无铅装配对 PCB表面处理工艺、使用材料的影响

杨晓新2006-02-25

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目录 无铅装配的背景 无铅装配与含铅装配的差异 PCB 的无铅控制 无铅装配对 PCB 表面处理工艺的挑战和影响 无铅装配对 PCB 使用材料的挑战和影响 无铅装配 PCB 产品的加工意见

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无铅装配的背景－铅的危害 铅会损害生物体的血液、神经系统和生殖系统 铅在生物体内具有缓慢代谢特征 铅对儿童的危害更大 铅废弃物将污染周围水源，很难消除※ 铅是生物有毒物质，必须限制使用！

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无铅装配的背景－铅的管制 1883 年英国制定铅中毒的预防法规 1960 年代饮用水管道的焊接中禁止使用含铅焊料 1970 年代颜料、涂料中禁止使用含铅物质 1980 年代全球推广使用无铅汽油 2003 年欧盟发布 RoHS/WEEE 指令 2003 年中国拟定《电子信息产品生产污染防治管理办法》 。。。。。。※ 全球范围内的禁铅法令逐渐形成！

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无铅装配的背景－铅的替代产品 焊料：多种无铅焊料已经开发 (Sn,Ag,Cu,In,Bi,Zn..) 镀层：多种无铅镀层已经开发 (Sn,Ag,Ni,Au,Pd,OSP..) 元件：多种无铅元件已经开发 (DIP,PLCC,QFP,BGA,CSP..) 工艺：多种应用工艺已经试验 (Reflow,Wave,Iron Soldering..) 可靠性：无铅产品可靠性已经初步验证 (strength,fatigue,tin

whisker..) 成本：无铅产品成本增加已经被认可接受 (total<10%)

※ 电子工业界无铅化的条件已经具备一定的应用基础，可以在一定的前提下逐步实行！

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无铅装配的背景－ RoHS的要求 Pb<1000ppm Cd<100ppm Hg<100ppm Cr6 ＋ <100ppm PBB<100ppm PBDE<100ppm

※ RoHS 限制使用以上 6 种物质；实际上，各国限制使用的物质多达 20 种以上，但对电子制造业界影响最大的是铅的使用。

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无铅装配与含铅装配的差异－铅的作用

降低焊料熔点，价格便宜，便于工业应用 降低表面张力，增强润湿能力 提高流动性，形成良好焊点外观 提高焊料电位，增强抗氧化能力

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无铅装配与含铅装配的差异－装配曲线

无铅焊接 PCB回流焊接参考温度时间曲线

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无铅装配与含铅装配的差异－装配参数

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无铅装配与含铅装配的差异－装配参数

无铅焊料的熔点与焊温平均比 Sn/Pb 上升 30℃ 以上，预热的时间与焊接的时间也相应延长

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无铅装配与含铅装配的差异

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无铅装配与含铅装配的差异—质量隐患 无铅装配对比含铅装配，肯定的是带来相应的成本增加，至少 5-

15% 。减少 PCB 的利润空间。 对比含铅装配，无铅装配其量产稳定性、装配产品品质、以及长时间使用老化后品质可靠性等尚有待时间考验，目前还是未知数。 而在短短几年，无铅装配就已经发现有焊点孔洞、焊盘起翘浮离、锡须等品质缺陷。

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无铅装配与含铅装配的差异—质量隐患 所有这些品质缺陷都与无铅装配所使用的焊料、高温、装配形成的

IMC 层有关，都是无铅装配惹的祸。 要命的是这些缺陷都是无法在短时间或者用一些比较好的方法进行检查。尤其是锡须和焊点空洞，锡须的增长危害电子元器件的最小电气间距，严重的引起短路，影响设备的可靠性增加表面积，容易吸附潮气、灰尘等污染物，加快焊点的腐蚀，影响焊点的长期可靠性。而对 BGA ，本来就比较容易出现焊接强度不足，采用无铅后，容易出现焊点空洞和可焊性不良，究竟是 PCB 还是 PCBA不良，很容易责任纠缠不清。 一旦出现品质问题，由于 PCB厂家处于供应链中间的劣势地位，吃亏的大部分是 PCB厂家。

