现代电子装联无铅焊接技术.pdf

现代电子装联无铅焊接技术 樊融融 编著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 无铅电子制造正成为电子产业中的大趋势，各企业都将其视为提高竞争力和扩大市场份额的有效手段。然而要实现这一过程是一项系统工程，在无铅生产实施过程中将遇到许多陌生的应用性技术问题。本书从生产实际应用出发，对电子产品无铅制程中的一些典型问题展开讨论，并采用大量来自业界生产实践的典型真实案例进行辅助说明，图文并茂，让从事电子制造的工艺工程师们面对这些问题时，不仅知道如何去处理，还懂得为什么要这样处理。本书主要面向从事电子产品组装的工艺工程师、质量工程师、物料工程师及相关的管理工程师，对生产现场的操作者也有很好的参考价值。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 现代电子装联无铅焊接技术/樊融融编著.北京：电子工业出版社，2008.9 ISBN 978-7-121-07355-7.现 .樊 .电子设备装配（机械）钎焊 .TN605 TG454 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2008）第 137589 号 广告经营许可证号：京海工商广字第 0258 号 策划编辑：李 洁 责任编辑：刘 凡 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：18.75 字数：516.6 千字 印 次：2008 年 9 月第 1 次印刷 印 数：0 000 册 定价：00.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。前 言 现代电子装联无铅焊接的转换，不仅是一类材料被另一类材料的简单替代；也不仅是温度从 240到 260的简单演变；更不仅是长期可靠性的简单确认。这种转换是广泛的、系统的、深入的对制造的可行性和测试的确认。如果一种工艺不能高效率地生产出符合质量要求的产品且保持可控，那么这种工艺就是不可行的。理解无铅化生产过程是怎样影响到产品性能、产能和工艺控制的，这才是其转换工作的核心内容。在电子产品生产中，全面实施有铅向无铅的转换，是一项复杂的系统工程。它涉及组装用的各类材料、电子元器件、PCB、工具、工艺装备、质量控制、可靠性和失效模式、生产和计划管理、环保要求、市场需求等诸多要素的协调和配合。由于各相关部门对实施无铅化的时间表不尽相同，技术上也存在着尚待深入研究的领域，不同地区市场需求也存在着明显的差异这一切都使转换过程变得更为复杂。经过几年的技术攻关，元器件等的无铅化取得了突飞猛进的发展，全面满足了终端产品的生产需要。由于绿色无铅化是电子信息产业发展的大趋势，所以元器件生产厂商都将原有的有铅生产线一步到位地改造成无铅生产线，市场上无铅元器件正迅速取代有铅元器件。这又导致了市场尚无无铅化要求的许多有铅产品，因购买不到有铅元器件而不得不选用无铅元器件来替代，于是出现了有铅焊端和无铅焊膏的混用。考虑产品生产成本的压力，电子装备制造商又不得不釆取无铅元器件有铅焊接的生产方式来过渡。由有铅向无铅制造的过渡不可能一蹴而就。因此，在一个较长的时间内，电子产品组装都可能是使用双模式的生产线。当有铅、无铅组装交织在一起时，工艺上处理该类组装问题，比处理纯有铅或纯无铅组装中的问题都要更加复杂和棘手。电子信息产业的绿色无铅化已席卷全球，在无铅化组装这场新的技术革命中，日本是目前处于世界领先水平的。为了加速我国绿色无铅化的技术革命进程，笔者吸取了日本在无铅转换过程中的技术经验，再结合自己从事无铅化的实践和研究心得，编著了现代电子装联无铅焊接技术这本专著，以供从事或即将从事此工作的工程师们参考。本书在编著过程中得到了深圳中兴通讯股份有限公司执行副总裁邱未召先生的热情支持、关心和鼓励，并在百忙之中为本书作序，笔者不胜感激。