SMT印制板与无铅焊接.ppt.ppt

SMT印制板与无铅焊接,中兴通信谢坤平2009.04,主要内容 1、前言 2、无铅焊接对印制板的特殊要求 3、SMT印制板的耐热性和热稳定性 4、SMT印制板的无铅表面涂镀层 5、印制板无铅表面涂镀层的发展趋势 6、SMT印制板无铅焊接的验收和标准,1.前言,微电子技术的飞速发展和电子产品小型化、轻量化及高可靠的要求，使表面贴装元器件在电子产品中的应用日益广泛，表面安装技术因此也成为电子装联工艺的主流。作为表面贴装元器件的安装、连结和支撑的载体SMT用印制板也有了相应的发展和进步，表面安装元器件与印制板焊接连接用的焊料，也逐步由传统的锡铅合金焊料向无铅焊料过渡。传统的Sn63/Pb37共晶焊料由于其电气、机械性能和工艺性能优良，成本低廉，在电子装联中的应用已经有近百年的历史，在SMT印制板及其焊接中的应用也有多年的经验，技术相对也比较成熟。但是，焊料中的铅元素危害人类的健康，对环境会造成很大的污染。随着科学技术的进步，人们对环境保护意识的增强，限制使用铅等有害物质的呼声日益强烈，为此欧盟对在电气电子产品中限制使用某些物质进行了立法，颁布了“WEEE”和“ROHS”两项指令。,按照ROHS指令的规定：从2006年7月1日起，投放欧洲市场的电子产品不允许含有:Pb、Hg、Cd、六价Cr 和 PBB（多溴联苯）、PBDE（多溴联苯醚）等有害物质。我国由信息产业部、外贸部和技术质量监督局等七部委联合制定了电子信息产品污染控制管理办法现已颁布，主要目的是为了控制ROHS指令中规定的铅、汞等六种有害物质在电子信息产品中的应用（其中软件、出口产品和军工产品除外），该规定从2007年3月1日开始实施,这意味着今后进入中国市场的电子信息产品也必须是不含铅、汞等有害物质。所以在SMT印制板上采用无铅的涂镀层和采用无铅的焊接技术是势在必行。无铅焊接所用的焊料和印制板的焊盘涂镀层都需要无铅，无铅焊料一般要比传统的锡铅合金焊料的熔点和焊接温度要高出几十摄氏度以上，对SMT印制板的热冲击应力较大，并且对SMT印制板焊盘涂镀层的润湿能力也比传统的锡铅合金焊料差，如何保证焊接的质量和产品的可靠性是业界所普遍关注的问题。所以无铅焊接不仅仅是焊接材料的简单更换，它涉及到焊接材料、焊接工艺、设备，印制板基材、表面涂镀层等相关工艺匹配，以及相关标准和验收的问题。,为了应对无铅焊接的要求，欧美和日本等发达国家，早已在无铅焊接的材料、印制板的无铅制程和基材的更新以及相关标准方面，做了大量的工作和研究，并且开发出许多新的材料和产品。我国在这方面工作虽然起步较晚，但是有欧美等国的经验借鉴，发展也比较快，然而无铅焊接与传统的有铅焊接还有许多不同的特点和要求，实践经验和技术相对于有铅焊接尚不成熟，对于焊接材料、印制板与无铅焊接的匹配以及焊接质量和验收标准等方面，有许多工作需要进一步探讨和研究，本文将根据自己的实践和相关资料的体会，浅谈SMT印制板的表面涂镀层与无铅焊接的关系。,2、无铅焊接对SMT印制板的特殊要求 无铅焊接的核心问题是:焊接的材料、被焊接的元器件端子、印制板的焊盘涂镀层上不含铅。SMT印制板与无铅焊接工艺的匹配问题。用于无铅焊接的SMT印制板的特殊要求是由无铅焊料的特性决定的，所以首先需要了解无铅焊料的特点，才能更好地提出对适合无铅焊接的印制板的要求。2.1无铅焊料的特点无铅焊料是指：焊料合金中铅的自然含量小于0.1wt（1000ppm），并且不含ROHS指令中规定的其它有害元素。,无铅焊料合金一般为：Sn 与含Ag、Cu、Zn、Bi、In、Sb 等元素的二元、三元或多元合金。目前广泛采用的是Sn 95.8/Ag3.5/Cu0.7的三元共晶合金 及Sn 96.5/Ag3.0/Cu0.5的三元近共晶合金（日本）。该焊料与传统的锡铅合金焊料相比其特点是：2.1.1.焊料的熔点高 目前常用的无铅焊料合金的熔点一般为216220，因为合金各成分比例的不同，其熔点不同，含银量为3.5的SnAgCu共晶焊料其熔点为217，比传统的Sn-Pb合金共晶焊料高出34，在SMT印制板上的焊接温度也要相应地提高30多摄氏度。2.1.2.无铅焊料的表面张力较大 无铅焊料的表面张力较大，对印制板涂镀层表面的润湿性也比Sn-Pb合金焊料差，焊接后焊料的扩展面积小，对印制板焊盘的可焊性要求高。,2.1.3.无铅焊料的焊接工艺窗口小，工艺控制难度大。