4- 无铅产品及PCB设计 （参考：工艺 第18章）,顾霭云,1. 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,组装质量 生产效率 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原则：,选择最简单、质量最优秀的工艺 选择自动化程度最高、劳动强度最小的工艺 工艺流程路线最短 工艺材料的种类最少 选择加工成本最低的工艺,无铅工艺流程设计,尽量采用再流焊方式（不采用或少采用波峰焊、手工焊工艺） 通孔元件再流焊工艺（适用于少量通孔插装元件（THC）时） 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） 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。（适用于消费类产品）,通孔元件再流焊工艺,三种选择性波峰焊工艺 1、掩膜板波峰焊，为每种PCB设计专用掩膜板，保护已焊好的表面贴装器件（此方式不需要买专用设备） 2、拖焊工艺：在单个小焊嘴焊锡波上拖焊。适用于少量焊点及单排引脚 。 3、浸焊工艺：机械臂携带待焊PCB浸入固定位置焊嘴组的焊锡波上（多焊锡波）。浸入选择焊系统有多个焊锡嘴，与PCB待焊点是一对一设计的 。因而对不同的PCB需制作专用的焊锡嘴 。,选择性波峰焊机是无铅波峰焊的良好选择,掩膜板选择性波峰焊工艺,掩膜板波峰焊，为每种SMA设计专用掩膜板，保护已焊好的表面贴装元器件。 （此方式避免了对SMC/SMD的波峰焊）,A,B,工艺流程 B面再流焊 A面再流焊 B面掩膜波峰焊,掩膜板,选择性波峰焊机,2. 无铅产品PCB设计, 选择无铅元器件 选择无铅PCB材料及焊盘涂镀层 无铅焊接材料的选择 无铅产品PCB设计, 选择无铅元器件, 必须考虑元件的耐热性问题（避免高温损伤元器件的封装与内部连接） 必须考虑焊料和元器件表面镀层材料的相容性（材料不相容会影响焊点连接强度） 对湿度敏感器件(MSD)的管理和控制措施（高温损伤湿敏器件）,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, 无铅元件耐热性要求,IPC/JEDEC J-STD-020C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260, 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最多最复杂 可能会存在某些失配现象，造成可靠性问题,例如：Bi在凝固过程中会发生偏析，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（Fillet-Lifting）,无铅元件焊端镀层 Sn Ni-Au Ni-Pd-Au Sn-Ag-Cu Sn-Cu Sn-Bi等, 对湿度敏感器件(MSD)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(MSD)的管理并采取有效措施。,例如： 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，做到受控管理； 对已受潮元件进行去潮处理。, 选择无铅PCB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, 无铅对PCB材料的要求,无铅工艺要求高玻璃化转变温度g（150170） 要求低热膨胀系数CTE (径向、纬向尺寸变化）稳定性好 要求高的PCB分解温度d（340） 高耐热性：T288（耐288的高温剥离强度，不分层） PCB吸水率小（PCB吸潮也会造成焊接缺陷） 低成本, 如何选择无铅PCB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采用FR4环氧玻璃纤维基板； 复杂的无铅电子产品可选择高Tg（150170）的FR-4； 高可靠及厚板采用FR-5； 考虑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采用聚酰亚胺玻璃纤维基板； 对于散热要求高的高可靠电路板采用金属基板； 对于高频电路则需要采用聚四氟乙烯玻璃纤维基板。, 如何选择无铅PCB焊盘涂镀层,主要考虑因素： PCB焊盘涂镀层与焊料的相容性 PCB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（IAg） (d) 浸锡（ISn） (e) OSP,无铅PCB焊盘涂镀层种类：,(a) 用非铅金属或无铅焊料合金 取代Sn/Pb热风整平（HASL）,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，镀层厚度为711m； HASL焊料的厚度和焊盘的平整度（园顶形）很难控制，很难贴装窄间距元件 。 无铅HASL：即用非铅金属或无铅焊料合金取代Pb-Sn 。,(b) 化学镀Ni和浸镀金（ENIG）,化学镀Ni和浸镀金（ENIG）具有良好的可焊性，用于印制插头（金手指）、触摸屏开关处。 Ni作为隔离层和可焊的镀层，要求厚度3um ； Au是Ni的保护层 ，Au能与焊料中的Sn形成金锡间共价化合物（AuSn4），在焊点中金的含量超过3%会使焊点变脆，过多的Au原子替代Ni原子，因为太多的Au溶解到焊点里（无论是Sn-Pb还是Sn-Ag-Cu）都将引起“金脆”。