主流無鉛焊接實踐

2022-05-11

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主流無鉛焊接實踐

福英達——研發中心——俞建文

摘要

鉛不僅(jin) 對水汙染，而且對土壤、空氣均可產(chan) 生汙染。電子製造業(ye) 中大量使用的錫鉛合金焊料( Sn/Pb)是汙染人類生存環境的重要根源之一。因此，無鉛焊接技術的應用是必然趨勢。實現電子製造的全麵無鉛化，以減少環境汙染，以適應國內(nei) 外市場對綠色電子產(chan) 品的需求，是電子製造業(ye) 勢在必行的舉(ju) 措。本文將從(cong) 無鉛合金和PCB板表麵處理兩(liang) 方麵介紹。

一．主流無鉛合金

目前世界上無鉛焊料主要有：SnCu（摻雜Ni，Co，Ce）、SnAg (+Cu，+Bi，+Sb，+摻雜，例如Mn，Ti，Al，Ni，Zn，Co，Pt，P，Ce)、SnZn (+Bi)。目前最流行的無鉛合金是SnAgCu，其中Ag為(wei) 1%-5%；而SnBi (+Ag) (熔點為(wei) 140℃) 也越來越普遍。

在Sn-0.7Cu中加入Ni可以減輕銅腐蝕和不鏽鋼腐蝕，304型不鏽鋼腐蝕速率SAC305 > Sn-0.7Cu > Sn-0.7Cu-0.05Ni；銅腐蝕速率SAC305 > Sn63 > Sn-0.7Cu-0.05Ni^[1]。在SAC中加入（Mn,Ti,Ce,Bi），在跌落測試中，耐衝(chong) 擊性SAC105+0.05Mn/Ce≈SnPb >105 >305；在熱循環後耐衝(chong) 擊性SAC105+Ce > SAC105+Mn > 305 >105 >SnPb^[2]。

如下圖，隨著熱循環次數的增加，無鉛合金裂紋比SnPb36Ag2更長，SnAg3.5，SnAg3.8Cu0.7 和SnAg2.6Cu0.8Sb0.5沒有明顯的差別，SnZn9的裂紋最長^[3]。

89Sn-8Zn3Bi焊點強度損失分析，是由於(yu) IMC層的生長和空洞的形成^[4]，如下圖。

二．主流無鉛PCB表麵處理

主要分為(wei) OSP、鍍Ni/Au（ENIG）、鍍Ag、鍍Bi、鍍Pd、鍍Ni/Pd、鍍Ni/Pd/Au (ENEPIG)、鍍Ni/Pd(X)、鍍Sn（SnAg、SnBi、SnCu、SnNi）。

1.OSP

OSP就是在潔淨的裸銅表麵上，以化學的方法長出一層有機薄膜。因為(wei) 是有機物不是金屬，所以比噴錫工藝還要便宜。

這層有機物薄膜的唯一作用是，在焊接之前保證內(nei) 層銅箔不會(hui) 被氧化。焊接的時候一加熱，這層膜就揮發掉了。焊錫就能夠把銅線和元器件焊接在一起。但是這層有機膜很不耐腐蝕，一塊OSP的電路板，暴露在空氣中十來天，就不能焊接元器件了。

1.1 OSP的優(you) 缺點

優(you) 點：具有裸銅板焊接的所有優(you) 點，過期的板子也可以重新做一次表麵處理。

缺點：OSP透明無色，所以檢查起來比較困難，很難辨別是否經過OSP處理。OSP本身是絕緣的，不導電，會(hui) 影響電氣測試。所以測試點必須開鋼網加印錫膏以去除原來的OSP層才能接觸針點作電性測試。OSP更無法用來作為(wei) 處理電氣接觸表麵，比如按鍵的鍵盤表麵。OSP容易受到酸及溫度影響。使用於(yu) 二次回流焊時，需在一定時間內(nei) 完成，通常第二次回流焊的效果會(hui) 比較差。存放時間如果超過三個(ge) 月就必須重新表麵處理。打開包裝後需在24小時內(nei) 用完。

1.2 OSP的機理

OSP工藝，在銅表麵加苯並咪唑的塗層，可以降低板子表麵的氧化，如下圖^[5]。

下圖分別為(wei) 主流的OSP工藝表麵塗層有機物分子和新型OSP工藝表麵塗層有機物分子的TG-DTA曲線，新型的化合物分解溫度比原始的高100℃^[6]。

2.鍍Ni/沉Au（ENIG）

ENIG是通過化學方法在銅麵上包裹一層厚厚的，電性能良好的鎳金合金並可以長期保護PCB。內(nei) 層鎳的沉積厚度一般為(wei) 3-6μm，外層的金的沉積厚度一般為(wei) 0.05-0.1μm。不像OSP那樣僅(jin) 作為(wei) 防鏽阻隔層，其能夠在PCB長期使用過程中有用並實現良好的電性能。另外它也具有其它表麵處理工藝所不具備的對環境的忍耐性。

