不同表面处理方式及对无铅制程的适用性

论文代写发表联系：

QQ212181988
一键分享拿折扣：

摘要：介绍无铅化的发展及三种不同表面处理方式沉镍金、浸银、有机涂覆的特点，并以本公司试验数据分别说明其在无铅焊接中的表现，以推荐较为合适的处理方式。

关键词：RoHS，无铅化，表面处理方式

Abstracts：The article mainly introduces the development of Lead-Free and some characters of three kinds of surface treatments：ENIG、IS and OSP，and also it describes the details of an experiment about the feasibility of above treatments in Lead－Free process。

Keywords：RoHS，Lead-Free，Surface treatment

前言：2006年7月1日是欧盟RoHS法规正式实施日期。由于该法规对铅、镉、六价铬、水银、PBB（多溴联苯）、PBDE（多溴联苯醚）等六种有毒有害物质在电子产品中的使用进行了限制，特别是“无铅化”后将会导致焊接制程的巨大变化，因而引起各大厂商、机构及传媒等越来越多的关注。为了保护环境，减少污染，应对RoHS挑战，开发避免污染、能够替代传统锡铅合金的绿色焊料及实施无铅工艺制程则成为电子工业面临的迫切问题之一。

1．无铅化的背景

1.1无铅法规的发展

RoHS并非第一部禁止铅使用的法规。早在20世纪70年代，美国环境保护署（EPA，Environmental Protection Agency）就已禁止含铅汽油的使用，从而使其大气中的铅浓度下降了94％（1980-1999）；之后，一系列法案相继出台，陆续禁止铅在油漆、水管等中的应用，并逐步扩展到电子产品中禁止含有铅。因而，RoHS是第一部明确限制铅使用的法规。考虑到欧洲在全球市场的重要性及全球化后各标准的传递性，各厂家加快应对无铅挑战已成为当务之急。

1.2 无铅焊料的要求及种类

无铅焊料技术并非新事物。多年来，许多厂家已在某些场合使用了无铅合金，提供较高的熔点或满足特殊的材料要求。然而，RoHS等法规的实施要求现在必须决定应该用哪些合金替代现在每年使用的估计50，000吨的锡铅焊料。取消资源丰富、价格便宜且效果良好的焊料而代以另外的组合，意味着生产成本可能会增加很多。

1.2.1 无铅焊料的要求

选择用来取代铅的材料至少应满足如下要求：

Ø 必须在世界范围内可得到，数量上满足全球的要求。某些金属，如铟（In）和铋（Bi），数量较少，只能用作添加成分。

Ø 满足无毒环保的要求。某些金属如镉（Cd）和碲（Te）具有毒性；而锑（Sb）目前虽可用，但可能由于法规的改变，被划入毒性种类而不能使用。

Ø 替代合金必须能够具有电子工业使用的所有形式，包括返工与修理用的锡线、锡膏用的粉末、波峰焊用的锡条及预成型。不是所有建议的合金都可制成所有形式，如铋含量高将使合金太脆而不能拉成锡线。

Ø 替代合金应该可循环再生。将三四种金属加入到无铅替代焊锡配方中可能使循环再生过程复杂化，并增加成本。

1.2.2 无铅焊料主要种类

不是所有的替代合金都可轻易地取代现有地焊接过程。美国国家制造科学中心（NCMS）在1997年得出结论，对共晶锡铅焊锡没有“插入的”替代品。1994年完成的，作为欧洲IDEALS计划一部分的研究发现，超过200种研究的合金中，不到10种无铅焊锡选择是可行的。

数量上足够满足焊锡的大量需求的元素包括：锡（Sn）铜（Cu）银（Ag）和锑（Sb）。目前各国推荐的最具可行性的无铅焊锡配方主要有：

Ø 美国NEMI——回流焊用，95.5Sn/3.9Ag/0.6Cu

——波峰焊用，99.3Sn/0.7Cu

Ø 欧盟——兼用型，95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu

Ø 日本JIEDA——兼用型，SAC305

1.3 无铅焊接的接收标准

Ø 锡须：经过各种人工老化试验加速生须后，再以高倍电子显微镜观察，可以见到各种锡须外形。目前国际上尚无明确的检验与允收标准，习惯上以不超过2mil（50μm）为规格。通常电镀锡层愈薄愈容易长出长须，一般厚度达8.5μm以上才比较安全；