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无铅装配与含铅装配的差异—关于无铅豁免 有鉴于此，为避免对重要领域使用产品的可靠性影响，部分产品都进行申请无铅豁免。目前军工、航天、汽车以及重要的大型机组经过审核确认后可以获得无铅豁免。

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无铅装配与含铅装配的差异—关于无铅豁免

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无铅装配与含铅装配的差异—意见和结论

无铅，不仅仅是一个概念，对 PCB厂家来讲，从产品的材料选用，物性的满足，后续焊接的焊点质量保证等，需用满足整体产品质量的系统的观点来考虑，从而尽量保证无铅化产品的整机质量 。

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PCB的无铅控制 -无铅产品的主要要求PCB板主要检测项目：1. PCB 基材2. 阻焊涂料3. 字符涂料4. 铜箔5. 外层金属镀层6. 表面处理工艺等

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PCB的无铅控制 -无铅产品的主要要求PCB板主要检测项目：1. PCB 基材：主要是环氧树脂板料，不存在铅影响。2. 阻焊涂料 /字符涂料：主要是环氧树脂体系，不存在铅影响。3. 铜箔 /金属镀层：主要采用电镀加工工艺，不存在铅影响。但图形电镀过程中部分产品使用镀 Pb/Sn进行抗蚀，虽然其不残留在最终产品上，严格来说，不符合无铅产品的要求。4. 表面处理工艺等：除了传统 HASL 外， OSP 、无铅喷锡、全板镀金、 ISn 、 IAg 、 ENIG 等工艺都基本能够满足该要求。目前 ENIG 的稳定剂中含有 Pb ，严格来说，是不符合无铅产品的要求，但由于药水控制需要，目前暂时没有禁止。

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无铅装配对 PCB加工的挑战和影响 下面将参考无铅装配的特点，结合 PCB 实际加工流程，对 PCB 产品在表面处理工艺和材料上可能存在的挑战和影响，以及需要相应进行调整的地方，根据行业有关资料、实际生产情况、有关试验、客户信息等进行整理归纳，提供给有关部门参考。

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无铅装配对 PCB表面处理工艺的挑战和影响——传统含铅喷锡

焊料配比为 Sn/Pb 为 63 ： 37 ，含有比较高的 Pb ，不能满足无铅的要求。

表面处理成本比较低，约为 20 元 / 平方米。操作温度为 235-245 ℃蚀铜量比较低，一般为 1-2um 。

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无铅装配对 PCB表面处理工艺的挑战和影响——无铅喷锡项目 Sn-Cu Sn-Cu-Ni Sn-Ag-Cu

