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无铅工艺对无铅锡膏的要求
编辑:深圳市唯铭新材料有限公司   时间:2017-03-09

无铅工艺对无铅锡膏的要求

        SMT无铅技能的脚步越来越近,无铅锡膏作为无铅技能的重要一环,它的功能体现也越来越多引起我们的重视。这篇文章联系汉高乐泰公司的最新无铅锡膏商品Multicore(96SC LF320 AGS88剖析无铅锡膏怎么满意无铅技能的几个请求。

        尽人皆知铅是有毒金属,如不加以操控,将会对人体和周围环境构成无穷而深远的影响。欧洲议会2003年末已经经过立法,请求从2006年7月开端,在欧洲销售的电气和电子设备不得含有铅和其它有害物质。我国等国家的有关法令也正在酝酿之中。由此可见,SMT的无铅技能已经变成咱们必然的挑选。这篇文章以无铅锡膏的研制为根底,针对无铅技能带来的几个疑问,如合金挑选、打印性、低温回流、空泛水对等展开讨论,一起,向我们介绍了最新一代无铅锡膏商品Multicore(96SC LF320 AGS88相应特性。

        一、 无铅合金的挑选

        为了找到合适的无铅合金来代替传统的Sn-Pb合金,我们曾做过很多的尝试。这是因为无铅合金的挑选需要思考的要素很多,如熔点、机械强度、保质期、本钱等。表1列举了三种首要无铅合金的比照成果。

合金类型
 熔点(度)
 首要疑问
 
Tin Rich
 209—227
 熔点稍有添加
 
Tin Zinc (Bi)
 190
 简单氧化,保质困难
 
Tin Bi
 137
 强度很差
 

        表1 三种无铅合金的比照成果

        我们终究把方针锁定在富含Tin的合金上,在富含Tin的合金中,Sn/Ag/Cu 系列又变成挑选的方针。而Sn,Ag,Cu三种合金成份份额的断定也阅历了一段探究的进程,这首要是思考到焊点的机电功能,如抗拉强度、屈从强度、疲劳强度、塑性、导电率等等。终究两种具有一样熔点(217°C)且功能相似的合金成分:SnAg3Cu0.5(96.5%Sn,3%Ag,0.5%Cu)和SnAg3.8Cu0.7(95.5%Sn,3.8%Ag,0.7%Cu)变成无铅合金的首要挑选。其间,SnAg3Cu0.5被日本、韩国厂商广泛选用,欧美公司更多挑选 SnAg3.8Cu0.7合金。以上两种合金Multicore(均能够供给,代号分别为97SC和96SC。

        二、 打印性

        因为Sn/Ag/Cu合金的密度(7.5 g/mm3)比Sn-Pb合金的密度 (8.5g/mm3) 低,运用该种合金的无铅焊锡膏的打印性比有铅锡膏差一些,如简单粘刮刀等。尽管如此,因为确保锡膏的杰出的打印性关于进步SMT的出产效率、降低本钱十分重要,在合金成分一样的状况下,只要经过助焊剂成分的调整来进步锡膏的打印性,如填充网孔才能、湿强度、抗冷/热崩塌及潮湿环境才能等,并终究进步打印速度、改进打印作用。

        图1为Multicore(96SC LF320 AGS88的打印试验成果。由图1可知该商品的可打印速度规模为25 mm/s - 175 mm/s(图中的绿色有些表明打印作用好)。事实证明,经过调整助焊剂成分和份额,无铅锡膏能够具有与有铅锡膏一样的高速打印操作窗口。

        三、 低温回流的重要性

        因为无铅合金的熔点添加(Sn/Ag/Cu合金的熔点为217°C,Sn-Pb合金熔点为183°C),无铅技能面对的首要疑问就是回流焊时峰值温度的进步。在图2中描绘了无铅锡膏回流焊接时,在最坏状况假设下(线路板最杂乱,体系误差和测量误差为正,以及满意充沛滋润的条件),线路板上最热门温度也许到达的温度(265°C)。图中最冷点235°C是为确保充沛滋润的主张条件。

        值得注意的是:一方面,若无铅锡膏所请求的峰值温度较高,线路板最热门便简单到达265°C,而该温度已超过了现在一切元器件的耐温极限;另一方面,若体系误差和测量误差为负,一起锡膏的最低峰值温度较高,便会有冷焊疑问的发作。因而为了确保元器件的安全性、以及焊点的可靠性,无铅锡膏的最低峰值温度应尽量低,即无铅锡膏低温回流特性在无铅焊接技能中十分重要。

