FR4 ，满足无铅焊接的要求，还有很多的工作要做。这并不是说较低成本的材料（如 CEM 、 FR2 等）不能够用于无铅焊接中。事实上，在批量生产中这些方法得到了应用，并在每一例应用基础上对应用情况进行检查。必须对返工对焊盘和掩膜粘性的影响进行认真的*估。
　　同样，还应对返工对元件可靠性的影响进行认真的研究探讨。翘曲和脱层是其中一些可能出现的问题。最近发布的 IPC-020B 标准指出应将返工作为无铅焊接中较高温度元件额定值的重点加以考虑。
　　电化学的可靠性是应考虑的另一个重要问题。当焊剂残余物溶解于板子上的湿气冷凝时，在电偏置下面的导体踪迹之间会产生电化学反应，从而导致表面绝缘电阻（ SIR ）下降。如果产生电迁移和枝状生长的话，由于导体踪迹之间形成“短路”，就会产生更加严重的故障。电化学的可靠性由免清洗应用中焊剂残余物抵抗电迁移和枝状生长的性能来决定。因此，必须实施以 IPC （按照 TM-650 2.6.3.3 ）为基础的 SIR 测试或 Telecordia 测试，为确保返工使用的焊剂和再流焊剂 / 波峰焊剂和返工的焊剂之间的任意反应物不会给免清洗应用带来电迁移和枝状生长的风险。
　　“元件混合”的问题是涉及到确保质量的特殊问题，尤其是在这种技术的过渡时期。通过对无铅焊料的铅对长期可靠性的影响的初步研究说明，由于焊点中铅的含量不同，所以影响也是不同的，当铅的含量在中间值范围时其带来的影响是最大的，因为在持续凝固的枝蔓间锡晶粒间界中偏析相的形成（例如；粗糙的铅粒子），在这个位置上开始裂缝，并在周期负荷下蔓延。例如；其显示出 2~5% 的含铅量就会给无铅焊料的疲劳寿命带来不利的影响，但是，其可能不会比 Sn/Pb 焊料的效果差。因此，如果使用无铅焊料返修含铅的板子的话，从焊料的角度而言，无铅焊料和 Sn/Pb 焊料混合到一起的可靠性可能不会影响 Sn/Pb 焊料。然而，温度对元件的影响（特别是塑封元件）是一个值得关注的问题。另一方面，用 Sn/Pb 焊料返修无铅焊料的板子形成的焊点的可靠性可能不如其它板子上的无铅焊点的可靠性那样好。
　　就供给系统而言，在过渡时期，应将用于无铅焊接的焊烙铁和焊接材料（芯式焊料、焊剂凝胶等）做上清楚的标记是很关键的。必须对操作员进行无铅返工工艺和检验方面的培训。大量的返工和较高的材料成本将会给总成本带来直接的影响。
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