锡-铜-镍焊料在无铅喷锡中的应用

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摘要: 锡-铜-镍体系是一种综合性能良好的无铅焊料，被广泛应用在电子产品的无铅焊接工艺中。本文将从过程控制、作业方法等方面介绍锡-铜-镍焊料在电路板无铅喷锡工艺中的应用。

关键词: 无铅焊接锡-铜-镍焊料无铅喷锡

Abstract:Tin-Copper-Nickel system is a lead-free solder of good performance, which is widely used in the lead-free welding process of electronic products. This paper will detail the application of Sn-Cu-Ni solder in PCB lead-free HASL from process control and operation method, etc。

Key words: Lead-free Solder Sn-Cu-Ni Solder Lead-free HASL

一．前言

自06年7月ROSH和WEEE法规实施，电子产品进入无铅化时代，印刷电路板（PCB）是所有电子产品的最主要组成部分之一，无铅化要求引起了同行业者的高度关注，其中PCB无铅化的核心工序喷锡更是人们关注的重点。传统的锡铅（63/37）焊料其熔点低、可焊性好、成本低、可操作性好等优异的性能表现，到目前为止还没有一种无铅焊料可以与之媲美。

现行市场上所应用的无铅焊料，大多数以锡（Sn）元素为基础，与其它如Ag、 Cu、 Ni、 Sb、 In、 Bi、 Zn等元素组成，其熔点高、过程操作管理难，而且吃铜量大、成本高，给PCB业者带来众多困扰。本文介绍一种以被市场广泛应用的性能适中、成本相对低廉的锡-铜-镍焊料，总结该焊料的一些实践经验供同行分享。

二．锡-铜-镍焊料对喷锡设备的要求

锡-铜-镍体系无铅焊料比传统的Sn-Pb的熔点要高出很多，且成分不同，因此无铅喷锡对设备有以下要求：

1. 必须有良好的耐热性，高温下不变型；

2. 需要配有良好的抽风设备，以应对无铅助焊剂的烟雾问题；

3. 由于高锡焊料具有具有较高的蚀性，因此需要使用材料的有较高的耐腐蚀性，使用316不锈钢也可以达到要求，最好使用钛合金；

4．无铅焊料喷锡过程形成的锡渣因密度大小相近，因此设备设计需考虑过程的除铜可操作性。

三．锡-铜-镍焊料喷锡工艺控制

1．工艺参数控制

垂直式热风整平需要良好的设备，更需要良好的焊料，一般情况下，无铅热风整平工艺参数控制如下：

型号	工艺参数设定建议
锡-铜-镍	锡炉温度	浸锡时间	热风温度	风刀嘴间隙	热风压力
锡-铜-镍	255-270℃	2-8sec	360-380℃	10mil	2.5~5kg/cm²

（1）浸锡时间的决定因素----传热速度、前处理预热以及板面焊点多少、板料厚度、板的层数、焊盘吸热均匀性、排版大小、助焊剂性能(应尽可能提高上锡速度和良品率,减少溶铜速度和溶铜量)等是浸锡时间设定的决定因素，需要根据不同的设备进行试验确定；

（2）热风压力、热风温度、升将板速度的决定因素----上锡能力、风刀嘴间距、风刀与板间距、前后风刀的高度差和风刀的角度大小(以保证焊盘面和焊孔内的锡层的厚度,平整性和均匀性)等是压力、温度和速度设定的决定因素，应根据不同的设备和不同产品进行试验确定。

2. 锡-铜-镍体系无铅喷锡对PCB的影响

在喷锡过程中微蚀、浸锡时间、焊料温度、热风温度、风刀距离、角度等设定的不同，对PCB产生不同的影响，其中对PCB的耐热性能和吃铜量是最重要的，我们的实践经验是喷锡前处理微蚀应控制在0.5—1.0um，再加之喷锡的吃铜量1.5—3um（不同的条件设定，吃铜量大小不同，需要通过试验测试确定具体的吃铜量），建议针对锡-铜-镍体系无铅喷锡板电镀铜厚应在客户的基础上增加5um以保证满足客户的完成铜厚要求。

