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1、无铅焊接：开发一个稳健的工艺无铅焊接：开发一个稳健的工艺 By Gerjan Diepstraten 本文将研究确定什么参数对无铅焊接有最大和最小影响的方法。目的是要建立一个质量和可重复性受控的无铅工艺.。开发一套稳健的方法开发一套稳健的方法 检验一个焊接工艺是否稳健，就是要看其对于各种输入仍维持一个稳定输出(合格率)的能力。输入的变化是由“噪音”因素所造成的。甚至在印刷电路板(PCB)进入回流炉之前，一些因素将在一个表面贴装装配内变化。首先，在工艺中使用的材料中存在变化。这些变化存在于锡膏特性如成分、润滑剂、粉末和氧化物；板的材料，考虑到不同的供应商和不同的存储特性；和元件。其次，变化可能发
2、生在表面贴装工艺的第一部分：锡膏印刷与塌落和元件贴装。第三，噪音因素可来自制造区域的室内条件-温度与湿度。这些输入变量要求最佳的加热曲线，它必须对所有变量都敏感性最小，和一个量化工艺能力的方法。回流曲线回流曲线 就回流焊接而言，无铅合金的使用直接影响过程温度，因此影响到加热曲线。提高熔化温度缩小了工艺窗口，因为液相线以上的时间和允许的最高温度250C(为了防止元件损坏和板的脱层)没有改变。三角形三角形(升温到形成峰值升温到形成峰值)曲线曲线 我们可以区分那些关键的和接近回流焊接现实极限的工艺和那些较不关键的工艺。对于 PCB 相对容易加热和元件与板材料有彼此接近温度的工艺，可以使用三角形温度曲
3、线(图一)。三角形温度曲线建议用于诸如计算机主板这样的产品，它在装配上的温度差别小(小的 T)。图一、三角形回流温度曲线 图二、升温-保温-峰值温度曲线 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 三角形温度曲线有一些优点。例如，如果锡膏针对无铅三角形温度曲线适当配方，将得到更光亮的焊点和改善的可焊性。可是，助焊剂激化时间和温度必须符合无铅温度曲线的较高温度。三角形曲线的升温速度是整个控制的，在该工艺中保持或多或少是相同的。其结果是焊接期间 PCB 材料内的应力较小。与传统的升温-保温-峰值曲线比较，能量成本也较低。升温升温-保温保温-峰值温度曲线峰值温度曲线 较小的元件比较
4、大的元件和散热片上升温度快。因此，为了满足所有元件的液相线以上时间的要求，对这些工艺宁可使用升温-保温-峰值温度曲线(图二)。保温的目的是要减小 T。在升温-保温-峰值温度曲线的几个区域，如果不适当控制，可能造成材料中太大的应力。首先，预热速度应该限制到 4C/秒，或更少，取决于规格。锡膏中的助焊剂元素应该针对这个曲线配方，因为太高的保温温度可损坏锡膏的性能；在氧化特别严重的峰值区必须保留足够的活性剂。第二个温度上升斜率出现在峰值区的入口，典型的极限为 3C/秒。温度曲线的第三个部分是冷却区，应该特别注意减小应力。例如，一个陶瓷片状电容的最大冷却速度为-2-4C/秒。因此，要求一个受控的冷却过
5、程，因为特殊材料的可靠性和焊接点的结构也受到影响。对于任何一个工艺，最佳的温度曲线可以通过一个 Taguchi 试验来确定。在试验中使用噪音因素将帮助确定哪一种曲线对变量敏感性最小，更加稳定。评估工艺评估工艺 统计过程控制(SPC,statistical process control)用来将工艺稳定和保持在控制之中。在焊接中，SPC 用来减少可变性和提供工艺能力。典型地，X-Y 坐标图(x-bar-range chart)和性能分析是用于这个目的的。X-Y 坐标图是对测量变量进行统计计算的图形表示，这里每个分组的平均值与幅度(最大-最小)用来监测平均值或者范围的变化；该幅度用作变量的度量。统
6、计上大的改变可能表示工艺漂移、趋势、循环模式或由于特殊原因造成的失控情况。当焊接工艺的最具影响的参数(如 Taguchi 试验所定义的)受到统计过程控制(SPC)，工艺的稳定性和性能的改进可以容易达到。例如，在一台焊接设备中，硬件和软件设计用来保持重要的参数在设定点的规定范围内。可是，即使当一个参数在起偏差极限之内时(没有报警发生)，它可能已经在统计上失控，或者显示一个由于历史数据而意想不到的状态。只购买硬件和软件不一定会得到成功的 SPC。一个关键的考虑是可变性的减少，在特殊原因变量和普通原因变量之间有一个区别。控制图用来消除特殊原因变量，即任何可能与可归属原因有联系的变量。性能图用来减少普
