无铅产品PCB设计及工艺控制

77--无铅产品无铅产品PCBPCB设计及工艺控制设计及工艺控制顾霭云顾霭云1.1.无铅产品组装方式与工艺设计无铅产品组装方式与工艺设计首先要确定组装方式及工艺流程首先要确定组装方式及工艺流程••组装质量组装质量••生产效率生产效率••制造成本制造成本••组装方式与工艺流程设计合理与否，直接影响：组装方式与工艺流程设计合理与否，直接影响：印制板的组装形式组装方式与工艺流程设计原则：组装方式与工艺流程设计原则：••选择昀简单、质量昀优秀的工艺选择昀简单、质量昀优秀的工艺••选择自动化程度昀高、劳动强度昀小的工艺选择自动化程度昀高、劳动强度昀小的工艺••工艺流程路线昀短工艺流程路线昀短••工艺材料的种类昀少工艺材料的种类昀少••选择加工成本昀低的工艺选择加工成本昀低的工艺无铅工艺流程设计无铅工艺流程设计••尽量采用再流焊方式尽量采用再流焊方式（不采用或少采用波峰焊、手工焊工艺）（不采用或少采用波峰焊、手工焊工艺）••通孔元件再流焊工艺通孔元件再流焊工艺（适用于少量通孔插装元件（（适用于少量通孔插装元件（THCTHC）时））时）••选择性波峰焊机是无铅波峰焊的良好选择选择性波峰焊机是无铅波峰焊的良好选择（适用于高可靠、及无铅）（适用于高可靠、及无铅）••一些单面板以及通孔元件非常多的情况，还是需一些单面板以及通孔元件非常多的情况，还是需要采用传统波峰焊工艺。要采用传统波峰焊工艺。（适用于消费类产品）（适用于消费类产品）2.2.无铅产品无铅产品PCBPCB设计设计••⑴⑴选择无铅元器件选择无铅元器件••⑵⑵选择无铅选择无铅PCBPCB材料及焊盘涂镀层材料及焊盘涂镀层••⑶⑶无铅焊接材料的选择无铅焊接材料的选择••⑷⑷无铅产品无铅产品PCBPCB设计设计⑴⑴选择无铅元器件选择无铅元器件①必须考虑元件的耐热性问题耐热性问题（避免（避免高温－损伤元器件的封装与内部连接高温－损伤元器件的封装与内部连接））②必须考虑焊料和元器件表面镀层材料的相容性材料的相容性（材料不相容会（材料不相容会影响焊点连接强度影响焊点连接强度））③对湿度敏感器件湿度敏感器件(MSD)的管理和控制措施（（高温高温损伤损伤湿敏器件湿敏器件））选择无铅元器件考虑因素：选择无铅元器件考虑因素：对无铅元件的要求：耐高温和无铅化对无铅元件的要求：耐高温和无铅化①①无铅元件耐热性要求无铅元件耐热性要求••IPC/JEDECJIPC/JEDECJ--STDSTD--020020CC对于薄型小体积元器件而言，对于薄型小体积元器件而言，新标准要求其耐热温度要高达新标准要求其耐热温度要高达260260℃℃②②焊料和元器件表面镀层材料的相容性焊料和元器件表面镀层材料的相容性••无铅元器件焊端镀层材料的种类昀多昀复杂无铅元器件焊端镀层材料的种类昀多昀复杂••可能会存在某些失配现象，造成可靠性问题可能会存在某些失配现象，造成可靠性问题••例如：例如：BiBi在凝固过程中会发生偏在凝固过程中会发生偏析，在焊区底部形成低溶点相。导析，在焊区底部形成低溶点相。导致焊缝浮起，也称为焊点剥离现象致焊缝浮起，也称为焊点剥离现象（（FilletFillet--LiftingLifting））无铅元件焊端镀层无铅元件焊端镀层••SnSn••NiNi--AuAu••NiNi--PdPd--AuAu••SnSn--AgAg--CuCu••SnSn--CuCu••SnSn--BiBi等等③③对湿度敏感器件对湿度敏感器件(MSD)(MSD)的管理和控制措施的管理和控制措施••无铅焊接温度高，潮湿敏感元器件由于高温而失效的无铅焊接温度高，潮湿敏感元器件由于高温而失效的几率非常高，因此在无铅工艺中要特别注意对湿度敏几率非常高，因此在无铅工艺中要特别注意对湿度敏感器件感器件(MSD)(MSD)的管理并采取有效措施。的管理并采取有效措施。例如：例如：••设计在明细表中应注明元件潮湿敏感度；设计在明细表中应注明元件潮湿敏感度；••工艺要对湿敏元件做时间控制标签，做到工艺要对湿敏元件做时间控制标签，做到受控管理受控管理；；••对已受潮元件进行去潮处理。