Ø 孔环焊点开裂：PCB在X，Y方向由于受玻璃布制约导致CTE不大，约12-15ppm/℃左右。但在Z方向则扩大为55-60ppm/℃，远超过焊料的21-25ppm/℃，造成波焊中的SC或SAC僵硬焊料与PTH面环之间的开裂，或将铜环自板材上拉起，或造成环面焊点的局部扯裂。据称，此种缺陷可通过S/M on Pad 的做法加以改善，不过目前PCB组件面（Component Side）的这种缺陷，PCBA无铅规范IPC-A-610D（2005. 2.）已予以允收（见5.2.10及5.2.11）。

Ø 空洞：Reflow时锡膏助焊剂中的有机物，或吸入的水分，在焊料固化前如果未能及时浮离，或形成气体后未能逸出者（Outgassing），会形成焊点中的空洞。该现象在锡铅焊料中就常出现，无铅时代将会进一步恶化。在IPC-A-610 D 8.2.12.4中提到x透视时，空洞面积上限为25％。

1.4 PCB符合无铅制程的测试方法

对实现了无铅化的产品，其性能是否达到装配后的要求，目前推荐做法：

（1）可焊性参照《ANSI/J-STD-003》，采用湿润天平法测量；

（2）耐焊接热（波峰焊，手工焊，回流焊），完成后不同PCB板分别经过回流焊接：

235℃，30s；波峰焊：260℃，10s；手工焊：350℃，5s；

板不应出现分层、爆板、起焊盘等缺陷。

（3）锡须试验

A、美国JEDEC标准（草案）

a，温度循环（JESD22-A104）：在空气中从-55℃／-40℃到+85℃（+10／-0）进行循环，其间吸放热3-10分，每小时3 cycle，至少1000个循环，在500次时须先做预检；

b，常温常湿放置：30±2℃／60±3%RH，共放置3000小时（125天），1000小时先做预检；

c，高温高湿放置：60±5℃／87+3-2%RH，共放置3000小时（125天），1000小时先做预检。

B、 NEMI标准

a，温湿处理——温度：60＋－5℃，湿度：93％＋－3％RH；时间：1008h；

b，热冲击—— -55℃+0-10℃到 85℃+10/-0度每小时约3循环，时间1000循环。处理中，不加电压，经过处理后的样品对照有铅样品进行评价。

C、SONY SS-00245-8（10）锡须的评价标准

a，高温/高湿处理：85℃，85％RH，500h；

b，热循环：-35℃，30min到125℃，30min，500循环测试，过程中不加电压，处理后锡须不能大于50微米。

（4）湿敏性试验

样板经85℃/85％RH处理168+5-0小时后，经过如下条件回流焊后，不应有爆板、分层等缺陷。

表1 回流温度曲线分类

曲线特性	铅锡共晶装配	无铅装配
升温速率（TSmax to Tp）	《3℃/s（最大）	《3℃/s（最大）
预热	/	/
－最低温度（TSmin）	100℃	150℃
－最高温度（TSmax）	150℃	200℃
－时间（tsmin to tsmax）	（60～120）s	（60～180）s
维持该温度以上时间	/	/
－温度（TL）	183℃	217℃
－时间（tL）	（60～150）s	（60～150）s
峰值/分类温度（Tp）	/	见表2
实际峰值温度5℃内时间（tp）	（10～30）s	（20～40）s
降温速率	6℃/s	6℃/s
25℃－峰值温度的时间	6min（最大）	8min（最大）

表2 无铅装配回流焊温度分类

封装件厚度	体积<350mm3	体积（350～2000）mm3	体积>2000mm3
<1.6mm	260+℃	260+℃	260+℃
（1.6～2.5）mm	260+℃	250+℃	245+℃
》2.5mm	250+℃	245+℃	245+℃

公差：制造商/供应商确保在规定的湿度感应性（MSL）等级下，工艺流程须与上述温度参数（回流峰值温度+0℃，如260＋0℃）兼容。

2．三种表面处理方式特点

无铅时代来临后，各种非热风整平表面处理工艺及新型无铅热风整平工艺受到人们越来越大的关注。本文结合本司特点，主要介绍三种表面处理工艺（ENIG、OSP、IS）的特点。

