摘 要： 文章介绍使用现有的SMT设备与工具，推行无铅焊装工艺的可能性。关键词：无铅焊装，

1.          引 言

无铅焊装印制板与传统焊装印制板相比，前者需要更高的加热温度。事实上这已成为电子制造业向无铅化过渡关心的主要问题。电子制造过程需要比高于现有温度30-40℃的再流焊工艺，这使得器件，印制板与设备制造商全都受到影响。

组装厂能否使用现有的SMT制造能力或者选择购置新的设备与工具？无铅焊接的可靠性将怎样得到保证？铅/锡引脚器件能否与无铅焊料在同一块印制板上混装？这些铅/锡引脚器件怎样与无铅焊料相容呢？制造商们直面越来越多的问题。三年前，NEMI已经着手开展电子组装无铅化的试验工作。

这项工作开始的目标是确认实施印制板组装无铅化的材料与制造工艺，对比无铅焊接与传统焊接的焊点质量。通过器件，印制板和设备制造商，以及关键的原始设备制造商（OEM）和电子制造服务（EMS）供应商的合作，NEMI已能够证明使用现有SMT制造条件实现印制板组装无铅化。

2.          可靠性测试样板的试验过程

本试验使用的无铅焊料配方是Sn3.9Ag0.6Cu,锡/银/铜合金的熔点高于传统的铅/锡共晶焊料约35℃。试验制定新的再流焊工艺，对焊接工艺手段进行鉴别，并对试验设计的再流焊工艺进行可靠性测试。大多数试验证明，试验设计新的高温焊料合金再流焊工艺，现有的SMT制造设备是可以适应的。

早在2000年，无铅焊料合金只是在实验室少量生产，焊剂系统尚未被优化。

试验使用五种铅/锡，五种无铅，免清洗，第三等级焊膏。铅/锡与无铅各一种焊膏，在检测样板进行可印唰性，可焊性及X缺陷试验。全部检测样板一批在标准SMT设备上完成。检测样板数量共253块（图 1）。

 

图 1检测样板的设计

试验选用6种不同器件封装；CSP169，CSP208，TSOP48，2512电阻，PBGA256，CBGA256。每块检测样板设计三组对比试验；1；铅/锡焊膏—铅锡引脚器件，2；无铅Sn3.9Ag0.6Cu焊膏----铅/锡引脚器件, 3;  无铅Sn3.9Ag0.6Cu焊膏---无铅引脚器件。

TSOP器件的检测样表面浸银处理，2512电阻的检测样板表面镍/金镀复处理。

所有的检测样板材料是FR4，玻离化温度（170℃），TSOP与2512电阻的检测样板材料的玻离化温度（130℃）。测试样板焊膏的印刷量的测量数据如表1所列，铅/锡与无铅焊膏的印刷量都在可接受范围内，在相同的印刷参数设置，无铅焊膏的印刷量大于铅/锡焊膏。这个差异是由于选用的无铅焊膏具有良好的印刷性能，组装器件的引脚间距相对大。

 

表 1 焊膏印刷量，印刷转移比

铅/锡/无铅焊膏试验器件贴装图形相同。

试验使用10温区的强制热风对流再流焊炉，充氮保护气氛，氧含量为30ppm。无铅焊膏再流选择的温度范围从2512个电阻器贴装测试样板，再流峰值温度247℃。PBGA测试样板再流峰值温度237℃。表 2 所列为可靠性测试的再流焊工艺参数值。

 

试验铅/锡与无铅焊膏印制板焊接的主要差别是视象检查的焊点形貌。图 2是采用铅/锡或无铅焊膏焊装陶瓷封装的CBGA器件。，在两种焊膏的工艺试验后检测样板需经过电测试，X射线检查，超声及光学自动检测（AOI）。

 

图 2

A；铅/锡/银CBGA器件—铅/锡焊接，焊点呈光泽

B；铅/锡/银CBGA器件—无铅焊接，焊点无光泽

C；无铅CBGA器件---无铅焊接，

无铅焊料与铅锡对比在可靠性测试没出现差别。

3.          X射线检查

试验使用X射线检查焊点的缺陷,提供试验工艺的相关信息,试验对X射线检测设备检查无铅焊接的适应能力进行评价。

铅/锡与无铅焊接X射线检查的图象是相同的。在印制板上测量焊点的厚度或直径时，设备只需作简单调整。从试验样板整体看，无铅焊膏的缺陷明显比铅/锡焊膏多很多。无铅焊膏—铅锡器件，无铅BGA/CSP的空洞增加，无铅SnAg Cu焊膏与无铅TSOP器件的湿润性降低。（表 3 所示）