对已受潮元件进行去潮处理。⑵⑵选择无铅选择无铅PCBPCB材料及焊盘涂镀层材料及焊盘涂镀层•无铅对PCB材料的要求•如何选择无铅PCB材料•如何选择无铅PCB焊盘涂镀层①①无铅对无铅对PCBPCB材料的要求材料的要求••无铅工艺要求高玻璃化转变温度Ｔ无铅工艺要求高玻璃化转变温度Ｔgg（（150150～～170170℃℃））••要求低热膨胀系数要求低热膨胀系数CTECTE((径向、纬向尺寸变化）稳定性好径向、纬向尺寸变化）稳定性好••要求高的要求高的PCBPCB分解温度Ｔ分解温度Ｔdd（（340℃））••高耐热性：高耐热性：TT288288（耐（耐288288℃℃的高温剥离强度，不分层）的高温剥离强度，不分层）••PCBPCB吸水率小（吸水率小（PCBPCB吸潮也会造成焊接缺陷）吸潮也会造成焊接缺陷）••低成本低成本②②如何选择无铅如何选择无铅PCBPCB材料材料•根据产品的功能、性能指标以及产品的档次选择PCB；•对于一般的无铅电子产品般的无铅电子产品采用FR4环氧玻璃纤维基板；••复杂的无铅电子产品复杂的无铅电子产品可选择高Tg（150～170℃）的FR-4；••高可靠高可靠及厚板厚板采用FR-5；•考虑低成本低成本的无铅电子产品可选择CEM-1和CEM-3；•对于使用环境温度较高或挠性电路板挠性电路板采用聚酰亚胺玻璃纤维基板；•对于散热要求散热要求高的高可靠电路板采用金属基板；•对于高频电路高频电路则需要采用聚四氟乙烯玻璃纤维基板。③③如何选择无铅如何选择无铅PCBPCB焊盘涂镀层焊盘涂镀层主要考虑因素：主要考虑因素：••PCBPCB焊盘涂镀层与焊料的相容性焊盘涂镀层与焊料的相容性••PCBPCB焊盘涂镀层与工艺的相容性焊盘涂镀层与工艺的相容性(a)无铅焊料合金热风整平（HASL）(b)ENIG（Ni/Au）(c)浸银工艺（I－Ag）(d)浸锡（I－Sn）(e)OSP无铅无铅PCBPCB焊盘涂镀层种类：焊盘涂镀层种类：(a)(a)用非铅金属或无铅焊料合金用非铅金属或无铅焊料合金取代取代Sn/PbSn/Pb热风整平（热风整平（HASLHASL））••热风整平热风整平需要热熔，通过热风整平涂覆在焊盘上，保护焊盘，可焊性好可焊性好，镀层厚度为7～11µm；•HASL焊料的厚度和焊盘的平整度（园顶形）很难控制平整度（园顶形）很难控制，很难贴装窄间距元件。••无铅无铅HASLHASL：：即用非铅金属或无铅焊料合金取代Pb-Sn。(b)(b)化学镀化学镀NiNi和浸镀金（和浸镀金（ENIGENIG）••化学镀化学镀NiNi和浸镀金（和浸镀金（ENIGENIG）具有良好的可焊性，用于印制）具有良好的可焊性，用于印制插头（金手指）、触摸屏开关处。插头（金手指）、触摸屏开关处。••NiNi作为隔离层和可焊的镀层，要求厚度≥作为隔离层和可焊的镀层，要求厚度≥3um3um；；••AuAu是是NiNi的保护层的保护层，，AuAu能与焊料中的能与焊料中的SnSn形成金锡间共价化形成金锡间共价化合物（合物（AuSnAuSn44），在焊点中金的含量超过），在焊点中金的含量超过3%3%会使焊点变会使焊点变脆，过多的脆，过多的AuAu原子替代原子替代NiNi原子，因为太多的原子，因为太多的AuAu溶解到焊点溶解到焊点里（无论是里（无论是SnSn--PbPb还是还是SnSn--AgAg--CuCu）都将引起）都将引起““金脆金脆””。所。所以一定要限定以一定要限定AuAu层的厚度，用于焊接的层的厚度，用于焊接的AuAu层厚度层厚度≤≤11µµmm(ENIG(ENIG：：0.050.05～～0.30.3µµm)m)；；••如果镀镍工艺控制不稳定，会造成如果镀镍工艺控制不稳定，会造成““黑焊盘黑焊盘””现象。现象。