3．锡-铜-镍体系无铅喷锡的可操作性

比较不同体系的无铅焊料，从本身的物化性能大体可知其可操作性。不同体系的无铅焊料性能对比如下表：

	SnAgCu	SnZn	SnCuNi	SnPb
熔点（度）	217	198左右	227	183
密度（kg/cm³）	7.4	7.2	7.31	8.36
除铜方法	困难	困难	困难	简单
其他问题	湿润性，耐疲劳性好，价格较高	焊点腐蚀厉害，湿润性很差,且需要配套高性能助焊剂	湿润性中等，可操作性好，价格便宜。	湿润性很好，容易操作，价格便宜。

（1）铜含量控制

从上表看，锡-铜-镍等体系无铅焊料除铜较为困难，实际每生产150M²（250Kg缸）时铜升高约0.1%,相应的焊料熔点则上升高达3度以上。也就是在实际控制时，当铜含量由控制点0.7%上升到控制上限1.0%时，焊料熔点会由227度上升到236度。因此实际控制铜含量一般在0.3—0.7%最为合适。铜含量过高将导致焊料熔点和操作温度急剧提升，导致PCB可焊性不良，以及温度过高对PCB基材冲击和吃铜量增大。

（2）除铜操作

锡-铜-镍体系焊料除铜困难主要是因为喷锡过程中产生的IMC结晶体Cu_XSn_Y的密度约为8.28 kg/cm³，在SnPb（63/37）焊料中可以轻易浮在表面，很容易除去，但是在锡-铜-镍焊料中因密度相近，Cu_XSn_Y大部分下沉于锡炉底部，只有小部分漂浮，因此导致除铜困难。为方便生产操作，我们建议通过加装外部设备，分级逐渐冷却来除铜。

（3）可焊性控制

从上表看锡-铜-镍体系无铅焊料的熔点比锡铅焊料高出34度，这是由于有铅焊料中添加的铅可以起到稀释锡以改善流动性湿润性，并与锡形成二元合金降低熔点；锡-铜-镍体系无铅焊料是以牺牲熔点来添加一定量熔点较高铜控制线路铜与焊料铜之间的溶解平衡，以抑制线路铜过多的溶解，抑制IMC层的生长，并且增加焊点的机械强度；另外以牺牲熔点来添加一定量的熔点较高的镍，可使Cu_XSn_Y溶解，来抑制Cu_XSn_Y的生长，提高可焊性，增加流动性。因此，为保证锡-铜-镍体系无铅喷锡的可焊性，我们的实践经验表明，镍含量的控制至关重要。

4．无铅喷锡常见问题及解决方法

问题描述	可能原因	解决方法
喷锡后可焊性差	成份不当，铜含量严重超标	严格控制铜含量，无法控制时更换
喷锡后可焊性差	焊料表面污染和氧化等	及时清洗，吹干，存放在干燥环境中
喷锡后OK，但回流焊后可焊性差	铜含量超标。	降低铜含
	镍含量过低	提高镍含量
	焊料过薄	调整参数，增加厚度
	微蚀过小	调整微蚀速率
	回流焊参数设置问题	调整回流焊参数
压件孔堵塞或孔径过小。	锡炉温度设置太低。	提高温度
	风刀位置或角度不对	调整风刀位置和角度。
	助焊剂失效	更换
	孔内异物	热风整平前检查
	来料孔径偏小	前工序加大补偿。本工序来料检查。
	焊料流动性差	分析成分并调整，不能调整的更换。
阻焊层起泡，脱落，开裂。	阻焊层材料耐热或涨缩不适应无铅热风整平工艺。	更换阻焊
	焊料温度太高，浸锡时间太长.	检查并调整
	阻焊层固化不彻底.	重新固化
基材分层或玻璃纤维处裂纹	焊料温度太高或浸焊时间过长	检查并调整
	板材严重吸潮	控制存放条件，150⁰C下加烘2-3小时
	板材质量有问题或压合问题。	检查并更换
	设计缺陷，受力不均	不能更改设计的需加烘降低应力后趁热喷锡以减少问题发生概率。
板子翘曲	板材质量问题	更换板材
	设计缺陷，受力不均	更改设计。
	热风整平后冷却过快	最好气浮床自然冷却后再清洗。