        值得一提的是,Multicore(的领先技能、共同配方成功地处理了这一难题,无铅锡膏96SC LF320 AGS88的最低回流温度仅为229°C,这就意味着运用该款锡膏进行焊接时,能够仅比217°C 的合金熔点高出3°C(确保一定的回流时刻)。这么不光能够极好地处理可靠性、冷焊等疑问,更能够削减出产技能方面的调整,以节约本钱。图3为该款无铅锡膏的回流操作窗口。由图3可知,96SC LF320 AGS88 具有很宽的操作窗口:从熔点以上时刻60秒/峰值温度229°C,到熔点以上时刻80秒/峰值温度245°C的规模内均能够获得极佳的焊接作用,较宽的回流窗口能够十分好地满意出产方面的不一样需要。

        四、 空泛水平

        空泛是回流焊接中常见的一种缺陷,尤其在BGA/CSP等元器件上的体现尤为突出。因为空泛的巨细、方位、所占份额以及测量方面的差异性较大,至今对空泛水平的安全性评价仍未共同起来。有经历的工程师习气将空泛份额低于15%-20%,无较大空泛,且不集中于衔接处的有铅焊点认为是可接受的。

        在无铅焊接中,空泛仍然是一个必需重视的疑问。这是因为在熔融状态下,Sn/Ag/Cu合金比Sn-Pb合金的外表张力更大。如图4所示。外表张力的添加,必然会使气体在冷却期间的外溢愈加困难,使得空泛份额添加。这一点在无铅锡膏的研制进程中得到证明,前期无铅锡膏的首要疑问之一就是空泛较多。作为新一代的无铅锡膏商品,Multicore(96SC LF320 AGS88添加了助焊剂在高温的活性,实现了技能上的长足腾跃,使得无铅焊点的空泛水平可降低到7.5%。

        五、 定论

        1)Sn/Ag/Cu 系列合金变成无铅锡膏合金的首要挑选;

        2)助焊剂介质的合理调整,可使无铅锡膏的打印性与有铅锡膏几乎一样;

        3)无铅锡膏的低温回流特性对SMT无铅技能含义严重;

        4)新一代的无铅锡膏,使得空泛疑问得到明显改进。

贴片胶与滴胶技能

        外表贴片胶(SMA, surface mount adhesives)用于波峰焊接和回流焊接,以坚持元件在打印电路板(PCB)上的方位,确保在安装线上传送进程中元件不会丢掉。

        PCB安装中运用的大多数外表贴片胶(SMA)都是环氧树脂(epoxies),虽然还有聚丙烯(acrylics)用于特殊的用处。在高速滴胶体系引入和电子工业把握怎么处理货架寿数相对较短的商品以后,环氧树脂已变成国际规模内的更干流的胶剂技能。环氧树脂通常对广泛的电路板供给杰出的附着力,并具有十分好的电气功能。

        期望的特性

        环氧树脂贴片胶的配方对运用者供给较多好处,包含:杰出的可滴胶功能、接连共同的胶点概括和巨细、高的湿强度和固化强度、迅速固化、灵活性和抗温度冲击。环氧树脂允许十分小的胶点的高速,供给极好的板上固化电气特性,在加热固化周期,不拖线、不塌落。(因为环氧树脂是热灵敏的,有必要在冷藏条件下贮存,以确保最大的货架寿数。)

        运用视觉查看或主动设备,SMA有必要和典型的绿色或棕色电路板构成比照,因为运用主动视觉操控体系来帮助查看进程,因而赤色和黄色已变成两种基本的胶的色彩。可是,抱负的色彩决定于板与胶之间的视觉比照。

        典型地,环氧树脂的加热固化是在线(in-line)发作的,红外(IR)通道炉内。开端固化的最低温度是100°C,但事实上固化温度规模在110~160°C。160°C以上的温度会加快固化进程,但简单构成胶点脆弱。

        胶接强度是胶的功能的关键,决定于很多要素,如,对元件和PCB的附着力,胶点形状和巨细,固化水平。胶接强度缺乏的三个最常见的原因是,固化缺乏、胶量不行和附着力差。

        胶点轮廓
        胶的流动特性,或流变学,影响环氧树脂胶点的形成以及它的形状和大小。SMA允许快速和受控的滴胶,以形成一个确定形状的胶点(图一)。为了保证良好和稳定的胶点轮廓,胶被巧妙地设计成摇溶性的(即,当搅拌时变稀,静止时变浓)。在这个过程中,当滴胶期间受剪切力时SMA的粘性减少,允许容易地流动。当胶打到PCB表面时,它迅速重新结构,恢复其原来的粘性。