因为无铅焊料的熔点高，在焊接中能形成可靠焊点所需要的焊接温度也要升高，从焊接温度到印制板所能承受的温度极限值的范围变小；无铅焊料的共晶特性不如锡铅合金焊料，印制板横向的温差对焊接质量影响很大，需要提高温度的控制精度和加热温度的均匀性，因而工艺控制的难度加大。2.1.4.无铅焊料中含有银或其它稀贵金属，焊料成本高。无铅焊料中银的用量虽然只有SnPb焊料中Pb含量的9左右，但是银价格很高(铅与银的价格比为：1：250300)必然会使焊料的成本提高。但是，因为焊膏的成本制造费占较大比重，所以最终产品的价格略高于有铅焊膏。2.1.5无铅焊料焊点的强度根据焊料成分不同有很大区别，对于Sn-Ag-Cu系列的张力强度略高于SnPb焊料。,2.2无铅焊接对SMT印制板的特殊要求 由于无铅焊料有以上特点，对SMT用印制板的要求也就不同于有铅焊接，尤其是对印制板的基材和表面涂镀层有更为严酷的要求，具体体现在以下方面：2.2.1.基材的耐热性和热稳定性要求高 无铅焊料的熔点高，焊接也温度高，再流焊的温度曲线不同于有铅焊料，印制板通过再流炉焊接的温度高、时间长，为防止焊接过程中印制板受热产生起泡、分层、变色或金属化孔壁断裂而损坏，对印制板基材的耐热性和热稳定性有更高的要求。2.2.2.印制板表面的涂镀层应无铅、表面平整，有良好的可焊性，能与焊料形成可靠的焊点，并且能经受焊接的高温而不 易氧化，必要时需要经受重复焊接仍能保持可焊。传统的Sn-Pb合金镀层和有铅焊料的HASL涂层已不能应用。,2.2.3.SMT印制板应平整，板的翘曲度小 一般SMT板的翘曲度0.75%，并且在焊接的高温下印制板也不允许弯曲变形。翘曲会影响表面贴装元器件与板的共平面性，降低焊接的可靠性。尤其是在无铅焊接条件下温度高，更易引起翘曲。所以印制板高温下也应保持较小的翘曲。引起印制板翘曲是多因素的综合影响，有印制板基材方面、印制板加工的工艺控制问题、印制板设计时布线的均匀程度和热设计问题以及焊接工艺的控制等方面的原因。最根本原因是印制板基材中的铜箔、树脂和增强材料的热膨胀系数的差异，（在X-Y方向铜大于树脂，Z向树脂大于铜）。在高温下热膨胀的影响将更为明显，如果将上述影响因素控制得好，会使印制板的翘曲降到可以接受的程度,2.2.4.基材的吸湿率低和耐离子迁移性能好 SMT印制板的元器件安装密度越来越高，印制导线的间距越来越小，导线之间的绝缘电阻是印制板重要的电气性能。离子迁移（CAF）是印制板在加电使用过程中，在直流电场作用下，产生电化学反应，在印制板上相互靠近而平行的电路上施加电压后，在电场作用下，导线之间析出树枝状金属的状态，或者是沿着基材的玻璃纤维表面发生金属离子的迁移（CAF），从而降低了导线间的绝缘。焊接的高温能引起印制板表面树脂的挥发，如果树脂的挥发量大，印制板的表面粗糙容易吸湿，会加速CAF现象的产生，所以无铅焊接需要选择耐离子迁移性能好的基材。在潮湿的条件下，吸湿性高的基材在焊接的高温还容易引起印制板产生白斑或分层，使绝缘电阻下降。所以应选用吸湿率低或吸湿后对电性能影响不大的基材，如BT树脂等。,2.2.5.不含卤素类阻燃剂 SMT印制板在满足无铅要求的同时，还应不含PBB/PBDE类有卤素的阻燃剂材料，无卤素虽然与无铅焊接没有直接关系，但是都是在ROHS“指令”和“规定”中同时限制使用的有害物质，在采用无铅焊接的同时也必须考虑印制板的基材中无卤素的问题。并且无卤素基材的耐热性一般高于有卤素的基材，所以更适合于SMT印制板。在现有的FR-4型的印制板基材中，采用的阻燃剂不是“指令”中明文限制使用的PBB和 PBDE，它是采用四溴双酚A（TBBA）作阻燃剂，属于反应型阻燃剂，在环氧树脂中参与化学反应，不具有生物降解的可能性，许多研究表明它对于人类和环境的危害要小于PBB和 PBDE危害的十倍以上，在没有性价比更好的无卤素阻燃剂的情况下仍可以使用，这也是目前仍在采用FR-4型的印制板基材的原因。,TBBA型阻燃剂尽管毒性很低，但是它终究是含有卤素，是有一定毒性的，将逐渐被性价比更好的无卤素型印制板基材所代替。可以替代卤素的阻燃剂有磷（P）、氮（N）、无机氢氧化物（如水合氧化铝、氢氧化镁）等，目前采用较多的无卤素阻燃剂有含P、含N或两者组合，但是这类阻燃剂也有一定的不足，含P的树脂基材中的有机磷也有毒性，所以最环保型的阻燃剂应是不含卤素和磷。目前市场已开发出这一类的无卤素印制板基材，如苏州生益公司的S1155/S1156等板材，随着技术的进步将会有更多无卤素的印制板基材进入市场。