7、通原因变量，即任何工艺固有的和只能通过工艺变化减少的变量。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 在一个回流焊接工艺中，SPC 的典型参数包括传送带速度、气体或加热器温度、液相线以上的时间和最高的峰值温度。在一台波峰焊接机器中，典型的参数包括传送带速度、接触时间、预热温度(PCB 或加热器)和作用于 PCB 上的助焊剂数量。图三、描述预热温度的 x-bar-range 图 一个 X-Y 坐标图的例子显示在一个波峰焊接工艺中的预热区的热空气温度(图三)。在一整天中，取样读数每 10 秒一次并分成分组，每组五个样品。平均值与幅度在图三中显示。平均温度为 120.0C，设定点也
8、为 120C。该数据来自于安装在预热模块中的热电偶。记录了来自工艺、设定和测量值的所有机器数据。管理信息文件可以导入 SPC 软件，它将产生象图三的 X-Y 坐标图和性能分析图。我们接受 120C2C 的预热温度(热风)，因为我们知道，只要测量的温度在这个极限之内，板的温度将不会波动和保持在助焊剂规格内。该数据，与上控制极限(UCL=122C)和下控制极限(LCL=118C)将返回一个工艺性能(Cp,process capability)值：这里 Cp=工艺能力，S=标准偏差。图四、样品工艺能力(Cp)图 在图四中的 Cp 图显示，对于预热温度，工艺是有能力的。我们发现Cp=3.55；一个稳定
9、的工艺要求大于 1.66 的 Cp 值。稳定性稳定性 一旦我们用无铅焊锡运行第一批产品，我们需要量化工艺的稳定性。这些响应因素可以在产品上测量，就象计数缺陷或从机器设定收集的数据。例如，一块板的温度可以用安装在 PCB 上的热电偶测量，或者热风的温度可以在机器内测量，这个温度与 PCB 上的温度是相关的。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 另一种测量稳定性的方法是用专门的校正工具，该工具将仪表骑在传送带上通过炉子。使用这些工具的优点是它们非常稳定，一次运行可以测量几个不同的参数。在多数生产线中，操作员有自己的测试板，热电偶已安装在上面。将板在炉(或者波峰焊机)中运行将
10、很快损坏测试板因为无铅焊接的温度高。板会开始出现脱层和翘曲，热电偶可能从表面脱落。影响品质最多的参数从我们对锡-铅工艺的认识和 Taguchi 试验的结果已经知道了。我们开始计数和收集这些参数的数据。在 SPC 已经证明一个参数在较长时间内受控(Cp 1.66)的之后，测量的间隔可以减少。使用 SPC，我们只集中在一些最重要的参数上。Pareto 图也将帮助定义这些要测量的参数，以保持工艺稳定。X-Y 坐标图显示工艺的漂移、趋势、循环模式或由于特殊原因的失控条件。在一些情况中，在失控条件实际发生之前可以采取预防性措施。排气与温度条件排气与温度条件 整个工艺已经随着无铅合金的引入而改变。在机器的
11、所有模块中温度已经升高了。对于回流焊接，得到的是更高的温区和峰值温度。对于冷却区，要求比正常更有效的冷却方法，因为峰值温度更高了。炉子要设计满足这些更高的温度，但是，在实施的这个阶段，机器温度应该验证。无铅锡膏具有和传统锡-铅配方不同的化学成分。因此，我们不得不处理其它的以不同和更高温度蒸发的残留物。热比重分析可以帮助定义在哪里和以什么温度材料可以蒸发。需要一个充分的助焊剂管理系统来控制所有残留物的清除。另外，在把该工艺实施到生产环境之前，排气与排气设定应该验证。评估可靠性评估可靠性 应该进行可靠性试验来预测产品的寿命周期和与锡-铅工艺的标准比较数据。剪切、拉力和温度循环试验得到有关无铅焊接点
12、强度的更多结论。截面图将显示金属间化合层与增长的厚度，这也是与可靠性有关的。工艺发放用以实施工艺发放用以实施 现在我们已经到达实施阶段的下一个里程碑。一旦所有条件都已满足，我们可以得到如下结果：工艺是稳定的和可重复的 机器情况是受控的 焊接点品质和可靠性是在规格之内的 成本还是可以接受的。因此，该工艺可以发放用于实施。到目前为止，试验已经在独立的机器、或实验室或演示室的机器、或在停机其间的生产线机器上进行。下一个步骤是将该PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 技术转移到生产线。可是，在开始生产之前，许多工作还要去做。这些工作包括：工程时间计划表、品质问题、失控行动计划(