操作温度℃

270 265-270 255-260

蚀铜量 um Sn0.7Cu在温度超过275℃ 蚀铜量从 3um的蚀铜量上升到了 8um以上

Sn0.7Cu+Ni在温度从 270℃ 上升到 280℃ 时，蚀铜量则变化不大，基本上其蚀铜量保持在5um左右

Sn+3.0Ag+0.5Cu无铅喷锡蚀铜量对温度具有较强的敏感性，当锡炉温度≥ 265℃时，蚀铜量快速增加到 8um，

成品率 比正常喷锡板件约低2% 。 比正常喷锡板件约低 2% 。 比正常喷锡板件约低 2% 。

成本（元 /m2） 60 90 140（估价）焊料价格 Sn0.7Cu 为 115/KG，

纯 Sn 为 100/KGSn-Cu-Ni 和 SnNi 为 154/KG Sn-Cu-Ag 为 178/KG ， Sn3.0Ag报价：

181/Kg

说明 在给客户报价时，请不要简单的将无铅喷锡成本中的焊料 SnCu 、 Sn-Ag-Cu 、 Sn-Cu-Ni的焊料价格进行替换。因为不同工艺的蚀铜量差别很大，尤其 Sn-Ag-Cu、客户要求铜含量变化范围又很小，锡银铜无铅喷锡铜含量不足 0.5的变化范围，估计没有 SnCu做板多，而且做板时，孔壁铜厚加厚量要比 SnCu 、 Sn-Cu-Ni无铅喷锡板件的大，这两项将会导致锡银铜无铅喷锡成本明显高于SnCu 、 Sn-Cu-Ni无铅喷锡板件。所有的无铅喷锡板件一般都不允许返工，成品率比较低

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无铅装配对 PCB表面处理工艺的挑战和影响—— Pattern Gold Plating全板镀金

全板镀金体系药水不同焊接方式的比较表项目 无铅焊接 有铅焊接Au厚度（ uinch） 控制值≥ 1.0

(控制范围 0.8-1.2) 控制值抗蚀，≥ 0.4

(控制范围 0.3-0.8)Nie厚度（ uinch） 控制值 120

(控制范围 100-180)控制值 100(控制范围 100-150)

成本（元 /m2） 220-300 180-260

成品率（%） 比常规全板镀金板低 0.5-1% 比喷锡板低 3-7%对于全板镀金工艺，由于不是主流工艺，应用厂家不多，是否能够满足无铅焊接的要求，目前业界包括药水厂家仍然缺少充足研究和有关数据。目前我们是从Adtran 、 LCD 、 Schneider等厂家的装配实践进行分析判断，全板镀金如果采用镀厚金（ Au 厚≥ 1.0uinch），是完全可以满足大部分无铅焊接（ 2次回流焊 +1次波峰焊）的装配的需要，但对于同时存在多次回流焊和波峰焊的装配方式，就可能会出现孔内上锡性能下降的风险。而对于常规抗蚀厚度要求的全板镀金板件，由于 Au太薄，在没有充足氮气保护下，容易在高温下，导致镍层氧化，无法满足无铅焊接的要求。

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无铅装配对 PCB表面处理工艺的挑战和影响—— OSP

OSP F2体系药水不同焊接方式的比较表项目 无铅焊接 有铅焊接厚度（ um） 控制值 0.22

(控制范围 0.2-0.3)控制值 0.18(控制范围 0.15-0.25)

成本（元 /m2） 60 50

成品率（%） 比常规 OSP 低 0.5-0.8%（由于厚度的增加，容易出现结晶和外观不良，增加返工和成品率稍微下降）

比常规喷锡接近并略高0.2-0.5%

无铅装配，对于 OSP，需要采用活性更强的助焊剂，以减少焊点空洞缺陷。。

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无铅装配对 PCB表面处理工艺的挑战和影响—— ENIG

ENIG ATO CNN体系药水不同焊接方式的比较表项目 无铅焊接 有铅焊接Au厚度（ uinch） 控制值 2.8

(控制范围 2.2-4.0)控制值 2.4(控制范围 2.0-4.0)

Nie厚度（ uinch） 控制值 140(控制范围 100-180)

控制值 120(控制范围 100-180)

成本（元 /m2） 170-180 160

成品率（%） 比常规 ENIG 低 0.25-0.4% 比常规喷锡低 2-4%

对于 ENIG是否能够满足无铅焊接的要求，目前业界仍然存在一定争论，但从大部分 EMS厂家的装配实践来看， ENIG完全可以满足大部分无铅焊接（ 2次回流焊 +1次波峰焊）的装配的需要，但对于同时存在多次回流焊和波峰焊的装配方式，就可能会出现孔内上锡性能下降的风险。对于 ENIG，为满足无铅焊接的要求，只要稍微提高 Nie 层厚度，并同时确保 Au不要太下限，基本上还是可以的。