3、SMT印制板的耐热性和热稳定性 在无铅焊接条件下印制板的耐热性和热稳定性是SMT用印制板的重要指标，也是广大电子装联工艺人员十分关注的问题。,印制板的耐热性和热稳定性对焊接的质量和产品的可靠性有重要影响，无铅焊接的温度高，对印制板的金属化孔及基材的温度冲击大，产生的热应力高，对印制板基材的性能要求十分严酷。为了保证焊接的质量、降低高温对印制板造成的损害，必须认真考虑SMT印制板的耐热性和热稳定性，选择合适的基材。基材的以下参数对SMT印制板的耐热性和热稳定性影响关系最大：3.1.印制板基材的玻璃化转变温度（Tg）：Tg是反映印制板基材耐热性能的重要技术指标，它是指受热后基材物理状态（由固态变为流体）开始变化时的最低温度，一般印制板的Tg值越高耐热性好，用于SMT印制板的一般FR-4型覆铜箔环氧玻璃层压板的Tg为130140，采用Sn-Pn焊料时可以满足要求。,而对于熔点较高的无铅焊料，基材的Tg150才能经受得住焊接的高温，在特殊情况下（高温使用）Tg还可以大于170，但是过高的Tg又会引起基材硬度提高、材料变脆加工性差，所以不能单纯追求Tg高，应综合考虑板的性能，选择Tg较高而合适的印制板基材，是满足无铅焊接的要求之一。3.2.印制板的热膨胀系数（CTE）：是反映印制板尺寸稳定性的重要技术指标，印制板的热膨胀系数分为：X-Y和Z两个方向。X-Y向热膨胀系数应与表面贴装元器件(SMD)芯片的载体相匹配（一般小于12ppm/）。SMD芯片载体通常为陶瓷或有机塑料（聚酰亚胺、BT树脂等）热膨胀系数较小，而普通印制板用的环氧玻璃布基材的热膨胀系数稍微大一点，较高的焊接温度使印制板X-Y向的膨胀较大，会造成尺寸较大的表面贴装器件与印制板焊盘之间焊接点上的应力增大，容易引起焊点开裂。,印制板基材的Z向热膨胀系数与铜层热膨胀系数相差过大，会在焊接温度下造成金属化孔壁断裂而失效。所以对于无铅焊接，必须选择热膨胀系数较低并与表面贴装元器件相匹配的印制板基材。一般来说印制板基材的CTE越小，尺寸越稳定，金属化孔受热冲击产生的应力就小。3.3.基材的热分解温度（Td）：Td也是印制板耐热性能的重要技术指标，它表示印制板基材的热分解温度，是指基材的树脂受热失重5时的温度，作为印制板的基材受热引起分层和性能下降的标志。对于普通的Sn-Pb焊料，因为焊接温度较低，一般的FR-4基材能够满足要求，所以在原来的标准中对印制板的基材没有此项性能要求。对于无铅焊接的温度较高，就必须考虑基材的热分解温度，通常基材的热分解温度分为：310、325和340三个等级，对于无铅焊接用的SMT印制板应根据板的尺寸大小、元器件安装密度和焊接,的工艺温度应选用合适的Td等级的基材，因为Td值越高，基板材料的加工难度大、成本高。3.4.基材的耐热分解时间（T288）：T288是反映印制板基材耐焊接条件的一项技术指标，指印制板的基材在288条件下经受焊接高温而不产生起泡、分层等分解现象的最长时间，该时间越长对焊接越有利。对于传统的Sn-Pb合金焊接温度不高（220230）印制板基材的耐热分解时间在260时，T26030s就可以满足SMT印制板的要求，对于无铅焊接温度一般为250260，则印制板的基材的耐热分解温度提高，应满足在288条件下T288300s才能保证焊接时基材不分解、性能不破坏。,3.5.印制板基材的耐离子迁移性（CAF）：为了降低CAF现象的产生，对SMT印制板应考虑选择耐CAF性能高的基材。耐热性好、低吸湿率的基材和产品低湿度的工作环境有利于防止CAF现象。必要时在将印制板组装件清洗合格后，表面再进行敷形涂覆可以降低CAF产生的可能性。目前BT树脂基材和CEM-3基材的耐CAF性能优于FR-4基材。在采用无铅焊接时，必须认真考虑和研究以上参数对印制板性能和焊接质量的影响，正确选择基材，根据材料的特性严格控制焊接的工艺参数和操作，才能既保证焊接质量，又不降低印制板的机械、电气和物理性能，进而保证印制板组装件和整机产品的质量。,4、SMT印制板的无铅表面涂镀层 SMT印制板的表面涂镀层的无铅化是保证实现无铅焊接的重要条件之一，印制板表面的涂镀层有保护印制板焊盘可焊性，保护电路的铜导线减少环境腐蚀，延长使用寿命的功能。对于无铅焊接最重要的还是印制板焊盘表面的可焊性，为了保护和提高焊盘的可焊性，在SMT印制板表面都要进行无铅的涂覆或镀覆层加工，传统的Sn-Pb镀层和有铅焊料热风整平（HASL）技术已受到限制。目前印制板上的无铅涂镀层主要分为有机涂层和无机涂镀层两大类。