SMT无铅回流焊接技术的应用.doc

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1、南京信息职 作者 陶永成 学号 21424D22 系部 机电学院 专业 电子组装技术与设备（对口单招） 题目 SMT无铅回流焊接技术的应用 指导教师 余日新 杨超 评阅教师 完成时间： 2017 年 5 月 19 日 毕业设计(论文)中文摘要题目：SMT无铅回流焊接技术的应用 摘要：随着人们环保思想的深入，人们越来越关心重视绿色无毒的生产技术在电子行业的使用已经是大势所趋。又随着ROHS（Restriction of Hazardous Substances）的出台实施，已经严格限制在电子电器设备中使用某些有害成分，其中铅的含量更被限制不得超过0.1%，这时候对无铅技术的分析和讨论是有必要的。

2、无铅技术包括相应的组装方式，无铅回流焊接工艺是如今表面组装技术中最重要的工艺之一。在材料上，尤其是焊料上变化最大，无铅焊料与有铅焊料的不同迫使回流焊接设备和工艺也要做出相应的调整，自然而然焊接质量将出现新的问题。对无铅回流焊接的充分分析，对其产生的缺陷给出合适的解决方法等，是我们探讨的重点。关键词：无铅 回流焊接 缺陷 解决方法毕业设计(论文)外文摘要Title : Applications of Lead-free Reflow Soldering in SMT and Solutions of its Defects Abstract: With the deepening of peop

3、les environmental protection, people pay more and more attention to the importance of green non-toxic production technology in the electronics industry is the trend. With ROHS (Restriction of Hazardous Substances) the introduction of the implementation, has strict restrictions on the use of certain

4、hazardous substances in electrical and electronic equipment in the lead content is limited shall not exceed 0.1%, then analysis and Discussion on lead-free technology is necessary. Lead free technology, including the corresponding assembly methods, lead-free reflow soldering process is now one of th

5、e most important surface assembly process. In the material, especially the largest change in solder, lead-free solder and lead solder has forced the reflow soldering equipment and processes to be adjusted accordingly, the quality of the welding will be a new problem. The full analysis of lead-free r

6、eflow soldering and the proper solution to the defects are the focus of our study. keywords: lead-free reflow soldering defect solution 目录1 引言12 无铅回流焊接技术概述12.1 电子产品无铅化的背景12.2 回流焊接的定义和特点32.3 无铅回流焊接技术33 无铅回流焊接设备简介33.1 回流焊炉的简介33.2 回流焊炉的无铅化对策54 无铅回流焊接技术的应用54.1 无铅回流焊接工艺54.2 温度曲线的制作85 无铅回流焊接中常见缺陷及解决方法9结论1

7、4致谢14参考文献1431 引言在相当长的时间里，锡铅焊料凭借着良好的性能和低廉的生产成本，一直被人们大量使用在电子行业，但锡铅焊料中铅以及铅的化合物属于有毒有害物质，不仅破坏环境，而且人类与之长期使用接触更会危害身体健康。当环境亟待保护和健康面临危害，社会就要要求无铅产品。与之对应的无铅回流焊接技术就孕育而生。然而从成熟的锡铅回流焊接过渡到相对真空的无铅回流焊接对于电子工业来说并不是朝夕之事。无铅回流焊接时必须充分分析回流焊接工艺与其设备所形成的焊点存在的可靠性问题。焊点的可靠性与质量在很大程度上决定了电子产品的质量，由于从有铅焊料转换到无铅焊料，导致焊接工艺参数的重新调整，必不可少会给焊点

8、的可靠性带来新的问题。 本文将着重讨论因SMT无铅回流焊接工艺或设备造成的常见质量缺陷，分析其原因与提出解决方法。2 无铅回流焊接技术概述2.1 电子产品无铅化的背景2.1.1 铅的危害锡铅合金焊料多年广泛使用在电子工业。据不完全统计，每年全球电子行业将消耗铅原料约2万吨，占世界年铅生产量5。由于没有完善的回收机制，绝大部分含铅电子产品废弃物都被直接丢弃或掩埋。进而铅污染过的土壤、水源、大气等会对人体和自然环境造成危害。植物吸收了铅，表现为叶绿素下降，阻碍植物的呼吸及光合作用，进而影响整个气候环境。铅进入人体后，阻碍血液的合成并导致人体贫血，出现头痛、眩晕、乏力、困倦、便秘和肢体酸痛等，危害中

