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无铅焊料相关知识(培训教材)

关键字: SMT 无铅焊料
一、无铅定义及理想的无铅焊料应满足的条件
1、定义
A、在焊料中没有蓄意添加铅或含铅物质;
B、焊料中的铅含量低于0.1%(1000PPM);
2、理想的无铅焊料应具备以下条件
A、良好的物理性能及机械性能;
B、良好的可焊性、润湿性、导通率及焊后可靠性;
C、在使用工艺方面有较宽的工艺窗口;
D、较容易获得原材料资源;
E、较合理的成本价格;
F、返修及维修较易;

二、无铅之趋动力
1、环保方面
A、铅之危害已有共识:
(1)、空气中含有SO2、NO2、CL2 ——   可随雨水生成 —— H2SO4、H2NO3、HCL
(2)、铅(Pb)及含铅物质垃圾 —— 在空气中可与氧气反应生成 —— PbO
(3)、(1)中的酸与(2)中的PbO起反应生成:PbSO4、Pb(NO3)2、PbCL
(4)、在(3)中所形成的各种物质为可溶于水的物质,能随雨水一起进入地下饮用水循环系统;
(5)、人类在饮用了含铅的水后,可能会影响体内蛋白质的正常合成,破坏中枢神经,造成神经和再生系统紊乱、呆滞、贫血、智力下降、高血压甚至不孕症等
B、古罗马帝国灭亡的一个诱因(贵族对铅制酒具的使用)
2、欧盟指令
A、欧洲议会和理事会2003年1月27日第2002/96/EC《关于报废电子电气设备指令(WEEE)》:该指令对报废电子电气设备的回收处理作出了相关的规定;
B、欧盟议会和理事会2003年1月23日第2002/95/EC号《关于在电气电子设备中限制使用某些有害物质指令(ROHS)》:该指令中明确规定,自2006年的7月1日起欧盟成员国将确保投放市场的新电子和电气设备不包含铅、汞、镉、六价铬、聚溴二苯醚(PBDE)或聚溴联苯(PBB);

三、无铅研发现状
1、美国国家生产科学研究所(NCMS)推荐了三种用于表面安装的无铅焊料合金
NCMS
2、在Ri本,Ri本电子工业振兴协会(JEITA)组织评定了无铅焊料。下表为JEITA组织评定的过渡期可用的合金。
JEITA
3、目前市场的主流:
(1)、目前市场以Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅焊料为主要潮流;
(2)、该焊料专利为美国阿尔法及Ri本千住共同拥有,目前在全球及中国的推广均得到了广大客商的认可;
(3)、优点:
在各项机械性能、物理性理的测试中均表现出较合理的表现;另外在可焊性、润湿性能、导通率及焊后可靠性方面都得到较好论证;
(4)、缺限:
A、贵金属银在全球为有限资源,在地壳中的含量为百万分之五,居有色金属储量的第63位,长期使用必然会造成原材料成本的不断增加;
B、银在环保方面的可靠性,不可能经受长期的考验,美国环保局(EPA)曾因为银的杀菌能力,而把银归于重金属污染:0.05mg/l银污染给人的眼睛和皮肤带来的将是永久性伤害;
C、银的高熔点使焊接能耗增加20%~25%;

四、无铅所存在的的问题
1、标准问题
A、目前欧盟与美国及Ri本的相关组织尚未发布明确的统一标准,在推广过程中开发商与用户对产品含铅量等没有统一尺度,造成各种争议的存在;目前可供参考的是欧盟对铅含量的建议为小于0.1%(即1000PPM);
B、中国相关标准正在制定中,关于国标及部标或行业标准的制定工作尚未结束,造成目前在国内生产及销售并没有统一标准可依;
C、关于铅含量的算法问题:在关于铅含量比例的算式中,可以确定的是分子是产品含铅总量,而分母却有“产品总质量”、“元器件总质量”、“锡焊料总量(焊点+元件及PCB镀层总和)”。因为目前尚没有相关法规对此作出规定,所以大多专倾向于第三种算法,即:铅的总量/锡焊料总量。