4.1有机涂层：主要有多种类型的OSP（有机可焊性保护剂），它包括苯并三氮唑、烷基咪唑、苯基咪唑等氮杂化合物。该类化合物能与印制板上的铜产生化学反应，生成厚度为0.10.5m的有机聚合物的铜膜附着在铜表面，此膜为憎水型，能有效地保护底层的铜不受大气环境的影响而氧化，保持了铜的可焊性，在正常储存条件下，印制板的货架寿命在6个月以上，在潮湿的情况下货架寿命也能达到,3个月以上。当焊接时它有助焊功能，在高温下保护膜分解，焊料润湿焊盘上的铜实现焊接。不同类型的OSP所形成的保护膜厚度和热分解温度不同，在选用时应注意不同牌号产品的技术指标，以便满足使用要求。OSP涂层的优点：涂层平整与表贴元器件共平面性好、成本低，涂覆工艺简单。OSP涂层的缺点：涂层薄而无色，涂覆的质量难于进行外观检验，涂层焊接后高温分解，失去防氧化能力再次焊接时，焊盘容易氧化可焊性下降，所以不能多次焊接。目前已研制出能经受3此以上焊接的OSP涂层。4.2无机涂镀层 无铅焊接的无机涂镀层主要有：无铅HASL、电镀镍金、化学镀镍金、浸银、浸锡、镀钯等，不同涂镀层的性能和成本有所差异，选用时应根据产品性能和成本要求采用适当的涂镀层。这类涂镀层性能和特点如下：,4.2.1 无铅HASL涂层：类似于有铅焊料的HASL涂层，它采用的焊料是无铅焊料（一般采用Sn-Cu合金）。HASL有垂直和水平两种方式涂覆焊料。垂直HASL：是将清洁的印有阻焊膜印制板垂直浸入熔融焊料中，达到规定时间（36s）后垂直提出，同时通过板子两侧的高压热风（风刀）将孔内和焊盘上多余焊料吹除，在孔壁和焊盘上形成一层平滑、光亮的焊料涂层。由于焊料熔化时的重力和表面张力作用，涂层厚度不均匀，对大尺寸细节距表贴器件的共平面性差，所以不适合用于有细节距器件的SMT印制板。水平HASL：是将待涂覆的印制板以水平方向通过熔融焊料，经过规定的时间(23s)在水平方向从焊料中拖出，再经高压热风刀吹除板面和孔内多余焊料。由于在热风整平时印制板是水平方向传送，减少了对熔融焊料的重力作用，涂层平整、较均匀，焊盘表面涂层较薄（0.2515m），适合于SMT印制板的焊接。,HASL涂层的优点是：可焊性好，货架储存期长（达12个月），能承受多次焊接的热循环能力，涂层与焊料成分相同，焊点结合良好，有优良的电学性能。HASL涂层的缺点是：所用的热风整平设备和工艺条件与普通的热风整平不同，因为无铅焊料熔点高，对设备材料要求高，结构较为复杂。焊接后形成的焊点机械强度稍低于Sn-Pb焊料。工艺过程控制较难，加工过程中印制板承受的热应力较大，由于焊料表面张力的作用，该涂层容易形成“龟背”形表面，使焊盘表面的平整性和与器件的共平面性不如其它非易熔性镀层，并且涂层与引线的键合工艺不兼容。综合HASL涂层的以上特点，它可以用于一般SMT印制板的表面涂覆层，但不适合用于高密度组装和采用键合连接技术（Bonding）的SMT印制板。,4.2.2.电镀镍金：电镀镍金 是在印制板的铜层上先电镀一层镍（Ni），再镀一薄层金(Au)作为保护镍的可焊性镀层。该镀层的优点是：可焊性、共平面性好，耐氧化性强、接触电阻低、有良好的电性能，采用不同厚度的镀层即能适合焊料焊接，又能适合引线键合和接触连接。该镀层的缺点是：金是贵金属成本较高，工艺相对其它镀层比较复杂，并且由于制程中镀液的分散能力和电镀的特性，使板厚与孔径比较高时镀层均匀度下降，因而限制了其应用范围，主要应用于厚径比（板厚与孔径比）小于6的高端产品的SMT印制板。镀层中的Ni能与焊料形成较好的互熔金属间化合物，连接强度较高，并作为可焊接的扩散势垒，能阻止焊盘上的铜向焊料中迁移，并且镍的热膨胀系数（CTE）为12.96ppm/,低于铜的CTE(16.56 ppm/)，,在热偏移中能使金属化孔内镀层稳定化，能形成比铜层稳定得多的焊料连接，但是镍在空气中容易被氧化，所以在镍层上镀金，防止镍层氧化。如果金层较厚（0.8m）在焊接时熔于焊料超过3，在界面上形成的金锡间化合物（AuSn4）会使焊点变脆，连接的强度大大下降；如果金层很薄，焊接时能很快溶于熔融的焊料中并从界面移出，留在焊料中的金含量很少不会带来脆性的问题。在采用无铅焊接时必须注意金层的厚度，金溶于Sn-Ag 焊料的速度比溶于 Sn Pb焊料快且溶解度高。电镀镍金时，为了防止电镀的后续清洗、蚀刻等工序对镀层的影响，一般要求有较厚的镍层（46m），为了提高镍与基体铜层的结合力通常采用低应力的半光亮镀镍工艺。