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无铅装配对 PCB表面处理工艺的挑战和影响—— ISn

ATO ISn体系药水不同焊接方式的比较表项目 无铅焊接 有铅焊接厚度（ um） 控制值≥ 0.8

(控制范围 0.8-1.0)控制值≥ 0.6(控制范围 0.6-0.8)

成本（元 /m2） 80 60

成品率（%） 比常规 ISn 低 0.3-0.5%（由于厚度的增加，容易出现绿油剥离不良，增加返工和成品率稍微下降）比常规喷锡低 1-2%

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无铅装配对 PCB表面处理工艺的挑战和影响—— ISn

根据资料，只要完成 ISn后到装配之间的存放在半年内， 0.8um的锡厚足够满足无铅装配的需要，存放时间越短，厚度可以控制越薄，只要≥ 0.6um 就可以。

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无铅装配对 PCB表面处理工艺的挑战和影响——总结

从前面的分析来看，除了 HASL 外，对于其他所有的PCB 表面处理工艺，为了满足无铅焊接的要求，不一而足的都是提高表面处理工艺表面涂层的厚度。

对于 PCB 表面处理工艺，提高表面处理工艺表面涂层的厚度，目的都是提高其耐热性，减少长时间高温对可焊层的氧化，保证其可焊性，来满足无铅焊接的需要。 这些改变，都会对成品率有一定的影响，厚度的增加又无疑都带来了成本的增加，而更高温的无铅装配更容易诱发品质缺陷，这也是无铅焊接需要付出的代价和成本。

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无铅装配对 PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响—问题点 无铅焊接工艺温度高， CCL 产品应有更小的热膨胀系数（ CTE）：无铅制程中，板材受热温度升高和受热时间延长，为保证孔连接的安全性，此类产品必须降低 Z-axis CTE 常见封装耐热能力为 240℃, FR4级别的 PCB玻璃化温度约 140℃ 。易发生 Blistering 和 Popocorning 。

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无铅装配对 PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响—CCL板料的改变

对于 CCL 材料，改善 CTE 和耐热性的主要措施：1 、改变主体树脂，提高耐热性：将环氧固化物中影响热性能的苯环或其他杂环结构进行增加和改变。例如高 Tg 材料。2 、改变固化剂体系：目前多用胺类和酚类固化剂，据行业经验，目前重点主要在

Dicy（双氰胺）和 phenol novolac （苯酚）之间进行选择。因 dicy极性强，为脂肪链状结构，耐热性相对要差； PN极性小，为芳香族苯环结构，耐热性极好，对改善耐 CAF作用大，因此目前大部分是采用非 DICY 体系。3 、增加填料：增加或者改变填料的颗粒大小，因为 CCL 中填料增韧机理，可降低

Z-CTE ，这也是为什么脱卤材料大部分能够比普通的材料更耐无铅，就是因为其在填料方面做了大量的改变。而 S1000 、 S1440 就因为里面通过增加和改变填料的颗粒大小，来获得较低的 Z-CTE 。 来自 CCL 行业的资料表明：在无铅装配的过程中，高温熔焊时间延长，板材受热冲击时间延长，为保证孔连接的安全性，要求覆铜板产品应有更小的热膨胀系数（ CTE），而基板 Tg 和基材耐热性无直接关系，关键在于提高耐热性， Tg不是主要因素。

后附部分材料的性能一览表供对比参考

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无铅装配对 PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响 --采用材料的性能一览表材料特点 材料型号（例子） 材料性能