 

加速热循环测试（ATC）没有发现在检测样板上的无铅—无铅引脚器件的焊点空洞存在可靠性问题。进一步的工作是研发高温再流焊使用的焊剂。

X射线检测对检测样板使用铅锡焊膏或无铅焊膏的各种器件焊点厚度及球引脚直径的检测没有差别。

4.  AOI检查

试验使用AOI系统检查器件引脚焊点,判断铅/锡,无铅两种焊点的形状等物理特征的不同。无铅焊膏—铅/锡2512电阻与铅锡---铅锡2512电阻的焊点显现的形貌特征是类同的。

使用无铅焊膏焊接纯锡电阻器引脚时，检测样板焊盘上的湿润性降低。焊点有些表面出现裂纹，可能是再流冷却过快的原因。但是ATC可靠性测试证明没有发现机械强度的问题。

5.   超声显微检查

在再流焊前后,使用超声显微镜对TSOP48,CSP169,CSP208,PBGA256,

及CBGA256器件进行检查，确认与比较各种器件的内部缺陷。

在检测样板组装前对2037个器件的超声图形进行评价。

试验按IPC/JEDECJ-STD-20B标准对器件分析评价。组装前器件在120℃烘烤12小时，然后存贮在充氮箱内。器件组装再流焊后（再流焊工艺参数见表2所列），器件再次进行检测。

组装前TSOP48器件内部存在一些缺陷，按照J-STD-020B标准，并不影响可接受条件。在再流焊后，器件内部缺陷增加，但按照J-STD-020B标准，大多数缺陷仍属于可接受范围。按照此标准，有些使用无铅焊装的器件是不合格的。其余各种类型器件在再流焊前，也观察到存有缺陷，但在再流焊后无论是铅/锡或无铅再流工艺温度条件下均没有发现缺陷的增加。这些缺陷都在JSTD-020B标准的可接受的范围之内。高温加速可靠性测试，全部被测器件经检测没有发现内部缺陷/脱层进一步扩大。

6.          器件返工操作

CSP208,PBGA256器件检测样板的返工步序包括;拆取器件,焊盘清理准备,新器件贴装/再流。无铅PBGA与CSP器件检测样板使用无铅焊膏再流焊装，分别在244℃，246℃峰值温度拆取器件，在器件引脚与检测样板焊盘涂复焊剂后，贴装新器件进行再流焊。

无铅返工操作PBGA器件的峰值温度为244℃（217℃液相温度以上保持时间69秒）CSP器件的峰值温度为246℃（217℃液相温度以上保持时间68秒）。无铅器件封装顶部温度通常高于焊点温度15℃。

为消除这种情况，采用在器件封装顶部送入较冷气流，而在热喷嘴的四边对器件焊点热风加热。这样使得无铅PBGA顶部的温度降到201℃，CSP器件的温度降到231℃。

试验中，因为返工操作的可变性及取样规模小，对评价返工操作问题基线产生影响。

7.          结 论

在印制板组装试验过程中，使用共晶铅锡焊膏或无铅焊膏存在一些差别。最重要的是再流焊工艺的温度设置。在大多数情况，现有的SMT工具及设备可以用于无铅焊料高温再流焊新工艺。

X射线，超声及AOI检测系统也可成功地用于评价无铅焊装工艺。在视觉观察铅/锡，无铅焊点形貌时存在一些不同，应对AOI系统要做更多的工作。X射线检查发现无铅CSP/BGA器件焊点空洞增加，无铅焊装TSOP器件湿润性有些降低。

使用超声检查器件发现由于高温再流焊引入器件内部缺陷。但这些缺陷仍符合器件技术标准要求。CSP/PBGA器件返工操作，采用器件顶部低温处理方法。对无铅组装与返工工艺更多研究在以后的试验中进行。