金镀层耐氧化性、电气性能好，接触电阻低，可焊性也好，镀金层的厚度和硬度严格取决于具体的应用，应根据镀层的用途和焊接使用的方法选择合适的镀层，不然，不但发挥不了金镀层的特点，甚至适得其反会引起焊接的质量问题。,用于锡合金焊接连接时：镍层上的镀金层要求为很薄的硬金（合金），厚度一般不大于0.8m，最好0.45m。一般采用电镀水金（闪镀金）可以得到较薄的镀层，这样即能防止镍层氧化，又不影响焊接质量，适合于高端产品用的SMT印制板的表面镀层。化学金镀层厚镀一般较电镀金薄，ENIG法金层最薄0.05m，通常为0.0750.125m，所以镀层更厚一些（0.1m)镀层的孔隙率低，其防氧化效果更好些。锡焊时优选值为0.0750.3m，薄的镀金层能在焊接时迅速溶于焊料中，并与镍层形成锡镍共价化合物，使焊点更牢固，少量的金溶于锡中不会引起焊点变脆。当作为接触连接（触点或金手指）宜采用较厚的镀层作为接触点，金层应是大于0.8m厚的硬金（高可靠产品1.3m），以提高触点的耐磨性和抗腐蚀性，一般采用脉冲电镀厚金可以提高镀层的致密度，改善镀层的质量。用于引线键合（bonding）的金层应为厚度0.75m的软金（纯金），键合连接不需要焊料，采用热压焊，在,加压力的情况下，在焊接部位加电形成瞬间大电流，熔化金属接触表面加速界面合金的形成，达到形成可靠的的焊点，此焊接方法在金层厚度过薄时焊接不可靠；如果采用超声波冷压焊，金层厚度应小于0.75m，过厚的金层焊不透，会引起连接的可靠性下降，受机械应力时容易使焊点开裂。所以在采用镀金层时，必须要注意金层的这些特性和焊接加工的工艺特点，确定镀金的种类，不然将会引起焊接的质量问题。由于镀金层采用不当，此类的焊接质量问题在实际电子产品的生产中时有发生，因为这是需要印制板的设计、制造和装联工艺等三个不同的技术领域要相互协调的问题。4.2.3.化学镍金（ENIG）：化学镀金/镍是用化学方法在印制板的铜层上先镀镍，,然后再以化学还原法或置换法镀金（置换法镀金/镍又称ENIG)，作为镍的保护层。该镀层的优点：可焊性和共平面性好，表面耐氧化能力强，能够经受无铅焊接的高温多次焊接，也适合于引线键合连接。该镀层的缺点：镀层薄不适于加速老化试验，生产中工艺控制难度大；在制造和储存过程中镍层容易氧化，焊接后易产生“黑盘”成为不可靠的焊点。ENIG是采用置换法镀金，当金层完全覆盖了底层的镍，置换化学反应会立即停止，金镀层厚度不会再增加，一般小于0.125m，由于镀层薄在焊接时不会引起金脆的问题。但是过薄的金层孔隙率大，当镍层含磷低时，长期储存底层镍氧化可焊性下降，焊接时也容易产生“黒盘”。金层只起保护镍层不被氧化的作用。当需要较厚的化学镀金层时（如：微波线路、引线键合连接），在用上述ENIG法获得的薄金层上，再用还原法镀金，控制沉积,时间，可以有选择性地在焊盘上将金层可以加厚到需要的厚度（可达0.51.5m）。化学镀镍过程中由于Cu比Ni的活性低，需要对Cu表面进行激活处理（催化）一般采用钯(Pa)或钌（Ru）作为催化种子层，再在含Ni+2的镀液中以次磷酸盐还原为镍，沉积在铜上的钯活化层上，厚度应为36m,化学镍层质量也影响镀层的可焊性，镍是较活泼金属，在空气中容易被氧化，所以化学镍中含有69的P（磷）可以提高镍的耐氧化性。还原剂中的磷在化学反应中能与镍发生共沉积，随镀层的含磷量增加，镍的抗蚀性提高，但如果磷含量过高，镀层的润湿性差、可焊性下降、镀层变脆；含磷的镍镀层能有效地阻止铜向焊料中扩散形成锡铜的界面合金（Cu3Sn），提高焊接的强度。如果含磷量偏低则容易被腐蚀，焊接时易产生“黑盘”。镀层中磷含量也会随着镀液PH值的降低而升高。,所以在PCB的表面镀覆过程中，应严格控制磷含量。典型的化学镀镍根据含磷的量，分为低磷（P含量15%）、中磷（P含量69%）合高磷（P含量10），在电子焊接的镀层中广泛采用中磷的镀液配方。4.2.4 镀锡：镀锡分为化学镀锡（I-Sn）和电镀锡。I-Sn 是在采用络合剂（硫脲络合剂）的情况下，PCB表面的铜与镀液中的络合锡离子发生置换反应生成锡镀层，镀层较薄只有0.0250.05m，如果选择合适的浸白锡工艺，可以提高镀层的厚度（可达0.11.5m），它在高温下能与焊料形成合金可焊性好，镀层平整共平面性好。但是多次焊接后，因为锡层薄，随着锡的消耗可焊性下降。如果长期暴露在高温高湿下锡层易氧化可焊性下降。加工中应严格控制镀层厚度。