SMT用印制板与无铅焊接

　　一、 前言   

　　      微电子技术的飞速发展和电子产品小型化、轻量化及高可靠的要求，使表面贴装元器件在电子产品中的应用日益广泛，表面安装技术因此也成为电子装联工艺的主流。作为表面贴装元器件的安装、连结和支撑的载体――SMT用印制板也有了相应的发展和进步，对表面安装元器件与印制板焊接连接用的焊料，也逐步由传统的锡铅合金焊料逐步向无铅焊料过渡。   

　　      传统的Sn63/Pb37共晶焊料，由于其电气、机械性能和工艺性能优良，成本低廉，在电子装联中的应用已经有近百年的历史，在SMT印制板及其焊接中的应用也有多年的经验，技术相对也比较成熟。但是，焊料中的铅元素危害人类的健康，对环境会造成很大的污染。随着科学技术的进步，人们对环境保护意识的增强，限制使用铅等有害物质的呼声日益强烈，为此欧盟对在电气电子产品中限制使用某些物质进行了立法，颁布了“WEEE” 和“ROHS”两项指令，按ROHS指令的规定：从2006年7月1日起，投放欧洲市场的电子产品不允许含有Pb 、Hg、Cd、六价Cr和PBB（多溴联苯）、PBDE（多溴联苯醚）等有害物质。我国由信息产业部、外贸部和技术质量监督局等七部委联合制定了《电子信息产品污染控制管理办法》现已颁布，主要目的是为了控制ROHS指令中规定的铅、汞等六种有害物质在电子信息产品中的应用（其中软件、出口产品和军工产品除外），该规定从2007年3月1日开始实施。这意味着今后进入中国市场的电子信息产品也必须是不含铅、汞等有害物质。所以在SMT印制板上采用无铅的涂镀层和采用无铅的焊接技术是势在必行。   

　　      无铅焊接所用的焊料和印制板的焊盘涂镀层都需要无铅，无铅焊料一般要比传统的锡铅合金焊料的熔点和焊接温度要高出几十摄氏度以上，对SMT印制板的热冲击应力较大，并且对SMT印制板焊盘涂镀层的润湿能力也比传统的锡铅合金焊料差，如何保证焊接的质量和产品的可靠性是业界所普遍关注的问题。所以无铅焊接不仅仅是焊接材料的简单更换，它涉及到焊接材料、焊接工艺、设备，印制板基材、表面涂镀层等相关工艺匹配，以及相关标准和验收的问题。   

　　      为了应对无铅焊接的要求，欧美和日本等发达国家，早已在无铅焊接的材料、印制板的无铅制程和基材的更新以及相关标准方面，做了大量的工作和研究，并且开发出许多新的材料和产品。我国在这方面工作虽然起步较晚，但是有欧美等国的经验借鉴，发展也比较快，然而无铅焊接与传统的有铅焊接还有许多不同的特点和要求，实践经验和技术相对于有铅焊接尚不成熟，对于焊接材料、印制板与无铅焊接的匹配以及焊接质量和验收标准等方面，有许多工作需要进一步探讨和研究，本文将根据自己的实践和相关资料的体会，浅谈SMT印制板的表面涂镀层与无铅焊接的关系。   

　　二、无铅焊接对SMT印制板的特殊要求   

　　      无铅焊接的核心问题是焊接的材料和被焊接的元器件端子与印制板的焊盘涂镀层上不含铅，以及SMT印制板与无铅焊接工艺的匹配问题。用于无铅焊接的SMT印制板的特殊要求是由无铅焊料的特性确定的，所以首先需要了解无铅焊料的特点，才能更好地提出对适合无铅焊接的印制板的要求。   

　　（一）无铅焊料的特点   

　　      无铅焊料是指在焊料中不人为的添加铅元素，焊料合金中铅的自然含量小于0.1％wt,并且不含ROHS指令中规定的其它有害元素。无铅焊料合金一般为含Sn 、Ag、 Cu、 Zn、Bi、 In、Sb 等元素的二元、三元或多元合金，在诸多无铅焊料合金中，根据其各项性能和成本考虑，在SMT印制板的焊接中，目前广泛采用的是Sn 95.8/Ag3.5/ Cu0.7的三元共晶合金 及Sn 96.5/Ag3.0/ Cu0.5的三元近共晶合金（日本），含Ag3.0的合金价格较便宜，是目前应用于无铅再流焊接中最多的焊料，该焊料与传统的锡铅合金焊料相比其特点是：   

　　1. 该类焊料的熔点高，一般为216～220℃，因为合金各成分比例的不同，其熔点不同，含银量为3.5％的Sn－Ag－Cu共晶焊料其熔点为217℃，比传统的Sn-Pb合金焊料高出34℃，在SMT印制板上的焊接温度也要相应地提高30多摄氏度。   