9、枢神经。特别是儿童处于生长发育阶段，对铅比成年人更敏感，进入体内的铅对神经系统有很强的亲和力，故对铅的吸收量比成年人高好几倍，受害尤为严重。所以人们迫切需要立法来限制铅的使用。电子行业无铅化运动起源于美国，1986年美国国会通过法规，禁止铅在食品罐头、涂料、汽车燃油、汽车车身、电灯及焊管件中应用。之后限制铅的使用在电子行业中引起了轩然大波。尽管日本不是最早提出“无铅”的国家，但在无铅技术应用方面走在最前列。1998年日本提出禁止任何有毒有害元素废弃物进入环境，又要求2001年开始家电制造商强制回收四大家电，这些法案迫使电子产品禁止使用含铅材料。日本还宣布2003年01月全面推进无铅化。欧盟于1

10、998年推出了废旧电气设备指令（WEEE）(Waste Electrical and Electronic Equipment)和电子电器设备中限制使用某些有害物质指令（ROHS）（Restriction of Hazardous Substances）要求从2004年1月1月起欧洲必须使用无铅焊料，2006年07月01日起欧洲市场销售的电子产品必须无铅化。我国也于2006年02月28日正式发布了电子信息产品污染控制管理办法，正是对欧盟实施ROHS的积极响应，与所有法案一样有着共同的目标，减少有毒有害物质的使用，尤其是有铅焊料的使用。2.1.2 实现电子组装无铅化有两个办法实现电子组装无铅化有

11、多种方法，但主要使用的方法是采用新型无铅合金和导电胶互联技术。（1） 在不改变现有的生产过程中，采用新型的无铅合金替代传统的有铅合金。这样只需通过改进无铅生产的工艺与参数使之与现有的生产设备尽量兼容，大大降低技术更新需要的成本。（2） 采用导电胶互连技术取代合金互连技术。可以分为各向同性导电胶和各向异性导电胶。各向异性导电胶相比传统锡铅焊料有许多优点，适合超细间距的印刷，还具有较低的固化温度，是一种良好的无铅互连材料。2.1.3 无铅焊料无铅焊料是相对于有铅焊料提出的。在有铅焊料中，铅是作为一种基体元素存在的，但并不表明无铅焊料中不含铅，Pb可以作为一种杂质元素存在。这就规定了“无铅焊料”中P

12、b的含量存在一个上限值，因此，“无铅焊料的定义问题”就能转化成“无铅焊料中铅含量上限值的问题”，目前没有一个针对无铅焊料的国际标准。为了实现保护环境和保证产品的可靠性，并考虑到对传统工艺的适应性，以最小的工艺变化获得最佳的效果，新型的无铅焊料应具备以下一些特性：（1） 替代合金成分必须无毒，某些代替元素，如镉和碲是有毒的，目前由于特定的使用环境还没有被禁止。（2） 合金的熔点力求与Sn63Pb37共晶焊料的熔点 183接近，不能太高。应有良好导电性，润湿性。（3） 替代材料在世界范围容易找到，数量上也要容易满足需求。尽可能循环再生，降低生产的成本。部分稀有金属只能作为少量添加成分。（4） 合金

13、应具有良好的力学性能（强度、拉伸度、疲劳度等），优于或与传统锡铅焊料相当。（5） 焊点易于检测，稳定性要好。2.2 回流焊接的定义和特点回流焊接是通过加热印制电路板将敷有焊料区域内的膏状软钎焊料融化、聚合，并利用吸附作用将其填充到整个焊盘区域，从而实现冶金连接与电气导通的工艺过程。回流焊接具有不需要将印制电路板和元器件直接浸入到锡锅中，元器件不易变形的特点。而且熔融焊料表面张力，具有一定范围内自动矫正能力称为自定位效应。焊接工艺简单，焊点可靠性好。2.3 无铅回流焊接技术无铅回流焊接是回流焊接中最重要的焊接工艺一种。顾名思义无铅回流焊接采用无铅钎料进行回流焊。无铅钎料比有铅钎料具有高熔点、低润

