SII 无铅工艺2.docx

1、SII 无铅工艺2SII Lead Free SolderSeiko Instruments Inc. Guide Line-2 手焊有關的指導方案發行 推進無鉛促進設計部(通達 第174號) (事務局 生技企畫部環境推進部)作成部門 生技企畫部協議部門 品質保証部調達企畫部報部 承認審查作成(責任者)2002.12.17(推進)2002.12.3(生技企畫部)2002.12.2Lead Free Solder Guide Line -2Manual Soldering 發行 推進無鉛促進設計部 作成 生技企畫部發行改訂履歷 2002年11月28日 暫定版 發行 2002年12月17日 Ver

2、.1.0 (承認版) 發行無鉛手焊有關的指導方案精工自動化株式會社目次 全体頁無鉛焊錫導入要領 11.1 本方針之定位 11.2 推荐焊錫和推荐條件 21.3 評价項目和判定基准 41.4 導入流程和故障檢修 51.5 sparkle solder (Resin cored solder)成本較划算 82 焊錫接合的評价 92.1 外觀 92.2 接合強度 142.3 信賴性試驗 19(資料)1 附焊要素 11.1 附焊條件 11.2 焊錫合金合成 51.3 無鉛焊錫的接合界面构造 101.4 焊錫助焊劑 (FLUX) 111.5 實裝部品 111.6 實裝基板 122 在無鉛中應特別注意的問

3、題 14項目 Rev. 設定日 項目內頁 全体頁1. 導入無鉛焊錫要領 1.0 02.11.21 1/8 11 導入無鉛焊錫之要領1.1 本Guideline的使用定位1.1.1 目的 本Guideline的目的是為了明示在使用錫絲和烙鐵等手焊作業上,我方之推荐焊錫, 推荐條件和評价方法。 本Guideline是由在第1章(本章)中簡洁地概括了主要內容，第2章中解說了焊 錫接合部的評价方法，特別添加有烙鐵焊錫、焊錫材料等詳細的解說等构成的。 請視為作業中之工作手冊. 此外，在SII中為推進無鉛化焊錫，有關于對全部無鉛錫膏在表面實裝的 Guideline巳在2000年10月30日正式發行)。因此

4、，除去与前述Guideline一致的流程之外，另補充些手焊無鉛焊錫的部分。 1.1.2 手焊的對象范圍手焊作業是介在reflow、flow之實裝方式之外, 舉凡在回路基板上插入實裝、表面實裝之外，如電線的焊錫或者部品的交換、或半田接合狀況不佳須再進行焊錫狀態的補修作業，等狀況言之.另外也包括了回路基板以外的電線和部品、利用焊錫接合的情況. 所使用的焊錫為，除錫絲之外, 也會用噴液瓶(類似我方塗白膠用的針筒器具)在要求位置上塗附錫膏的方式來進行. Dispensor法視為個別所檢討的對象, 其他有關接合品質的評价，準据本Guideline圖1 手的對象范圍添附烙焊 回路基板實裝 插入實裝 表面實

5、裝 附加電線焊錫 (補修、部品交換) 附加回路基板以外的焊錫焊錫供給方法 錫絲 DISPENSOR(錫膏) 對象外項目 Rev. 設定日 項目內頁 全体頁導入無鉛焊錫要領 1.0 02.11.21 2/8 2 1.2 推荐焊錫及推荐條件1.2.1 推荐焊錫 以評价結果為基准，推荐下列錫絲。在檢討其它廠牌錫絲時，希望能与推荐的錫絲一樣,有相同的合金組成 表1 推荐錫絲 厂商型式品种(助熔劑)組成融點千住金屬M705ECO SOLDER RMA98SUPERSn-3Ag-0.5Cu217-220(外表特征)無法顯示如SnPb共晶一般有亮麗的光澤，只有部分區域有光澤，非光澤部位,會呈蜂巢凹狀,有微粒