13、OCAP)、和操作员培训。工程时间计划表工程时间计划表 为所有实施行动创建一个时间表。这个时间表将结合考虑采购材料和必要的机器配件、组织人员和材料以作调整、写出规程和 OCAP、以及培训操作员和工程师。品质问题品质问题 (波峰焊接)锡锅中的焊锡在较长期生产之后会污染。试着建立合金最大允许污染的规格。客户规格或来自研究机构的指引可帮助定义在你的工艺中最大允许的合金元素百分比。在一些无铅工艺中，这些限制在 20,000 块板之后就超出了，这样一来就要换锡了，造成成本很高。失控行动计划失控行动计划(OCAP)由于特殊原因变量干扰的一个工艺将在 X-Y 坐标图上显现出来。多数操作员都训练有素，很快看出
14、这种不稳定。当操作员控制工艺的稳定性时，快速反馈是可能的。迅速反馈对尽可能减小对产品的影响是必须的。为了保持工艺稳定，需要采取以下步骤：定期测量参数 在每次测量后验证工艺是否还是稳定的 如果工艺是稳定的，则可继续无须行动；如果不是，则按照 OCAP 确定不稳定的原因。操作员培训操作员培训 生产线操作员应该为新的工艺作准备。他们的培训应该包括对新机器选项的工作指示、不同的参数设定(来自 Taguchi 试验的经验)、焊接点形状的改变、色泽与其它品质问题。操作员应该培训怎样使用 SPC 图表和怎样处理 OCAP。结论结论 有了 Taguchi 实验的分析与数据，我们能够设计一个稳定的、无铅焊接工艺
15、。在产品的第一批焊接之后，如果产品品质可以接受，工艺稳定的话，可以将该工艺发放用于实施。元件竖立的问题元件竖立的问题 By Les Hymes 你已经检查了炉子、炉子的温度设定、锡膏和氮气浓度-为什么你还会遇到元件竖立(TOMBSTONING)的问题呢？PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 问题问题：我遇到一个元件竖立的问题。板是组合板，(四合一)表面涂层是热风均涂的。通常，元件竖立发生在第一、第二或第四块板上。我是使用对流式炉子，装备有氮气气氛的能力，我检查了锡膏印刷、元件贴装和回流温度曲线-每一个看上去都可以。我尝试过关闭氮气，竖立现象消失了。当我在打开氮气时，最初
16、几块板还可以，随后，大部分板都有元件竖立现象。我做错了什么吗？解答解答：虽然采用氮气强化的焊接气氛对焊接期间的湿润特性有好处，但是小元件的竖立现象经常与低氧水平有关。可是，温度曲线的其他特性、炉子的设定、传送带运作或装配特性都可能造成元件竖立。检查炉子、氮气和氧气检查炉子、氮气和氧气 在强制对流炉中的气流控制是非常重要的。如果从车间环境和/或炉子的挡帘损坏不小心带来了不希望的紊流，可能会给一些小元件增加竖立的可能性。取决于炉子的设计和气流的控制，整个其流速度可能太快。但是，更可能的是维护或炉子设定问题正造成一种不希望的炉子气流对装配的直接冲击。为了获得氮气增强湿润力的充分好处，经常把最大 20
17、00ppm 或 500ppm 一种所希望的氧气最高水平。可是，一些设备使用氮气将氧气的浓度降低到 100ppm-这是一个没有必要的工艺。上面的问题是元件竖立只发生在使用氮气时，并且只是在特定的板上。这个事实说明湿润速度可能是足够快，但是在特定的焊盘上不足够-得到这样一个结论，该温度曲线可能需要关注一下。或许，提高氧气的浓度可以防止这个问题。在使用和不使用氮气流的情况下，给装配组合板作温度曲线，将热敏电偶放在竖立发生的位置，这样可能会有帮助。如果元件焊盘连接到地线板上，可能测到不均衡的加热。在这种情况下，给地线板增加限热装置解决问题的一个好方法，如果问题可以用温度调节来解决。可焊性问题可焊性问题
18、 记住，竖立是与湿润力和湿润速度的变化有关的-所有元件和板都应该展示足够的和持续的可能性能。可焊性问题经常被忽视，把机器的设定调过来调过去，认为是解决焊点缺陷问题的方法。可焊性对于 0201 和 0402 元件特别重要，因为湿润特性中很小的差异对这种元件都可能产生大的不同。在焊接端之间，任何可疑片状元件的相反端，任何大的温度或可焊性差异都可能造成竖立。阻焊层厚度的变化也是一个重要的，虽然经常被忽视的问题，它可能造成元件竖立-特别对于小的、轻微的元件。厚度的变化有时在热风均涂的阻焊层中遇到，有时可能造成焊盘之间的“跷跷板”-将元件一端提高离开焊盘。竖立也和大型宽阔的焊盘有联系，这种焊盘可能允许元
19、件在湿润期间移动，把一端移动脱离焊盘。平平 面面 最最 终终 涂涂 层层 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 By Don Cullen 本文介绍，非电解镍镀层/浸金沉淀的特性。PCB 制造的最终涂层工艺在近年来已经经历重要变化。这些变化是对克服HASL(hot air solder leveling)局限的不断需求和 HASL 替代方法越来越多的结果。最终涂层是用来保护电路铜箔的表面。铜(Cu)是焊接元件的很好的表面，但容易氧化；氧化铜阻碍焊锡的熔湿(wetting)。虽然现在使用金(Au)来覆盖铜，因为金不会氧化；金与铜会迅速相互扩散渗透。任何暴露的铜都将很快形成
