军工电子元器件混装工艺的应用研究

【摘要】在国内外“绿色制造”的要求下，电子产品无铅化的推行愈演愈烈，诸多行业基本实现电子产品的无铅化。但是军工、航天以及医疗等领域基于高度可靠性的要求，仍然采用了有铅制程下的电子装联技术，而无铅元器件的广泛覆盖，使得实际生产过程中出现有铅元器件、无铅元器件混装的现象，本文将针对混装工艺的可靠性展开分析，并针对相关问题制定解决措施。

【关键词】混装工艺；PCB镀层；无铅元器件；焊端镀层；无铅化

The Application Research of Military Electronics Components Mixed Process

Yu Honghui，Wu Conghao

（Jiangsu Automation Research Institute，Lianyungang 222006，China）

Abstract：In the request of“Green Manufacturing”at home and abroad，carrying out lead-free for electronic products is becoming increasingly fierce，numerous industries have already basically realized lead-free for electronic products.However，based on the requirement of high reliability in military，aerospace，medical and other fields，the electronic assembly technology in lead processing is still used.Simultaneously，the extensive coverage of lead-free components leads to appear lead components and lead-free components mixed phenomenon in practical production process.This paper analyses the reliability of mixed process，and formulates solving measures according to corresponding problem.

Keywords：mixed process；PCB plating；lead-free components；termination plating；lead-free

1.引言

传统的有铅焊接工艺在电子元器件焊接作业中已处于成熟状态，其焊点的导电性、稳定性、抗蚀性、抗拉以及机械强度等已达到理想工艺状态，但是由于铅污染对人类居住环境的巨大影响，国际相关行业纷纷提出电子产品无铅化的想法，随着欧盟《关于限制使用电子电气设备中含有的特定有害物质的指令》的制定，我国也颁布了《电子信息产品污染控制管理办法》，电子装联技术逐步淘汰有铅制程，特别是消费类等行业，基本实现了电子产品的无铅化。目前，无铅焊接工艺技术处于过渡和起步阶段，国内外应用无铅技术从理论到实际应用没有统一的标准，对无铅焊接的焊点可靠性有待大量的试验数据证明。因此军工、航天以及医疗等领域现阶段仍然采用有铅制程下的电子装联技术，而市面上焊接引脚采用无铅镀层的元器件已经大量使用，部分集成电路供应商已停止传统有铅元件的供应，使得军工行业不可避免的面临有铅器件、无铅器件和有铅焊料混装的问题，本文将针对混装工艺的可靠性展开应用探讨。

2.无铅焊接工艺流程

在无铅工艺的标准化发展中，经过国内业界人士共同努力和协商，《无铅焊接标准体系》

已基本定型并通过专家评审会的审定，如图1所示。《无铅焊接标准体系》是根据传统有铅焊接成熟工艺流程和现阶段无铅焊接特殊要求而制定，规范性强，适用面广，但是由于军工、航天以及医疗领域在电子装联技术的高可靠性要求，无铅焊接标准体系尚不能完全应用于这些领域，我们将借鉴此标准体系制定出混装工艺流程，确定混装工艺的三要素。并从实用性的角度分析混装工艺的可行性。

3.电子装联三要素

电子装联三要素分别为元器件、焊料和PCB焊盘。利用无铅焊料实现无铅元器件(焊端或引脚无铅)和PCB无铅镀层焊盘的装联技术即为无铅焊接工艺。而三要素中任何一项含有铅的成分则为有铅焊接，现将三要素的有铅、无铅混装匹配性列入表1。

3.1 元器件状况

3.1.1 无铅元器件特点

相对有铅元器件，无铅元器件的主要特点是更好的耐温性能和焊端的无铅化镀涂处理。更好的耐温性能可以满足无铅焊料较高熔点的特性；而焊端采用无铅化镀涂，则是在元器件的引脚电镀或浸涂无铅镀层，提高了焊端的浸润性能，增强了焊点可靠性。正规的无铅元器件供应商会将元器件的无铅标识以及焊端镀层成分、耐热温度明确于包装上，以便焊接时采用合理的焊接工艺。

3.1.2 无铅元器件分类及使用注意

在军工电子产品装联过程中，无铅元器件的选用应注意元器件焊端的材料和器件的湿度敏感等级，根据实际应用和器件封装形式，我们将无铅元器件分为两类：一类是SOP、SOJ、QFP、PLCC，其焊端镀层成分主要是Ag、Au、NiPb和NiPbAu，引线作为与PCB焊盘的电气连接。采用实验结论[1]，此类无铅器件的镀层可以很好的与有铅焊料兼容，保证焊点的可靠性。另一类是BGA类，BGA类元器件的特殊性在于引脚为球形，并处于本体的底部，普通的手工焊接不足以完成BGA的装联，本文对BGA类元器件将不做具体工艺分析。