        胶点轮廓也受摇溶性恢复率、零剪切率时的粘度和其它因素的影响。实际胶点形状可能是“尖状”/圆锥形或半球形。可是,胶点轮廓是通过非粘性的参数如胶点体积、滴胶针直径和离板高度来定义的。即,对一个给定的胶的等级,通过调节它们的参数,可能产生或者很高的狭小的胶点或者低的宽大的胶点。

        在贴片之后,滴出的胶点有两个要求:它们必须直径小于焊盘之间的空隔,有足够的高度来连接PCB表面与元件身体之间的空隙,而不干涉到贴片头。胶的间隙由焊盘高出PCB阻焊层的高度和端头金属与元件身体厚度差别来决定的。这个间隙可能是不同的,小的可能小于扁平片状元件的0.05mm,大的可能大于小引出线包装(SOP, small-outline package)和QFP的0.3mm。

        滴高的胶点保证良好的胶在离地高度大的元件上的覆盖面积。高的胶点也允许在低的离地高度元件之间胶被挤出,而不担心污染焊盘。通常,对同一个级别的胶,有两套滴胶参数一起使用:一个为离地高的元件产生高的、大胶量的胶点;另一个为扁平片状元件和金属电极界面(MELF, metal electrode face)元件提供中等高度和胶量的胶点。

        胶点大小也受所选择的针嘴的内径与离地高度的比率控制。通常,胶点宽对高的比率范围是1.5:1 ~ 5:1(h/w=0.2 ~ 0.6),取决于滴胶系统的参数和胶的级别。这些比率可通过调节机器设定来对任何元件优化。

        避免空洞

        胶点中的潮气可能在固化期间沸腾,引起空洞,削弱胶接点,并为焊锡打开通路以渗入元件下面,可能由于锡桥造成电路短路。在注射器中,胶的湿气很少,可是留在非固化状态和暴露在室内条件下,特别是潮湿的环境中,胶可能吸取潮气。例如,使用针头转移法滴胶,潮气是个问题,因为胶是开放的,暴露面积较大。这个问题也可能发生在用注射器滴胶时,如果滴胶与固化停留时间较长,或室内条件很潮湿。针对这些,大多数表面贴片胶使用具有低吸湿性的原材料来配制,使其影响最小。

        使用低温慢固化,加热时间较长,可帮助潮气在固化前跑出,可解决空洞形成的问题。类似的,通过在低温干燥的地方储存元件或在适当温度的干燥炉内对材料进行使用前处理,可以消除潮气。避免胶固化前的过程停顿和使用一种低吸潮的特别胶剂可帮助减少空洞问题。

        滴胶方法

        SMA可使用注射器滴胶法、针头转移法或模板印刷法来施于PCB。针头转移法的使用不到全部应用的10%,它是使用针头排列阵浸在胶的托盘里。然后悬挂的胶滴作为一个整体转移到板上。这些系统要求一种较低粘性的胶,而且对吸潮有良好的抵抗力,因为它暴露在室内环境里。控制针头转移滴胶的关键因素包括针头直径和样式、胶的温度、针头浸入的深度和滴胶的周期长度(包括针头接触PCB之前和期间的延时时间)。池槽温度应该在25~30°C之间,它控制胶的粘性和胶点的数量与形式。

        模板印刷被广泛用于锡膏,也可用与分配胶剂。虽然目前少于2%的SMA是用模板印刷,但对这个方法的兴趣已增加,新的设备正克服较早前的一些局限。正确的模板参数是达到好效果的关键。例如,接触式印刷(零离板高度)可能要求一个延时周期,允许良好的胶点形成。另外,对聚合物模板的非接触式印刷(大约1mm间隙)要求最佳的刮板速度和压力。金属模板的厚度一般为0.15~2.00mm,应该稍大于(+0.05mm)元件与PCB之间的间隙。

        超过90%的SMT胶目前是通过注射器滴胶(图二),它还可以进一步分为两类:压力时间系统和容积控制系统。压力时间注射器滴胶是最普遍的方法,本节的剩下部分将讲述这一技术。注射器可达到每小时50,000点的滴胶速度,并且可调节以满足变化的生产要求。