2.1化學反應機理

（1）鍍Ni過程

3NaH₂PO₂+3H₂O+NiSO₄→3NaH₂PO₃+H₂SO₄+H₂+Ni⁰或

Ni⁺⁺+H₂PO₂^-+H₂O→Ni⁰+H₂PO₃^-+2H⁺

2R₂NH·BH₃+3Ni⁺⁺+2H₂O→NiB+2Ni+2R₂NH+HBO₂+6H⁺+3/2H₂

（2）P和Ni一樣也會(hui) 發生共沉積，化學反應如下

2H₂PO₂^-+H_ads→H₂PO₃^-+H₂O+OH^-+P

3H₂PO₂^-→H₂PO₃^-+H₂O+2OH^-+2P

（3）沉Au過程

Ni⁰+2Au⁺→Ni⁺⁺+2Au^O

Ni+2Au(CN)₂^-→Ni⁺⁺+2Au+4CN^-

2.2 ENIG的優(you) 缺點

優(you) 點：ENIG處理過的PCB表麵非常平整，共麵性很好，適合用於(yu) 按鍵接觸麵。ENIG可焊性極佳，金會(hui) 迅速融入融化的焊錫裏麵，焊錫與(yu) Ni形成Ni/Sn金屬化合物。

缺點：工藝流程複雜，而且想要達到很好的效果需要嚴(yan) 格控製工藝參數。最麻煩的是，EING處理過的PCB表麵在ENIG或焊接過程中很容易產(chan) 生黑盤效益。黑盤的直接表現為(wei) Ni過度氧化，金過多，會(hui) 使焊點脆化，影響可靠性。

3.化學鍍鎳鈀浸金工藝（ENEPIG）

ENEPIG在鎳和金之間多了一層鈀，在置換金的沉積反應中，化學鍍鈀層會(hui) 保護鎳層防止它被交置換金過度腐蝕，鈀在防止出現置換反應導致的腐蝕現象的同時，為(wei) 浸金作好充分準備。鎳的沉積厚度一般為(wei) 3-6μm，鈀的厚度為(wei) 0.1-0.5μm。金的沉積厚度一般為(wei) 0.02-0.1μm。

3.1電鍍鈀的化學機理

Pd²⁺+NaH₂PO₂+H₂O→Pd^O+NaH₂PO₃+2H⁺

3NaH₂PO₂→2P+NaH₂PO₃+2NaOH+H₂

3.2 ENEPIG的優(you) 缺點

優(you) 點：防止“黑鎳問題”的發生-沒有置換金攻擊鎳的表麵做成晶粒邊界腐蝕現象。化學鍍鈀會(hui) 作為(wei) 阻擋層，不會(hui) 有銅遷移至金層的問題出現而引起焊錫性焊錫差。化學鍍鈀層會(hui) 完全溶解在焊料之中，在合金界麵上不會(hui) 有高磷層的出現。同時當化學鍍鈀溶解後會(hui) 露出一層新的化學鍍鎳層用來生成良好的鎳錫合金。能抵擋多次無鉛再流焊循環。有優(you) 良的打金線（邦定）結合性。非常適合SSOP、TSOP、QFP、TQFP、PBGA等封裝元件。

缺點：沒有廣泛應用，鈀的價(jia) 格昂貴，是一種短缺資源。同時與(yu) 化鎳金一樣，其工藝控製要求嚴(yan) 格。

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參考文獻

[1].   Keith Sweatman, Shoichi Suenaga, Masaaki Yoshimura and Tetsuro Nishimura (Nihon Superior), Masahiko Ikeda (Kansai University), “Erosion 5 of Copper and Stainless Steels by Lead-Free-Solders”, Apex, S27-4, Anaheim, CA, Feb, 2004.

[2].   Liu etc, SMTAI, p.920-934, October 4-8, 2009, San Diego, CA.

[3].   Günter Grossmann, Giovanni Nicoletti, Ursin Solèr , “Results of Comparative Reliability Tests on Lead-free Solder Alloys”, 52nd ECTC, S30-P1, San Diego, CA, May 28-31, 2002.

[4].   Hirokazu Tanaka, Yuuichi Aoki, Makoto Kitagawa and Yoshiki Saito (ESPEC CORP.), “Reliability Testing and Failure Analysis of Lead-Free 8 Solder Joints under Thermo-Mechanical Stress”, Apex, S28-1, Anaheim, CA, Feb, 2004.

[5].   Joseph D. DeBiase, “Organic Solderability Preservatives: Benzotriazoles and Substituted Benzimidazoles”, SMI 96, San Jose, CA, September 10-12, 1996.

[6].   Koji Saeki, (Shikoku Chemicals Corporation) and Michael Carano,

(Electrochemicals, Inc.), “Next Generation Organic Solderability Preservatives (OSP) for Lead-free soldering and Mixed Metal Finish PWB’s and BGA Substrates”, Apex, S10-2, Anaheim, CA, Feb, 2004.  

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