◆热风平整无铅焊锡工艺研究
把传统热风整平工艺应用于无铅焊锡涂覆 , 对垂直式和水平式多种设备与材料进行试验比较 , 研究得出相应的无铅焊锡涂覆工艺参数。
1. 前言
热风整平焊锡 (HASL) 现在是印制板制造中普遍应用的技术 , 印制板无铅化要求取消应用的锡铅合金 , 这就威胁到 HASL 工艺是否会被取消。对于 HASL 需要变革的是材料一无铅焊锡代替锡铅焊锡 , 成熟的工艺与设备仍是实现印制板无铅化的理想技术。国外已有多次报道热风整平无铅焊锡技术 , 现把英国《 Circuit World 》 2005 年第 2 期 , 作者杰克· 弗利曼 (Jack Feliman) 的这篇研究报告介绍给国内同行 , 希望重视热风整平无铅焊锡技术 , 充分利用现有的 HASL 资源。该研究是在一个垂直式与二个水平式热风整平机上进行无铅焊锡热风整平试验 , 采用物理特性符合要求的助焊剂和油 , 对不同设备条件选择不同的工艺参数。试验样板是覆铜箔层压板和模拟产品板。研究关键的是要掌握在各种生产运作时焊锡中铜和镍浓度变化 , 以及对合金配方进行稀释与补充调整的方案。 HASL 运作中质量控制 , 评估试验板上沉积焊锡层的品质性能。
2. 试验材料
2.1 垂直式中
试验是用锡铜镍合金焊锡 , 合金组成 SN0.7Cu+Ni, 熔点温度 227 ℃ , 比锡铅合金熔点高 44 ℃ 。试样板也涂覆一种常规广泛应用的液态光成像阻焊剂 (LPISM), 考验经受高温试验后性能影响。试验中板面涂复三种粘度不同的助焊剂 , 粘度是从 50cP( 厘泊 ) 到 400cP 。生产过程模拟用双面覆铜箔层压板 , 板厚度 0.7mm , 铜箔厚 1oz , 板面尺寸 30.5 x 45.7cm ( 12” x 18” ) 。
2.2 水平式 I 中
这个试验用典型的锡铅焊料整平设备 , 工艺中开发高温稳定的试验油。同时也试验助焊剂。水平式 I 中试验用到二种无铅合金 , 分别是 Sn0.7Cu 和 Sn0.7Cu+Ni 。这样分别试验可以比较各种合金的优缺点。试验板上所用阻焊剂和覆铜箔层压板与垂直式的相同 , 只是板面尺寸大些 , 为 45.7 x 61.0cm ( 18” x 24” ) 。
2.3 水平式 II 中
在水平式 II 试验时选择更高闪点和热稳定性的助焊剂和油。试验用 Sn0.7Cu+Ni 焊锡 , 试验板同水平式 I 中相同。
2.4 高温助焊剂特点
用于较高熔点的 Sn0.7Cu+Ni 合金焊锡的助焊剂应该活性较低 , 以使减少对热风整平设备的腐蚀性 , 特别是对焊锡槽的腐蚀。由于无铅焊锡操作温度较高 , 在 265 ～ 275 ℃之间 , 要求助焊剂闪点比工作温度更高 , 这是有利于生产中安全性 ; 同时希望助焊剂热稳定性好 , 在工作中助焊剂分解缓慢 , 防止烟雾气味放出。还有 , 这种低活助焊剂主要由水溶性有机聚合物构成 , 便于清洗 , 焊渣也容易除去。当然 , 低活性助焊剂仍需有好的助焊促进作用 , 使板子铜面充满润湿焊锡。不可因助焊剂活性太低 , 而造成有铜面曝露。
2.5 高温油特点
高温油是保护焊锡槽表面 , 减少焊锡的氧化和助焊剂的消耗 , 降低材料成本。对高温油要求重要的是有高闪点 , 其闪点在设备操作温度以上 , 使有很大安全系数。所用高温油应便于清洗 , 也不让助焊剂碳化物等聚积于机器上 , 使得机器保持清洁。在实际应用中 , 只需在维护时把高温油充满槽体 , 不必时常添加补充。
3. 试验载体
