軍用PCB板有鉛與無鉛混裝工藝的質量控制

王哲華（同方電子科技有限公司，江西 九江 332005）

軍用PCB板有鉛與無鉛混裝工藝的質量控制

王哲華
（同方電子科技有限公司，江西 九江 332005）

目前我國軍工電子產品普遍存在有鉛和無鉛元器件混裝焊接的現象，有鉛和無鉛混用時，可能會發生材料、工藝、設計之間不相容等問題，影響電子產品的可靠性。軍工產品可靠性是第一位的，既要保證焊點質量，又要保證不損壞元器件和印制板。本研究通過對有鉛與無鉛混裝焊接可能發生的不相容問題分析，對高可靠產品有鉛與無鉛混裝工藝的質量控制方案提出一些建議。

有鉛；無鉛；混裝工藝；質量控制

電子產品無鉛工藝在國內已應用了十多年，但無鉛產品的長期可靠性在業內還存在較大爭議，所以這也是國際上對軍事、航空、醫療等高可靠要求領域的電子產品，沒有強制提出無鉛化要求的重要原因。目前，隨著無鉛元器件的普及，有鉛元器件已經逐漸退出市場，一塊元件板中無鉛器件的比例占整板的90％以上，因此，我國軍工產品普遍存在有鉛與無鉛元器件混裝焊接的情況。

1　有鉛和無鉛混裝焊接可能發生不相容問題

軍工產品可靠性是第一位的，因此既要保證焊點質量，又要保證不損壞元器件和印制板。采用有鉛焊料焊接有鉛和無鉛元器件。有鉛和無鉛混裝焊接時有90％以上是無鉛元件，無鉛元件的焊端鍍層大多是鍍純Sn的，容易形成Sn須。采用有鉛焊料焊接有鉛和無鉛元器件時，有鉛焊料焊接有鉛元器件時材料和熔點溫度都是相容的。有鉛焊料焊接無鉛元器件時，Sn-Pb焊料的熔點183℃，無鉛元件焊端鍍層Sn熔點為232℃，無鉛BGA焊球Sn-Ag-Cu熔點217℃。由于無鉛元件焊端鍍層和焊球的熔點高于Sn-Pb焊料的熔點，因此，焊接時需要提高焊接溫度，高溫可能損壞有鉛元器件和PCB基板，特別是對潮濕敏感元器件的影響不可忽視。另外，PCB和工藝設計時，基板材料、PCB焊盤涂鍍層材料選擇不當也會發生材料不相容等問題。

如果設計、工藝、采購、管理不當就有可能會發生材料、工藝、設計之間不相容問題，影響電子產品的長期可靠性。

2　高可靠產品有鉛和無鉛混裝工藝質量控制方案的建議

根據以上分析，可知采用有鉛焊料焊接有鉛和無鉛元器件工藝，如果設計、工藝、采購、管理不當就有可能會發生材料、工藝、設計之間不相容的問題，影響高可靠電子產品的長期可靠性。主要表現如下：第一，無鉛元件焊端和引腳表面通常采用鍍純Sn工藝比較多，鍍Sn時在Cu表面會生成金屬間化合物Cu6Sn5，Cu6Sn5的膨脹系數比較大，溫度變化時Cu6Sn5對Sn鍍層產生壓力，在不均勻處會把Sn推出來，形成Sn須，過長的錫晶須可能導致短路。第二，Sn-Pb焊料與無鉛元器件材料不相容。無鉛元器件焊端表面鍍層除了鍍純Sn以外，還有鍍Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Bi等合金層。回流時不同鍍層的器件會生成不同的金屬間化合物，一塊組裝板上，如果有一個元件焊點不相容，都可能造成整個電路的故障。第三，高溫損壞元器件封裝體及內部連接、損壞PCB基板，Sn-Pb焊料焊接有鉛元器件時，其焊接溫度一般不超過240℃，一般不會造成器件、基板的損壞，但焊接無鉛器件為保證焊接可靠，須提高焊接溫度可能會損壞器件及基板。第四，高溫容易對濕度敏感器件（MSD）造成不利影響，吸潮的濕度敏感器件在回流焊過程中受到高溫的影響，器件內的水氣急速膨脹可引發器件的分層與開裂，從而導致器件的失效。第五，PCB焊盤涂鍍層EN IG（N i/Au）的金脆和黑盤問題，可影響焊點的可靠性。第六，有鉛焊料與無鉛PBGA、CSP混用必須提高焊接溫度，否則容易造成PBGA、CSP一側焊點失效。第七，電氣可靠性問題。一塊PCB完成一個生產流程后，元件板上可能存在不同的殘留物，在潮濕環境和一定電壓下，可能會與導電體之間發生電化學反應，引起表面絕緣電阻降低及漏電的風險。

從以上的不可靠因素可以看出，錫晶須、器件和PCB基材的內部損傷、金脆和黑焊盤等缺陷是很難在日常檢測中被及時發現的，它會在用戶的使用過程中受環境溫度、工作時間、機械震動等因素的影響而逐漸暴露。這些不可靠因素成為軍用電子產品長期可靠運行的最直接的不確定因素，所以，必須從產品設計開始就考慮到設計、工藝、材料之間的相容性。應根據產品的特性選擇合適的PCB板材，優化元件板上的焊盤、過孔、盲孔等排布及處理方式。工藝上要認真細致地進行工藝優化，并在整個生產環節中認真貫徹各項工藝過程控制措施。此外物流管理部門也應嚴格按要求進行物料的管理與發放。

3　結語

有鉛和無鉛混用時，可能會發生材料、工藝、設計之間不相容等問題，因此，要求高可靠產品從產品設計開始就要考慮到混裝的可靠性。選擇最優秀的組裝方式及工藝流程；選擇合格的元器件、PCB基板材料、焊盤鍍層、焊接材料、助焊劑；嚴格管理，特別是物料管理及工藝管理；從鋼網印刷、全自動貼裝、回流、補焊、檢測等生產全過程進行有效的工藝控制，方可處理好有鉛、無鉛器件的混用問題。

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［3］ 付鑫，章能華，宋嘉寧.有鉛和無鉛混裝工藝的探討［J］.電子工藝技術，2013，31（2）：34.

The Quality Control of M ilitary PCB Board W ith Lead and Lead Free M ixing Process

WANG Zhe-hua
（Tong fang Electronic Technology Co.，Ltd.，Jiu jiang 332005，China）

At present，China military electronic products widespread mixed lead and lead-free components welding phenomenon，lead and lead-free mix may occur incompatibility between materials，technology，design and other issues that affect the electronic product reliability. Military product reliability is the first，both to ensure the quality of solder joints，but also to ensure that no damage to components and printed boards.Through the study of lead and lead-free mixed welding possible incompatible problem analysis，of high re liability products have lead and lead-free mixed process quality control schemes and puts forward some suggestions.

Lead；Lead free；Mixing process；Quality control

U 671.83

A

1674-8646（2015）08-0005-01

2015-07-10