20、不可焊接的氧化铜。一个方法是使用镍(Ni)的“障碍层”，它防止金与铜转移和为元件的装配提供一个耐久的、导电性表面。PCB 对非电解镍涂层的要求对非电解镍涂层的要求 非电解镍涂层应该完成几个功能：金沉淀的表面 电路的最终目的是在 PCB 与元件之间形成物理强度高、电气特性好的连接。如果在 PCB 表面存在任何氧化物或污染，这个焊接的连接用当今的弱助焊剂是不会发生的。金自然地沉淀在镍上面，并在长期的储存中不会氧化。可是，金不会沉淀在氧化的镍上面，因此镍必须在镍浴(nickel bath)与金溶解之间保持纯净。这样，镍的第一个要求是保持无氧化足够长的时间，以允许金的沉淀。元件开发出化学浸浴，以允许在
21、镍的沉淀中 610%的磷含量。非电解镍涂层中的这个磷含量是作为浸浴控制、氧化物、和电气与物理特性的仔细平衡考虑的。硬度 非电解镍涂层表面用在许多要求物理强度的应用中，如汽车传动的轴承。PCB的需要远没有这些应用严格，但是对于引线接合(wire-bonding)、触感垫的接触点、插件连接器(edge-connetor)和处理可持续性，一定的硬度还是重要的。引线接合要求一个镍的硬度。如果引线使沉淀物变形，摩擦力的损失可能发生，它帮助引线“熔”到基板上。SEM 照片显示没有渗透到平面镍/金或镍/钯(Pd)/金的表面。电气特性电气特性 由于容易制作，铜是选作电路形成的金属。铜的导电性优越于几乎每一种金
22、属(表一)1,2。金也具有良好的导电性，是最外层金属的完美选择，因为电子倾向于在一个导电路线的表面流动(“表层”效益)。铜 1.7 cm 金 2.4 cm 镍 7.4 cm 非电解镍镀层 5590 cm 表一、PCB 金属的电阻率 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 虽然多数生产板的电气特性不受镍层影响，镍可影响高频信号的电气特性。微波 PCB 的信号损失可超过设计者的规格。这个现象与镍的厚度成比例-电路需要穿过镍到达焊锡点。在许多应用中，电气信号可通过规定镍沉淀小于 2.5m恢复到设计规格之内。接触电阻 接触电阻与可焊接性不同，因为镍/金表面在整个终端产品的寿命内保
23、持不焊接。镍/金在长期环境暴露之后必须保持对外部接触的导电性。Antler 的 1970年著作以数量表示镍/金表面的接触要求。研究了各种最终使用环境：3“65C，在室温下工作的电子系统的一个正常最高温度，如计算机；125C，通用连接器必须工作的温度，经常为军事应用所规定；200C，这个温度对飞行设备变得越来越重要。”对于低温环境，不需要镍的屏障。随着温度的升高，要求用来防止镍/金转移的镍的数量增加(表二)。3 镍屏障层 65C 时的满意接触 125C 时的满意接触 200C 时的满意接触 0.0 m 100%40%0%0.5 m 100%90%5%2.0 m 100%100%10%4.0 m
24、100%100%60%表二、镍/金的接触电阻(1000 小时结果)在 Antler 的研究中使用的镍是电镀的。预计从非电解镍中将得到改善，如Baudrand 所证实的4。可是，这些结果是对 0.5 m 的金，这里平面通常沉淀 0.2 m。平面可以推断对于在 125C 操作的接触元件是足够的，但更高的温度元件将要求专门的测试。Antler 建议：“镍越厚，屏障越好，在所有情况中都是如此，但是 PCB 制造的实际情况鼓励工程师只沉淀所需要的镍量。平面镍/金现在已经用于那些使用触感垫接触点的蜂窝电话和寻呼机。这类元件的规格是至少 2 m 镍。连接器 非电解镍/浸金使用于含有弹簧配合、压入配合、低压滑
25、动合其他无焊接连接器的电路板生产。插件连接器要求更长的物理耐久性。在这些情况中，非电解镍涂层对于 PCB应用的强度是足够的，但是浸金则不够。很薄的纯金(6090 Knoop)在重复摩擦时会从镍上摩损掉。当金去掉后，暴露的镍很快氧化，结果增加接触电阻。非电解镍涂层/浸金可能不是那些在整个产品寿命内经受多次插入的插件连接器的最佳选择。推荐镍/钯/金表面用于多用途连接器。5 屏障层屏障层 非电解镍在板上有三个屏障层的功能：1)防止铜对金的扩散；2)防止金对镍的扩散；3)Ni3Sn4金属间化合物形成的镍的来源。铜对镍的扩散 铜通过镍的转移结果将是铜对表面金的分解。铜将很快氧化，造成装配时的PDF 文件