2、工艺窗口问题
无铅焊料与普通锡铅焊料相比工艺窗口明显缩小,主要体现在以下几个方面:
*印刷
*回流温度高,润湿力降低
*波峰焊难度加大
*返修&维修难度加大
(1)、SMT回流焊
A、印刷:
*原则上印刷结果与锡铅锡膏没有明显的差异
*无铅合金的密度比有铅小约17%,用标准的刮刀压力要得到很厚的锡膏会困难一些。
B、回流焊峰值温度的升高对热敏元件的使用寿命造成一定的冲击;
(2)、波峰焊接
A、焊接峰值温度比普通焊料高出约20-30℃,对PCB上热敏元件造成一定的热冲击;
B、因需要更高的焊接温度,造成能耗的损失与浪费;
C、从预热段起至焊接止,对热能的保证要求更高;
D、焊后迅速降温才能使焊点有更好的结晶,此状况的出现使现有设备不能再满足新工艺的需求;
E、锡炉氧化渣方面:
*Sn63Pb37密度8.8g/cm3(188℃);
*锡液氧化物Cu6Sn5密度8.28 g/cm3;
*Sn-Ag-Cu密度只有7.4 g/cm3左右,氧化渣将沉于炉底,无法简易除去;
F、在无铅焊接制程中,普通免洗助焊剂很难在通孔中扩散,透锡性很差,造成焊接不良的状况增加。
G、无铅焊点的不良比普通焊点有所增加,主要有锡须的生长及焊盘翘起或焊点开裂等方面;
G1、锡须的生长主要是因为镀层或焊点内应力的存在造成的,为确保避免锡须的产生,应在焊接及镀层时尽量消除各种内应力的存在,如使用惰性气体保护工作氛围、避免潮湿、刮擦等状况的出现;
G2、焊盘翘起或焊点开裂分析原因如下:
无铅焊盘翘起图
(1)、PCB在所承受温度极限内(140-160℃)的CET(热膨胀系数)约为10左右;
(2)、当板面实际受热温度超过去160℃时,X、Y轴的CET变化较小,而Z轴变化却很大,因此产生了PCB铜箔的膨胀现象,如图所示铜箔由A位膨胀至B位;
(3)、此时,在A位与B位之间出现一个间隙ΔL;
(4)、当温度回落以后,出现了两个应力,即:由焊点强度产生的内应力(N)及由PCB基材和铜箔之间的内应力(M);
(5)、当N< M时,焊点开裂;
(6)、当N> M时,铜箔剥落、焊盘翘起;
3、无铅真的友好吗
(1)、如本文上述因为银的杀菌能力,美国环保局(EPA)把银归于重金属污染:0.05mg/l银污染给人的眼睛和皮肤带来永久性的伤害;
(2)、采用无铅焊接工艺将使能耗增加20%~25%;
(3)、锑及其化合物可造成生物学影响,如严重的消化道发炎,伴随肚痛、恶心、呕吐和腹泻;
(4)、世界电子业的用量占总销耗量的0.6%,大部分的铅污染或铅垃圾来自其他行业。

五、目前X公司重点推广的JW-12(Sn-Cu-Ni)无铅焊料
1、优点
A、已通过室验室及客户的应用实验;
B、与其他无铅焊料相比工艺方面无特殊要求,适用窗口比其他无铅焊料要宽;
C、焊后的焊点外观与锡铅合金较接近,这是其他无铅焊料所无法比拟的;
D、焊后的导通率及抗疲劳性能比其他无铅焊更合理;
E、更重的是其成本与销售价格均比同类无铅焊料低;
2、存在的问题
A、专利归属不清楚;
B、因众多客户已接受其他无铅焊料,对此类无铅焊料的认同有一定难度;
C、导入前期需重复多次做相关实验进行论证。

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