中兴通讯公司工艺技术部部长冯力博士、基础工艺科刘哲科长、贾忠中高工等参与了书稿的校阅，我的技术助手孙磊、钟宏基、邱华盛等对本书的完成做出了很大的贡献。中兴通讯公司物流体系汪海涛副总经理、马庆魁高级顾问、戎孔亮副总工艺师、材料实验室宋好强主任也给予了很大的关心和支持，在此对他们一一表示衷心的感谢。在此还要特别感谢深圳唯特偶化工开发实业有限公司董事长廖高兵先生的热情关心和支持。由于时间仓促，作者水平有限，书中错误难免，敬请广大读者批评指正。作 者 2008 年 3 月 于中兴通讯公司 序 质量意味着能够满足顾客的需要，从而使顾客满意的产品特征；同时，质量也意味着免于不良。这是两项对质量的基本定义。随着科技进步和社会发展，环保问题越来越突出，各国都对环保越来越重视，顾客对环保的要求越来越高。一方面，科技的进步在创造财富、改善人们生活的同时，产生了大量的污染，给人们生活和身体健康造成相当大的危害；另一方面，人们不断追求高品质的生活，尤其电子产品已成为日常生活中不可或缺的工具，电子产品中的有害物质减少或消除势在必行。欧盟、美国、日本及中国相继立法，限制电子产品中有害物质的使用，并已陆续实施。满足 RoHS 要求无疑是质量的一项最基本的要求。本书作者长期从事电子装联焊接技术的研究，有着丰富的理论造诣和实践经验，始终走在电子装联技术研究和应用的最前列。在电子装联无铅化转换中，它无疑也是技术的先驱和开拓者。中兴通讯是国家“走出去”战略的优秀企业，生产的产品出口到全球各个国家，尤其在欧美和日本比例较大。由于市场的需求，中兴通讯在国内最先实施无铅转换。无铅化焊接技术不是简单的无铅化处理，而是一项复杂的技术。它包括无铅波峰焊接、无铅再流焊接及无铅人工焊接，和有铅焊接相比发生了重大变化，涉及物理学、化学、金属学、电气学、材料力学等，通过影响可焊性、焊接部腐蚀和焊接强度，最终影响焊接的可靠性。同时，生产过程中工艺设备的兼容性、工艺的可靠性、产能、各种器件引脚表面的涂覆层、焊接炉的热稳定性、加热温度曲线的设定，以及怎样使 PCB 的温度均匀分布等问题，也给无铅焊接技术的理论分析和工艺实践增加了相当大的难度。而无铅化转换更是一项非常复杂的系统工程。它涉及各个方面的协调和配合，包括材料检测和选择、供应商的认证和培训、更换工艺和生产装备、生产计划和管理、仓储、市场预测、工程师和生产工人的培训等。在转换阶段，有铅和无铅生产并存，有些产品有铅、有些产品无铅，或有些元器件有铅、有些元器件无铅，稍有不慎，就会造成混乱，影响质量。而且这种配合和协同并不仅在一个企业内部，而是在一个整体供应链上；不仅在一个国家，而且在全球范围内。这种协同和配合最终需要无铅焊接技术在理论上的研究和实践上的创新才能满足对可靠性和质量的要求。本书从无铅化组装、无铅焊接技术、无铅焊点质量控制等方面全面介绍了无铅化技术，是一本既具有理论意义又极具实践价值的经典之作。作者结合自己从事无铅化的实践和研究心得，编写这本现代电子装联无铅焊接技术，无疑为中国电子产品无铅化的技术革命进程做出了重要贡献。目 录 第第 1 章章 概论概论.1 1.1 铅污染的危害 .1 1.1.1 铅污染的形成 .1 1.1.2 对人类健康的危害 .2 1.2 电子产品无铅化组装必须关注的问题 .2 1.2.1 全面实施有铅向无铅的转换是一项复杂的系统工程 .2 1.2.2 现代电子产品组装无铅化的核心是无铅焊接 .4 1.3 无铅钎料合金 .4 1.3.1 无铅钎料合金的定义 .4 1.3.2 评价无铅钎料合金应用性能的标准 .4 1.3.3 实用的无铅钎料合金 .5 1.4 无铅助焊剂 .13 1.4.1 无铅焊接对助焊剂的要求 .13 1.4.2 无铅焊接用助焊剂应具备的特性 .15 1.4.3 无铅助焊剂应用时需要关注的主要性能与可靠性指标 .15 1.4.4 助焊剂在焊接中所起的作用 .16 1.4.5 