26、使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 可焊性差，这发生在漏镀镍的情况。镍需要用来防止空板储运期间和当板的其他区域已经焊接时的装配期间的迁移扩散。因此，屏障层的温度要求是低于250C 之下少于一分钟。Turn 与 Owen6研究过不同的屏障层对铜和金的作用。他们发现“.在400C 和 550C 时铜渗透值的比较显示，有 810%磷含量的六价铬与镍是所研究的最有效的屏障层”。(表三)镍厚度 400C 24 小时 400C 53 小时 550C 12 小时 0.25 m 1 m 12 m 18 m 0.50 m 1 m 6 m 15 m 1.00 m 1 m 1 m 8 m 2.00 m
27、 无扩散 无扩散 无扩散 表三、铜穿过镍向金的渗透 按照 Arrhenius 方程，在较低温度下的扩散是成指数地慢。有趣的是，在这个试验中，非电解镍比电镀镍效率高 210 倍。Turn 与 Owen 指出“.一个(8%)这种合金的 2m(80inch)屏障将铜的扩散减少到一个可以忽略的地步。”6 从这个极端温度试验看出，最少 2m 的镍厚度是一个安全的规格。镍对金的扩散 非电解镍的第二要求是镍不要穿过浸金的“颗粒”或“细孔”迁移。如果镍与空气接触，它将氧化。氧化镍是不可焊接和用助焊剂去掉困难的。有几篇文章是关于镍和金用于陶瓷芯片载体的。这些材料经受装配的极端温度达到很长的时间。这些表面的一个常
28、见试验是 500C 温度 15 分钟。7 为了评估平面非电解镍/浸金表面防止镍氧化的能力，进行了温度老化表面的可焊性研究。测试了不同的热/湿度和时间条件。这些研究已经显示镍受到浸金的充分保护，在长时的老化之后允许良好的可焊性(图一)。镍对金的扩散可能是在某些情况中对装配的一个限定因素，如金热声波引线接合(gold thermalsonic wire-bonding)。在这个应用中，镍/金表面比镍/钯/金表面更次一些。Iacovangelo 研究了钯作为镍与金的障碍层的扩散特性，发现0.5m 的钯可防止甚至在极端温度的迁移。这个研究也证明在 500C 温度 15 分钟内，没有俄歇电子能谱学(Au
29、ger spectroscopy)所决定的铜扩散穿过 2.5m 的镍/钯。镍锡金属间化合物 在表面贴装或波峰焊接运行期间，从 PCB 表面的原子将与焊锡原子混合，决定于金属的扩散特性和形成“金属间化合物”的能力(表四)。7 金属 温度C 扩散率(inches/sec.)金 450 486 117.9 167.5 铜 450 4.1 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 525 7.0 钯 450 525 1.4 6.2 镍 700 1.7 表四、PCB 材料在焊接中的扩散率 在镍/金与锡/铅系统中，金马上溶入散锡之中。焊锡通过形成 Ni3Sn4金属间化合物形成对下面镍的
30、强附着性。应该沉淀足够的镍以保证焊锡将不会到达铜下面。Bader 的测量表明不需要多过 0.5m 的镍来维持这个屏障层，甚至要经历超过六次的温度巡回。实际上，所观察到的最大金属间化合层厚度小于0.5m(20inch)。多孔性 非电解镍/金只是最近才成为一种普通的最终 PCB 表面涂层，因此工业程序可能对这种表面并不适合。现在有一种用于测试用作插件连接器的电解镍/金的多孔性的硝酸蒸汽工艺(IPC-TM-650 2.3.24.2)9。非电解镍/浸金通不过这个测试。已经开发出一个使用铁氰化钾的欧洲多孔性标准，来决定平面表面的相对多孔性，结果是以单位每平方毫米的小孔数(pores/mm2)给出的。一个
31、好的平面表面应该在 100 倍放大系数下少于每平方毫米 10 个小孔。结论结论 PCB 制造工业由于成本、周期时间和材料兼容性的原因，对减少沉淀在电路板上的镍的数量感兴趣。最小镍的规格应该帮助防止铜对金表面的扩散、保持良好的焊接点强度、和较低的接触电阻。最大镍的规格应该允许板制造的灵活性，因为没有严重的失效方式是与厚的镍沉淀有关的。对于大多数今天的电路板设计，2.0m(80inches)的非电解镍涂层是所要求的最小镍厚度。在实际操作中，在 PCB 的一个生产批号中将使用一个范围的镍厚度(图二)。镍厚度的变化将是浸浴化学品特性的变化和自动起吊机器的驻留时间的变化结果。为了保证 2.0m 的最小值