Tg （℃） CTE （≤Tg ， um/m℃）

CTE （≥Tg ， um/m℃）

Td （ 5 ％ wtLoss ，℃） T260（生产资料 n） T288（生产资料 n）

普通 Tg S1141 140 58 285 310℃ 15 2

S1141KF/GW4011 140 56 256 350℃ 60 15

S1440 140 49 260 315℃ 15 2

高 Tg S1170 170 55 280 335℃ 60 10

S1000 IT158 GW1500

≥150 35-45 200-220 335℃ 60 10

GW1700 170 50-60 260-280 335℃ 60 10

脱卤素 S1165 、 S1155、 165 40 200 360-370℃ 60 10

GW1501 GW1701、 170 30-50 180-250 350-360℃ 60 10

特殊材料 S1600 （ High CTI） ≥125 55 308 310℃ 20 2

GW1404 （ High CTI） ≥135 60 300 310℃ 20 2

S2131 （ CEM-3） ≥130 46 334 300℃ / /

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无铅装配对 PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响—争议和讨论 从目前的使用情况来看，对于无铅焊的工艺，根据客户使用信息的反馈以及有关研究资料（ Dr.Martin 等 ) 表明：对于无铅焊接，虽然要求覆铜箔基板耐热性要满足新的要求，但值得庆幸的是，除了 CEM-

3 料外，普通 FR-4板材基本可以满足常规无铅喷锡、波峰焊及回流焊的耐热性要求。 为了减少目前这种迷惑状态，目前在制订 IPC4101 中专门针对这个问题进行探讨。从其制定的标准来看，其论点与上述的观点有点冲突。标准认为满足无铅焊接基材的关键是： Z-CTE 、 Td（热裂解温度，失重 5%）、 T260 （ 260℃ 热分层时间）、 T288 （ 288℃ 热分层时间），其中 Td 、 T260 、 T288属于新增加的指标。 如果 IPC4101标准一旦开始实施，普通的 FR-4 材料无法满足新增加的指标要求。而 PCB 用户不清楚的话，要求 PCB 生产厂家严格按照

IPC4101选择板材的话，那么势必将增加至少 15-20% 的板料成本

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无铅装配对 PCB使用材料的挑战和影响的挑战和影响1. 对于无铅装配，需要结合产品的应用范围、可靠性要求、产品使用寿命、图形设计、层数、 AR值、无铅装配次数、焊接温度曲线等因素来选择合适的基材和 PCB 加工工艺，没有一种是十全十美的。2. 对常规的无铅焊接要求，那么除了 CEM-3 料外，对于≤ 14 层，厚

度≤ 4.0mm 可以采用普通 FR-4板材。对于 >14 层，厚度 >4.0mm可以采用特殊 FR-4板材，不一定采用 Tg≥170℃ ，可以采用Dicy-free 的板材就可以了。例如 S1141KF 、 S1440 、 S1000等等。

3. 对于有特别要求的无铅装配，如 BOSCH 、 SONY 等，可以根据其要求量体裁衣选择合适的板材，如 S1000 、 S1165 、 R1566W等4. 建议对于客户宣传有关知识，避免其被引导入 IPC4101 的材料使用误区，增加产品的成本。

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无铅装配 PCB产品的接单意见1. 接单： MKT向客户了解该产品是否应用在无铅装配，以及装配要求， PCB 加工后到装配的储存时间。同时对于无铅装配可能存在的品质风险心理应该有所准备，对于焊接质量投诉会可能有所增加。2. 客户资料处理： MKT根据客户信息、板件结构以及前面所提及的表面处理工艺、材料使用等资料，与技术部门确定 PCB 加工技术要求，同时注意进行相应的加工成本评估。3. 生产资料制作：对于客户的要求，参考内部有关无铅装配产品技术资料等信息，将有关要求和信息在生产资料有关流程上进行传递。4. 产品加工：根据生产资料信息以及工作指示有关加工要求进行加工。5. 产品质量控制：生产资料审核时确保客户要求有关信息的完整有效的传递，过程控制中按照客户要求进行控制以及物理性能检测，确保产品质量，满足客户要求。6. 客户服务：经常拜访并及时与客户沟通，了解无铅装配中存在的缺陷并应对，及时处理，并作好准备，避免状态扩大。