在PCB組裝中無鉛焊料的返修

摘　要：由于潤(rùn)濕性和芯吸性不足，所以，無鉛焊接的返工是比較困難的，因此為各種不同元件的無鉛焊接而開發(fā)研制出成功的返工和組裝方法。

返工是無鉛 PCB 組裝的批量生產(chǎn)工藝中的一個(gè)重要組成部分，在最初的過渡時(shí)期，當(dāng)供應(yīng)鏈上的每個(gè)環(huán)節(jié)形成信息曲線時(shí)，尤其如此。然而，由于需要保修，所以在整個(gè)產(chǎn)品的壽命周期范圍內(nèi)仍存在著返工的問題。

人們發(fā)現(xiàn)，無鉛焊料合金通常不象 Sn/Pb 焊料那樣易于潤(rùn)濕和芯吸，因此，無鉛焊料的返工是較困難的，其在 QFP 中的應(yīng)用就是一個(gè)明顯的例子。盡管存在著這些差異，通過使用焊劑凝膠、筆式焊劑和芯吸焊料等已為用于象分立元件、面陣列封裝等不同元件的無鉛焊料（Sn/Ag/Cu 或 Sn/Ag ）開發(fā)出成功的返工方法（即手工和半自動(dòng)）。大多數(shù)用于 Sn/Pb 的返工設(shè)備仍可以用于無鉛焊料中。必須對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便適用于無鉛焊料的較高的熔融溫度和較低的可潤(rùn)濕性。 Sn/Pb 返工中采用的其它預(yù)防方法（如必要時(shí)的板子烘干）仍適用于無鉛焊料的返工。研究表明，使用適當(dāng)?shù)姆倒すに嚳梢灾圃斐鼍哂羞m當(dāng)粒子結(jié)構(gòu)和形成的金屬間化合物的可靠的無鉛焊點(diǎn)。

特別要注意減少返工工藝對(duì)焊點(diǎn)、元件和 PCB 帶來負(fù)面影響的可能性。由于焊接溫度的上升，層壓材料、玻璃纖維和 Cu 之間的 Z 軸熱膨脹系數(shù)（ CTE ）不匹配，給 Cu 層上施加了更大的應(yīng)力，就有可能出現(xiàn)鍍覆通孔中 Cu 的開裂，從而導(dǎo)致故障的產(chǎn)生。這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題，因?yàn)樗怯稍S多變量而決定的，如象 PCB 層數(shù)和厚度、層壓材料、返工溫度曲線、 Cu 布局和導(dǎo)通孔的幾何形狀（如孔徑比）等。要確定在什么樣的條件下層壓材料（如高的 Tg 、低的 CTE ）才能夠替代傳統(tǒng)的 FR4 ，滿足無鉛焊接的要求，還有很多的工作要做。這并不是說較低成本的材料（如 CEM 、 FR2 等）不能夠用于無鉛焊接中。事實(shí)上，在批量生產(chǎn)中這些方法得到了應(yīng)用，并在每一例應(yīng)用基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)用情況進(jìn)行檢查。必須對(duì)返工對(duì)焊盤和掩膜粘性的影響進(jìn)行認(rèn)真的*估。

同樣，還應(yīng)對(duì)返工對(duì)元件可靠性的影響進(jìn)行認(rèn)真的研究探討。翹曲和脫層是其中一些可能出現(xiàn)的問題。最近發(fā)布的 IPC-020B 標(biāo)準(zhǔn)指出應(yīng)將返工作為無鉛焊接中較高溫度元件額定值的重點(diǎn)加以考慮。

電化學(xué)的可靠性是應(yīng)考慮的另一個(gè)重要問題。當(dāng)焊劑殘余物溶解于板子上的濕氣冷凝時(shí)，在電偏置下面的導(dǎo)體蹤跡之間會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致表面絕緣電阻（ SIR ）下降。如果產(chǎn)生電遷移和枝狀生長(zhǎng)的話，由于導(dǎo)體蹤跡之間形成“短路”，就會(huì)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的故障。電化學(xué)的可靠性由免清洗應(yīng)用中焊劑殘余物抵抗電遷移和枝狀生長(zhǎng)的性能來決定。因此，必須實(shí)施以 IPC （按照 TM-650 2.6.3.3 ）為基礎(chǔ)的 SIR 測(cè)試或 Telecordia 測(cè)試，為確保返工使用的焊劑和再流焊劑 / 波峰焊劑和返工的焊劑之間的任意反應(yīng)物不會(huì)給免清洗應(yīng)用帶來電遷移和枝狀生長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。

“元件混合”的問題是涉及到確保質(zhì)量的特殊問題，尤其是在這種技術(shù)的過渡時(shí)期。通過對(duì)無鉛焊料的鉛對(duì)長(zhǎng)期可靠性的影響的初步研究說明，由于焊點(diǎn)中鉛的含量不同，所以影響也是不同的，當(dāng)鉛的含量在中間值范圍時(shí)其帶來的影響是最大的，因?yàn)樵诔掷m(xù)凝固的枝蔓間錫晶粒間界中偏析相的形成（例如；粗糙的鉛粒子），在這個(gè)位置上開始裂縫，并在周期負(fù)荷下蔓延。例如；其顯示出 2~5% 的含鉛量就會(huì)給無鉛焊料的疲勞壽命帶來不利的影響，但是，其可能不會(huì)比 Sn/Pb 焊料的效果差。因此，如果使用無鉛焊料返修含鉛的板子的話，從焊料的角度而言，無鉛焊料和 Sn/Pb 焊料混合到一起的可靠性可能不會(huì)影響 Sn/Pb 焊料。然而，溫度對(duì)元件的影響（特別是塑封元件）是一個(gè)值得關(guān)注的問題。另一方面，用 Sn/Pb 焊料返修無鉛焊料的板子形成的焊點(diǎn)的可靠性可能不如其它板子上的無鉛焊點(diǎn)的可靠性那樣好。

就供給系統(tǒng)而言，在過渡時(shí)期，應(yīng)將用于無鉛焊接的焊烙鐵和焊接材料（芯式焊料、焊劑凝膠等）做上清楚的標(biāo)記是很關(guān)鍵的。必須對(duì)操作員進(jìn)行無鉛返工工藝和檢驗(yàn)方面的培訓(xùn)。大量的返工和較高的材料成本將會(huì)給總成本帶來直接的影響。