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PCB組裝中無鉛焊料的返修

2011年12月06日09:31

  由于潤濕性和芯吸性不足,要實現無鉛焊接的返工比較困難,難道要實現各種不同元件的無鉛焊接就不可能?本文就將介紹一種可輕松實現無鉛焊料返修的方法。
  返工是無鉛PCB組裝的批量生產工藝中的一個重要組成部分,在最初的過渡時期,當供應鏈上的每個環節形成信息曲線時,尤其如此。然而,由于需要保修,所以在整個產品的壽命周期范圍內仍存在著返工的問題。
  人們發現,無鉛焊料合金通常不象 Sn/Pb 焊料那樣易于潤濕和芯吸,因此,無鉛焊料的返工是較困難的,其在 QFP 中的應用就是一個明顯的例子。盡管存在著這些差異,通過使用焊劑凝膠、筆式焊劑和芯吸焊料等已為用于象分立元件、面陣列封裝等不同元件的無鉛焊料(Sn/Ag/Cu 或 Sn/Ag )開發出成功的返工方法(即手工和半自動)。大多數用于 Sn/Pb 的返工設備仍可以用于無鉛焊料中。必須對焊接參數進行調節,以便適用于無鉛焊料的較高的熔融溫度和較低的可潤濕性。 Sn/Pb 返工中采用的其它預防方法(如必要時的板子烘干)仍適用于無鉛焊料的返工。研究表明,使用適當的返工工藝可以制造出具有適當粒子結構和形成的金屬間化合物的可靠的無鉛焊點。
  特別要注意減少返工工藝對焊點、元件和 PCB 帶來負面影響的可能性。由于焊接溫度的上升,層壓材料、玻璃纖維和 Cu 之間的 Z 軸熱膨脹系數( CTE )不匹配,給 Cu 層上施加了更大的應力,就有可能出現鍍覆通孔中 Cu 的開裂,從而導致故障的產生。這是一個相當復雜的問題,因為它是由許多變量而決定的,如象 PCB 層數和厚度、層壓材料、返工溫度曲線、 Cu 布局和導通孔的幾何形狀(如孔徑比)等。要確定在什么樣的條件下層壓材料(如高的 Tg 、低的 CTE )才能夠替代傳統的 FR4 ,滿足無鉛焊接的要求,還有很多的工作要做。這并不是說較低成本的材料(如 CEM 、 FR2 等)不能夠用于無鉛焊接中。事實上,在批量生產中這些方法得到了應用,并在每一例應用基礎上對應用情況進行檢查。必須對返工對焊盤和掩膜粘性的影響進行認真的評估。
  同樣,還應對返工對元件可靠性的影響進行認真的研究探討。翹曲和脫層是其中一些可能出現的問題。最近發布的 IPC-020B 標準指出應將返工作為無鉛焊接中較高溫度元件額定值的重點加以考慮。
  電化學的可靠性是應考慮的另一個重要問題。當焊劑殘余物溶解于板子上的濕氣冷凝時,在電偏置下面的導體蹤跡之間會產生電化學反應,從而導致表面絕緣電阻( SIR )下降。如果產生電遷移和枝狀生長的話,由于導體蹤跡之間形成“短路”,就會產生更加嚴重的故障。電化學的可靠性由免清洗應用中焊劑殘余物抵抗電遷移和枝狀生長的性能來決定。因此,必須實施以 IPC (按照 TM-650 2.6.3.3 )為基礎的 SIR 測試或 Telecordia 測試,為確保返工使用的焊劑和再流焊劑 / 波峰焊劑和返工的焊劑之間的任意反應物不會給免清洗應用帶來電遷移和枝狀生長的風險。
  “元件混合”的問題是涉及到確保質量的特殊問題,尤其是在這種技術的過渡時期。通過對無鉛焊料的鉛對長期可靠性的影響的初步研究說明,由于焊點中鉛的含量不同,所以影響也是不同的,當鉛的含量在中間值范圍時其帶來的影響是最大的,因為在持續凝固的枝蔓間錫晶粒間界中偏析相的形成(例如;粗糙的鉛粒子),在這個位置上開始裂縫,并在周期負荷下蔓延。例如;其顯示出 2~5% 的含鉛量就會給無鉛焊料的疲勞壽命帶來不利的影響,但是,其可能不會比 Sn/Pb 焊料的效果差。因此,如果

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