无铅焊接势在必行
[发布时间]：2009年3月24日
[来源]：上海宝丽来影像有限公司 曹艳玲
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【导读】： 我们只有一个地球，为了我们的家园，为了我们的健康，为了我们的下一代，请采用无铅焊接!虽然无铅焊料是否完全“环境友好”还被质疑，但市场趋势与国际立法迫使电子装配...
我们只有一个地球，为了我们的家园，为了我们的健康，为了我们的下一代，请采用无铅焊接!虽然无铅焊料是否完全“环境友好”还被质疑，但市场趋势与国际立法迫使电子装配中逐步缩减铅的使用。随着国际国内对无铅要求的呼声越来越高，无铅焊接在中国、在我们每一家公司的实施势在必行!
无铅焊接给我们带来的是绿色环保，同时带来更多的是问题，这些问题包括：
·制造成本增高：PCB元器件、焊接材料、助焊剂、设备人员等；
·加工技术难度增高：无铅焊料焊接温度高、工艺窗口窄；
·生产设备要求高：波峰焊、回流焊、视觉检测设备、在线测试设备、返工/返修设备等；
·操作条件要求高：氮气、惰性气体；
·工作压力提高：指定负责人完成准备工作、确定导人时间表、仪器设备增值预算等；
·生产品质减低：来料检测含铅量、焊点光亮度降低、残留增多、在线测试难度增加、表面绝缘电阻增大等。
针对以上问题，我们应该做些什么?
材料准备
无铅焊接对焊料的要求
要实施无铅焊接，首先从材料上考虑，涉及的材料有元器件、PCB、焊接材料、助焊剂等。
对无铅焊料(包括用在PCB焊盘、元器件可焊端、焊接材料)的要求：
1、电导率、热导率、热膨胀系数的匹配；
2、与锡/铅焊料相近的熔点及特性；
3、布线材料与PCB基材、可焊层的兼容；
4、剪切强度、蠕变抗力、等温疲劳抗力、热机疲劳抗力、金属学组织的稳定性；
5、良好的润湿性、可焊性、可靠性；
6、可接受的价格。
代替锡/铅焊料的合金有多种，一般是以Sn为基体，添加Ag、Cu、Sb、In等合金元素。现在市场上主要以锡/银/铜合金为主，取代锡/铅焊料的锡/银/铜合金可有不同的配比形式。日本倾向于96．5％锡/3.0％银/0.5％铜，北美更倾向于95.5％锡／3.9％银／0.6％铜，EU倾向于95.5％锡/3.8％银/0.7％铜。IPC推荐的三种焊料合金是：96.5％锡/3.0％银/0.5％铜，95.5％锡/3.8％银/0.7％铜，95.5％锡/4.0％银/0.5％铜。每种配比形式，供应商都做了大量实验分析，每一家都认为自己的焊料是取代锡/铅焊料的最佳选择。除此之外，表中列出多种可供选择的无铅焊料(用于回流焊的焊膏，用于波峰焊的合金棒，用于手工焊接的焊锡丝)。
无铅焊料的成本大约为锡/铅合金的200％-250％，对铅含量的要求现有以下标准可做参考：
JEDEC＜0.2wt％Pb JEIDA＜0.1wt％Pb EUELVD＜0.1wt％Pb
无铅焊接对PCB的要求：PCB板材应选用玻璃态转化温度(TC)较高的板材，同时采用无铅材料制作PCB的焊盘，尤其是焊盘预镀焊料的PCB。
无铅焊接对元器件的要求：对元器件的要求变高，尤其塑封器件，耐热力要达到280℃/5S，与锡/铅元器件相同，使用前按要求对元器件进行预处理，减少焊接过程中缺陷的产生，同时要求元器件端电极材料均为无铅。
现阶段市场上各无铅焊料所占份额如图1所示。
设备要求
无铅焊接对波峰焊的要求：锡炉内壁、波峰马达等始终与无铅焊料接触的部件，其抗溶蚀能力应比锡铅焊炉中的部件要更高。因波峰焊在工作时泵和叶轮首先出现凹点磨损现象,随着真正腐蚀-泵的叶轮被“吃掉”，泵的作用减弱，接着在锅壁上起凹点，这可能导致针孔和液体焊锡的如一家使用锡/银的公司，每个月更换锡炉中的锡/银焊料，六个月更换泵，每年更换锡锅。以锡/银为例，当设备运行八小时后，不锈钢锡锅中出现铁的金属间化合针状结晶体。针对以上情况，生产厂家改用无铅焊料时，要适应新的焊接温度要求：预热区加长或更新加热组件，波峰焊焊槽、机械结构和传动装置都要适应新的要求，锡槽的机构材料与焊料的一致性(兼容性)要匹配。为提高焊接质量和减少焊料的氧化，生产厂家应考虑：1更换设备；2更换无铅焊槽等配套设施；3在现有波峰焊锡槽等配套设施上涂防护层。