电镀锡：一般采用硫酸亚锡硫酸镀液或氨基磺酸盐镀液，通常电镀锡作为制作印制板时的图形抗蚀层。,电镀锡的镀层较厚，可以多次焊接，但是纯锡镀层在较低温度容易产生锡疫和枝晶，易造成小间距相邻导线之间短路或绝缘下降。不含铅的锡合金电镀（Sn-Ce、Sn-Ni或Sn-Bi）可以减少枝晶的生成,并具有良好的可焊性、可多次焊接，锡合金镀层也可以作为印制板蚀刻时的抗腐蚀层，是目前深入研究的课题。4.2.5.浸银（I-Ag）：浸银是利用银与铜的标准电极电位不同，铜在含银离子的溶液中被置换，在印制板的铜表面上形成银镀层，但铜表面完全被覆盖后化学反应也停止，所以镀层也很薄，一般只有0.0250.05m，如果选择适当的镀液，控制好浸银的时间，镀层厚度可以达到0.10.3m。银在焊接时能很快溶解于焊料中形成焊料合金，具有良好的可焊性，镀层平整与器件的共平面性好，银的导电率高、接触电阻低，线连接（压焊）性好，耐氧化性比铜、镍好,可以经受多次焊接。,长期以来人们关心的银迁移问题，经Motorola等公司的多年实验和调查，表明浸银的表面镀层在表面绝缘电阻（SIR）和电迁移（EM）测试中均表现出良好的性能。所以，近年来在SMT印制板的无铅镀层的应用中，浸银镀层发展最快。但是，当银镀层过薄，长时间在高温下，底层的铜迁移至表面被氧化后可焊性下降；在污染的大气中（含CL 2、SO2、NO2时）易变色，严重时也影响焊接。采用浸银工艺，如果生产中尽量保证浸银层的厚度，注意储存环境并采取防变色措施是保证浸银镀层质量的关键。浸银工艺最大的缺陷是对宽度极细的导（0.08mm），由于银与铜的电位差和机械应力差，会导致浸银后在导线与孔或焊盘的连接处容易出现断裂现象。所以在采用浸银镀层时，应注意适用于线宽0.1mm的导线。此外还有化学钯/镍等也可以用作SMT印制板的无铅镀层，但目前使用的不多。,4.3.各种涂镀层的性能比较 从以上分析可以看出不同的涂镀层都有各自的优缺点，在选用时必须根据产品的使用要求和产品的成本及将要采用的焊接工艺，选择合适的涂镀层。焊接时应根据涂镀层的特性，采用合适的焊接工艺，不然即使再好的涂镀层也难于保证焊接出好的焊点。各种涂镀层的性能比较见表41,表41 涂镀层的性能比较,以上镀、涂层的成本比较排序如下：电镀Ni/Au ENIG I-Ag I-Sn HASL OSP/Cu 从焊料对镀、涂层的润湿性比较排序如下：I-Ag Ni/Au和 HASL I-Sn OSP/Cu但是从有的企业实际经验和使用的工艺得到可焊性比较排序是：Ni/Au HASL OSP/Cu I-Sn I-Ag 这是因为在印制板储存或焊接的条件下镀、涂层的抗氧化的能力不同，造成的可焊性的变化，金的耐氧化性最强，银与其他镀层相比耐氧化和耐大气污染的能力相对差一些，所以才出现以上可焊性的排序。可见焊接前保护涂镀层的可焊性十分重要。所以焊接前要清洗并及时焊接。,其实新鲜的各种涂、镀层可焊性都是比较好的，这就告诉我们对上述镀层的印制板焊接前的储存时间尽量要短，焊接的工艺和条件应有防氧化的措施，其焊接的效果会更好，目前有许多再流焊设备都设有氮气保护措施，就是要防止焊接的高温下金属镀层的氧化。如果不注意焊接前的储存时间和环境条件，即使镀金层也会因为当金层薄、孔隙率大时，长时间储存也会造成底层的镍被氧化，使可焊性下降。5、印制板无铅表面涂镀层的发展趋势 印制板表面的涂镀层是实现无铅化焊接的基础，也是影响无铅焊接质量的重要因素。,以上介绍的几种涂镀层是适合于不同场合和不同焊接工艺要求的涂镀层，面对不同电子产品的各种不同的功能要求，不可能只有一种单一的表面涂镀层能够满足所有电子产品和焊接方式的要求。但是开发一些性能优良、加工工艺简单、成本低廉、对环境无害的、并尽量与所采用的焊接方法相兼容的涂镀层，是电子行业共同关心的课题，也是印制板无铅表面涂镀层发展的要求。根据无铅焊接对印制板表面涂镀层的要求和电子产品使用的功能要求，SMT印制板表面的无铅涂镀层发展趋势表现在以下几个方面：5.1.有机涂层：提高OSP的耐热性和分解温度，使之能承受三次以上的无铅再流焊接。涂层薄而防护性好，能适合于微波电路应用的有机保焊涂层也是今后的发展方向。,正在开发的第六代OSP其分解温度已达到近350 有望作为无铅焊料多次再流焊接的非常有效的有机保焊涂层。目前OSP的应用主要在低端电子产品，占市场份额仅次于HASL，随着性能的改进，OSP的应用有迅速增加的趋势，高端产品应用的前景也比较看好。5.2.