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無鉛工藝對無鉛錫膏的要求
編輯:978彩票   時間:2017-03-09

無鉛工藝對無鉛錫膏的要求

        SMT無鉛技能的腳步越來越近,無鉛錫膏作為無鉛技能的重要一環,它的功能體現也越來越多引起我們的重視。這篇文章聯系漢高樂泰公司的最新無鉛錫膏商品Multicore(96SC LF320 AGS88剖析無鉛錫膏怎麼滿意無鉛技能的幾個請求。

        盡人皆知鉛是有毒金屬,如不加以操控,将會對人體和周圍環境構成無窮而深遠的影響。歐洲議會2003年末已經經過立法,請求從2006年7月開端,在歐洲銷售的電氣和電子設備不得含有鉛和其它有害物質。我國等國家的有關法令也正在醞釀之中。由此可見,SMT的無鉛技能已經變成咱們必然的挑選。這篇文章以無鉛錫膏的研制為根底,針對無鉛技能帶來的幾個疑問,如合金挑選、打印性、低溫回流、空泛水對等展開讨論,一起,向我們介紹了最新一代無鉛錫膏商品Multicore(96SC LF320 AGS88相應特性。

        一、 無鉛合金的挑選

        為了找到合适的無鉛合金來代替傳統的Sn-Pb合金,我們曾做過很多的嘗試。這是因為無鉛合金的挑選需要思考的要素很多,如熔點、機械強度、保質期、本錢等。表1列舉了三種首要無鉛合金的比照成果。

合金類型
 熔點(度)
 首要疑問
 
Tin Rich
 209—227
 熔點稍有添加
 
Tin Zinc (Bi)
 190
 簡單氧化,保質困難
 
Tin Bi
 137
 強度很差
 

        表1 三種無鉛合金的比照成果

        我們終究把方針鎖定在富含Tin的合金上,在富含Tin的合金中,Sn/Ag/Cu 系列又變成挑選的方針。而Sn,Ag,Cu三種合金成份份額的斷定也閱曆了一段探究的進程,這首要是思考到焊點的機電功能,如抗拉強度、屈從強度、疲勞強度、塑性、導電率等等。終究兩種具有一樣熔點(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)變成無鉛合金的首要挑選。其間,SnAg3Cu0.5被日本、韓國廠商廣泛選用,歐美公司更多挑選 SnAg3.8Cu0.7合金。以上兩種合金Multicore(均能夠供給,代号分别為97SC和96SC。

        二、 打印性

        因為Sn/Ag/Cu合金的密度(7.5 g/mm3)比Sn-Pb合金的密度 (8.5g/mm3) 低,運用該種合金的無鉛焊錫膏的打印性比有鉛錫膏差一些,如簡單粘刮刀等。盡管如此,因為确保錫膏的傑出的打印性關于進步SMT的出産效率、降低本錢十分重要,在合金成分一樣的狀況下,隻要經過助焊劑成分的調整來進步錫膏的打印性,如填充網孔才能、濕強度、抗冷/熱崩塌及潮濕環境才能等,并終究進步打印速度、改進打印作用。

        圖1為Multicore(96SC LF320 AGS88的打印試驗成果。由圖1可知該商品的可打印速度規模為25 mm/s - 175 mm/s(圖中的綠色有些表明打印作用好)。事實證明,經過調整助焊劑成分和份額,無鉛錫膏能夠具有與有鉛錫膏一樣的高速打印操作窗口。

        三、 低溫回流的重要性

        因為無鉛合金的熔點添加(Sn/Ag/Cu合金的熔點為217°C,Sn-Pb合金熔點為183°C),無鉛技能面對的首要疑問就是回流焊時峰值溫度的進步。在圖2中描繪了無鉛錫膏回流焊接時,在最壞狀況假設下(線路闆最雜亂,體系誤差和測量誤差為正,以及滿意充沛滋潤的條件),線路闆上最熱門溫度也許到達的溫度(265°C)。圖中最冷點235°C是為确保充沛滋潤的主張條件。

        值得注意的是:一方面,若無鉛錫膏所請求的峰值溫度較高,線路闆最熱門便簡單到達265°C,而該溫度已超過了現在一切元器件的耐溫極限;另一方面,若體系誤差和測量誤差為負,一起錫膏的最低峰值溫度較高,便會有冷焊疑問的發作。因而為了确保元器件的安全性、以及焊點的可靠性,無鉛錫膏的最低峰值溫度應盡量低,即無鉛錫膏低溫回流特性在無鉛焊接技能中十分重要。

