浅谈铜含量对热风无铅焊料整平可焊性的影响

浅谈铜含量对热风无铅焊料整平可焊性的影响周定忠李飞宏龙亚波(胜华电子(惠阳)有限公司，广东惠州516257)摘要为适应欧盟、美国和我国对铅等重金属有毒物质使用的限制，电子组件中传统的有铅热风焊料整平PCB已经逐渐向无铅热风焊料整平PCB转化，而在热风焊料整平工艺中锡槽中铜含量的管控对于可焊性的好坏具有决定性作用。本文重点介绍了热风无铅焊料整平工艺中铜离子的提取和控制方法，解决热风无铅焊料整平因铜含量过高导致的可焊性不良之间题。关键词铜含量；除铜；可焊性;热风焊料整平中图分类号：T一1，TN41文献标识码：A文章编号：1009—0096(2013)01—0059—04·1前言在我国电子产品生产企业中，因焊点质量不良导致的不良产品数量约占企业不良产品总量的60％以上，在有的企业甚至高达80％。影响焊点质量的因素很多，如焊接合金质量、生产工艺条件、PCB层压材料质量、元器件、机械负荷条件等都能导致不良焊点的产生，针对这些因素对焊点质量的影响已经有了较为成熟的分析和处理方法。但在电子产品整机生产企业与其PCB供应商之间，具有相似工艺处理环节的波峰焊和热风整平(HASL)工艺锡槽中铜含量升高所导致的产品焊接不良间题较少有人进行进一步的探讨，锡炉内的铜皆因助焊剂、锡料等的浸蚀，将PCB线路上的铜日积月累地带进锡炉，成为焊锡的污染物。在热风焊料整平中铜对锡炉的污染是最为常见和最难控制的间题，本文主要对热风无铅焊料整平锡炉铜含量升高的机理及对可焊性的影响做简单浅析，同时针对热风无铅焊料整平锡炉在实际生产中如何进行有效除铜、锡炉铜含量如何进行管控做重点试验和闸述。2热风整平工艺锡槽中铜含量升高原理及对可焊性的影响印制线路板在图形制作完成后，由于在其上安装分立元件并进行焊接的需要，对线路要进行可焊性镀层的镀覆，但是由于线路之间并不是全部完全导通的，用电镀法不可能在线路板上全部镀出镀层，这时只能采用浸镀(化学镀)的方法，而已经制成的线路板尤其是安装有分立元件的线路板不可能再在化学液中浸泡，这时就得采用热浸锡的方法。热风整平工艺(HASL，HotAirSolderLevel)是把印制板浸入熔融的锡焊料中，然后通过两个风刀(高压热空气)之间，用热的压缩空气将板面上和金属化孔内多余的焊料吹掉，得到平滑、光亮、厚度均匀的焊料涂覆层。实际上是把浸焊和热风整平二者结合起来，在印制板金属化孔内和印制板焊盘上涂覆低共熔金属焊料的工艺。在浸焊过程中铜被锡侵蚀溶入焊料中，随着生产数量的增加，锡槽内铜含量随之增加，当铜超过其在锡中的固溶度后，铜锡之间就将形成金属间化合物，一般为Cu6Sn5。随着锡槽中铜含量的升高焊料的熔点也升高，为了保证浸焊随之而来的是浸焊工艺温度的提高与浸锡时间的延长，试验表明，温度越高或浸锡时间越长铜被侵蚀就越大，从而导致锡炉内铜含量加大，进而形成印制板表层铜面的锡层大量合金化，从而使得锡铜间化合物Cu6Sn5替代了本应该是焊料的焊锡，Cu6Sn5的熔点高达500℃，而在后续回流焊接过程时炉温一般存245℃，远远低于Cu6Sn5的熔点，最终导致印制板表面可焊性严重下降，导致上锡不良状况的产生。这种情况在无铅焊接中表现尤为突出。Balvei·Zinn公司的无铅焊接专家Bergeer的研究也证明了这个事实，因此，PcB牛产企业在热风整平工艺上如何控制锡槽巾铜含量是其生产过程中的一个重要的工艺质量控制点。PCB空板印锡膏过回流焊后出现上锡不良如图1，同周期不良PCB空板如图2。分析：利用立体显微镜对可焊不良焊盘及同周期PCB空板进行观察，结果发现图2中PCB空板锡面正常，未被污染到且锡厚町达到标准要求，而图1可焊性不良位置主要表现为锡料对焊盘反润湿现象，怀疑是否为铜含量过高，锡层被锡铜合金层所替图1PGB焊盘表面反润湿照片图2对应PGB焊盘镀层照片代，凹流焊时润湿度不足所导敛，故进一步利用金相切片进行分析PCB镀层，如图3和图4。图3上锡不良焊盘纵向SEM照片图4正常热风焊料整平焊盘纵向SEM照片通过图3、图4做对比发现，上锡不良焊盘表而锡层已完全被锡铜合金所替代，且锡铜合金层已裸露到表面，同流焊时无法被涧湿进而造成上锡不良，而正常焊盘，锡铜合金层较薄，锡层极易被涧湿而不会出现上锡不良。综上所述，锡槽铜含量的升高对上锡不良有极大的隐患，那么到底焊料中铜含量达到多高就需要降铜呢?关于这个指标的理论研究还没有明确的答案，只能根据实际生产经验，一般铜含量达到1．0％时，即需要除铜。3降低锡炉内铜离子含量的几种常规方式既然铜含量是可焊性好坏的重要指标，那么采用何种方法可有效降低锡炉内铜离子含量从而得到良好的焊锡性呢，以下就目前线路板行业针对锡炉除铜方式大致分为以下几种。