14、湿性等特征，必须讨论其润湿性、触变性、焊料球等方面影响。无铅回流焊接温度高，熔点比传统共晶焊料高50左右，工艺窗口小，导致质量控制难度大。为了满足无铅回流焊接工艺要求，对设备以及工艺参数要进行调整。3 无铅回流焊接设备简介3.1 回流焊炉简介3.1.1 回流焊炉的总体结构回流炉的品种繁多，按照加热区域，可以分为对印制电路板整体加热进行回流焊和局部加热进行回流焊。结构设计主要有空气流动系统、加热系统、传动系统、冷却系统、氮气保护系统、助焊剂回收装置、废气处理与回收装置、中央处理系统和外形结构等。最主要的四大主体是加热区、冷却区、气体控制系统及电路板传送。3.1.2 回流焊接基本原理：回流焊接就是

15、通过融化预先涂敷在印制电路板上适当量和适当形式的软钎焊料。回流炉设有若干可独立控制温度的温区，通过传送系统，按顺序通过各个温区，完成焊点的焊接，实现冶金连接及元件电气互通。回流焊炉（见图1）图1 回流焊炉3.1.3 无铅回流焊接设备（1）热风回流焊（见图2）图2 热风回流焊炉示意图热风回流焊的缺点是电路板上、下温差及沿炉方向的温度梯度不容易控制，易产生氧化，所以一般不单独使用。（2）红外热风回流焊（见图3）图3 红外热风回流焊示意图它是按30红外线，70热风做热载体进行加热。有效结合了红外回流焊和强制对流热风回流焊的长处。更易调节温度曲线，温度均匀，无阴影效应。是目前较为理想的加热方式。3.2

16、 回流焊炉的无铅化对策3.2.1 增加温区由于无铅回流焊对温度变化控制要求更高，适当增加温区数量更有利于精确控制， 能让实际温度曲线进一步接近理想值。温区数量的增多， 越容易控制温度上升和下降的速率。3.2.2 改变热风传递方式传统的送风，热风没有确定的流向，热传递损耗较大。通过改进送风方式，加装导向喷嘴。使热风有了明确的方向，热传递损耗减少，对减少元器件横向温差会起着较大的作用。还因为热风力的方向明确，0201等小元件不易被吹跑，还有效降低温区之间干扰。3.2.3 惰性气体保护回流焊接中使用惰性气体，可以提高焊点的质量。使用最多的气体为氮气，可以保护PCB焊盘不被氧化，对无铅回流焊接焊点的可

17、焊性有明显提高。虽然由于成本的原因，很多厂商没有使用惰性气体保护，但随着对焊点质量追求的提升，惰性气体保护措施会越来越普及。3.2.4 采用有效的冷却装置可控快速的冷却，可以获得光亮、外形好、接触角小的优良焊点。无铅回流焊对设备的冷却系统提出更高的要求。通常采用优于传统风冷装置的双循环水冷系统，实现对冷却的速率完全的控制。4 无铅回流焊接技术的应用4.1 无铅回流焊接工艺回流焊接的工作过程是通过设有不同温区的回流焊接炉，完成焊接和固化的作用。4.1.1 回流焊工艺的作用和目的回流焊接通常是SMT加工的最后一道工序，主要是为了:将预敷的焊料熔融、回流、浸润，进行焊接，以进行电气连接。4.1.2