需要注意的是焊端镀层含有Sn-Bi的无铅元器件，使用有铅焊料焊接此类元器件的过程中，有铅焊料中的Pb成分会与元器件焊端镀层的Sn-Bi在焊接界面形成Sn-Pb-Bi的三元共晶低熔点层(97℃)，引起焊接面剥离、空洞等问题，严重影响焊接强度。

3.2 焊料状况

无铅焊料是电子装联技术无铅化推行的核心，在发展过程中，出现了多种以Sn为主体的共晶合金无铅焊料，例如Sn-Ag-Cu焊料，其良好的疲劳性和延伸性接近于军工行业采用的有铅焊料Sn63Pb37，但是无铅焊料熔点高出有铅焊料30℃-40℃，且表面张力大，流动性差，焊点的长期可靠性有待证明。因此，军工领域基本上采用的是共晶铅锡合金Sn63Pb37作为焊接材料，此种焊料的综合性能在工艺应用和环境考验方面是任何一种无铅焊料所无法相比的，其性能优势在这里不再赘述。

3.3 PCB焊盘镀层状况

在传统有铅制程焊接工艺中，PCB基材普遍采用FR-4型[4]，Tg(玻璃化转变温度)值一般在130℃，PCB镀层主要采用热风整平锡铅合金，但是当焊接温度达到240℃以上(有铅焊接温度在240℃以下)时，一些PCB基材表面颜色会变深变暗，虽然此临界温度不会影响基板的绝缘性等质量问题，但外观上形成的颜色较大差异也是不合格因素。

在无铅焊接工艺中，理论上相对适宜军用的PCB焊盘镀层采用ENIG，即化学镀镍/浸金镀层技术，熔锡温度在245℃-250℃，而目前印制板基材Tg值均在260℃以下，焊接过程中PCB板会随着焊接热量的增加，发生不同程度的翘曲变形，并且在实际应用中，还没有统一的测试方法能鉴定PCB板在无铅技术中的使用质量。因此，鉴于可靠性因素，军工领域电子产品的PCB板镀层仍然沿用传统工艺。

4.有铅无铅混装工艺分析

根据上述对元器件、焊料以及PCB镀层的具体分析以及实际工作应用，现阶段军工航天领域的电子装联技术混装工艺可归纳为：利用传统有铅焊料实现有铅、无铅元件与PCB镀层的焊接，即有铅制程下的有铅、无铅元件混装工艺。现将混装工艺的关键控制和焊接工艺进行分析总结。

4.1 管理控制

4.1.1 元器件选购控制

鉴于焊接效果的可靠性，在元器件的选购过程中，应尽可能选用有铅元器件。若必须选用无铅元器件，则应要求供货方提供器件焊端镀层材料、极限耐温值、最佳焊接时间、潮湿敏感度、光感度等参数材料说明，以便库存管理和焊接过程中采用对应措施。

4.1.2 库存管理控制

根据供货材料说明，分开放置有铅元器件和无铅元器件，并根据无铅元器件潮湿敏感度、光感度等指标要求采取防潮、遮光等存放措施，一些明确注明承受压力值过小的器材单独存放，避免其他元器件的相互挤压造成特殊元器件的性能损坏。

4.2 工艺控制

4.2.1 元器件去潮处理

主要针对无铅元器件的湿度敏感器件，在高温焊接过程中，器件内部湿气会急剧汽化，从而破坏其内部的绝缘、机械强度等，产生“爆米花”现象，影响甚至损坏器件性能。因此，工艺设计人员应在焊接工作开始前确认配套器材中的湿度敏感器件，并单独安排器件的去潮工艺。

4.2.2 有铅化处理[5]

无铅元器件的有铅化处理包括插装元器件的有铅化处理和表面贴装的有铅化处理，区别在于表面贴装元器件焊端直接与PCB焊盘贴焊，而直插元器件利用引脚与PCB板上的孔配合，两种元器件的有铅化处理过程大致相同，但是操作细节应谨慎处理。

插装无铅元器件的有铅化处理即是对引脚进行有铅化，过程为：使用W28号金相砂纸打磨引脚的无铅镀层，镀层厚度大约3μm-7μm之间，在打磨过程中，力度应均匀且不宜过大，避免造成过度打磨，影响元器件电气连接的机械强度。然后将引脚打磨过的部位进行搪锡处理（注意：晶体管和聚笨乙烯电容的引线搪锡时根部应留2mm-4mm不搪锡），其目的在于清除引脚上打磨部位的残余无铅镀层，但是搪锡次数应限制在两次以下，搪锡时间控制在1S-2S，以防反复的热冲击影响元器件的性能。

表面贴装无铅元器件的有铅化处理是将焊端进行无铅化，操作难度相对较大，打磨和搪锡过程需更加谨慎。由于表贴元器件焊端抗损性较差，这就要求在用W28号金相砂纸打磨的过程用力更轻，用砂纸稍微带过即可。搪锡过程要适当降低烙铁使用温度，尽可能一次性完成，并可采用适当降温措施。