所以一定要限定Au层的厚度，用于焊接的Au层厚度1m (ENIG ：0.050.3m)； 如果镀镍工艺控制不稳定，会造成“黑焊盘”现象。,“黑焊盘”问题 Black Pads in ENIG finishes,黑焊盘处手指一推，元件就会掉下来 黑焊盘是PCB制造厂的问题,黑盘的显微观察,黑盘失效的焊盘表面（放大5000倍）,“黑焊盘”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34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，最终导致虚焊、或焊点强度不足使元件从PCB上脱落。,(c) 浸银工艺（IAg）,浸银工艺（IAg）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。 IAg的厚度约0.10.4m，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IAg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) 浸锡工艺（ISn）,I-Sn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1.0m。 ISn比较便宜。 其主要问题是在浸锡过程中容易产生Cu-Sn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，或经过1次回流后由于Cu-Sn金属间化合物的不断增长与高温氧化，使润湿性迅速下降快 ，甚至不能承受波峰焊前的一次再流焊 ，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。,(e) Cu表面涂覆OSP,OSP是有机防氧化保护剂。铜镀层与OSP配合使用，可焊性、导电性，金属化孔内镀铜层厚度大于25m。 OSP优点：便宜、涂层薄（0.30.5m）、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。 缺点：不能回流很多次， OSP高温失效后引起Cu表面氧化，因此双面板回流工艺要注意。另外保存期短（3个月）。（目前手机板大多采用OSP涂层） 由于无铅焊接温度下涂覆层容易失效，因此传统的OSP材料不适于无铅，需要应用适合无铅OSP材料。,目前单面板采用无铅OSP基本没有问题。,第一，要慎重选择PCB加工厂； 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隔，一般控制在4小时（或2小时）以内，有的采用两条生产线分别进行两面加工； 第四，还可以选择活性高、可焊性好的助焊剂来配合。,双面回流，或一面回流、一面波峰焊时建议：,哪种表面镀覆层最适合无铅呢？ 目前暂时还没有结论,必须根据实际产品需要来选择。例如： 单面SMT或单面波峰焊，可使用OSP或浸锡； 双面贴装和混装（SMD与通孔插装）的印制电路板使用浸银；如果使用的是OSP，在再流焊和波峰焊时使用氮气或者腐蚀性很小的助焊剂，可以根据产品灵活掌握，如果使用ENIG就不需要使用氮气。在选择表面镀覆层时，氮气的使用、助焊剂的类型和对成本的敏感性，这些都是重要的因素。 总之，选择无铅PCB焊盘涂镀层必须考虑焊料、工艺与PCB焊盘涂镀层的相容性。, 无铅焊接材料的选择,合金材料与元器件的相容性 合金材料与工艺的相容性 合金材料的熔点与电子设备工作温度的相容性 考虑可靠性 考虑成本,考虑因素：, 无铅产品PCB设计,提倡为环保设计，需要考虑WEEE在选材、制造、使用、回收成本等方面因素，但到目前为止还没有对无铅PCB焊盘设计提出特殊要求，没有标准。 有一种说法值得讨论：由于浸润性（铺展性）差，无铅焊盘设计可以比有铅小一些。 还有一种说法：无铅焊盘设计应比有铅大一些。 业界较一致的看法： （a）为了减小焊接过程中PCB表面t，应仔细考虑散热设计，例如均匀的元器件分布、铜箔分布，优化PCB板的布局。尽量使印制板上t达到最小 值。 （b）椭圆形焊盘可减少焊后焊盘露铜现象。,过度阶段BGA、CSP采用“SMD”焊盘设计减少“孔洞”,SMD NSMD SMD(soldermask defined) NSMD non-soldermask defined）,有利于排气,不有利于排气,（c） BGA、CSP 采用SMD焊盘设计有利于排气。 （d）过渡阶段双面焊（A面再流焊，B面波峰焊）时， A面的大元件也可采用SMD焊盘设计，可减轻焊点剥离现象。 （e）为了减少气孔， BGA、CSP 焊盘上的过孔应采用盲孔技术，并要求与焊盘表面齐平。,（f）无铅波峰焊（通孔元件）焊盘设计措施,在严格按照波峰焊工艺中介绍的焊盘设计要求外，还可以采取以下措施： 采用SMD焊盘设计，可减轻焊点剥离现象 通孔直径 = 引脚直径 + 0.5mm(有铅0.2 0.4mm)，增加通孔直径有利于助焊剂渗入通孔 ，改善通孔中焊料填充率 设计时尽量使阻焊膜远离焊点，可以减少锡珠 采用高质量或亚光型阻焊膜减少锡珠粘连的机会,（g）选择性波峰焊焊盘设计措施,焊点周围的间隙 单波焊接：进板方向尾部留5mm空间，其余三边留2mm空间 多喷嘴浸焊：焊点与周边器件或不需要焊接的焊点之间至少保持2 mm 间距,选择性波峰焊焊盘设计措施,周边SMD器件的长轴应垂直于焊接方向，这种设计可以避免这些已经完成回流焊接器件不会被冲掉,