無(wú)鉛工藝基礎(chǔ)知識(shí)

PAGEPAGE4無(wú)鉛工藝基礎(chǔ)知識(shí)鉛（Pb），是一種有毒的金屬，對(duì)人體有害。并且對(duì)自然環(huán)境有很大的破壞性，出于環(huán)境保護(hù)的要求，特別是ISO14000的導(dǎo)入，世界大多數(shù)國(guó)家開始禁止在焊接材料中使用含鉛的成分，即無(wú)鉛焊接（Lead-free）。

日本在2004年禁止生產(chǎn)或銷售使用有鉛材料焊接的電子生產(chǎn)設(shè)備。歐美在2006年禁止生產(chǎn)或銷售使用有鉛材料焊接的電子生產(chǎn)設(shè)備。采用無(wú)鉛焊接已是大勢(shì)所趨，國(guó)內(nèi)一些大型電子加工企業(yè)，更會(huì)加速推進(jìn)中國(guó)無(wú)鉛焊接的發(fā)展。

例如，日本所有的大型消費(fèi)類電子產(chǎn)品公司都在大量生產(chǎn)無(wú)鉛電子產(chǎn)品，推銷時(shí)使用“綠色產(chǎn)品”作為競(jìng)爭(zhēng)賣點(diǎn)，特別是消費(fèi)類電子市場(chǎng)。松下1998年推出了無(wú)鉛微型CD播放機(jī)，包裝上用了一片綠色的樹葉，作為環(huán)保安全標(biāo)志，市場(chǎng)份額增長(zhǎng)顯著：從4.7%增長(zhǎng)到15%。

汽車行業(yè)將是“無(wú)鉛”趨勢(shì)的主要?jiǎng)恿ΑＦ嚒盁o(wú)鉛”化不僅對(duì)環(huán)保有益，而且無(wú)鉛焊接也改善了焊點(diǎn)的耐溫特性。大部分汽車電子部件都被安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)室，因此要承受更高的工作溫度（高達(dá)攝氏150度）和更劇烈的溫度變化。競(jìng)爭(zhēng)的壓力以及擔(dān)心被排擠出國(guó)際大市場(chǎng)的雙重考慮，使全球大部分主要電子生產(chǎn)廠家開始為無(wú)鉛產(chǎn)品做準(zhǔn)備。生產(chǎn)者應(yīng)當(dāng)采取措施逐步減少并淘汰電子信息產(chǎn)品中鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻、聚合溴化聯(lián)苯（PBB）、聚合溴化聯(lián)苯乙醚（PBDE）及其它有毒有害物質(zhì)的含量。歐盟公布的《關(guān)于在電子電氣產(chǎn)品設(shè)備中禁止使用某些有害物質(zhì)指令》，規(guī)定自2006年7月1日起開始在歐盟市場(chǎng)禁止銷售含有鉛、汞、鎘等6種有害物質(zhì)電子電氣設(shè)備。作為應(yīng)對(duì)該指令的措施，我國(guó)出臺(tái)這項(xiàng)管理辦法，其禁鉛時(shí)間表有可能與歐盟同步，也就是說(shuō)我國(guó)將在2006年7月1日起投放市場(chǎng)的國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)管目錄內(nèi)的電子信息產(chǎn)品不能含有上述6種有害物質(zhì)。業(yè)內(nèi)人士表示，該管理辦法出臺(tái)將意味著電子信息產(chǎn)業(yè)面臨著一場(chǎng)技術(shù)革命，電子產(chǎn)品無(wú)鉛化包括無(wú)鉛焊料、新型助焊劑、電子組裝無(wú)鉛化設(shè)備、新的工藝參數(shù)等一系列問(wèn)題，需要企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)高度重視與及早應(yīng)對(duì)，否則在今后的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中國(guó)內(nèi)企業(yè)將陷入被動(dòng)局面。

為了適應(yīng)這一系列焊接工藝的變革、適應(yīng)市場(chǎng)的客觀需求，無(wú)鉛焊接的工藝要求也成為了很多企業(yè)的工作主題。

無(wú)鉛焊由無(wú)鉛焊料、無(wú)鉛焊接工具、無(wú)鉛焊接環(huán)境三部分組成，而這三部分中的每一項(xiàng)對(duì)于無(wú)鉛焊接的成功與否都是至關(guān)重要的。

一．無(wú)鉛焊料：

與傳統(tǒng)的含鉛焊料相比，無(wú)鉛焊料的原理就是由一些合金混合物來(lái)替代原有的鉛，其特點(diǎn)就是這種合金的熔融溫度要略高于含鉛焊料。

以Sn/Ag合金為例，其熔融溫度為221攝氏度，高于含鉛焊料的熔融溫度183攝氏度，而另一些無(wú)鉛焊料Sn/Ag/Cu熔點(diǎn)為218攝氏度。

二．無(wú)鉛焊接工具：

無(wú)鉛焊接工具與以往含鉛焊接相比，生產(chǎn)設(shè)備方面不會(huì)有太多的改變，而對(duì)于返修工藝來(lái)說(shuō)，將面臨更大的挑戰(zhàn)。