6、突起或是出現筋狀組織。 表2 有附加條件之推荐錫絲 厂商型式品种(助焊劑)組成融點千住金屬M20ECO SOLDER RMA98SUPERSn-0.75Cu227(外表特征)可做出與SnPb結晶焊錫相類之光澤。但是由於部品端子電鍍材質之影響, 或與其他焊錫混入時會呈濁白,而喪失其光澤。(條件)不使用在表面實裝部品之焊接寫真1 無鉛焊錫的表面光澤選定理由Sn-3Ag-0.5Cud 在日本已构成無鉛焊錫的標准，巳有各种之實質數據與使用經驗.Sn-0.75Cu(同0.7Cu)在無鉛焊錫中屬成本較低, 在波峰焊中,也有相當程度之實績。有關助焊劑，使用無洗淨巳經是主流.項目 Rev. 設定日 項目內頁

7、全体頁1. 導入無鉛焊錫要領 1.0 02.11.21 3/8 3 1.2.2 推荐條件 (1) 焊錫之條件，我方推荐下表的烙鐵尖溫度加熱時間及焊錫烙鐵。表3 推荐條件項目條件烙鐵尖部溫度和加熱時間插入部品 330370 3秒以內表面實裝部品 300350 3秒以內焊錫烙鐵附有溫控之型號 (例如 HAKKO 936中, 溫控Type 為941)a. 當溫度過高時，會導致助焊劑劣化,炭化和在焊錫尖部附有炭化物、烙鐵尖部劣化，或者基板的絕緣層損坏、接合界面剝离，甚至接合程度低下。b. 無鉛焊錫之融點高，一方面在發生部品耐熱和上記問題的限制，二來, 相較於有鉛之錫絲, 溫度的可容許變化範圍更小, 因

8、此溫度管理更形重要. 烙鐵尖溫度建議用專用的焊錫尖溫度計來測量。 (2) 异种焊錫的組合擔心含鉛焊錫和上述2种推荐的無鉛焊錫之混合使用, 與不同種之無鉛焊錫之混合,會有不相容之問題, 在我方實驗中沒有問題。已确認的組合如下表。表4 在修補時的异种焊錫的混合和部品端子的電鍍材質配合(沒問題的組合)第一次之焊錫補修之焊錫部品端子的鍍金Pb結晶Sn-3Ag-0.5CuSn電鍍插入部品、Sn電鍍chip部品Sn-Pb電鍍QFP、Sn-Bi電鍍QFPSn-0.75CuSn-3Ag-0.5CuSn-0.75CuSn-0.75CuSn-3Ag-0.5Cua. 先行用在表面實裝的有鉛錫膏,Sn-3Ag-0.5

9、Cu使用在HAL基板。確認Sn-0.75Cu的表面實裝和全部的插入實裝是在Cu PATTERN上進行先行焊錫。b. 部品的端子電鍍材質有其它的Sn-Cu、Sn-Ag等材質，但基本上多為錫絲中就有的成分, 故判斷結合上沒有問題.。c. 有關Sn-Bi電鍍材質的构成，應避免Bi量過多為宜。(Bi在23%為佳)由于評价限定了使用范圍，希望在采用產品時進行再确認。項目 Rev. 設定日 項目內頁 全体頁1. 導入無鉛焊錫要領 1.0 02.11.21 4/8 41.3 評价項目及判定基准評价方法詳情看2焊錫接合評价方法 的解說表5 手焊的評价項目和判定基准評价對象評价項目判定基准助焊劑(焊錫)絕緣抵抗

10、、移行、腐蝕性以厂商之資料為準.高溫高濕動作希望在基板或制品中确認。插入實裝部品外觀達到過孔、或是圓周的1/6以上都有焊錫沾附,沒飛錫等狀況.在50倍率以上的實体顯微鏡下，確認無平板式剝离無界面剝離接合強度拉拔強度 初期30N/1根(溫度循環500c 20N/1根)押下強度(以單面機板為主) 初期20N/1個(溫度循環500c 15N/1個) N牛頓在插入實裝部品中溫度循環試驗沒有表面實裝部品那么重要。表面實裝部品 外觀焊點的沾附錫膏角度在90度以下。ng焊錫沾附之頂點不在部品頂部。ngQFP沒有剝离fillet.-ok接合強度Lead部品 5N/1個 2012芯片部品 25N1608芯片部品