该试验板板面 18” x 24” , 厚度 0.093in ( 2.36mm ), 涂覆有广泛使用的 LPISM 。整块试验板板面设计有四拼版图形 ,4 个拼版单元的尺寸是 8.15” x 10.75” , 各个拼版单元再含有 4 个更小的图形 ( 4” x 5” ) 。每个单元上的 4 个图形并不是相同的复制 , 而是代表四种不同设计特征的图形。图形是按照适合 BGA 和 QFP 器件的安装而设计 , 要求小节距、小盘和细线 , 如每个图形有 992 个孔 , 每个单元板有 3986 个孔。
4. 试验方案
对于三种设备类型的试验理论是相同的 , 只是水平式 II 试验会有更多材料和较长运作时间。试验板在垂直式与水平式设备运作处理 , 进行有铅焊锡和无铅焊锡的比较。在试验开始时 , 先从焊锡槽取样测定焊锡合金成份 , 特别是铜与镍的含量。规定试验板开始运作时工艺条件。产品是模拟工艺处理的 100 块双面覆铜箔层压板 , 垂直式试验板尺寸 30.5 x 45.7cm (1ftx 1.5ft ), 水平式试验板尺寸 45.7 x 61.0cm ( 1.5ft x 2ft ) 。这两种尺寸试验板的铜表面积相当于 300ft 2 和 600ft 2 。假定每块板面铜面积占 25%, 这相当于产品工件 1200 ft 2 和 2400 ft 2 , 或者说约 200 和 400 块板。在运作和比较启动条件的是第二试验板。另外 100 块层压板是按第三试验板运作。第四试验板前运作这第三设立的 100 块层压板。在制板是按 IPC 中测量表面绝缘电阻 (SIR) 的原图设计。
5. 工艺和参数
表 1 给出了各个工艺试验的概况。如用锡铅焊料 , 垂直式与水平式处理的不同主要是垂直式处理没有预热与板面转动。垂直式设备中板面与焊锡接触时间较长 , 从 2.5~ 5.0 秒 , 按预热程度和焊锡槽大小作调整补偿 , 但最新的设备不会允许板子 45 0 转动。板子转动减少表面安装盘上表面焊锡厚度不均匀。在 HASL 过程中空气冲击焊锡粘稠状前沿 , 后引起焊锡拖尾状 , 达个结果是连接盘前缘沉积层较薄。由转动板子 45 0 , 使气刀与连接盘间角度改变 , 会消除不良状况。在水平式机器能运作 45.7 x 61.0cm 在制板 , 可选择 45 0 角度转变。两种水平式生产线间最大的区别是预热板子方式不同 , 预热是为使板子逐渐升温 , 增加板芯温度 , 让气刀吹除去孔中与表面多余焊锡。水平式机器 I 是用有控制的传导热 , 水平式机器 II 是用可调节的红外线灯输出热量。
表 2 是 HASL 设备的工作参数。板子预热在水平式 I 为 240 ℃ , 水平式 II 应用石英红外灯其功率是前者的 50% 。板子的传送速度决定了在箱体中逗留时间和出来时温度 , 能通过调节速度控制。焊锡槽温度是水平式的比垂直式的更高 , 运作温度分别为 270 ~ 288 ℃ 与265 ~ 269 ℃ 之间。水平式I 有监控油温度 , 控制设定在 240 ℃ , 比通常锡铅焊料的高了 30 ℃ 。在垂直式中最好效果是采取浸入焊锡槽 2.5 秒相对较短时间。水平式 I 采取 12m /min 较快的水平传送速度。风刀温度垂直式在 280 ℃ , 水平式 I 在 300 ℃ , 都高于焊锡槽温度。水平式 II 风刀温度较低些。风刀压力垂直式的比水平式的要高得多 , 如原来锡铅焊料 HASL 那样。对于水平式机器的风刀压力优先选择 0.9bar 范围。
6. 结果
6.1 助焊剂试验
三种 HASL 处理方式中所用助焊剂有很大差别 , 但它们有共同的特征。它们都是用泵抽到助焊剂槽内 , 由滚筒涂复在板子上。滚筒外表包复镍合金 , 表面光洁。助焊剂的最重要特性是使焊锡容易与金属面结合 , 而板子的非金属表面没有任何焊锡沾住。另外 , 板子在后处理清洗、干燥后干净清洁。实际上这三种 HASL 方式所用助焊剂性能没有大差别 , 主要是粘度不同。