如前段無(wú)鉛焊料中，已提及無(wú)鉛焊料的原理就是由一些合金混合物來(lái)替代原有的鉛，而這些合金材料的成分中Cu的使用最多。Cu是易氧化物，其氧化物CuO2與Cu相比硬度降低，就如同氧化鐵（鐵銹）。一旦無(wú)鉛焊料中的Cu在焊接過(guò)程中焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就容易造成被氧化，最終會(huì)成為產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷。

由此可以得出結(jié)論，焊接過(guò)程越短，焊接質(zhì)量就越為可靠！

三．無(wú)鉛焊接環(huán)境：

無(wú)鉛焊接環(huán)境是指在無(wú)鉛焊接過(guò)程中，對(duì)無(wú)鉛焊接成功與否造成決定性因素的一些周圍環(huán)境。較為典型的例子，就是在無(wú)鉛回流焊、無(wú)鉛波峰焊、無(wú)鉛芯片級(jí)返修過(guò)程中是否有氮?dú)獗Ｗo(hù)。

在前段無(wú)鉛焊接工具一節(jié)中提到的金屬物的氧化現(xiàn)象的產(chǎn)生，正是由于在焊接過(guò)程中有氧氣的存在，而氮?dú)獗Ｗo(hù)正能避免該現(xiàn)象的發(fā)生，從而保證無(wú)鉛焊料在焊接過(guò)程中，焊接質(zhì)量的可靠性。

目前無(wú)鉛回流焊、無(wú)鉛波峰焊的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，品牌之間的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)從技術(shù)上轉(zhuǎn)向?yàn)閮r(jià)格與服務(wù)方面，究其原因，就是眾多無(wú)鉛回流焊、無(wú)鉛波峰焊的生產(chǎn)企業(yè)對(duì)氮?dú)獗Ｗo(hù)技術(shù)上的一致性認(rèn)可。

當(dāng)今世界越來(lái)越關(guān)注鉛帶來(lái)的環(huán)境和健康危害。盡管電子行業(yè)鉛的用量只占世界總鉛量中極其微小的一部分，但我們所關(guān)注的是大部分的電子垃圾最后都是掩埋在地下，污染地球和水資源。

今天已有許多公司，特別是日本的一些消費(fèi)類電子產(chǎn)品制造商，正在大量生產(chǎn)無(wú)鉛產(chǎn)品，并且成效卓著。另外，國(guó)際上不同的實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線，已經(jīng)進(jìn)行了大量關(guān)于產(chǎn)量，抗力強(qiáng)度和使用壽命的無(wú)鉛實(shí)驗(yàn)。也許這些測(cè)試會(huì)出乎意料地證明：在正確的工藝操作下，無(wú)鉛焊點(diǎn)比普通的含鉛焊點(diǎn)更牢固，有更長(zhǎng)期的可靠性。SMT無(wú)鉛工藝對(duì)無(wú)鉛錫膏的幾個(gè)要求

SMT無(wú)鉛工藝的步伐越來(lái)越近，無(wú)鉛錫膏作為無(wú)鉛工藝的重要一環(huán)，它的性能表現(xiàn)也越來(lái)越多引起人們的關(guān)注。

眾所周知鉛是有毒金屬，如不加以控制，將會(huì)對(duì)人體和周圍環(huán)境造成巨大而深遠(yuǎn)的有害影響。歐洲議會(huì)2003年底已經(jīng)通過(guò)立法，要求從2006年7月開始，在歐洲銷售的電氣和電子設(shè)備不得含有鉛和其它有害物質(zhì)。中國(guó)等國(guó)家的相關(guān)法律也正在醞釀之中。由此可見，SMT的無(wú)鉛工藝已經(jīng)成為我們必然的選擇。

一、無(wú)鉛合金的選擇為了找到適合的無(wú)鉛合金來(lái)替代傳統(tǒng)的Sn-Pb合金，人們?cè)鲞^(guò)許多的嘗試。這是因?yàn)闊o(wú)鉛合金的選擇需要考慮的因素很多，如熔點(diǎn)、機(jī)械強(qiáng)度、保質(zhì)期、成本等。人們最終把目標(biāo)鎖定在Sn/Ag/Cu系列合金中，而Sn，Ag，Cu三種合金成份比例的確定也經(jīng)歷了一段探索的過(guò)程，這主要是考慮到焊點(diǎn)的機(jī)電性能，如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)電率等等。最終兩種具有相同熔點(diǎn)（217°C）且性能相似的合金成分：SnAg3Cu0.5(96.5%Sn,3%Ag,0.5%Cu)和SnAg3.8Cu0.7(95.5%Sn,3.8%Ag,0.7%Cu)成為無(wú)鉛合金的主要選擇。其中，SnAg3Cu0.5被日本、韓國(guó)廠商廣泛采用，歐美企業(yè)更多選擇SnAg3.8Cu0.7合金。以上兩種合金Multicore(均可以提供，代號(hào)分別為97SC和96SC。

