无铅装配对PCB表面处理工艺、使用材料的影响

Presentation on theme: "无铅装配对PCB表面处理工艺、使用材料的影响"— Presentation transcript:

1 无铅装配对PCB表面处理工艺、使用材料的影响
杨晓新

2 目录 无铅装配的背景 无铅装配与含铅装配的差异 PCB的无铅控制 无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响

3 无铅装配的背景－铅的危害 铅会损害生物体的血液、神经系统和生殖系统 铅在生物体内具有缓慢代谢特征 铅对儿童的危害更大
铅废弃物将污染周围水源，很难消除 ※ 铅是生物有毒物质，必须限制使用！

4 无铅装配的背景－铅的管制 1883年英国制定铅中毒的预防法规 1960年代饮用水管道的焊接中禁止使用含铅焊料
1970年代颜料、涂料中禁止使用含铅物质 1980年代全球推广使用无铅汽油 2003年欧盟发布RoHS/WEEE指令 2003年中国拟定《电子信息产品生产污染防治管理办法》 。。。。。。 ※ 全球范围内的禁铅法令逐渐形成！

5 无铅装配的背景－铅的替代产品 焊料：多种无铅焊料已经开发(Sn,Ag,Cu,In,Bi,Zn..)
镀层：多种无铅镀层已经开发(Sn,Ag,Ni,Au,Pd,OSP..) 元件：多种无铅元件已经开发(DIP,PLCC,QFP,BGA,CSP..) 工艺：多种应用工艺已经试验 (Reflow,Wave,Iron Soldering..) 可靠性：无铅产品可靠性已经初步验证(strength,fatigue,tin whisker..) 成本：无铅产品成本增加已经被认可接受(total<10%) ※ 电子工业界无铅化的条件已经具备一定的应用基础，可以在一定的前提下逐步实行！

6 无铅装配的背景－RoHS的要求 Pb<1000ppm Cd<100ppm Hg<100ppm
Cr6＋ <100ppm PBB<100ppm PBDE<100ppm ※ RoHS限制使用以上6种物质；实际上，各国限制使用的物质多达20种以上，但对电子制造业界影响最大的是铅的使用。

7 无铅装配与含铅装配的差异－铅的作用 降低焊料熔点，价格便宜，便于工业应用 降低表面张力，增强润湿能力 提高流动性，形成良好焊点外观
提高焊料电位，增强抗氧化能力

8 无铅装配与含铅装配的差异－装配曲线 无铅焊接PCB回流焊接参考温度时间曲线

9 无铅装配与含铅装配的差异－装配参数

10 无铅装配与含铅装配的差异－装配参数 无铅焊料的熔点与焊温平均比Sn/Pb 上升30℃以上，预热的时间与焊接的时间也相应延长

11 无铅装配与含铅装配的差异

12 无铅装配与含铅装配的差异—质量隐患 无铅装配对比含铅装配，肯定的是带来相应的成本增加，至少5-15%。减少PCB的利润空间。
对比含铅装配，无铅装配其量产稳定性、装配产品品质、以及长时间使用老化后品质可靠性等尚有待时间考验，目前还是未知数。 而在短短几年，无铅装配就已经发现有焊点孔洞、焊盘起翘浮离、锡须等品质缺陷。

13 无铅装配与含铅装配的差异—质量隐患 所有这些品质缺陷都与无铅装配所使用的焊料、高温、装配形成的IMC层有关，都是无铅装配惹的祸。
要命的是这些缺陷都是无法在短时间或者用一些比较好的方法进行检查。尤其是锡须和焊点空洞，锡须的增长危害电子元器件的最小电气间距，严重的引起短路，影响设备的可靠性增加表面积，容易吸附潮气、灰尘等污染物，加快焊点的腐蚀，影响焊点的长期可靠性。而对BGA，本来就比较容易出现焊接强度不足，采用无铅后，容易出现焊点空洞和可焊性不良，究竟是PCB还是PCBA不良，很容易责任纠缠不清。 一旦出现品质问题，由于PCB厂家处于供应链中间的劣势地位，吃亏的大部分是PCB厂家。

14 无铅装配与含铅装配的差异—关于无铅豁免 有鉴于此，为避免对重要领域使用产品的可靠性影响，部分产品都进行申请无铅豁免。目前军工、航天、汽车以及重要的大型机组经过审核确认后可以获得无铅豁免。