32、，来自最终用户的规格应该要求 3.5m，最小为 2.0m，最大为 8.0m。镍厚度的这个规定范围已经证明是适合于上百万电路板的生产的。该范围满足可焊性、货架寿命和今天电子产品的接触要求。因为装配要求是从一个产品不同于另一个产品，表面涂层可能需要针对每个特殊应用进行优化。可行的无铅成分可行的无铅成分 By Jennie S.Hwang 本文介绍，是否有真正可行的无铅成分存在？这些成分是什么？PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 环境工作将变成公司政策的不可分割的部分，今年工业已经在采购无铅制造上达到一定势头。是否有真正可行的无铅成分存在？这些成分是什么？本文将看看需要为
33、SMT 装配考虑和评估的适当的无铅成分。什么构成一个可行的成分？什么构成一个可行的成分？对于一个可行的成分，三个主要的标准是，其机械性能要等于或好于以建立的参照物(63Sn/37Pb)；其物理性能与参照物是可比较的；其应用特性与实际的SMT 制造基础结构是兼容的。从最简单的二元系统合金到含有超过两种元素的更复杂的系统，无铅材料已经得到彻底的探讨、研究和设计。用了超过十年的努力和积极的研究开发工作，有专门成分的七个系统由于起性能优点表现突出。这七个系统是：Sn/Ag/Bi 锡/银/铋 Sn/Ag/Cu 锡/银/铜 Sn/Ag/Cu/Bi 锡/银/铜/铋 Sn/Ag/Cu/In 锡/银/铜/铟 S
34、n/Cu/In/Ga 锡/铜/铟/镓 Sn/Ag/Bi/In 锡/银/铋/铟 Sn/Ag/Bi/Cu/In 锡/银/铋/铜/铟 Sn/Ag/Bi 锡锡/银银/铋铋 对于实际的应用，92.0Sn/3.3Ag/4.7/Bi 被认为是锡/银/铋系统中最佳的无铅焊锡合金。这个成分提供比 63Sn/37Pb 更优越的强度，足够的塑性和相当的抗疲劳特性。其熔点(210-215C)和湿润特性可应用于 SMT 印刷电路板装配。可是，当可以用甚至更高的温度时，另一种成分-95.5Sn/3.5Ag/1Bi-提供更好的抗疲劳特性。Sn/Ag/Cu 锡锡/银银/铜铜 具有3.0-4.7%Ag和0.5-1.7%Cu的成
35、分通常具有比63Sn/37Pb更高的抗拉强度。在这个范围的成分，人们发现银的含量从 3.0%提高到更高的水平(4.7%)不提供抗疲劳强度的任何改善。当铜和银两者都处于较高剂量时，塑性变坏，如93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu。93.3Sn/3.1Ag/1.5Cu 在强度和疲劳特性两方面都比63Sn/37Pb 好得多。在这些成分之中，较低含银量的合金(93.3Sn/3.1Ag/0.5-1.5Cu)展示所有所希望特性的最佳平衡-熔化温度、强度、塑性、抗懦变和疲劳寿命。Sn/Ag/Cu/Bi 锡锡/银银/铜铜/铋铋 在系统设计的成分中，93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu 展示所希望特
36、性的最佳平衡。最佳成分(93.3Sn/3.1Ag/3.1Bi/0.5Cu)提供比 63Sn/37Pb 更高的疲劳寿命和抗懦变特性。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 最佳的成分提供至少比 Sn/Ag/Cu 共晶合金低 5C，这是在 Sn/Ag/Cu 系统中可得到的最低熔化温度-减缓 Sn/Ag/Cu 对回流温度的要求。Sn/Ag/Cu/In 锡锡/银银/铜铜/铟铟 在这个合金系统中，铟在熔化温度的减少中起重要作用，并且延伸在结果合金中的熔化温度的灵活性。保持银和铜的含量不变，在一个相当的范围内(例如，4.1%Ag 和 0.5%Cu 或 3.0-3.1%Ag 和 0.5
37、%Cu)，屈服强度和抗拉强度几乎与铟的原子百分率达到大约 8%成线形增加。随着铟进一步增加(超过 8%)，屈服强度降低。至于疲劳特性，疲劳寿命随着铟的原子百分比成指数增长，也是在大约 8%的铟时达到最大。在系统设计的成分之中，88.5Sn/3.0Ag/0.5Cu/8.0In 是最佳的-它展示所希望特性的最佳平衡。最佳成分在比 Sn/Ag/Cu 共晶合金至少低 15C 的温度下熔化，这是在 SMT生产中一个不可逾越的优势。Sn/Cu/In/Ga 锡锡/铜铜/铟铟/镓镓 在这个系统中，疲劳寿命在铜的浓度为 0.7%时达到最大。6%的铟的含量被认为是最佳的，当考虑成本和性能因素时。少量镓的加入进一步