6.2 油试验
进行了许多天的每天一班的水平式设备 HASL 试验 , 总结了生产中所用油的性能及操作方法。
在水平式 I 中焊锡槽温度是 265 ℃ 和 300 ℃ 之间变化 , 取决于涂复生产的频率影响。在 300 ℃ 的时间是不多的 , 但高温容易使焊锡氧化。这油的作用就是防止焊锡氧化 , 及产生渣滓与碳化 , 使得焊锡槽口不沾锡 , 容易清洗。油的寿命估计在 48 至 96 小时间 , 在生产过程中需要补充。在水平式 II 中焊锡槽温度是 288 ℃ , 比通常锡铅焊料所用 260 ℃ 高出许多。在每班生产结束停止焊锡泵后 , 进行维护时除去 1 至 2 加仑 焊锡表面的油 , 排入存放容器内。
6.3 焊锡沉积层特性
焊锡沉积层特性归纳于表 3 中。各种无铅合金 HASL 会产生的典型缺陷有露铜、空洞、焊锡高凸、短路、桥接、拖尾和塞孔等。
6.4 焊锡沉积层厚度
图 1 是个排列图 , 表示采用 Sn0.7Cu+Ni 合金的三种处理方式得到的最大与最小沉积厚度。无论采取何种 HASL 方式 ,QFP 和 BGA 细节距的小连接盘上沉积层较厚 , 大尺寸 (0.75 平方英寸 ) 分立盘上沉积层最薄。垂直式 HASL 得到沉积层最厚 , 厚度均匀性也最差 , 如以往锡铅焊料的历史数据那样。水平式 I 提供的厚度与均匀性最好 , 水平式 II 其次。
6.5 阻焊剂性能
所用液态光成像阻焊剂能经受各种 HASL 处理 , 全部试验后都应没有斑痕、片状剥落或剥离。用胶带进行结合力试验 , 在胶带上没有绿色阻焊剂粒子。
6.6 表面绝缘电阻和离子污染
测定板子表面绝缘电阻和离子污染度来表示清洁度 , 如表 4 所示。这是试验板用常规的清洗设备进行处理 , 并非用特别设备 , 过程与大批量生产条件相同。板面阻焊剂全部符合 IPC 的 SM 840C 规范。水平式 I 的 HASL 用 Sn0.7Cu 焊锡 , 得到最高的绝缘电阻值 9E09 Ω。垂直式和水平式 I 用 Sn0.7Cu+Ni 焊锡的 HASL, 得到的绝缘电阻值较低 , 但也在规范值以上。另外 , 全部离子污染测定结果也很好 , 这些都是限定使用活性助焊剂。
7. 无铅焊锡数据
7.1 合金焊锡的密度
在采购焊锡和配制新槽时 , 会发现需要了解焊锡成份的密度状况。相关金属的密度值如下 :
锡 7.29 g /cm 3
铅 11.0 g /cm 3
铜 8.92 g /cm 3
进行简单计算就可知道锡铅合金和锡铜合金的密度如下 :
Sn37Pb 8.66 g /cm 3
Sn0.7Cu 7.30 g /cm 3
无铅的锡铜合金密度仅是锡铅合金的 84.3% 。这对购买无铅焊锡非常重要 , 与锡铅合金相比 , 采购同样体积的无铅焊锡应有重量要少些 , 价格上会得到补偿。
7.2 设备中焊锡重量
试验所用各个设备中实际用到的无铅焊锡重量如下 :
这个垂直式设备的焊锡容量是大多数典型机器的容量。水平式 I 是较小设备 , 但其具有大批量加工 45.7 x 61.0cm 尺寸与转 45 0 角度板子的能力。水平式 II 是较大设备 , 具有较大焊锡槽。
7.3 铜浓度的变化
7.3.1 垂直式 , Sn0.7Cu+Ni
在垂直式设备用 Sn0.7Cu+Ni 焊锡的 HASL 运作中 , 焊锡槽内铜的浓度会增加 , 如图 2 所示。图中 Y 轴左边是铜浓度 ; X 轴是处理的板子数量 , 更恰切的是铜面积量 , 以每磅焊料处理的铜面积打单位 , 由每块加工板的面积、加工板的数量、机器中含有焊锡重量来推算得出。图 2 中右边 Y 轴是铜浓度变化率 , 这同铜浓度上升相似的。这个上升率能清楚地看出任何二点铜浓度变化 , 以及由 sf/lb 范围的不同。图中右侧 Y 轴表示了这些相关性。焊锡槽中当铜浓度较高时 , 铜增长速率会下降 , 如在运作板子 300 块后铜增长速率从 0.07% 逐渐下降到 0.05% 。
