军用PCB板有铅与无铅混装工艺的质量控制

王哲华（同方电子科技有限公司，江西 九江 332005）

军用PCB板有铅与无铅混装工艺的质量控制

王哲华
（同方电子科技有限公司，江西 九江 332005）

目前我国军工电子产品普遍存在有铅和无铅元器件混装焊接的现象，有铅和无铅混用时，可能会发生材料、工艺、设计之间不相容等问题，影响电子产品的可靠性。军工产品可靠性是第一位的，既要保证焊点质量，又要保证不损坏元器件和印制板。本研究通过对有铅与无铅混装焊接可能发生的不相容问题分析，对高可靠产品有铅与无铅混装工艺的质量控制方案提出一些建议。

有铅；无铅；混装工艺；质量控制

电子产品无铅工艺在国内已应用了十多年，但无铅产品的长期可靠性在业内还存在较大争议，所以这也是国际上对军事、航空、医疗等高可靠要求领域的电子产品，没有强制提出无铅化要求的重要原因。目前，随着无铅元器件的普及，有铅元器件已经逐渐退出市场，一块元件板中无铅器件的比例占整板的90％以上，因此，我国军工产品普遍存在有铅与无铅元器件混装焊接的情况。

1　有铅和无铅混装焊接可能发生不相容问题

军工产品可靠性是第一位的，因此既要保证焊点质量，又要保证不损坏元器件和印制板。采用有铅焊料焊接有铅和无铅元器件。有铅和无铅混装焊接时有90％以上是无铅元件，无铅元件的焊端镀层大多是镀纯Sn的，容易形成Sn须。采用有铅焊料焊接有铅和无铅元器件时，有铅焊料焊接有铅元器件时材料和熔点温度都是相容的。有铅焊料焊接无铅元器件时，Sn-Pb焊料的熔点183℃，无铅元件焊端镀层Sn熔点为232℃，无铅BGA焊球Sn-Ag-Cu熔点217℃。由于无铅元件焊端镀层和焊球的熔点高于Sn-Pb焊料的熔点，因此，焊接时需要提高焊接温度，高温可能损坏有铅元器件和PCB基板，特别是对潮湿敏感元器件的影响不可忽视。另外，PCB和工艺设计时，基板材料、PCB焊盘涂镀层材料选择不当也会发生材料不相容等问题。

如果设计、工艺、采购、管理不当就有可能会发生材料、工艺、设计之间不相容问题，影响电子产品的长期可靠性。

2　高可靠产品有铅和无铅混装工艺质量控制方案的建议

根据以上分析，可知采用有铅焊料焊接有铅和无铅元器件工艺，如果设计、工艺、采购、管理不当就有可能会发生材料、工艺、设计之间不相容的问题，影响高可靠电子产品的长期可靠性。主要表现如下：第一，无铅元件焊端和引脚表面通常采用镀纯Sn工艺比较多，镀Sn时在Cu表面会生成金属间化合物Cu6Sn5，Cu6Sn5的膨胀系数比较大，温度变化时Cu6Sn5对Sn镀层产生压力，在不均匀处会把Sn推出来，形成Sn须，过长的锡晶须可能导致短路。第二，Sn-Pb焊料与无铅元器件材料不相容。无铅元器件焊端表面镀层除了镀纯Sn以外，还有镀Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Bi等合金层。回流时不同镀层的器件会生成不同的金属间化合物，一块组装板上，如果有一个元件焊点不相容，都可能造成整个电路的故障。第三，高温损坏元器件封装体及内部连接、损坏PCB基板，Sn-Pb焊料焊接有铅元器件时，其焊接温度一般不超过240℃，一般不会造成器件、基板的损坏，但焊接无铅器件为保证焊接可靠，须提高焊接温度可能会损坏器件及基板。第四，高温容易对湿度敏感器件（MSD）造成不利影响，吸潮的湿度敏感器件在回流焊过程中受到高温的影响，器件内的水气急速膨胀可引发器件的分层与开裂，从而导致器件的失效。第五，PCB焊盘涂镀层EN IG（N i/Au）的金脆和黑盘问题，可影响焊点的可靠性。第六，有铅焊料与无铅PBGA、CSP混用必须提高焊接温度，否则容易造成PBGA、CSP一侧焊点失效。第七，电气可靠性问题。一块PCB完成一个生产流程后，元件板上可能存在不同的残留物，在潮湿环境和一定电压下，可能会与导电体之间发生电化学反应，引起表面绝缘电阻降低及漏电的风险。

从以上的不可靠因素可以看出，锡晶须、器件和PCB基材的内部损伤、金脆和黑焊盘等缺陷是很难在日常检测中被及时发现的，它会在用户的使用过程中受环境温度、工作时间、机械震动等因素的影响而逐渐暴露。这些不可靠因素成为军用电子产品长期可靠运行的最直接的不确定因素，所以，必须从产品设计开始就考虑到设计、工艺、材料之间的相容性。应根据产品的特性选择合适的PCB板材，优化元件板上的焊盘、过孔、盲孔等排布及处理方式。工艺上要认真细致地进行工艺优化，并在整个生产环节中认真贯彻各项工艺过程控制措施。此外物流管理部门也应严格按要求进行物料的管理与发放。

3　结语

有铅和无铅混用时，可能会发生材料、工艺、设计之间不相容等问题，因此，要求高可靠产品从产品设计开始就要考虑到混装的可靠性。选择最优秀的组装方式及工艺流程；选择合格的元器件、PCB基板材料、焊盘镀层、焊接材料、助焊剂；严格管理，特别是物料管理及工艺管理；从钢网印刷、全自动贴装、回流、补焊、检测等生产全过程进行有效的工艺控制，方可处理好有铅、无铅器件的混用问题。

［1］ 邵志和.无铅工艺和有铅工艺［J］.电子工艺技术，2009，30（4）：46.

［2］ 庄鸿寿，张启运.钎焊手册［K］.北京：机械工业出版社，1998：490-508.

［3］ 付鑫，章能华，宋嘉宁.有铅和无铅混装工艺的探讨［J］.电子工艺技术，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