2.1 化学镀镍/浸金（化镍浸金工艺，全称Electro-less Nickel and Immersion Gold Process，即ENIG）

自1997年以来，ENIG在国内得到迅速推广，这得益于化镍金工艺本身所带来的种

种优点。化镍金板镍金层的分散性好、有良好的焊接及多次焊接性能、良好的打线（Bonding，TS Bond或U Bond）性能、能兼容各种助焊剂，同时又是一种极好的铜面保护层。因此，与HASL、OSP等工艺相比，ENIG镀层克满足更多种组装要求，具有可焊接、可接触导通、可打线、可散热等功能，同时其板面平整、SMD焊盘平坦，适合于细密线路。

然而化镍金容易发生黑垫，且焊点强度不如铜基地。若专门针对镍槽进行监管，及改置

换金为还原金，则可在一定程度上加以改善，但此法成本高，难以普及。

2.2 有机涂覆（有机可焊性保护剂，全称Organic Solderability Preservative，即OSP）

OSP是以化学方法在铜表面形成0.2～0.5微米的有机膜，该膜表面平坦，适于SMT和细导线细间距的PCB，更由于其工艺过程无高温、低噪声，不会导致板子翘曲变形，成本低等优点而受到人们的欢迎。

其缺点是膜较薄，易划伤。而且尽管目前第五代中各种品牌均号称可耐三次LF，但也只是未遭湿气影响及皮膜品质最佳时的效果，量产品质仍需改善。

2.3 化学银（Immersion Silver，即IS）

化学银具有可焊性好（可满足多次回流焊要求）、涂层均匀及表面平整度高（适于BGA等组装技术及精细节距）、较低的操作温度（不会导致板子分层、变形）、与阻焊油墨和无铅焊料兼容性好、成本较低等优点，而且通过在银层中添加有机物，较好的克服了银面变色及电迁移问题，使得该工艺在无铅时代更具优势。然而，诸如离子污染、铜腐蚀等仍是待解开的难题。

3．不同表面处理在无铅焊接中可靠性研究试验介绍

3.1试验目的

Ø 考察不同表面处理方法在不同条件下的润湿性、可焊性，以评估、比较各种表面处理在无铅制程中的适用程度。

3.2试验设计

3.2.1试验内容

主要评估内容如下：

Ø 评估不同厚度的表面处理在无铅焊料体系及无铅回流曲线条件下的润湿性、可焊性。

3.2.2 试板设计

在前期对材料进行无铅评估的基础上，选取一种适应无铅焊接并且成本适当的材料，结合本厂特点及试验目的，选取一款一阶HDI板，要求含有0.5mm pitch BGA（上有盲孔）并加以调整后作为测试板。

具体试板图形及说明如下：

图1 测试板图形及说明

3.3 试验方案

3.3.1 本次试验所选用的表面处理方法如下表所示：

表2 三种表面处理方式

供应商	类型
SHIKUKO	OSP F2(LX)
ATO	ENIG
MacDermid	I-Ag

3.3.2 试验组合方案

此次试验通过不同厚度的表面处理方式在无铅焊料及无铅回流曲线条件下过1～6次的方法来评估各表面处理在无铅焊接中的可靠性，具体厚度安排如下：

表3 不同表面处理厚度安排

表面处理方式	表面处理厚度（微米）
表面处理方式	1	2	3
ENIG金厚*	0.05～0.07	0.07～0.09	0.09～0.11
OSP膜厚	0.20～0.22	0.23～0.25	0.27～0.30
IS银厚	0.18～0.21	0.22～0.25	0.28～0.30

注：结合其他公司已有经验，此次试验ENIG仅考虑金厚。

3.4 试验条件

本次试验联系了某家贴装厂进行无铅回流，具体如下：

3.4.1回流焊条件：

3.4.1.1参数：

加热分区：共7个加热区，一个冷却区；

冷却方式：风冷；

传输速度：0.65m/min；

各温区温度设置如下：

表4 Reflow参数设置

温区号	1	2	3	4	5	6	7
设置值℃	180	180	190	200	210	240	250
显示值℃	180+/-1	180+/-1	190+/-1	200+/-1	210+/-1	240+/-1	250+/-1

3.4.2无铅焊膏体系：

表5 无铅锡膏体系

贴装厂	无铅锡膏体系
贴装厂	型号	锡膏粒度	金属成分	焊料熔点	供应商	制造地
A	96SC LF320 AG S88	20-45um	96.5Sn-3Ag-0.5Cu	217℃	LOCTITE（乐泰）	马来西亚