4.2.3 焊接方式

针对实际工作中产品种类多、数量少的产业特点，军工、航天以及医药等领域主要以手工焊接方式为主。特别是焊接过程中应对不同类型器件对温度要求的差异性，手工焊接可以灵活的更换烙铁头和焊料以满足焊接要求，针对试验、户外、狭窄空间以及其他特殊环境，更能发挥手工焊接的优越性。

4.2.4 焊接方法

(1)表面贴装元器件：为保证焊接质量，焊接前应先将印制板的焊盘处、元器件引脚上均匀涂抹助焊剂；助焊剂应涂一块焊一块；印制板焊盘上的助焊剂涂抹应做到位置准确、剂量适中，以免过多的助焊剂流进元器件底面与印制板缝隙中，无法清洗干净，影响焊接质量。

(2)片式元器件：应定位元器件，再手工焊接。定位可以采用专用胶粘接，单件或小批量生产时也可以选择一个或几个引脚先焊接定位。

(3)片式集成电路：一般采用拖焊。拖焊操作时，应采用专用电烙铁头和专用焊膏，并根据引脚间距和强度，确定采用横向拖焊(沿与引线垂直的方向)或顺向拖焊(沿引线方向)。拖焊时切忌用力过大导致引脚变形。完后应仔细检查引脚是否有误连，误连处采用吸锡线予以清除。

4.3 过程控制

4.3.1 环境控制

元器件焊接操作环境必须整洁干净。相对湿度保持在30%～75%。当相对湿度低于30%时，应采取防静电措施，并定期检测静电放电敏感器件性能的良好状态。焊接平台应具有良好的接地系统。电子接地系统通过接地体与大地保持良好的电气连接，接地电阻应满足各使用技术要求，而且越小越好，一般不应大于10Ω。避雷接地系统与电子接地系统应相距不小于20m，其接地电阻应小于4Ω。

4.3.2 温度控制

焊接环境温度应控制在15℃-30℃。在传统有铅元器件的焊接中，电烙铁温度一般不应高于370℃，而无铅焊接温度通常高出有铅焊接20℃-30℃，在焊接无铅元器件时，由于引脚已经过打磨处理并搪锡有铅化，焊接温度可在封装要求焊接温度基础上降低10℃-15℃(以防焊端残留无铅镀层从而产生“虚焊”现象)。每个焊点的焊接时间视焊点的大小、散热性能以及电烙铁的功率、温度而定，在电烙铁的功率、温度选择得当时，焊接一个焊点的加热时间一般为1s-5s。过高温度和过长的焊接时间都将对PCB板基材造成不可修复的影响，形成PCB板基材局部颜色过深甚至影响其绝缘性，所以温度控制是混装焊接工艺的关键控制参数。

4.3.3 焊接顺序控制

在焊接工作开始之前，应按照有铅元器件、无铅元器件、焊接温度要求将元器件进行分类，然后按照“先无铅后有铅、先高温后低温”的原则进行焊接工作，理由是防止较高的焊接温度对其他元器件(要求焊接温度相对较低)产生热冲击，影响元器件的使用性能。

5.结论

综合以上分析，基于焊点可靠性的高度要求，无铅焊接技术在军工、航天以及医药等领域尚不具备应用条件。根据现有技术条件和实际工作经验，只能通过物资管理、过程控制、无铅元器件有铅化以及混装焊接控制工艺等有效措施，控制有铅制程下的有铅、无铅混装工艺的应用可靠性，尽可能实现焊点可靠性的最大化，保证元器件在恶劣环境下的使用特性和工作疲劳极限。总之，有铅制程下的混装工艺是特殊领域现阶段所采用的过渡技术，国内诸多军工、航天等单位在无铅化工艺技术方面均有不同程度的应用研究，可靠性评价以及制定标准尚不统一，真正实现电子装联技术的“绿色制造”仍然需要我们更多的理论性突破和应用性研究。

参考文献

[1]罗道军.无铅工艺的标准化进展[J].电子工艺技术,2010, 31(2):69-70.

[2]邵志和.无铅工艺和有铅工艺[J].电子工艺技术,2009,30 (4):206-209.

[3]孙守红,石宝松,张玉娟.军用无铅元器件组装可靠性分析及对策[J].电子工艺技术,2012,33(1):31-33.

[4]付鑫,间能华,宋嘉宁.有铅和无铅混装工艺探讨[J].电子工艺技术,2010,31(2):98-100.

[5]车飞,杨艺峰.无铅工艺在军用电子产品中的应用[J].电子工艺技术,2011,32(6):338-341.

作者简介：于宏辉（1984—），男，大学本科，现供职于江苏自动化研究所，主要研究方向：电气工艺设计。