11、 15N 1005 芯片部品 5N信賴性試驗之后是(主要溫度)循環上記的70%以上。錫膏塗附不佳以破斷面確認land的部品電極與基板之相接合部分, 未沾附錫之部分未達單邊land的20%以上。附有電線焊錫外觀接合強度Fillet的形成良好。初期 20N/1本注意a. 雖然上記外觀判斷在無鉛製程當中應特別注意，但除光澤以外還有焊錫不充分、橋焊(bridge)、焊錫呈錐狀、縮錫、錫球等通常Pb焊錫的檢查項目也得實施。b. 在表面實裝部品的評价中QFP、SOP、貼片部品、SMT TYPE的電阻等等尤為重要。c. 各評价項目的詳情參考2，焊錫接合的評价方法和1-4-2故障檢修。d. 對于插入部品的焊點

12、剝离, 只要是進行所定的溫度循環試驗之後，接合強度沒問題即可。e. 接合強度的測定若困難時，應用小鉗子或手等簡單的手法即可，藉此希望能進行与有鉛焊錫強度做比較。項目 Rev. 設定日 項目內頁 全体頁1. 導入無鉛焊錫要領 1.0 02.11.21 5/8 51.4 流程導入和故障檢修1.4.1 導入流程無鉛之手焊作業流程, 以下標示重要品質之檢查事項.圖2 無鉛半田烙鐵手焊實裝導入流程製品仕樣決定部品選定 (插入實裝部品、表面實裝部品、耐熱性、電鍍材質等)實裝仕樣決定 (實裝工程：flow、reflow、手焊；焊錫材料；熱解析；基板：片面兩面、基板材料、表面處理；layout：部品配置、焊盤

13、尺寸等) 附加焊錫品質評价項目決定圖3 重要品質檢測事項的流程 有手焊(有波峰焊製程) 基板兩面有TROUGH HOLE插件部品 有表面實裝部品 有無鉛電鍍部品 有含鉛電鍍部品 有reflow工程 接合界面對策 焊點剝离 對策 部品耐熱性确認 有電鍍鉛QFP 有貼片電阻電容等部品 焊點剝离對策 錫膏沾附面積確認 (破斷面) 項目 Rev. 設定日 項目內頁 全体頁1. 導入無鉛焊錫要領 1.0 02.11.21 6/8 61.4.2 故障 檢修針對無鉛焊錫、易發生的問題及其原因和對策以列表的形式展出。表6 故障檢修問題原因對策THOUGH HOLE之錫沾附性差無鉛錫膏之沾附性差确認信賴性，變更

14、沾附高度基准，最不好的狀況,見圖點線部分. (圖中虛線部分)能做到與圖同等,強度沒問題。插入部品的焊點形成不佳(突起)無鉛焊錫之沾附差助焊劑的之劣化,炭化焊錫之酸化部品端子電鍍有問題基板表面處理有問題焊錫之適當塗附适當地移動烙鐵尖迅速地焊錫溫度時間适宜确認部品端子的表面狀態确認基板的表面狀態表面實裝部品的焊點形成不佳(錫膏之沾付角度要在90度以下才可以)手焊條件差部品舊、管理差部品端子電鍍有問題确認手焊條件(烙鐵尖部溫度時間、助焊劑劣化)确認部品(特別要确認錫膏沾附性)焊盤 絕緣層的損坏烙鐵尖溫度高、時間長烙鐵尖形狀銳利烙鐵溫度和焊接時間要适宜烙鐵尖形狀的檢討角錐形的產生融點太高(烙鐵尖的溫度