18、无铅回流焊接工艺相对于有铅回流焊接，无铅回流焊接在工艺上有一定改变。（1） 印刷工艺：影响较少。造成这种工艺差异的是因为焊膏的配方不同。要进行无铅回流焊接，就要考虑焊料的表面张力，熔点温度，以及焊料流变性的改变，也受模板开口的影响。所以无铅回流焊接在印刷工艺上是有变化的。（2） 贴片工艺：基本无变化。无铅焊料熔点的增加，导致贴装元器件耐热能力改变，但并不影响贴片机对其贴装。只有因为润湿性变差，贴装轻微元器件可能需要调整贴装压力。（3） 焊接工艺：影响最大。锡膏特性决定了回流曲线的基本特性。无铅焊接温度曲线与有铅焊接温度曲线的比较见图4、图5。图4 回流炉无铅焊接温度曲线图5 回流炉有铅焊接温度

19、曲线在图4的无铅焊接温度曲线中，焊膏为SAC305（熔点217），为了充分讨论焊膏状态各阶段的变化，将曲线分成这样四段：预热段温度由室温加热至150，温度上升速率控制在2/s左右，温区时间为60150s。把锡膏中较低熔点的溶剂挥发走。恒温段温度由150上升到200，稳定缓慢升温，温度上升速率小于 1/s，该区域时间控制在60120s（注意：该区域一定缓慢受热，否则易导致焊接不良）。一个是使整个PCB都能达到均匀的温度（175左右），恒温的目的是为了减少进入回流区的热应力冲击。另一个作用就是焊锡膏中的助焊剂开始发生活性反应，它将清除焊件表面的氧化物和杂质，增大焊件表面润湿性能（及表面能），使得融

20、化的焊锡能够很好地润湿焊件表面。由于恒温段的重要性，因此恒温时间和温度必须很好地控制，既要保证助焊剂能很好地清洁焊面，又要保证助焊剂到达回流之前没有完全消耗掉。助焊剂要保留到回流焊阶段是必需的，它能促进焊锡润湿过程和防止焊接表面的再氧化。回流段温度由217加热至217，整个区间时间控制在 6090s。温度继续升高越过回流线（ 217），锡膏融化并发生润湿反应，开始生成金属间化合物层。到达最高温度（240 左右），然后开始降温，落到回流线以下，焊锡凝固。回流区域也应考虑到温度上升和下降斜率不能导致组件受到热冲击。回流区域的最高温度由PCB上温度敏感元件的温度适应能力决定。 在回流区域的时间应该保

21、证组件完成焊接良好的前提下越短越好，一般3060s最好。冷却段温度由回流温度下降到70以下，温度下降速率最大不能超过 4/s。焊膏中钎料粉末一旦熔化，并且已经润湿了被焊的基体金属表面，就应该尽可能快的冷却，这样才能获得光亮外形好，触点接触小的优良焊点。但是冷却的太快又易形成热应力而损坏元器件。所以必须根据生产现场具体情况灵活处理。冷却区一般采用水冷（见图6）。图6 水冷热交换循环说明4.2 温度曲线的制作选择无铅回流焊接时，应该选择10个温区以上的回流炉，便于很好的调整温度曲线，如果温区过少制作温度曲线难度大大增加。4.2.1 对于温度检测的要求温度测试仪对测温线有一些要求，测温线的直径越小，

22、误差越小，反之则越大，必须有温度探头，以保证测量温度及时，准确反映到仪器上。测试点固定，有很多方法，如：高温锡，贴片红色胶等，防止由于受热或晃动导致的测试点位移。4.2.2 选择合理的测试点通常测试点选择在：对温度有特殊要求的元器件；板面温度最低位置；印制电路板中心或边缘；BGA底部中心或顶部中心；大型IC器件顶部中心等。注意测试点一般至少取3个反映电路板高、中、低温部位的温度情况。4.2.3 温度曲线的调整和确认在温度曲线制作中，一定要注意工艺窗口，无铅焊接工艺窗口只有510度。温度曲线的设置，要着重注意焊接温度的稳定性，不能超过任何元件，基板的承受能力。焊膏供应商会提供推荐的温度曲线。设置