3．1密度偏析法因无铅焊料的密度一般为7.4左右，小于CU6SN5合金8.28的密度，CU6SN5合金会沉到锡槽底部及附着在槽体四周壁上，可通过使用专门设计的漏勺从锡部捞出金属间化合物。具体操作方法是：先把锡槽的炉温升至280℃，开启搅拌，一定时间后，关闭搅拌，然后开始自然降温，降温时将除铜用漏勺放入锡槽内，当降至233℃时开始保温除铜，用漏勺轻轻将锡槽底部的CU6SN5结晶体捞出，因CU6SN5结晶体为针状易碎物，用漏勺捞时动作幅度要小，否则CU6SN5结晶体会被振碎而无法捞出。在此温度上连续作业，每次捞铜时间隔30分钟左右，待漏勺内无针状结晶是停止除铜，若需增加除铜效果继续除铜，可重复以上步骤重新除铜一次。除铜完毕可添加纯sn焊料补充因CU6SN5结晶体被捞出而损失的液位，此方法可处理一般铜高的无铅焊料，亦是最常见热风无铅焊料整平的除铜法。3．2稀释法顾名思义，此方法是采用添加新锡料（低铜的正常锡料）稀释的方法来降低锡炉中的铜含量，此方法只适用于对铜含量不是很高的情况下才有效。3．3硫磺除铜法清理干净锡槽及搅拌槽残留物，设定温度为250℃左右（220℃也可，主要为防止硫磺易燃），加硫磺粉500g左右，添加过程中，要缓缓加入硫磺粉，不可一次全部加入，加入后，用辅助工具轻搅搅拌部位，防止硫磺粉结成团。开动搅拌马达（45~-60）分钟，让硫磺充分与锡混合，待硫磺粉变成黑色以后捞起。添加碱（naoh）40g左右，开始升温，开启搅拌马达30分钟，完全清理干净硫磺粉的残留物和锡渣，添加适当助焊剂，以保持锡炉润滑，搅拌后，将上部废物清理干净，连续操作三次，恢复炉温，重新生产。说明：此方法操作较方便，除铜也比较方便彻底，但相应硫磺属易燃物，操作要特别小心，避免锡炉起火，另外硫磺如不能完全处理干净彻底，会和锡形成金属间化合物对后续焊接有很大影响，故一般不采用此方法，可供做参考。通过上述三种除铜方法对比，比重偏析法为除铜成本耗量最低、最完全、最常用方法。4锡炉内铜含量的管控不管是PCB企业还是电子产品整机生产企业，锡槽中焊料铜含量的升高都会导致不良品的大量产生，那么到底焊料中铜含量达到多高就需要降铜呢？关于这个指标的理论研究还没有明确的答案，因为影响焊接质量的因素实在太多，要想排除其他因素而专注于铜含量影响的研究十分困难。以下就比重偏析法进行除铜分析及生产中如何中铜含量进行有效管控的所做相关试验，以确定最佳铜含量管控标准及除铜时机。4．1除铜一次与除铜两次对比铜含量数据统计对比分析，锡槽按上述比重偏析法除铜，每次除铜大约可降低0.16%，变化趋势推移图见图5：4．2锡槽铜含量与生产面积变化状况统计（见表2）通过取样分析，随着生产平米的增加，铜含量也在逐步升高，生产200m2后，锡槽铜含量约上升0.1%,生产过程中锡炉铜离子变化趋势见图6：图6小结：关于锡炉铜含量的管控通过以上试验，以铜含量控制在1．0％内为参照标准，锡炉除铜后铜含量需在0．85％左右，且每生产300m2进行除铜一次可确保锡炉铜含量维持在正常水准。5结论(1)通过案例分析发现，热风无铅焊料整平锡炉内铜含量的升高会导致焊盘表层锡铜化合物加大而纯锡层的降低对后续PCB组件的焊接有很大的隐患，而根据实际生产经验一般锡炉内铜含量最好控制在1．o％以下。(2)对比现有无铅锡炉除铜方法，比重偏析法为热风无铅焊料整平除铜成本耗量最低、最安全、最常用方法。(3)实验证明锡炉内铜含量控制在1．0％以下为宜，锡炉除铜后铜含量需在O．85％左右，且约生产300m2进行除铜一次。(4)无论在PCB生产企业还是在电子产品成品生产企业中，在质量控制体系里都要求控制锡槽中铜的含量，因为锡槽中铜含量的升高引起Cu6Sn5合金的大量产生，如果对此不加以重视并做有效管制将直接影响后工序电子元器件的焊锡性好坏。本文通过一系列试验及统计数据针对锡炉铜含量及管控参数及除铜时机进行了全面分析，采用本文所使用之参数和工艺，可有效控制锡炉内铜含量，减少热风无铅焊料整平板上锡不良发生机率，确保PCB产品之可焊性能。参考文献[1]赵志平，周刚．热风无铅焊料整平上锡不良间题探究与改善[J]．印制电路信息，2012．06．[2]陈水健．PCB技术的发展趋势展望[D]．福建：闽南理工学院。2011,08．[3]任枫轩，李伟．PCB设计与制作[J]．北京：机械工业出版社，2002，09．[4]曾峰，侯亚宁，曾凡雨．印制电路板PCB设计与制作[J]．北京：电子工业出版社，2002．11．[5]黄书伟．印制电路板的可靠性设计[J]．北京：国防·工业出版社，2004,06．