15、高)易造成助焊劑劣化注意助焊劑的供給烙鐵尖溫度和時間調到最適化表面實裝部在斷面上顯示出錫膏沾附不良焊盤預熱不足未供給貼片部品足量的熱與錫膏 焊盤之預熱要充足 施行預備焊錫? 用HAL基板項目 Rev. 設定日 項目內頁 全体頁1. 導入無鉛焊錫要領 1.0 02.11.21 7/8 7表6 故障檢修以下為主要是在波峰焊中會發生的焊錫問題,在手焊過程中,也有發生的可能性,請多加注意.。問題原因對策插入部品的焊點,發生剝離 部品端子的電鍍層 含有鉛 部品端子的無鉛電鍍化(如改為錫銅電鍍等) 信賴性若無問題即可插入部品的焊盤剝离 無鉛焊錫的應力強度過強。 基板翹曲 手焊條件不适合 焊盤徑作大一點.

16、焊盤上覆蓋絕緣層(0.1mm以上) OSP基板? 低熱膨脹 高T g基板化 烙鐵尖的溫度和時間适宜QFP的焊點剝离(混載基板的reflow后工程) 部品端子的含鉛電鍍 插件部品焊錫時的熱影響部品端子的無鉛電鍍化 插入部品在焊錫時要抑制QFP的焊錫接合部的溫度上升 flow條件(flow溫度、急冷、對比速度)、基板layout以下主要為reflow中有的焊錫問題，十分重要, 下記以供參考部品耐熱不足 無鉛焊錫,融點上升 從reflow開始變更手焊 reflow profile的合适化 變更LAYOUT- 熱解析 使用低溫無鉛焊錫 手附時：加熱方法之最適化錫球部品,界面周圍的大錫球焊點上的小焊球(

17、特別在錫膏印刷工程)印刷偏離 部品實裝時,壓下過度,造成錫膏外溢 錫膏助焊劑之劣化提高印刷精度 MASK的開口率減小确認預熱的條件變更錫膏項目 Rev. 設定日 項目內頁 全体頁1. 導入無鉛焊錫要領 1.0 02.11.21 8/8 8 1.5 錫絲的成本比較無鉛錫絲与有鉛錫絲相比，材料的成本較高。實際上根据焊錫形態、加工狀態的不同，成本也不相同。自構成之基礎金屬價格,推算出素材价格.表7 錫絲的成本比較組成(型式)單价(/kg)密度平均体積的成本比Sn-3Ag-0.5Cu (M705)2845(1.55)7.381.36Sn-0.75Cu (M20)2545(1.38)7.311.20Sn

18、-40Pb1840(1)8.411估价點 02年9月10日 厂商：千住金屬工業品种 RMA98 SUPER P3 1.0mm表8 焊錫合金金屬价格(02年11月 現在)地金名价格(￥/kg)Sn-3Ag-0.5CuSn-0.75CuSn-40PbP b9036.0C u2201.11.6S n680656.2674.9408.0A g18000540.0原材料費計1197.3676.5444.0成本比2.701.521.00(參考)制品/素材(2.38)(3.76)(4.14)項目 Rev. 設定日 項目內頁 全体頁2.焊錫接合評价方法 1.0 02.11.21 1/11 92 焊錫接合評价方

19、法有關主要，以下表示附著手焊製程,無鉛焊錫接合部的評价方法2.1 外觀2.1.1 焊點形成(1)表面實裝部品外觀上，部品電极與錫膏之接合角度是重點.，接合角度小(參照圖4)為佳.若焊錫量過多，有可能會造成貼片電容器裂痕.於此務必要注意。圖4 表面實裝 部品的接合面與錫膏接合角(a) 接合角小(理想的) (b) 接合角90度(可以) (c)接合角在90度以上(不可以)(2)插件實裝部品 through hole與焊盤及端子之吃錫程度是重要之標準指標. 無鉛錫,由於有吃錫不良之情況, 無法要求如同有鉛錫一樣的吃錫程度, 因此在確認過信賴性之後, 有必要變更吃錫之基準. 且,無鉛焊錫由于沾附程度不佳