适应HDI板涂层 HDI 是适用于高密度表面安装和微组装用的新型印制板，在高档手机和PDA中的应用日益广泛，根据用途和制造方法不同用多种类型，目前IPC标准规定的类型有六种，其典型结构为：通孔 1型：芯板 盲孔,3 型（2阶）6型 在高密度互连印制板的应用迅速增加的情况下，小孔的电镀难度越来越大，为了保证孔内镀层的均匀性，非电涂覆和化学镀层将被重视，尤其是改进后的OSP涂层和化学镀银镀层，将会越来越多的用于高密度互连的印制板中。5.3.I-Ag镀层 由于银迁移问题的解决和印制板组装件表面敷形涂覆层的广泛应用，在SMT印制板中浸银涂层（I-Ag）的应用越来越多，并且是近年来增长最快的无铅表面镀层，随着,镀银工艺的改进和对应用环境的控制（无SO2、CL 2），I-Ag镀层将是很有发展前景的无铅表面涂层。5.4.ENI镀层 随着表面贴装器件的快速发展，引线键合连接技术的应用迅速增加，采用不同的镀Ni/Au的SMT印制板也是无铅表面涂镀层的应用趋势之一。但是需要改进工艺、严格控制工艺过程，解决化学镍金容易产生“黑盘”的问题。目前正在开发的选择性镀镍金工艺，在SMT印制板上BGA器件的焊盘涂覆OSP，其余焊盘化学镀Ni/Au，可以较好的解决此类的焊接问题，但是工艺较为复杂，增加了印制选择性油墨等工艺。还有采用非电镀镍/钯再加闪镀金镀层，也可以降低出现“黑盘”的概率，为高密度SMT印制板的表面镀层，开辟了新的表面涂覆工艺。5.5.锡镀层 锡镀层有很好可焊性、机械强度和抗腐蚀能力，是,较理想的无铅表面处理的材料。改进 ISn工艺的配方，提高镀层的厚度可以增加多次再流焊的次数；开展可焊性好、不产生锡须的锡合金电镀（Sn/Bi、Sn/Cu、Sn/Ce）的研究，也是无铅镀层的发展方向5.6.绿色制造 提倡绿色制造技术避免或降低印制板制造过程中对环境的污染，也是实施两项指令，有利于环保的重要措施。印制板的涂镀层生产过程会产生许多能对环境造成污染的各类废弃物，主要有铜、铅、氟化物和甲醛等废水、废气。为了更好的保护环境，保持我国经济的可持续发展，国家在近年修改了许多工业污染物的排放标准，对以上所列PCB生产的主要污染物的排放标准提高了要求。目前多数企业是采取对产生的污染物分类处理达标后排放，这是治标未治本的方法。绿色制造技术是从根本上不采用能对环境产生污染的工艺配方和方法，从根本上避免或减少了上述污染物质的排放，是治本的方法。,当然对生产不能避免的污染物（如：铜）采取回收、利用，达标后排放也是有效的治理污染办法。所以，在考虑印制板表面涂镀层发展的同时必须考虑绿色制造和防止污染的问题，能否减少或降低制造过程中的污染也是涂镀层发展和应用的方向。在印制板设计时采用高密度互连板，有利于减少印制板制造时污染物的排放量（钻孔、蚀刻、孔金属化等工序的污染排放）。6、SMT印制板无铅焊接的验收和标准 SMT印制板的焊接质量直接影响电子产品的质量和可靠性，若保证印制板组装件的质量，涉及到设计、元器件、印制板、焊接用的材料、工艺方法和设备等综合因素，这些相关因素也需要有标准或规范来进行规定。生产中需要包括从原材料、元器件、印制板和工艺方法等,焊接的全过程按标准和规范进行控制和检验，才保证最终焊接的质量。判定焊接的质量，确定焊接合格与否必需要有依据，这个依据就是能满足产品使用基本要求的客户要求和相关标准。6.1 国内有关电气电子产品焊接的标准 在我国评定电子产品焊接质量的标准不多，且不配套，采用的比较多、有一定影响的标准有：电子行业标准SJ/T10666表面组装件的焊点质量评定航天行业标准QJ3173航天电子电气产品再流焊接技术要求等几项标准。有铅和无铅焊点外观的区别在于：由于无铅焊料的润湿性不如有铅，因而在焊点的外观差别较大，无铅焊点没有锡铅焊料的焊点那样光亮、光滑，略显灰暗和粗糙。,焊料的扩展性不如有铅的好，其它焊点要求（焊料量、覆盖性、焊点位置等）与锡铅合金焊料相同，判断焊料的润湿状态仍以观察焊料的接触角是否小于900为判定合格的依据。所以这些标准对判定无铅焊接质量仍有参考价值，具体内容可查阅相关标准。6.2 国外有关电气电子产品焊接的标准 在电子产品焊接质量标准方面，在国际上最有影响和广泛应用的标准是美国电子电路互连与封装协会标准（简称IPC标准）。IPC标准特点：制修订及时，内容先进，标准配套性好，为了配合无铅焊接的需要，最近几年内配套地进行了全面修订，包括焊料、焊膏、焊剂、印制板和印制板组装件焊接等标准。