15 无铅装配与含铅装配的差异—关于无铅豁免

16 无铅装配与含铅装配的差异—意见和结论 无铅，不仅仅是一个概念，对PCB厂家来讲，从产品的材料选用，物性的满足，后续焊接的焊点质量保证等，需用满足整体产品质量的系统的观点来考虑，从而尽量保证无铅化产品的整机质量 。

17 PCB的无铅控制-无铅产品的主要要求 PCB板主要检测项目： PCB基材 阻焊涂料 字符涂料 铜箔 外层金属镀层 表面处理工艺等

18 PCB的无铅控制-无铅产品的主要要求 PCB板主要检测项目： PCB基材：主要是环氧树脂板料，不存在铅影响。
阻焊涂料/字符涂料：主要是环氧树脂体系，不存在铅影响。 铜箔/金属镀层：主要采用电镀加工工艺，不存在铅影响。但图形电镀过程中部分产品使用镀Pb/Sn进行抗蚀，虽然其不残留在最终产品上，严格来说，不符合无铅产品的要求。 表面处理工艺等：除了传统HASL外，OSP、无铅喷锡、全板镀金、ISn、IAg、ENIG等工艺都基本能够满足该要求。目前ENIG的稳定剂中含有Pb，严格来说，是不符合无铅产品的要求，但由于药水控制需要，目前暂时没有禁止。

19 无铅装配对PCB加工的挑战和影响 下面将参考无铅装配的特点，结合PCB实际加工流程，对PCB产品在表面处理工艺和材料上可能存在的挑战和影响，以及需要相应进行调整的地方，根据行业有关资料、实际生产情况、有关试验、客户信息等进行整理归纳，提供给有关部门参考。

20 无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 ——传统含铅喷锡
焊料配比为Sn/Pb为63：37，含有比较高的Pb，不能满足无铅的要求。 表面处理成本比较低，约为20元/平方米。 操作温度为 ℃ 蚀铜量比较低，一般为1-2um。

21 无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 ——无铅喷锡
项目 Sn-Cu Sn-Cu-Ni Sn-Ag-Cu 操作温度℃ 270 蚀铜量um Sn0.7Cu在温度超过275℃蚀铜量从3um的蚀铜量上升到了8um以上 Sn0.7Cu+Ni在温度从270℃上升到280℃时，蚀铜量则变化不大，基本上其蚀铜量保持在5um左右 Sn+3.0Ag+0.5Cu无铅喷锡蚀铜量对温度具有较强的敏感性，当锡炉温度≥265℃时，蚀铜量快速增加到8um， 成品率 比正常喷锡板件约低2%。 成本（元/m2） 60 90 140（估价） 焊料价格 Sn0.7Cu为 115/KG，纯Sn为100/KG Sn-Cu-Ni和SnNi为154/KG Sn-Cu-Ag 为178/KG，Sn3.0Ag报价：181/Kg 说明 在给客户报价时，请不要简单的将无铅喷锡成本中的焊料SnCu、Sn-Ag-Cu、Sn-Cu-Ni的焊料价格进行替换。因为不同工艺的蚀铜量差别很大，尤其Sn-Ag-Cu、客户要求铜含量变化范围又很小，锡银铜无铅喷锡铜含量不足0.5的变化范围，估计没有SnCu做板多，而且做板时，孔壁铜厚加厚量要比SnCu、Sn-Cu-Ni无铅喷锡板件的大，这两项将会导致锡银铜无铅喷锡成本明显高于SnCu、Sn-Cu-Ni无铅喷锡板件。 所有的无铅喷锡板件一般都不允许返工，成品率比较低

22 无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 ——Pattern Gold Plating全板镀金
全板镀金体系药水不同焊接方式的比较表 项目 无铅焊接 有铅焊接 Au厚度（uinch） 控制值≥1.0 (控制范围 ) 控制值 抗蚀，≥0.4 (控制范围 ) Nie厚度（uinch） 控制值120 (控制范围 ) 控制值100 (控制范围 ) 成本（元/m2） 成品率（%） 比常规全板镀金板低0.5-1% 比喷锡板低3-7% 对于全板镀金工艺，由于不是主流工艺，应用厂家不多，是否能够满足无铅焊接的要求，目前业界包括药水厂家仍然缺少充足研究和有关数据。目前我们是从Adtran、LCD、Schneider等厂家的装配实践进行分析判断，全板镀金如果采用镀厚金（Au厚≥ 1.0uinch），是完全可以满足大部分无铅焊接（2次回流焊+1次波峰焊）的装配的需要，但对于同时存在多次回流焊和波峰焊的装配方式，就可能会出现孔内上锡性能下降的风险。 而对于常规抗蚀厚度要求的全板镀金板件，由于Au太薄，在没有充足氮气保护下，容易在高温下，导致镍层氧化，无法满足无铅焊接的要求。