二、印刷性

由于Sn/Ag/Cu合金的密度(7.5g/mm3)比Sn-Pb合金的密度(8.5g/mm3)低，使用該種合金的無(wú)鉛焊錫膏的印刷性比有鉛錫膏差一些,如容易粘刮刀等。盡管如此，由于保證錫膏的良好的印刷性對(duì)于提高SMT的生產(chǎn)效率、降低成本十分重要，在合金成分相同的情況下，只有通過(guò)助焊劑成分的調(diào)整來(lái)提高錫膏的印刷性，如填充網(wǎng)孔能力、濕強(qiáng)度、抗冷/熱坍塌及潮濕環(huán)境能力等，并最終提高印刷速度、改善印刷效果。三、低溫回流的重要性

由于無(wú)鉛合金的熔點(diǎn)升高（Sn/Ag/Cu合金的熔點(diǎn)為217°C，Sn-Pb合金熔點(diǎn)為183°C），無(wú)鉛工藝面臨的首要問(wèn)題便是回流焊時(shí)峰值溫度的提高。在圖2中描述了無(wú)鉛錫膏回流焊接時(shí)，在最壞情況假設(shè)下（線路板最復(fù)雜，系統(tǒng)誤差和測(cè)量誤差為正，以及滿足充分浸潤(rùn)的條件），線路板上最熱點(diǎn)溫度可能達(dá)到的溫度（265°C）。圖中最冷點(diǎn)235°C是為保證充分浸潤(rùn)的建議條件。

值得注意的是：一方面，若無(wú)鉛錫膏所要求的峰值溫度較高，線路板最熱點(diǎn)便容易達(dá)到265°C，而該溫度已超過(guò)了目前所有元器件的耐溫極限；另一方面，若系統(tǒng)誤差和測(cè)量誤差為負(fù)，同時(shí)錫膏的最低峰值溫度較高，便會(huì)有冷焊問(wèn)題的發(fā)生。因此為了保證元器件的安全性、以及焊點(diǎn)的可靠性，無(wú)鉛錫膏的最低峰值溫度應(yīng)盡量低，即無(wú)鉛錫膏低溫回流特性在無(wú)鉛焊接工藝中十分重要。圖2無(wú)鉛焊接時(shí)線路板上最熱點(diǎn)溫度（最壞情況預(yù)估）值得一提的是，Multicore(的領(lǐng)先技術(shù)、獨(dú)特配方成功地解決了這一難題，無(wú)鉛錫膏96SCLF320AGS88的最低回流溫度僅為229°C，這就意味著應(yīng)用該款錫膏進(jìn)行焊接時(shí)，可以僅比217°C的合金熔點(diǎn)高出3°C（保證一定的回流時(shí)間）。這樣不但可以很好地解決可靠性、冷焊等問(wèn)題，更可以減少生產(chǎn)工藝方面的調(diào)整，以節(jié)約成本。圖3為該款無(wú)鉛錫膏的回流操作窗口。由圖3可知，96SCLF320AGS88擁有很寬的操作窗口：從熔點(diǎn)以上時(shí)間60秒/峰值溫度229°C，到熔點(diǎn)以上時(shí)間80秒/峰值溫度245°C的范圍內(nèi)均可以獲得極佳的焊接效果,較寬的回流窗口可以更好地滿足生產(chǎn)方面的不同需求。1）Sn/Ag/Cu系列合金成為無(wú)鉛錫膏合金的主要選擇；

2）助焊劑介質(zhì)的合理調(diào)整，可使無(wú)鉛錫膏的印刷性與有鉛錫膏幾乎相同；

3）無(wú)鉛錫膏的低溫回流特性對(duì)SMT無(wú)鉛工藝意義重大；

4）新一代的無(wú)鉛錫膏，使得空洞問(wèn)題得到明顯改善。無(wú)鉛波峰焊接工藝技術(shù)與設(shè)備1．無(wú)鉛焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著歐盟RoHS關(guān)于2006年7月1日無(wú)鉛化期限的逼近,日本知名的電子產(chǎn)品制造商:PANASONIC/NATIONAL、SONY、TOSHIBA、PIONEER、NEC等，從2000年開始導(dǎo)入無(wú)鉛化制程，至今已基本實(shí)施無(wú)鉛化制造，在日本及歐美市場(chǎng)上推出"綠色環(huán)保"家電產(chǎn)品。中國(guó)政府已于2003年3月由信息產(chǎn)業(yè)部擬定《電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理法》自2006年7月1日禁止電子產(chǎn)品含鉛（Pb）.