无铅焊接对回流焊要求：加热温度能够满足无铅曲线的要求即可。请注意：因无铅焊料流动性、润湿性较差，要求助焊剂活性强一些；另外无铅焊接要求的回流温度比较高，会加速PCB焊盘、元器件引脚／焊端的氧化。因此焊接过程中充氮气或其他惰性气体可减少焊接缺陷，选择无铅焊接设备时应加以考虑。
无铅焊接对丝网印的要求：大致与锡／铅焊料相同。因60％-80％焊接缺陷源于焊膏印刷质量，所以加强丝网印刷后的质量检查，完善焊膏检测系统在努力提高生产率方面意义重大。
工艺准备
向无铅技术转变时，波峰焊工艺首先向无铅印制板和元器件转变，而后向无铅焊料转变(会带来润湿角上升)，而再流焊则无此必要。以锡/银/铜无铅焊料为例，焊接回流曲线的设定为：
升温区：从室温升到150℃，升温速度2℃/S-4℃/S，快速升温容易引起焊料塌角的崩沸。
均温区：即预热部分，此时基板上温度差ΔT最小。温度一般从150℃上升到180℃，需2-3段(60s-90s)，该段担负着激发助焊剂活性，去除氧化膜的任务。为保证加热均匀，不致在高温区过热，应采用3段(大约为90s)。
再流焊区：180℃-235℃-217℃，2段(60S)，峰值区时间大约为20S，再流焊的最低温度等于焊料的液相线加上10℃，再流焊最高温度等于再流焊最低温度加上基板内温度差ΔT，为保证在峰值温度前后，元器件受热均匀，避免局部过热，必须设置2段(60S)，这样可以把峰值温度作为平台形成温度曲线。
冷却区：按-1．5-20℃/S的速度降温，应设2段(60S)，工作段数增加，速度相对放慢，所以元器件等受热时间延长，就增加了氧化作用的影响，这是必须解决的另一个问题，最有效的方法是均温区，再流焊区等温度较高的工作区段，充氮气强制循环，降低氧气的浓度以减轻氧化作用的产生，一般控制氧的浓度在500PPM以下。
冷却问题：焊好的组件离开再流焊区后，将被进行急速冷却，区段的温度不高于150℃，要有风扇使空气强制对流冷却。
图2为KESTER公司提供的无铅焊膏的回流曲线，开始实施无铅焊接的公司可做为参考。
波峰焊无铅焊料槽中，可能超标的金属元素主要是铅，铜、铁超标的可能性不大。当铅超标时，根据锡炉容量和超标的数值，从锡炉内取出部分焊料合金，然后添加适量的锡/0．3银/0．7铜，来降低锡炉中铅的含量。铜超标时，根据锡炉容量和超标数值，从锡炉内取出部分焊料合金，然后添加适量的锡/0.3银/0.1铜，来降低锡炉中铜的含量。铅铜均超标时，根据锡炉容量和超标的数值，从锡炉中取出部分焊料合金，然后添加适量锡/0．3银/0.1铜和锡/0.3银/0.7铜，来降低锡炉中铅和铜的含量。
返工/返修过程中，因无铅焊料的流动性、润湿性不如锡/铅焊料，因此使用手工焊接工具时会增加焊接次数，但不可以增加烙铁头与印制板焊盘的接触压力。因为高温情况下，烙铁头与印制板焊盘接触压力的增加会使焊盘脱落，损坏电路板。ERSA的循环温度补偿系统为无铅焊接的拆装带来很大的方便，如图3。
对于焊点质量的目检及在线测试仪、X射线检测方法等应根据实际情况作出相应的改进，ERSASCOPE自由定位的高倍放大检查系统能从任意角度观测焊点表面，同时对焊后的清洗工艺也要作出相应的调整。
操作要求
对回流炉操作环境的要求：氮气或惰性气体环境，可增加焊点的亮度，减少元器件及PCB焊盘的氧化程度，提高焊接质量，降低PPM值。
对操作人员的要求：通过对人员的培训，加深对无铅工艺的理解和对无铅焊点的认识。
以一个通孔焊点为例，无铅操作控制不当，可能导致以下问题的出现，如图4所示。
质量检测
无铅焊接焊点光泽相对锡铅焊料要差一些，且PCB上助焊剂残留物较多，可能造成在线测试结果不够准确，同时还要加强表面电阻的测试。无铅焊点的好坏判断标准，业界尚无定论，IPC等专业机构正在进行这方面的实验，相信不远的将来，会有适合无铅焊接的标准出现。现在有关方面的统计显示：无铅焊点的合格率大约在8000PPM左右。要提高焊点质量，应从PCB及元器件的可焊性、传送带速度、传送带倾角、助焊剂比重、涂布情况、预热温度、焊接温度、波峰质量等方面人手，加以调整。
无铅焊接，是对整个电子业的一个挑战，战胜他的同时，亦保护了人类自己。愿我们的工程技术人员与我们的制造供应商一起，迈出无铅焊接坚实的一步!
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