        值得一提的是,Multicore(的領先技能、共同配方成功地處理了這一難題,無鉛錫膏96SC LF320 AGS88的最低回流溫度僅為229°C,這就意味着運用該款錫膏進行焊接時,能夠僅比217°C 的合金熔點高出3°C(确保一定的回流時刻)。這麼不光能夠極好地處理可靠性、冷焊等疑問,更能夠削減出産技能方面的調整,以節約本錢。圖3為該款無鉛錫膏的回流操作窗口。由圖3可知,96SC LF320 AGS88 具有很寬的操作窗口:從熔點以上時刻60秒/峰值溫度229°C,到熔點以上時刻80秒/峰值溫度245°C的規模内均能夠獲得極佳的焊接作用,較寬的回流窗口能夠十分好地滿意出産方面的不一樣需要。

        四、 空泛水平

        空泛是回流焊接中常見的一種缺陷,尤其在BGA/CSP等元器件上的體現尤為突出。因為空泛的巨細、方位、所占份額以及測量方面的差異性較大,至今對空泛水平的安全性評價仍未共同起來。有經曆的工程師習氣将空泛份額低于15%-20%,無較大空泛,且不集中于銜接處的有鉛焊點認為是可接受的。

        在無鉛焊接中,空泛仍然是一個必需重視的疑問。這是因為在熔融狀态下,Sn/Ag/Cu合金比Sn-Pb合金的外表張力更大。如圖4所示。外表張力的添加,必然會使氣體在冷卻期間的外溢愈加困難,使得空泛份額添加。這一點在無鉛錫膏的研制進程中得到證明,前期無鉛錫膏的首要疑問之一就是空泛較多。作為新一代的無鉛錫膏商品,Multicore(96SC LF320 AGS88添加了助焊劑在高溫的活性,實現了技能上的長足騰躍,使得無鉛焊點的空泛水平可降低到7.5%。

        五、 定論

        1)Sn/Ag/Cu 系列合金變成無鉛錫膏合金的首要挑選;

        2)助焊劑介質的合理調整,可使無鉛錫膏的打印性與有鉛錫膏幾乎一樣;

        3)無鉛錫膏的低溫回流特性對SMT無鉛技能含義嚴重;

        4)新一代的無鉛錫膏,使得空泛疑問得到明顯改進。

貼片膠與滴膠技能

        外表貼片膠(SMA, surface mount adhesives)用于波峰焊接和回流焊接,以堅持元件在打印電路闆(PCB)上的方位,确保在安裝線上傳送進程中元件不會丢掉。

        PCB安裝中運用的大多數外表貼片膠(SMA)都是環氧樹脂(epoxies),雖然還有聚丙烯(acrylics)用于特殊的用處。在高速滴膠體系引入和電子工業把握怎麼處理貨架壽數相對較短的商品以後,環氧樹脂已變成國際規模内的更幹流的膠劑技能。環氧樹脂通常對廣泛的電路闆供給傑出的附着力,并具有十分好的電氣功能。

        期望的特性

        環氧樹脂貼片膠的配方對運用者供給較多好處,包含:傑出的可滴膠功能、接連共同的膠點概括和巨細、高的濕強度和固化強度、迅速固化、靈活性和抗溫度沖擊。環氧樹脂允許十分小的膠點的高速,供給極好的闆上固化電氣特性,在加熱固化周期,不拖線、不塌落。(因為環氧樹脂是熱靈敏的,有必要在冷藏條件下貯存,以确保最大的貨架壽數。)

        運用視覺查看或主動設備,SMA有必要和典型的綠色或棕色電路闆構成比照,因為運用主動視覺操控體系來幫助查看進程,因而赤色和黃色已變成兩種基本的膠的色彩。可是,抱負的色彩決定于闆與膠之間的視覺比照。

        典型地,環氧樹脂的加熱固化是在線(in-line)發作的,紅外(IR)通道爐内。開端固化的最低溫度是100°C,但事實上固化溫度規模在110~160°C。160°C以上的溫度會加快固化進程,但簡單構成膠點脆弱。

        膠接強度是膠的功能的關鍵,決定于很多要素,如,對元件和PCB的附着力,膠點形狀和巨細,固化水平。膠接強度缺乏的三個最常見的原因是,固化缺乏、膠量不行和附着力差。

        膠點輪廓
        膠的流動特性,或流變學,影響環氧樹脂膠點的形成以及它的形狀和大小。SMA允許快速和受控的滴膠,以形成一個确定形狀的膠點(圖一)。為了保證良好和穩定的膠點輪廓,膠被巧妙地設計成搖溶性的(即,當攪拌時變稀,靜止時變濃)。在這個過程中,當滴膠期間受剪切力時SMA的粘性減少,允許容易地流動。當膠打到PCB表面時,它迅速重新結構,恢複其原來的粘性。