20、, 易形成焊點剝離的不良. 由于基板表面處理不良(flash鍍金板中多見)易引起縮錫、接合焊盤和部品端子的接合狀況要確認.以下用圖展示無鉛焊錫應注意的焊點觀察事項。 圖5 插件實裝 部品的焊點和沾附角度請确認接合界面與部品端子是否吃錫充足項目 Rev. 設定日 項目內頁 全体頁2.焊錫接合評价方法 1.0 02.11.21 1/11 10圖6 插入實裝部品的焊點和沾附程度(a) 吃錫不良 (b)縮錫(pre-flux基板) (flash鍍金板) (c)縮錫、沾附不良的事例 未沾錫之部分達圓周之1/6,及未達過孔散濕判斷基准 焊錫沾附未到達過孔，無縮錫。到達相當圓周的1/6以上，但不滲濕、無縮錫

21、(复數個所時為總和)圖7 插件實裝部品的焊錫接合面凹陷 确認有無裂痕、吃錫(肉厚)等(a)不良例 (b)必須注意低於接合界面(pad與錫) 錫接合圖8 插件實裝部品過孔的錫沾附程度無鉛焊錫之沾附程度, 最低限度須平行於pad面.不得低於圖面虛線處.(a)有鉛焊錫的沾附程度 (b)無鉛焊錫的沾附程度項目 Rev. 設定日 項目內頁 全体頁2. 焊錫接合評价方法 1.0 02.11.21 2/11 112.1.2 焊點剝离、焊盤剝离的觀察在兩面基板的插件實裝部品焊錫上，由于易產生焊點剝離，焊盤剝離，故此要确認。如在QFP IC在回流焊實裝后，觀察再經波烽焊後所會產生的焊點剝離。用50100倍焦點深

22、度的實体顯微鏡，或白色螢光燈等照明。把基板垂直傾斜1030，讓焦點位置和基板傾斜角邊變化邊确認。圖9 兩面過孔插入部品的 寫真2 QFP的焊點剝离 焊點剝离和焊盤剝离 和其觀察方向 焊點剝离的部品側面,是注意重點.波峰焊的焊盤是焊盤剝離的注意重點.圖10 焊點、焊盤剝离的觀察項目 Rev. 設定日 項目內頁 全体頁2. 焊錫接合評价方法 1.0 02.11.21 3/11 122.1.3 破斷面觀察強度試驗后必須進行破斷面的觀察。特別是焊接半田与基板電极接合界面發現破斷的狀況, 這極可能是焊接強度不足的象徵須多加注意.。(1) QFP大型SMD部品 (QFP等) , 即使証實了有焊點剝离的狀況

23、，也必須再針對破斷面觀察。通常的破斷面正如相片4之上方照片,是延性斷裂特有的破斷面。焊點剝离面正如相片4下方照片所示，有溶融的痕跡，如果怀疑QFP部品有焊點剝离時，因可能發生接合不良，必須迅速地進行調查并進行對策 。(參照故障檢修)寫真4 QFP的接合破斷面 (lead面)圖11 QFP的焊點剝离項目 Rev. 設定日 項目內頁 全体頁2. 焊錫接合評价方法 1.0 02.11.21 4/11 13(2) 貼片部品貼片部品中，基板電极和部品電极重疊部分，焊錫難以進入、(註: 這是指手焊及補修工程)加以難傳熱，故此焊錫和基板電极的有可能產生吃錫不足的狀況。基板電极和部品電极的重疊部分，通常外觀難