““黑焊盘黑焊盘””问题问题BlackPadsinENIGfinishesBlackPadsinENIGfinishes黑焊盘处黑焊盘处手指一推，元件就会掉下来手指一推，元件就会掉下来黑焊盘是黑焊盘是PCBPCB制造厂的问题制造厂的问题黑盘的显微观察黑盘的显微观察黑盘失效的焊盘表面黑盘失效的焊盘表面（放大（放大50005000倍）倍）““黑焊盘黑焊盘””现象的产生原因现象的产生原因（1）PCB焊盘金镀层和镍镀层结构不够致密，表面存在裂缝，空气中的水份容易进入，以及浸金工艺中的酸液容易残留在镍镀层中。（2）镍镀层磷含量偏高或偏低，导致镀层耐酸腐蚀性能差，易发生腐蚀变色，出现“黑盘”现象，使可焊性变差。（PH为3～4较好）（3）镀镍后没有将酸性镀液清洗干净,长时间Ni被酸腐蚀。（4）作为可焊性保护性涂覆层的Au层在焊接时会完全溶融到焊料中，而被氧化或腐蚀的Ni镀层由于可焊性差不能与焊料形成良好的金属间合金层，昀终导致虚焊、或焊点强度不足使元件从PCB上脱落。ENIGFinishPad结构示意图CuFR-4基板NiAu(c)(c)浸银工艺（浸银工艺（II－－AgAg））•浸银工艺（I－Ag）是目前使用更多、成本更低廉的替代工艺，而且更为广泛地被工业界接受。•I－Ag的厚度约0.1～0.4μm，其可焊性、ICT可探测性、以及接触/开关焊盘的性能不如Ni-Au，但对于大多数应用却已足够。•对于I－Ag精确的化学配方、厚度、表面平整度、以及银层内有机元素的分布，都必须仔细选择和规定，所有的替代工艺都必须适用于有铅和无铅两种工艺。(d)(d)浸锡工艺（浸锡工艺（II－－SnSn））••II--SnSn就是通过化学方法在裸铜表面沉积一层锡薄膜。就是通过化学方法在裸铜表面沉积一层锡薄膜。锡的沉积厚度应＞锡的沉积厚度应＞1.01.0μμmm。。••II－－SnSn比较便宜。比较便宜。其主要问题是在浸锡过程中容易产其主要问题是在浸锡过程中容易产生生CuCu--SnSn金属间化合物，影响可焊性；另一个问题是金属间化合物，影响可焊性；另一个问题是寿命短，新板的润湿性较好，但存贮一段时间后，或寿命短，新板的润湿性较好，但存贮一段时间后，或经过经过11次回流后由于次回流后由于CuCu--SnSn金属间化合物的不断增长金属间化合物的不断增长与与高温氧化高温氧化，使润湿性迅速下降快，使润湿性迅速下降快，甚至不能承受波，甚至不能承受波峰焊前的一次再流焊峰焊前的一次再流焊，因此工艺性较差。，因此工艺性较差。••一般可应用在一次焊接工艺的消费类电子产品。一般可应用在一次焊接工艺的消费类电子产品。(e)(e)CuCu表面涂覆表面涂覆OSPOSP••OSPOSP是有机防氧化保护剂。铜镀层与是有机防氧化保护剂。铜镀层与OSPOSP配合使用，可焊性、配合使用，可焊性、导电性，金属化孔内镀铜层厚度大于导电性，金属化孔内镀铜层厚度大于2525µµmm。。••OSPOSP优点：优点：便宜、便宜、涂层薄涂层薄（（0.30.3～～0.50.5µµmm））、平面性好，能防、平面性好，能防止焊盘氧化有利于焊接，在焊接温度下自行分解。止焊盘氧化有利于焊接，在焊接温度下自行分解。••缺点：不能回流很多次，缺点：不能回流很多次，OSPOSP高温失效后引起高温失效后引起CuCu表面氧表面氧化，因此化，因此双面板回流工艺要注意。另外保存期短（双面板回流工艺要注意。另外保存期短（33个个月）。（目前手机板大多采用月）。（目前手机板大多采用OSPOSP涂层）涂层）••由于无铅焊接温度下涂覆层容易失效，因此传统的由于无铅焊接温度下涂覆层容易失效，因此传统的OSPOSP材材料不适于无铅，需要应用适合无铅料不适于无铅，需要应用适合无铅OSPOSP材料。材料。目前单面板采用无铅目前单面板采用无铅OSPOSP基本没有问题。基本没有问题。••第一，要慎重选择第一，要慎重选择PCBPCB加工厂；加工厂；••第二，采用氮气保护焊接；第二，采用氮气保护焊接；••第三，从工艺上要控制第一次与第二次焊接的时间间第三，从工艺上要控制第一次与第二次焊接的时间间隔，一般控制在隔，一般控制在44