　　2.无铅焊料的表面张力较大，对印制板涂镀层表面的润湿性也比Sn-Pb合金焊料差，对印制板焊盘的可焊性要求高。

 

　　3.无铅焊料的焊接工艺窗口小，工艺控制难度大。因为无铅焊料的熔点高在焊接中能形成可靠焊点所需要的焊接温度也要升高，从焊接温度到印制板所能承受的温度极限值的范围变小；无铅焊料的共晶特性不如锡铅合金焊料，印制板横向的温差对焊接质量影响很大，需要提高温度控制精度和加热温度的均匀性，因而工艺控制的难度加大。  

　　4.无铅焊料中含有银或其它稀贵金属，焊料成本高。

　　（二）无铅焊接用SMT印制板的特殊要求  

　　由于无铅焊料有以上特点，对SMT用印制板的要求也就不同于有铅焊接，尤其是对印制板的基材和表面涂镀层有更为严酷的要求，具体体现在以下方面：  

　　1. 无铅焊料的熔点高，波峰焊接温度高，再流焊的温度曲线不同于有铅焊料，印制板通过再流炉焊接的温度高、时间长，为防止焊接过程中印制板受热产生起泡、分层、变色或金属化孔壁断裂而损坏，对印制板基材的耐热性和热稳定性有更高的要求。  

　　2. 印制板表面的涂镀层应无铅、表面平整，有良好的可焊性，能与焊料形成可靠地焊点，并且能经受焊接的高温而不被氧化，必要时需经受重复焊接仍能保持可焊。传统的Sn-Pb合金镀层和有铅焊料的HASL涂层已不能应用。  

　　3. SMT印制板应平整，板的翘曲度小，一般翘曲度≤0.75%,并且在焊接的高温下印制板也不允许弯曲变形。翘曲会影响表面贴装元器件与板的共平面性，降低焊接的可靠性。  

　　引起印制板翘曲是多因素的综合影响，有印制板基材方面、印制板加工的工艺控制问题、印制板设计时布线的均匀程度和热设计问题，以及焊接工艺的控制等方面的原因。根本原因是印制板基材中的铜箔、树脂和增强材料的热膨胀系数的差异，在高温下热膨胀的影响将更为明显，如果将上述影响因素控制得好，会使印制板的翘曲降到可以接受的程度。  

　　4. 印制板的基材应有较低的吸湿率和较好的耐离子迁移性能（CAF）。SMT印制板的元器件安装密度越来越高，印制导线的间距越来越小，导线之间的绝缘电阻是印制板重要的电气性能，离子迁移（CAF）会引起在印制板组装件使用时绝缘电阻下降，如果基材的吸湿率大，会加剧CAF现象的形成，在潮湿的条件下，焊接的高温还容易引起印制板产生白斑或分层，使绝缘电阻下降。焊接的高温能引起印制板表面树脂的挥发，如果树脂的挥发量大，印制板的表面粗糙容易吸湿，会加速CAF现象的产生，所以无铅焊接需要选择耐离子迁移性能好的基材。  

　　5. SMT印制板在满足无铅要求的同时，还应不含PBB/PBDE类有卤素的阻燃剂材料，无卤素虽然与无铅焊接没有直接关系，但是都是在ROHS“指令”和“规定”中同时限制使用的有害物质，在采用无铅焊接的同时也必须考虑印制板的基材中无卤素的问题。并且无卤素基材的耐热性一般高于有卤素的基材，所以更适合于SMT印制板。  

　　在现有的FR-4型的印制板基材中采用的阻燃剂不是“指令”中明文限制使用的PBB和 PBDE，它是采用四溴双酚A（TBBA）作阻燃剂，属于反应型阻燃剂，在环氧树脂中参与化学反应，不具有生物降解的可能性，许多研究表明它对于人类和环境的危害要小于PBB和 PBDE危害的十倍以上，在没有性价比更好的无卤素阻燃剂的情况下仍可以使用，这也是目前仍在采用FR-4型的印制板基材的原因。尽管毒性很低，但是它终究是含有卤素，是有一定毒性的，将逐渐被性价比更好的无卤素型印制板基材所代替。可以替代卤素的阻燃剂有磷（P）、氮（N）、无机氢氧化物（如水合氧化铝、氢氧化镁）等，目前采用较多的无卤素阻燃剂有含P、含N或两者组合，但是这类阻燃剂也有一定的不足，含P的树脂基材中的有机磷也有毒性，所以最环保型的阻燃剂应是不含卤素和磷。目前市场已开发出这一类的无卤素印制板基材，如苏州生益公司的S1155/S1156等板材，随着技术的进步将会有更多无卤素的印制板基材进入市场。