助焊剂在焊接中的作用机理 .18 1.5 无铅焊膏 .23 1.5.1 何谓无铅焊膏 .23 1.5.2 无铅焊膏的特点 .23 1.5.3 无铅焊膏的主要成分及其作用 .24 1.5.4 如何选择和评估无铅焊膏 .26 1.5.5 无铅失活焊膏 .28 1.6 无铅电子元器件 .31 1.6.1 无铅电子元器件的定义 .31 1.6.2 电子元器件无铅化面临的挑战 .32 1.6.3 对无铅电子元器件焊接的工艺性要求 .33 1.7 P CB 基材及其金属涂覆层的无铅化 .34 1.7.1 P CB 基材无铅化中的主要问题 .34 1.7.2 无铅 PCB 基材的选择要求 .35 1.7.3 P CB 焊盘可焊性镀层的无铅化 .35 第第 2 章章 无铅焊接连接的界面理论无铅焊接连接的界面理论.37 2.1 电子装联概述 .37 V 2.1.1 电子装联的基本概念 .37 2.1.2 软焊接在电子装联工艺中的地位 .37 2.1.3 软焊接技术所涉及的学科领域及其影响 .37 2.2 软焊接原理冶金连接 .38 2.2.1 冶金连接 .38 2.2.2 钎料及软钎接 .38 2.2.3 电子互连焊接机理 .39 2.2.4 钎料的润湿作用 .39 2.2.5 扩散 .43 2.3 界面的金属状态 .45 2.3.1 界面层的金属组织 .45 2.3.2 合金层（金属间化合物）的形成 .46 2.3.3 毛细现象 .52 2.3.4 界面层的结晶和凝固 .52 2.4 界面反应和组织 .53 2.4.1 S n 基钎料合金和 Cu 的界面反应 .53 2.4.2 S n 基钎料合金和 Ni 的界面反应 .56 2.4.3 S n 基钎料合金和 Ni/Au 镀层的冶金反应 .58 2.4.4 S n 基钎料合金和 Pd 及 Ni/Pd/Au 涂覆层的冶金反应 .59 2.4.5 S n 基钎料合金和 Fe 基合金的界面反应 .60 2.4.6 S n 基钎料和被 OSP 保护金属的界面反应 .61 第第 3 章章 无铅波峰焊接技术无铅波峰焊接技术.64 3.1 波峰焊接技术的进化和无铅应用.64 3.1.1 波峰焊接技术的进化 .64 3.1.2 无铅波峰焊接的技术特点 .64 3.2 无铅波峰焊接设备技术 .67 3.2.1 适宜于无铅波峰焊接工艺的设备技术 .67 3.2.2 无铅波峰焊接设备技术的新发展 .71 3.3 无铅波峰焊接工艺过程控制 .75 3.3.1 传统波峰焊接工艺过程控制理论的局限性 .75 3.3.2 新的波峰焊接工艺过程控制理论要点 .75 3.3.3 波峰焊接机器参数 .76 3.3.4 无铅波峰焊接工艺设定参数及其优化 .79 3.3.5 波峰焊接工艺过程记录参数 .84 3.4 无铅波峰焊接工艺质量控制 .85 3.4.1 无铅波峰焊接工艺质量控制中应关注的问题 .85 3.4.2 无铅波峰焊接工艺质量控制要素 .85 3.5 影响无铅波峰焊接焊点质量的因素 .87 3.5.1 无铅波峰焊接的主要缺陷现象 .87 VI 3.5.2 影响无铅波峰焊接焊点质量的因素 .87 第第 4 章章 无铅再流焊接技术无铅再流焊接技术.90 4.1 无铅再流焊接技术所面临的挑战 .90 4.1.1 无铅应用推动了再流焊接技术的进步 .90 4.1.2 无铅再流焊接的技术特点 .91 4.2 无铅再流焊接设备技术及其发展 .93 4.2.1 无铅再流焊接设备技术面临的挑战 .93 4.2.2 无铅再流焊接设备加热技术的发展 .96 4.2.3 无铅汽相再流焊接（VPS）.106 4.3 无铅再流焊接工艺技术 .107 4.3.1 无铅再流焊接的物理化学过程 .107 4.3.2 无铅再流焊接工艺参数 .108 4.3.3 再流焊接工艺参数的优化 .113 4.4 无铅再流焊接焊点缺陷 .116 4.4.1 无铅再流焊接缺陷的主要类型 .1