24、以辨別，故此必須注意。初期即使沒有問題, 也可能經過一段時間, 發生信賴性問題 (強度低下-破斷開路)。 寫真3 貼片電阻的接合破斷面Sn-3Ag-0.5Cu手焊 Pb結晶手焊 Sn-3Ag-0.5Cureflow (印刷)(不良例：未吃錫之比例在20%以上) (許容限度) (理想狀態：全部都要上到錫)部品2012chip抵抗，右側焊盤有先上預備焊錫，故吃錫較好。2.1.4 無鉛焊錫外觀評价上的注意點無鉛焊錫中，根据原材料特有的性質，确實不适用有鉛焊錫的外觀基准。如下記所示，應考慮外觀基准的變更。a. 由于吃錫程度不佳，過孔的吃錫判斷，不适用有鉛焊錫基准。b. 錫膏印刷的狀況，在回流焊製程中,

25、 焊盤吃錫程度判斷, 露出焊盤是要容許的現象,特別是將鋼板開口變小, 焊盤之露出須視鋼板印刷之印刷面積而定.露出之焊盤應做容許.c. 插件實裝部品中的兩面過孔，吃錫完全時，如有焊點剝離之現象,若能确認信賴性，則也可容許。d. 在Sn-3Ag-0.5Cu波峰焊中發生之插件實裝部品的焊點龜裂，在确認信賴性之后，在限度中是可容許的。(容許范圍今后要檢討) (相片4)寫真4 Sn-3Ag-0.5Cu焊點的龜裂(flow：pre-flux基板)項目 Rev. 設定日 項目內頁 全体頁2. 焊錫接合評价方法 1.0 02.11.21 5/11 142.2 接合強度在表面實裝部品檢討中特別重要的是QFP，C

26、HIP部品中是以平貼式部品和貼片電阻為重.。若附著強度夠大時，可以不必作到破斷的程度, 測定用push-pull gauge也可以。2.2.1 表面實裝部的接合強度接合強度測試是加壓力到貼片部品到剝离為止、端子部品是作拉拔測試。(1) 貼片部品 把已實裝部品之基板垂直固定於治具上。 用前端為0.5R的加壓治具，加壓在實裝部品的無焊錫的側面之中心, 加壓速度510mm/分 圖12 貼片部品的接合強度測定方法 寫真5 強度試驗的狀況 (a) 基板的固定(b) 加壓治具 (c) 剝离試驗項目 Rev. 設定日 項目內頁 全体頁2. 焊錫接合評价方法 1.0 02.11.21 6/11 15(2) l

27、ead部品 (QFP，SOP等)把實裝部品之基板,以治具固定在相對于垂直之45度的角度上。用拉拔治具, 垂直方向來拉拔端子。拉提速度510mm /分圖13 QFP的接合強度測定方法 (a) 基板的固定 (b) 治具的裝著 (c) 拉拔治具的构造圖 (QFP尺寸是0.5mm pitch)注意 即使是有端子之部品，端子數較少的小型IC，和貼片部品一樣可做按壓試驗。 若不能以45度的做拉拔試驗，則以垂直拉拔也可。圖14 小型IC的按壓試驗 圖15 IC的垂直拉拔試驗項目 Rev. 設定日 項目內頁 全体頁2. 焊錫接合評价方法 1.0 02.11.21 7/11 16 2.2.2 插入實裝部品的接合

28、強度插件部品的接合強度較少問題，但由于考慮到無鉛焊錫吃錫不均勻的情況，故此要望确認強度。通常是測定部品面側端子的拉拔強度。在單面基板上可對部品面進行按壓試驗。(抵抗、電容器等)圖16 插入部品的拉提試驗 圖17 插入部品的拉拔試驗圖18 插入部品的按壓試驗(片面基板) 圖19 短lead插入部品的拉提試驗插件部品和短端子插件部品中，拉拔試驗困難，此情形如同圖13所示，用拉勾治具push-pull gauge 等進行拉提試驗即可。小型的連接器，開關等，也可与貼片部品一樣做按壓試驗。2.2.3 對附在端子上之電線的焊錫進行電線的拉拔強度試驗，對強度和破斷面進行确認。圖20 電線的拉拔強度試驗 角度任意項目 Rev. 設定日 項目內頁 全体頁2. 焊錫接合評价方法 1.0 02.11.21 8/11 17