        膠點輪廓也受搖溶性恢複率、零剪切率時的粘度和其它因素的影響。實際膠點形狀可能是“尖狀”/圓錐形或半球形。可是,膠點輪廓是通過非粘性的參數如膠點體積、滴膠針直徑和離闆高度來定義的。即,對一個給定的膠的等級,通過調節它們的參數,可能産生或者很高的狹小的膠點或者低的寬大的膠點。

        在貼片之後,滴出的膠點有兩個要求:它們必須直徑小于焊盤之間的空隔,有足夠的高度來連接PCB表面與元件身體之間的空隙,而不幹涉到貼片頭。膠的間隙由焊盤高出PCB阻焊層的高度和端頭金屬與元件身體厚度差别來決定的。這個間隙可能是不同的,小的可能小于扁平片狀元件的0.05mm,大的可能大于小引出線包裝(SOP, small-outline package)和QFP的0.3mm。

        滴高的膠點保證良好的膠在離地高度大的元件上的覆蓋面積。高的膠點也允許在低的離地高度元件之間膠被擠出,而不擔心污染焊盤。通常,對同一個級别的膠,有兩套滴膠參數一起使用:一個為離地高的元件産生高的、大膠量的膠點;另一個為扁平片狀元件和金屬電極界面(MELF, metal electrode face)元件提供中等高度和膠量的膠點。

        膠點大小也受所選擇的針嘴的内徑與離地高度的比率控制。通常,膠點寬對高的比率範圍是1.5:1 ~ 5:1(h/w=0.2 ~ 0.6),取決于滴膠系統的參數和膠的級别。這些比率可通過調節機器設定來對任何元件優化。

        避免空洞

        膠點中的潮氣可能在固化期間沸騰,引起空洞,削弱膠接點,并為焊錫打開通路以滲入元件下面,可能由于錫橋造成電路短路。在注射器中,膠的濕氣很少,可是留在非固化狀态和暴露在室内條件下,特别是潮濕的環境中,膠可能吸取潮氣。例如,使用針頭轉移法滴膠,潮氣是個問題,因為膠是開放的,暴露面積較大。這個問題也可能發生在用注射器滴膠時,如果滴膠與固化停留時間較長,或室内條件很潮濕。針對這些,大多數表面貼片膠使用具有低吸濕性的原材料來配制,使其影響最小。

        使用低溫慢固化,加熱時間較長,可幫助潮氣在固化前跑出,可解決空洞形成的問題。類似的,通過在低溫幹燥的地方儲存元件或在适當溫度的幹燥爐内對材料進行使用前處理,可以消除潮氣。避免膠固化前的過程停頓和使用一種低吸潮的特别膠劑可幫助減少空洞問題。

        滴膠方法

        SMA可使用注射器滴膠法、針頭轉移法或模闆印刷法來施于PCB。針頭轉移法的使用不到全部應用的10%,它是使用針頭排列陣浸在膠的托盤裡。然後懸挂的膠滴作為一個整體轉移到闆上。這些系統要求一種較低粘性的膠,而且對吸潮有良好的抵抗力,因為它暴露在室内環境裡。控制針頭轉移滴膠的關鍵因素包括針頭直徑和樣式、膠的溫度、針頭浸入的深度和滴膠的周期長度(包括針頭接觸PCB之前和期間的延時時間)。池槽溫度應該在25~30°C之間,它控制膠的粘性和膠點的數量與形式。

        模闆印刷被廣泛用于錫膏,也可用與分配膠劑。雖然目前少于2%的SMA是用模闆印刷,但對這個方法的興趣已增加,新的設備正克服較早前的一些局限。正确的模闆參數是達到好效果的關鍵。例如,接觸式印刷(零離闆高度)可能要求一個延時周期,允許良好的膠點形成。另外,對聚合物模闆的非接觸式印刷(大約1mm間隙)要求最佳的刮闆速度和壓力。金屬模闆的厚度一般為0.15~2.00mm,應該稍大于(+0.05mm)元件與PCB之間的間隙。

        超過90%的SMT膠目前是通過注射器滴膠(圖二),它還可以進一步分為兩類:壓力時間系統和容積控制系統。壓力時間注射器滴膠是最普遍的方法,本節的剩下部分将講述這一技術。注射器可達到每小時50,000點的滴膠速度,并且可調節以滿足變化的生産要求。