7.3.2 水平式 I Sn0.7Cu
采用 Sn0.7Cu 焊锡和水平式 I 设备的铜浓度的变化 , 铜增长率与垂直式的很相似。而当铜浓度达到较高时 , 铜增长率很快下降。
7.3.3 水平式 I Sn0.7Cu+Ni
图 3 表示了与以上两种相似的数据和铜增长相关性。
7.3.4 水平式 II Sn0.7Cu+Ni
图 4 稍有复杂 , 因为在试验时有二次稀释焊锡 , 第一次约稀释 20%, 第二次约稀释 50%, 是使铜浓度维持在一定范围内。焊锡中铜浓度随着板子运作而增加 , 经稀释又下降 , 使焊锡的铜浓度保持在狭小范围内。稀释使铜浓度下降 , 甚至回复到起始时浓度 , 但铜增长速率却在下降。
7.3.5 铜浓度变化的总结
铜浓度增加的变化率是按平均速率耒确定 , 各种 HASL 处理的平均值列于表 5 。
7.3.6 焊锡稀释
为维持焊锡槽内铜浓度在 0.7 ～ 0.9% 操作范围 , 运作一段时间后要稀释调整焊锡。如以垂直式 HASL 试验为例 , 焊锡槽容量 660 磅 , 假定影响铜增长率 0.06%/sf/lb, 当焊锡槽内铜浓度由 0.7% 到 0.9% 增加 0.2%, 可加工铜面积 2200sf 板子。若在制板的板面含铜面积 25%, 则可生产 8800ft 板子 , 这相当于 45.7x 61.0cm 板子 1500 块。
表 6 是无铅焊锡与典型的锡铅焊料应用作比较。请注意起始时铜浓度差别 , 需要的稀释量 , 应该是无铅焊锡比锡铅焊料所用稀释成本低。 
7.3.7 焊锡去渣
在垂直式 HASL 处理中 , 当铜浓度有 0.955 % 时会有锡铜针状结晶体产生 , 易于去渣。把焊锡温度从 265 ℃ 下降到 235 ℃ , 用焊锡泵运转搅拌约 90 分钟 , 再把温度设置得更低些 , 会在焊锡表面与糟边形成锡铜复合针状结晶体。这时很容易用勺子去除针状结晶体。在槽壁上也会有大量结晶体产生 , 可以用勺子刮去。这些针状结晶体分析显示铜浓度大于 2 % 。
7.4 镍浓度变化
7.4.1 垂直式
采用 Sn0.7Cu+Ni 无铅焊锡的 HASL 处理时镍会逐渐消耗。据有关报告 , 镍是向金属层内部扩散而不影响焊锡强度或可靠性。焊锡中镍浓度变化与铜相似 , 垂直式的处理数据如图 5 所示。镍浓度范围从 0.043 % 降到 0.025 %, 下降率基本呈线性。
7.4.2 水平式 I
镍浓度变化数据与垂直式处理的趋势相似。但下降率很小 , 几乎在同样范围内。
7.4.3 水平式 II
数据显示试验开始时镍浓度很高 , 此后镍浓度快速下降。运作中为稀释铜含量是向焊锡槽内添加纯锡 , 并没有添加镍。因此 , 镍是处在低浓度下 , 继续试验下去镍的消耗率也是很少 , 试验中做最后三个试样时镍浓度都在 0.014% 重量比。
8. 结束语
该文研究了由三种不同 HASL 设备形成的可实现批量生产的三种无铅焊锡涂层 , 按不同设备条件分别设定了工艺和操作参数。研究中试验了高温助焊剂和油 , 找出适用的可接受条件。试验过程符合印制板细节距、大的分立盘和小孔的工艺要求 , 也为控制焊锡中铜与镍的浓度列出了数据。有关板面的液态光成像阻焊剂进行了评估 , 满足 HASL 条件与表面清洁度 , 符合 IPC 的阻焊剂规范要求。试验过程发现新配制或稀释后的无铅焊锡槽中铜的积累较快 ; 当镍浓度较高时镍的消耗会很快 , 如在新配制或替换后。【信息来源:互联网】