,作为无铅焊接检验和验收具有代表性的标准是：IPCA610D 电子组装件的可接受性 IPC-J-STD-001D电子电气组装件焊接要求 IPC-J-STD-003 可焊性测试 IPC-J-STD-004 焊接的助焊剂要求 IPC-J-STD-005 焊膏的技术要求 IPC-600G印制板的可接受性 在我国许多外资企业和外向型企业大都采用IPC标准，这些标准除具有IPC标准的一般特点外，它附有大量的图示和彩色照片，图文并茂、形象生动，可以帮助使用者准确理解标准的要求，容易判断产品质量合格与否，以下将综合IPC610D和IPC001D的内容，对SMT印制板无铅焊接要求的内容作以简单介绍。6.2.1.对电子产品的分级 两项标准同样将电子产品分为：1、2、3级，按产品的,可制造性、复杂性和使用的可靠性和验收质量要求条件逐级递增，即3级产品要求最高，1级最低。1级为：通用消费类电子产品，主要要求功能。如收录机，游戏机、一般的电视机等。2级为：专用服务类电子产品，使用寿命长，要连续工作，有较好的可靠性。如通讯设备、复杂的工业、商业用设备和高性能长寿命的电子仪器等。3级为：高性能、高可靠电子产品，应有较高的性能，能连续工作并且工作中不允许停机，需要时应能随时工作，工作环境有的非常严酷，具有极高的可靠性。如医用生命保证系统，航空、航天飞行控制系统及重要的军用产品等。6.2.2.对质量判定的分类,标准中规定产品质量合格判定依据的顺序为：采购合同、设计图纸或技术文件、标准或规范（应注明采用顺序）、相关的参考文件（附加文件）。验收的条件分为四级：优选条件、可接受条件、拒收条件、过程警示条件。优选条件：近似于理想、完善的条件，希望达到但不是必须的要求。可接受条件：是合格的要求，符合该条件能保证产品基本质量的验收条件。拒收条件：又称“缺陷条件”，产品的缺陷超过条件要求，不能保证产品正常使用，即不符合要求的不合格品。过程警示条件：有一定缺陷但不影响基本使用要求，在工艺过程应予改善。6.3.生产过程检验的内容 要保证最终产品的焊接实质量，标准规定了要加强过程检验，至少应包括下述内容：,1）材料检验：包括对元器件、印制板、焊料、焊膏、助焊剂、清洗剂、粘接剂等的检验。元器件检验：主要检查型号、规格、外观、端子可焊性，必要时按要求检查性能和可靠性。印制板检验：主要检查外观质量、平整度、可焊性、阻焊膜和标记等。对于3级产品还应审查印制板的周期性检验报告。焊料等材料检验：主要检查供应商提供的材料成分和性能说明，进行必要的工艺试验，检查材料的工艺兼容性，如果有条件还可以对材料的主要性能（如焊膏的粘度、金属百分比含量、焊料成份等）进行检验，合格后再使用。2）过程检验：对生产过程的重要工位设置检验点，通常在焊膏印制之后检查焊膏涂布质量，在再流焊前检查贴放元器件的质量和焊膏的滞留状况，再流焊后检查焊接质量和元器件的位置等，,对高密度板在清洗后还应检查清洁度。3）最终检验：印制板组装件在焊接和清洗完成后，对安装和焊接质量和焊点进行全面检验。检验项目：目检、光学仪器检验和电测等。检验方法：借助放大镜目视、自动光学检测（AOI）、X射线检测（直射式、分层式）、激光/红外线检测，以及在线测试和功能测试等。随着技术的进步，还有许多新的方法不断出现。一些基础的通用方法，在标准中引用的IPC-TM650标准作了详细的规定。6.4、焊点质量：所有焊点应呈现明显的润湿和焊料熔合到被焊表面的粘附状态，通常有平滑的外观，润湿的标志是焊点的润湿角不超过900（见图61中A、B）。当焊料的周边扩展到可焊区或阻焊膜的边缘时，焊点的润湿角可能出现大于900（见图61中C、D），这种状态也可以接受。,图61 可接受的润湿角（A、B）但是，由于焊料的合金组成、焊接端子或引线的表面涂镀层、印制板涂镀层及特殊的焊接工艺过程等因素可能产生无光泽的、发暗、变灰或砂粒状的焊料外观，无铅焊料的焊点容易产生发暗和砂粒状外观，只要润湿角900，并且焊缝区被焊料完全覆盖，在焊盘的非焊缝区露出涂镀层也可以接受。无铅焊料和有铅焊料焊点的表面平滑度有很大区别，下图为在焊盘上涂覆OSP涂层的有铅和无铅焊点的外观状况比较（见图62图64）。从图中可以看出无铅焊接的焊点外观比有铅焊接的焊点粗糙。,图62A 免清洗工艺的锡铅焊点 图62B 免清洗工艺的SnAgCu焊点,图63A L型引线的的锡铅焊点 图63B L型引线的Sn Ag Cu焊点,图64A BGA器件的锡铅焊点 图64B BGA器件的SnAgCu焊点,6.5、表面安装器件的引线成形和焊接后 端子与焊盘