        滴膠缺陷的故障分析  有幾個沒有解決的滴膠問題可能導緻最後的工藝缺陷。這些包括拉線、膠點大小的不連續、無膠點和衛星膠點。膠的拉線可造成焊盤污染和焊接點不良。當滴膠嘴回縮時膠必須分斷快和清楚(圖三)。甚至那些特别為高速滴膠配制的膠都可能出現拉線,如果參數不正确。例如,當膠量相當于滴膠嘴的直徑和所要求的離地高度太小時,拉線的危險性極高,結果是一種非常高而瘦的膠點。雖然較小的針嘴直徑和離地高度結合可解決這個問題,但拉線仍可能由其它與膠本身無關的參數引起,如對闆的靜電放電、不正确的Z沖程調節高度和闆的柔曲或闆的支撐不夠。

        對無膠點的情況,元件将不能正确貼裝。如果生産線的氣壓不夠用于滴膠(即,注射器的壓力不夠而造成滴膠不連續),則可能發生不出膠點。類型地,不連續的膠點大小影響闆與元件之間的整個綁接強度。以下是發生這個現象的幾個原因:

        針嘴的離地支柱落在焊盤上。換一種不同離地支撐位置的針嘴可解決這個問題。

        分配給膠水恢複的時間不夠。增加延時可解決恢複問題。

        如果壓力時間不足以完成滴膠周期(或随着膠面水平線下降),增加壓力與周期時間的比,通常以最大值的百分數表達,将糾正膠點大小不連續的問題。

        由于衛星點是不規則地出現,它們可能造成焊盤污染或綁接強度不夠。當針嘴離地太高,減少高度可消除衛星點。如果膠量相當針嘴太大,減少壓力或使用較大内徑(ID, inner diameter)的針嘴将解決問題。

        影響可滴膠性的因素

        良好的滴膠不隻單單依靠膠的品質。對于壓力時間注射器滴膠方法,許多與機器有關的因素影響可滴膠性和膠點的形成。針嘴的内徑對膠點的形成是關鍵的,必須比闆上的膠點直徑小很多。作為一個原則,該比率應該為2:1。0.7~0.9mm的膠點要求0.4mm的ID;0.5~0.6mm的膠點要求0.3mm的ID。設備制造商通常提供技術規格和操作指引,以産生所希望的膠點大小和形狀。

        PCB對針嘴的間距,或停止器(stopper)的高度,控制膠點的高度(圖四)。它必須适合于滴膠量和針嘴ID。對給定的膠量,膠點高度對寬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針嘴ID的一半;超過這個點,将發生不連續滴膠和拉線。

        現在的高速設備使用壓力可以在針嘴到位之前定時開始的滴膠周期。針嘴回撤速度、回撤高度和滴膠與針嘴回撤之間的延時都影響膠點形狀和拉線。

        最後,溫度将影響黏度和膠點形狀。大多數現代滴膠機依靠針嘴上的或容室的溫度控制裝置來保持膠的溫度高于室溫。可是,膠點輪廓可能受損,如果PCB溫度從前面的過程得到提高的話

        維護

        滴膠針嘴和停止器的彎曲或磨損可能對滴膠有至關重要的影響。針嘴外圍過多的膠可能影響光滑和連續的膠點形成。在極端的情況下,膠可能橋接在停止器銷上,中斷滴膠。萬能的解決辦法是盡可能保持針嘴外圍幹淨。

        針嘴内表面的清潔度是滴膠問題的另一個普遍根源。膠的積聚可能發生在ID上,限制流動。膠也可能在針嘴内部分固化,如果留在較暖的環境内或不相容的溶劑内長時間。變換膠的等級可能引起橫向污染和針嘴堵塞。(由固化或半固化的膠引起的堵塞應該在使用溶劑清洗之前用鑽針清除。)滴膠針嘴應該定期檢查,但隻是在滴膠問題變得明顯時才清理。清潔會增加遇到的問題,當把空的地膠嘴安裝于注射器的時候。

        把藏的針嘴浸泡在溶劑中是常見的,但效率不高的清潔方法。當浸泡針嘴時,使用相容的溶劑,但不要隻依靠浸泡來清除所有未固化的材料。一種相容溶劑的高壓噴霧可把膠吹出針嘴内孔。然後用幹燥的壓縮空氣吹過内孔,讓針嘴幹燥。

        一個可替代的清潔方法涉及超聲波或靜态浸泡。未固化的膠應該使用鈍化工具和鑽針或與針嘴内孔适當直徑的鋼琴線來機械地清除。将要清洗的零件浸泡在清潔的溶劑中。對超聲波浸泡,設定&40deg;C以最大功率開三分鐘。對靜态的浸泡,攪拌浸泡中的零件直到溶劑被膠劑污染。在清潔溶劑中沖刷零件,保證清潔度。用高壓噴霧來對付非常小的内孔的針嘴,用幹燥的壓縮空氣吹過内孔來幹燥零件。

 

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