38、提高强度和抗疲劳特性。所有三个元素(Cu,Ga,In)对降低锡的熔化温度都是有效的。93.0Sn/0.5Cu/6.0In/0.5Ga 的屈服和抗拉强度都比 63Sn/37Pb 的好。其疲劳寿命和抗懦变特性也比 63Sn/37Pb 优越得多。Sn/Ag/Bi/In 锡锡/银银/铋铋/铟铟 在 1.0%Bi 和 3.3-3.5%Ag 时，4.0%的铟的含量对于将疲劳寿命最大化是最有效的。铟含量的任何进一步增加都不会增加疲劳寿命。在系统设计的成分之中，有三种选择：90.0Sn/3.3Ag/3.0Bi/3.7In 具有 206-211C 的熔化温度并展示所希望特性的最佳平衡；91.5Sn/3.5Ag/
39、1.0Bi/4.0In 提供最高的疲劳寿命；最后，成本最好的成分是 92.0Sn/3.3Ag/3.0Bi/1.7In。Sn/Ag/Bi/Cu/In 锡锡/银银/铋铋/铜铜/铟铟 代表性的焊锡 85.2Sn/4.1Ag/2.2Bi/0.5Cu/8.0In 的熔化温度是 193-199C。另一种代表性焊锡，82.3Sn/3.0Ag/2.2Bi/0.5Cu/12.0In,具有 183-193C 的熔化温度。两种合金都显示比 63Sn/37Pb 高得多的强度。最佳表现的成分是85.2Sn/4.1Ag/2.2Bi/0.5Cu/8.0In，具有比 63Sn/37Pb 高得多的疲劳寿命。除了上面的系统和相应
40、的成分之外，二元 Sn/Ag 和 Sn/Cu 共晶合金也是可行的成分。应该注意，在一个合金系统内，只有规定的成分具有所希望的性能。这一点是与 Sn/Pb 系统一样的-特定的成分(63Sn/37Pb)才是最佳的。总之，可行的成分列表如下：PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 Sn/3.0-3.5Ag/1.0-4.8Bi Sn/3.0-3.5Ag/0.5-1.5Cu Sn/3.0-3.5Ag/0.5-3.5Bi/0.5-0.7Cu Sn/3.0-3.5Ag/0.5-1.5Cu/6.0-8.0In Sn/0.5-0.7Cu/5.0-6.0In/0.4-0.6Ga Sn/3.3
41、-3.5Ag/1.0-3.0Bi/1.7-4.0In Sn/3.0-4.1Ag/2.2Bi/0.5Cu/8.0In 96.5Sn/3.5Ag 99.3Sn/0.7Cu 焊焊 盘盘 的的 结结 构构 By Robert Rowland 本文介绍，焊盘的基本概念及其有关的行业标准。焊盘(land)，表面贴装装配的基本构成单元，用来构成电路板的焊盘图案(land pattern)，即各种为特殊元件类型设计的焊盘组合。没有比设计差劲的焊盘结构更令人沮丧的事情了。当一个焊盘结构设计不正确时，很难、有时甚至不可能达到预想的焊接点。焊盘的英文有两个词：Land 和 Pad，经常可以交替使用；可是，在功能上，
42、Land 是二维的表面特征，用于可表面贴装的元件，而 Pad 是三维特征，用于可插件的元件。作为一般规律，Land 不包括电镀通孔(PTH,plated through-hole)。旁路孔(via)是连接不同电路层的电镀通孔(PTH)。盲旁路孔(blind via)连接最外层与一个或多个内层，而埋入的旁路孔只连接内层。如前面所注意到的，焊盘 Land 通常不包括电镀通孔(PTH)。一个焊盘 Land内的 PTH 在焊接过程中将带走相当数量的焊锡，在许多情况中产生焊锡不足的焊点。可是，在某些情况中，元件布线密度迫使改变到这个规则，最值得注意的是对于芯片规模的封装(CSP,chip scale p
43、ackage)。在 1.0mm(0.0394)间距以下，很难将一根导线布线通过焊盘的“迷宫”。在焊盘内产生盲旁通孔和微型旁通孔(microvia)，允许直接布线到另外一层。因为这些旁通孔是小型和盲的，所以它们不会吸走太多的焊锡，结果对焊点的锡量很小或者没有影响。有许多的工业文献出于 IPC(Association Connecting Electronics Industries),EIA(Electronic Industry Alliance)和 JEDEC(Solid State Technology Association)，在设计焊盘结构时应该使用。主要的文件是IPC-SM-782表
44、面贴装设计与焊盘结构标准，它提供有关用于表面贴装元件的焊盘结构的信息。当 J-STD-001 焊接电气与电子装配的要求 和 IPC-A-610 电子装配的可接受性用作焊接点工艺标准时，焊盘结构应该符合 IPC-SM-782 的意图。如果焊盘大大地偏离 IPC-SM-782，那么将很困难达到符合 J-STD-001 和IPC-A-610 的焊接点。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 元件知识(即元件结构和机械尺寸)是对焊盘结构设计的基本的必要条件。IPC-SM-782 广泛地使用两个元件文献：EIA-PDP-100电子零件的注册与标准机械外形和 JEDEC 95 出版物