23、温度曲线时尽量靠近供应商提供的曲线，才能保证焊膏的焊接可靠性。图7 回流炉测试的温度曲线不同的产品，温度曲线不同。一旦温度曲线确定，必须将调温记录和温度曲线存档，做好产品、温度曲线、温度设置一一对应表，作为标准，妥善保存。5 无铅回流焊接中常见缺陷及解决方法无铅回流焊接就本质上讲是一个热的传递过程， 即将所有PCB上的焊盘升温至焊料熔点以上使熔化的焊料流动形成焊点。在焊接过程中，如果对工艺控制不当，势必将产生一些焊接缺陷，归纳起来主要有：冷焊、立碑、偏移、桥接、空洞、芯吸、锡珠、龟裂等相关缺陷。（1） 冷焊冷焊是指焊料没有完全熔化或焊料没有完全回流焊接的一种现象。焊点出现冷焊现象，焊点的外形则

24、呈现出颗粒状、不规则状，焊料颗粒不能完全融合，且焊点的颜色很暗淡（见图8），其形成的机械抗拉强度也十分脆弱。一般来说，冷焊现象的产生主要是回流炉的温度偏低造成。图8 典型的冷焊现象，焊点表面粗糙、颜色暗淡其实造成冷焊的原因还有：太低的回流温度，导致回流时热量不充分。在冷却段，有强烈的冷空气或者是传送不平稳使得焊点受到了扰动，出现扰焊。在焊盘或者引脚的周围表面污染会抑制助焊剂的能力，导致没有完全回流焊接。随之导致不能完全凝结。焊料的金属粉末质量太差，多数由于高度氧化粉末颗粒包封形成的。解决方法：调整回流温度曲线注意调整传送带平稳性使用活性稍微高的助焊剂不要使用劣质焊膏，制定焊膏的使用规章制度来保

25、证焊膏的质量（2） 立碑立碑也被称为曼哈顿效应，主要是指无引脚的片状电阻和电容一端被提起，矗立在另一端上的现象（见图9）。图9 立碑现象引起立碑的根本原因是：有缺陷的元件排列方向设计，使未熔化的元件端头向上自立焊盘设计质量的影响，一端大一端小。温度不均匀。温度梯度被不均匀的热量分布和附近元器件的阴影效应而影响。解决方法：保持元件首末端同时进入回流焊限线严格按标准规范进行焊盘设计阴影效应是加热的阻抗，通过适当PCB电路设计，也可以适当选择回流方法而得到减少。（3） 偏移偏移也称为漂移（见图10），对于片式元件造成偏移的原因主要是元件两端的焊料熔融之后表面张力的不均衡引起的，当然对于0402以下的

26、芯片也与回流焊炉腔体内热循环的风速有关，对于部分片状元件以及IC类芯片还与贴片机的贴装精度有关。图10 片式元件的偏移归纳起来造成偏移的主要因素有：焊膏印刷不准确、厚度不均匀、元器件放置不当、传热不均匀、焊盘或者引脚的可焊性不好、助焊剂活性不够、焊盘比引脚大太多等。解决方法：严格的控制SMT生产中各项工艺，使用适当活性助焊剂。（4） 桥接桥接是焊料在导体间的非正常连接（见图11），是SMT中常见的缺陷之一，它会引起元件之间的短路，遇到桥接必须返修。图11 桥接现象引起桥连的原因有：电路板上细间距焊盘制作本身有缺陷；焊膏粘度过低，触变性不好、印刷后塌边、焊膏太多、焊膏塌陷、贴片压力太大，回流时候

27、升温较快等。解决方法：改进模板的制作，印刷工艺等关键的工序。（5） 焊点空洞在无铅回流焊过程中，如果锡膏助焊剂等有机物或吸入的水分在焊料固化前未能及时去除，或者在形成气体后未能及时逸出，就会在焊点中形成空洞（见图12）。图12 SnAgCu合金焊料外引线焊点空洞现象其原因有很多种，主要是：焊接材料的影响， SAC合金表面张力大于SnPb合金，与熔融的锡铅合金相比，任何残存的气体都很难脱离熔融的SAC合金。焊接工艺的影响。预热温度过低，时间过短，导致焊膏溶剂在硬化前没有及时逸出。解决方法：应该从温度曲线设定，选择合适的助焊剂入手必须设置合适的温度曲线（6） 芯吸现象芯吸现象又称抽芯现象，是熔融焊