        滴胶缺陷的故障分析  有几个没有解决的滴胶问题可能导致最后的工艺缺陷。这些包括拉线、胶点大小的不连续、无胶点和卫星胶点。胶的拉线可造成焊盘污染和焊接点不良。当滴胶嘴回缩时胶必须分断快和清楚(图三)。甚至那些特别为高速滴胶配制的胶都可能出现拉线,如果参数不正确。例如,当胶量相当于滴胶嘴的直径和所要求的离地高度太小时,拉线的危险性极高,结果是一种非常高而瘦的胶点。虽然较小的针嘴直径和离地高度结合可解决这个问题,但拉线仍可能由其它与胶本身无关的参数引起,如对板的静电放电、不正确的Z冲程调节高度和板的柔曲或板的支撑不够。

        对无胶点的情况,元件将不能正确贴装。如果生产线的气压不够用于滴胶(即,注射器的压力不够而造成滴胶不连续),则可能发生不出胶点。类型地,不连续的胶点大小影响板与元件之间的整个绑接强度。以下是发生这个现象的几个原因:

        针嘴的离地支柱落在焊盘上。换一种不同离地支撑位置的针嘴可解决这个问题。

        分配给胶水恢复的时间不够。增加延时可解决恢复问题。

        如果压力时间不足以完成滴胶周期(或随着胶面水平线下降),增加压力与周期时间的比,通常以最大值的百分数表达,将纠正胶点大小不连续的问题。

        由于卫星点是不规则地出现,它们可能造成焊盘污染或绑接强度不够。当针嘴离地太高,减少高度可消除卫星点。如果胶量相当针嘴太大,减少压力或使用较大内径(ID, inner diameter)的针嘴将解决问题。

        影响可滴胶性的因素

        良好的滴胶不只单单依靠胶的品质。对于压力时间注射器滴胶方法,许多与机器有关的因素影响可滴胶性和胶点的形成。针嘴的内径对胶点的形成是关键的,必须比板上的胶点直径小很多。作为一个原则,该比率应该为2:1。0.7~0.9mm的胶点要求0.4mm的ID;0.5~0.6mm的胶点要求0.3mm的ID。设备制造商通常提供技术规格和操作指引,以产生所希望的胶点大小和形状。

        PCB对针嘴的间距,或停止器(stopper)的高度,控制胶点的高度(图四)。它必须适合于滴胶量和针嘴ID。对给定的胶量,胶点高度对宽度的比率将随着停止器的高度而增加。通常,最大的停止器高度是针嘴ID的一半;超过这个点,将发生不连续滴胶和拉线。

        现在的高速设备使用压力可以在针嘴到位之前定时开始的滴胶周期。针嘴回撤速度、回撤高度和滴胶与针嘴回撤之间的延时都影响胶点形状和拉线。

        最后,温度将影响黏度和胶点形状。大多数现代滴胶机依靠针嘴上的或容室的温度控制装置来保持胶的温度高于室温。可是,胶点轮廓可能受损,如果PCB温度从前面的过程得到提高的话

        维护

        滴胶针嘴和停止器的弯曲或磨损可能对滴胶有至关重要的影响。针嘴外围过多的胶可能影响光滑和连续的胶点形成。在极端的情况下,胶可能桥接在停止器销上,中断滴胶。万能的解决办法是尽可能保持针嘴外围干净。

        针嘴内表面的清洁度是滴胶问题的另一个普遍根源。胶的积聚可能发生在ID上,限制流动。胶也可能在针嘴内部分固化,如果留在较暖的环境内或不相容的溶剂内长时间。变换胶的等级可能引起横向污染和针嘴堵塞。(由固化或半固化的胶引起的堵塞应该在使用溶剂清洗之前用钻针清除。)滴胶针嘴应该定期检查,但只是在滴胶问题变得明显时才清理。清洁会增加遇到的问题,当把空的地胶嘴安装于注射器的时候。

        把藏的针嘴浸泡在溶剂中是常见的,但效率不高的清洁方法。当浸泡针嘴时,使用相容的溶剂,但不要只依靠浸泡来清除所有未固化的材料。一种相容溶剂的高压喷雾可把胶吹出针嘴内孔。然后用干燥的压缩空气吹过内孔,让针嘴干燥。

        一个可替代的清洁方法涉及超声波或静态浸泡。未固化的胶应该使用钝化工具和钻针或与针嘴内孔适当直径的钢琴线来机械地清除。将要清洗的零件浸泡在清洁的溶剂中。对超声波浸泡,设定&40deg;C以最大功率开三分钟。对静态的浸泡,搅拌浸泡中的零件直到溶剂被胶剂污染。在清洁溶剂中冲刷零件,保证清洁度。用高压喷雾来对付非常小的内孔的针嘴,用干燥的压缩空气吹过内孔来干燥零件。

 

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