45、固体与有关产品的注册和标准外形。无可争辩，这些文件中最重要的是 JEDEC 95 出版物，因为它处理了最复杂的元件。它提供有关固体元件的所有登记和标准外形的机械图。JEDEC 95 出版物库中的任何图都可从 JEDEC 的网站(www.jedec.org)免费下载。JEDEC出版物JESD30(也可从JEDEC的网站免费下载)基于封装的特征、材料、端子位置、封装类型、引脚形式和端子数量，定义了元件的缩写语。特征、材料、位置、形式和数量标识符是可选的。封装特征：一个单个或多个字母的前缀，确认诸如间距(pitch)和轮廓等特征。封装材料：一个单字母前缀，确认主体封装材料。端子位置：一个单字母前缀，
46、确认相对于封装轮廓的端子位置。封装类型：一个双字母标记，指明封装的外形类型。引脚新式：一个单字母后缀，确认引脚形式。端子数量：一个一位、两位或三位的数字后缀，指明端子数量。表面贴装有关封装特性标识符的一个简单列表包括：E 扩大间距(1.27 mm)F 密间距(0.5 mm)；限于 QFP 元件 S 收缩间距(0.65 mm)；除 QFP 以外的所有元件。T 薄型(1.0 mm 身体厚度)表面贴装有关端子位置标识符的一个简单列表包括：Dual 引脚在一个正方形或矩形封装相反两侧。Quad 引脚在一个正方形或矩形封装的四侧。表面贴装有关封装类型标识符的一个简单列表包括：CC 芯片载体(chip c
47、arrier)封装结构 FP 平封(flat pack)封装结构 GA 栅格阵列(grid array)封装结构 SO 小外形(small outline)封装结构 表面贴装有关引脚形式标识符的一个简单列表包括：B 一种直柄或球形引脚结构；这是一种非顺应的引脚形式 F 一种平直的引脚结构；这是一种非顺应的引脚形式 G 一种翅形引脚结构；这是一种顺应的引脚形式 J 一种“J”形弯曲的引脚结构；这是一种顺应的引脚形式 N 一种无引脚的结构；这是一种非顺应的引脚形式 S 一种“S”形引脚结构；这是一种顺应的引脚形式 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 例如，缩写词 F-PQ
48、FP-G208，描述 0.5 mm(F)塑料(P)方形(Q)平面封装(FP)，翅形引脚(G)，端子数量 208。对元件和板表面特征(即焊盘结构、基准点等)的详细公差分析是必要的。IPC-SM-782 解释了怎样进行这个分析。许多元件(特别是密间距元件)是严格公制单位设计的。不要为公制的元件设计英制的焊盘结构。累积的结构误差产生不配合，完全不能用于密间距元件。记住，0.65mm等于0.0256，0.5mm等于0.0197。在 IPC-SM-782 标准内，每个元件与相应的焊盘结构组织在四个页面中。结构如下：第一页包括有关元件的通用信息，包括可应用文件、基本结构、端子或引脚数量、标记、载体封装格式
49、、工艺考虑、和焊接阻力。第二页包括设计焊盘结构所必须的元件尺寸，对于其它元件信息，参考EIA-PDP-100 和 95 出版物。第三页包括相应焊盘结构的细节与尺寸。为了产生最适合的焊接点条件，在这页上描述的焊盘结构是基于最大材料情况(MMC,maximum material condition)。使用最小材料情况(LMC,least material condition)时，尺寸可能影响焊接点的形成。第四页包括元件与焊盘结构的公差分析。它也提供对于焊接点的形成应该期望得到什么的详细内容。焊点强度受锡量的影响。在决定不使用基于 MMC 尺寸的焊盘结构之前，应该进行公差分析和焊接点评估。在 IPC
50、 的网站上(www.ipc.org)有免费的、可下载的焊盘结构计算器。在IPC-SM-782 的附录 A 中可找到详细的计算器的解释。SMT Plus 也有焊盘结构库的书或 CD-ROM。也可购买计算机辅助设计(即,Allegro,PADS)许可证。IPC,EIA(www.eia.org)和 JEDEC 文件可以直接从这些组织购买，或通过Global Engineering Documents()购买。the Status and Action Plan 2000中的第四章是另一个元件信息来源。可以从 Surface Mount Council 的网站(www.surfacemountcoun