23 无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 ——OSP
OSP F2体系药水不同焊接方式的比较表 项目 无铅焊接 有铅焊接 厚度（um） 控制值0.22 (控制范围 ) 控制值0.18 (控制范围 ) 成本（元/m2） 60 50 成品率（%） 比常规OSP低 % （由于厚度的增加，容易出现结晶和外观不良，增加返工和成品率稍微下降） 比常规喷锡接近并略高 % 无铅装配，对于OSP，需要采用活性更强的助焊剂，以减少焊点空洞缺陷。。

24 无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 ——ENIG
ENIG ATO CNN体系药水不同焊接方式的比较表 项目 无铅焊接 有铅焊接 Au厚度（uinch） 控制值2.8 (控制范围 ) 控制值2.4 (控制范围 ) Nie厚度（uinch） 控制值140 (控制范围 ) 控制值120 成本（元/m2） 160 成品率（%） 比常规ENIG低 % 比常规喷锡低2-4% 对于ENIG是否能够满足无铅焊接的要求，目前业界仍然存在一定争论，但从大部分EMS厂家的装配实践来看，ENIG完全可以满足大部分无铅焊接（2次回流焊+1次波峰焊）的装配的需要，但对于同时存在多次回流焊和波峰焊的装配方式，就可能会出现孔内上锡性能下降的风险。 对于ENIG，为满足无铅焊接的要求，只要稍微提高Nie层厚度，并同时确保Au不要太下限，基本上还是可以的。

25 无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 ——ISn
ATO ISn体系药水不同焊接方式的比较表 项目 无铅焊接 有铅焊接 厚度（um） 控制值≥0.8 (控制范围 ) 控制值≥ 0.6 (控制范围 ) 成本（元/m2） 80 60 成品率（%） 比常规ISn低 %（由于厚度的增加，容易出现绿油剥离不良，增加返工和成品率稍微下降） 比常规喷锡低1-2%

26 无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 ——ISn
根据资料，只要完成ISn后到装配之间的存放在半年内，0.8um的锡厚足够满足无铅装配的需要，存放时间越短，厚度可以控制越薄，只要≥ 0.6um就可以。

27 无铅装配对PCB表面处理工艺的挑战和影响 ——总结
从前面的分析来看，除了HASL外，对于其他所有的PCB表面处理工艺，为了满足无铅焊接的要求，不一而足的都是提高表面处理工艺表面涂层的厚度。 对于PCB表面处理工艺，提高表面处理工艺表面涂层的厚度，目的都是提高其耐热性，减少长时间高温对可焊层的氧化，保证其可焊性，来满足无铅焊接的需要。 这些改变，都会对成品率有一定的影响，厚度的增加又无疑都带来了成本的增加，而更高温的无铅装配更容易诱发品质缺陷，这也是无铅焊接需要付出的代价和成本。

28 无铅装配对PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响—问题点
无铅焊接工艺温度高，CCL产品应有更小的热膨胀系数（CTE）：无铅制程中，板材受热温度升高和受热时间延长，为保证孔连接的安全性，此类产品必须降低Z-axis CTE 常见封装耐热能力为240℃, FR4级别的PCB玻璃化温度约140℃。 易发生Blistering和Popocorning。

29 无铅装配对PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响—CCL板料的改变
对于CCL材料，改善CTE和耐热性的主要措施： 1、改变主体树脂，提高耐热性：将环氧固化物中影响热性能的苯环或其他杂环结构进行增加和改变。例如高Tg材料。 2、改变固化剂体系：目前多用胺类和酚类固化剂，据行业经验，目前重点主要在Dicy（双氰胺）和phenol novolac （苯酚）之间进行选择。因dicy极性强，为脂肪链状结构，耐热性相对要差；PN极性小，为芳香族苯环结构，耐热性极好，对改善耐CAF作用大，因此目前大部分是采用非DICY体系。 3、增加填料：增加或者改变填料的颗粒大小，因为CCL中填料增韧机理，可降低Z-CTE，这也是为什么脱卤材料大部分能够比普通的材料更耐无铅，就是因为其在填料方面做了大量的改变。而S1000、S1440就因为里面通过增加和改变填料的颗粒大小，来获得较低的Z-CTE。 来自CCL行业的资料表明：在无铅装配的过程中，高温熔焊时间延长，板材受热冲击时间延长，为保证孔连接的安全性，要求覆铜板产品应有更小的热膨胀系数（CTE），而基板Tg和基材耐热性无直接关系，关键在于提高耐热性，Tg不是主要因素。 后附部分材料的性能一览表供对比参考