28、料润湿元器件引脚时焊料从焊点位置爬上引脚的现象（见图13）。通常会形成严重的虚焊现象。图13 芯吸产生原因是：引脚和电路板间温差过大，以及熔融焊料表面张力引起的。回流时，元器件引脚比PCB焊盘先达到熔融温度，使得焊料上升，导致芯吸。解决方法：采用底部加热法，将焊料熔化，使用缓慢升温速率将允许热量均衡的传送到PCB。（7） 锡珠锡珠是回流焊常见的缺陷之一，其原因是多方面的，不仅影响到外观而且会引起桥接。锡珠可分为两类，一类出现在片式元器件一侧（见图14），常为一个独立的大球状；另一类出现在IC引脚四周，呈分散的小球状。图14 锡珠现象产生这一现象的原因：锡珠的产生多发生在焊接过程中的加热急速而使

29、焊料飞散所致，另外与焊料的印刷错位、塌边、污染等也有关系。解决方法：改善温度曲线，改善焊盘的设计。（8） 龟裂 龟裂现象就是焊点上有裂纹（见图15）。图15 龟裂产生原因是：焊盘温度过高，焊点变形冷却速度过快解决方法：控制焊盘焊接温度，减少变形量。控制适当的冷却速度。回流焊接质量的好坏不仅影响产品的使用性能和寿命，更重要的是影响人身和财产安全。随着无铅焊接技术更广泛深入的应用， SMT无铅回流焊接质量问题引起人们高度重视，为了减少或避免上述缺陷的出现，不仅要提高工艺人员判断和解决这些问题的能力，另外还要注重提高工艺质量控制技术，完善工艺管理，制定出有效的控制方法，才能提高焊接的质量， 保证电子

30、产品的最终质量。结论无铅化已经普及开来，但是针对无铅必须有相应的组装工艺，无铅回流焊接工艺是当前表面组装技术中最重要的工艺之一，由于使用无铅焊料，工艺参数必须随之改变。其主要的变化是焊料成分的改变，而带来回流温度高、工艺窗口变小、润湿性差、工艺难度大，容易产生可靠性降低等问题。因此要求比有铅时更加重视理论学习、工艺技术研究、工艺实践，而且要进行设备改造或添加必要的焊接设备直至达致无铅回流焊接要求才能进行无铅回流焊接。提高管理水平，严格执行工艺的要求，严格执行无铅对设备所应满足的要求，严格执行无铅回流焊接对焊接材料所应满足的要求，以达到无铅回流焊接质量的要求。致谢在论文完成之际，首先感谢南京信息

31、职业技术学院对我的培养，感谢所有老师对我论文的悉心指导，从论文选题到论文的写作过程给予我真诚的鼓励、中肯的建议和指导；此外，感谢在我做毕业设计时的车间的师傅们，使我得以学会使用一些设备；然后，我还要感谢大学里所有的老师，为我们打下SMT专业知识的基础；同时我还要感谢所有的同学们。正是因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业设计才会得以顺利完成。参考文献1.张文典.电子表面组装技术-SMT.第二版.北京:电子工业出版社.2002.2.蔡海涛,李威,王浩.回流焊接温度曲线控制研究.微处理机.2008,29(5).-24-26.3.唐畅,阮建云.无铅回流焊接的实施.电子工艺技术.2006,27(5).-269-271,276.4.鲜飞.无铅焊接.技术概述.印制电路信息.2009(4).-63-66.5.舒平生.回流焊炉的无铅化对策探讨.中国制造业信息化:学术版.2009，38(5).-65-68,72.6.黄卓,杨俊,张力平,陈群星,田民波.无铅焊接工艺及失效分析.电子元件与材料.2006,25(5).-69-72.7.史建卫.无铅焊接工艺中常见缺陷及防止措施.电子工艺技术.2008,29(2).-116-119.8.胡毓晓,赵雄明,朱桂兵.浅析SMT回流焊接缺陷分析.电子工业专用设备.2009(05):15-19+33.14