30 无铅装配对PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响--采用材料的性能一览表
材料特点 材料型号（例子） 材料性能 Tg（℃） CTE（≤Tg，um/m℃） CTE（≥Tg，um/m℃） Td（5％wtLoss，℃） T260（生产资料n） T288（生产资料n） 普通Tg S1141 140 58 285 310℃ 15 2 S1141KF/GW4011 56 256 350℃ 60 S1440 49 260 315℃ 高Tg S1170 170 55 280 335℃ 10 S1000 IT158 GW1500 ≥150 35-45 GW1700 50-60 脱卤素 S1165、S1155、 165 40 200 ℃ GW1501 GW1701、 30-50 ℃ 特殊材料 S1600（High CTI） ≥125 308 20 GW1404（High CTI） ≥135 300 S2131（CEM-3） ≥130 46 334 300℃ /

31 无铅装配对PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响—争议和讨论
从目前的使用情况来看，对于无铅焊的工艺，根据客户使用信息的反馈以及有关研究资料（Dr.Martin等)表明：对于无铅焊接，虽然要求覆铜箔基板耐热性要满足新的要求，但值得庆幸的是，除了CEM-3料外，普通FR-4板材基本可以满足常规无铅喷锡、波峰焊及回流焊的耐热性要求。 为了减少目前这种迷惑状态，目前在制订IPC4101中专门针对这个问题进行探讨。从其制定的标准来看，其论点与上述的观点有点冲突。标准认为满足无铅焊接基材的关键是：Z-CTE、Td（热裂解温度，失重5%）、T260（260℃热分层时间）、T288 （288℃热分层时间），其中Td、T260、T288属于新增加的指标。 如果IPC4101标准一旦开始实施，普通的FR-4材料无法满足新增加的指标要求。而PCB用户不清楚的话，要求PCB生产厂家严格按照IPC4101选择板材的话，那么势必将增加至少15-20%的板料成本

32 无铅装配对PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响
对于无铅装配，需要结合产品的应用范围、可靠性要求、产品使用寿命、图形设计、层数、AR值、无铅装配次数、焊接温度曲线等因素来选择合适的基材和PCB加工工艺，没有一种是十全十美的。 对常规的无铅焊接要求，那么除了CEM-3料外，对于≤14层，厚度≤4.0mm可以采用普通FR-4板材。对于>14层，厚度>4.0mm可以采用特殊FR-4板材，不一定采用Tg≥170℃，可以采用Dicy-free的板材就可以了。例如S1141KF、S1440、S1000等等。 对于有特别要求的无铅装配，如BOSCH、SONY等，可以根据其要求量体裁衣选择合适的板材，如S1000、S1165、R1566W等 建议对于客户宣传有关知识，避免其被引导入IPC4101的材料使用误区，增加产品的成本。

33 无铅装配PCB产品的接单意见 接单：MKT向客户了解该产品是否应用在无铅装配，以及装配要求，PCB加工后到装配的储存时间。同时对于无铅装配可能存在的品质风险心理应该有所准备，对于焊接质量投诉会可能有所增加。 客户资料处理：MKT根据客户信息、板件结构以及前面所提及的表面处理工艺、材料使用等资料，与技术部门确定PCB加工技术要求，同时注意进行相应的加工成本评估。 生产资料制作：对于客户的要求，参考内部有关无铅装配产品技术资料等信息，将有关要求和信息在生产资料有关流程上进行传递。 产品加工：根据生产资料信息以及工作指示有关加工要求进行加工。 产品质量控制：生产资料审核时确保客户要求有关信息的完整有效的传递，过程控制中按照客户要求进行控制以及物理性能检测，确保产品质量，满足客户要求。 客户服务：经常拜访并及时与客户沟通，了解无铅装配中存在的缺陷并应对，及时处理，并作好准备，避免状态扩大。