因此，出于對(duì)環(huán)保的考慮，市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)是使用含鉛焊料的電子產(chǎn)品將無(wú)法進(jìn)入市場(chǎng)。對(duì)于電子組裝企業(yè)來(lái)說(shuō)，無(wú)鉛焊接技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)是擺在企業(yè)面前必須解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題.

2．無(wú)鉛焊接技術(shù)的工藝特點(diǎn)

電子產(chǎn)品制造業(yè)實(shí)施無(wú)鉛化制程需面臨以下問(wèn)題；1)焊料的無(wú)鉛化；2)元器件及PCB板的無(wú)鉛化；3)焊接設(shè)備的無(wú)鉛化

1）焊料的無(wú)鉛化

到目前為止，全世界已報(bào)道的無(wú)鉛焊料成分有近百種，但真正被行業(yè)認(rèn)可并

被普遍采用是Sn-Ag-Cu三元合金，也有采用多元合金，添加In,Bi,Zn等成分?，F(xiàn)階段國(guó)際上是多種無(wú)鉛合金焊料共存的局面，給電子產(chǎn)品制造業(yè)帶來(lái)成本的增加，出現(xiàn)不同的客戶要求不同的焊料及不同的工藝，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)將趨向于統(tǒng)一的合金焊料。

（1）熔點(diǎn)高，比Sn-Pb高約30度；

（2）延展性有所下降，但不存在長(zhǎng)期劣化問(wèn)題；

（3）焊接時(shí)間一般為4秒左右；

（4）拉伸強(qiáng)度初期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度都比Sn-Pb共晶優(yōu)越。

（5）耐疲勞性強(qiáng)。

（6）對(duì)助焊劑的熱穩(wěn)定性要求更高。

（7）高Sn含量，高溫下對(duì)Fe有很強(qiáng)的溶解性

鑒于無(wú)鉛焊料的特性決定了新的無(wú)鉛焊接工藝及設(shè)備

2）元器件及PCB板的無(wú)鉛化

在無(wú)鉛焊接工藝流程中，元器件及PCB板鍍層的無(wú)鉛化技術(shù)相對(duì)要復(fù)雜，涉及領(lǐng)域較廣，這也是國(guó)際環(huán)保組織推遲無(wú)鉛化制程的原因之一，在相當(dāng)時(shí)間內(nèi)，無(wú)鉛焊料與Sn-Pb的PCB鍍層共存，而帶來(lái)"剝離(Lift-Off)"等焊接缺陷,設(shè)備廠商不得不從設(shè)備上克服這種現(xiàn)象。另外對(duì)PCB板制作工藝的要求也相對(duì)提高，PCB板及元器件的材質(zhì)要求耐熱性更好。

３）焊接設(shè)備的無(wú)鉛化

由于無(wú)鉛焊料的特殊性，無(wú)鉛焊接工藝進(jìn)行要求無(wú)鉛焊接設(shè)備必須解決無(wú)鉛焊料帶來(lái)的焊接缺陷及焊料對(duì)設(shè)備的影響，預(yù)熱／錫爐溫度升高，噴口結(jié)構(gòu)，氧化物，腐蝕性，焊后急冷，助焊劑涂敷，氮?dú)獗Ｗo(hù)等.

Ａ）無(wú)鉛焊接要求的溫度曲線分析：

通過(guò)上述曲線圖和金屬材料學(xué)知識(shí)，我們了解到為了獲得可靠、最佳的焊點(diǎn)，溫度T2最佳值應(yīng)大于無(wú)鉛錫的共晶溫度，錫液焊接溫度控制在2500C±20度（比有鉛錫的溫度要求更嚴(yán)），一般有高可靠要求的軍用產(chǎn)品，△T＜300C，對(duì)于普通民用產(chǎn)品，建議溫差可放寬到△T2＜500度（根據(jù)日本松下的要求）；預(yù)熱溫度T1比有鉛焊要稍高，具體數(shù)值根據(jù)助焊劑和PCB板工藝等方面來(lái)定，但△T1必須控制在50度以內(nèi)，以確保助焊劑的活化性能的充分發(fā)揮和提高焊錫的浸潤(rùn)性；焊接后的冷卻從溫度T32500度降至溫度T4100～1500度，建議按10～150度/S的降幅梯度控制；溫度曲線在時(shí)間上的要求主要是預(yù)熱時(shí)間t1、浸錫時(shí)間t2、t3及冷卻時(shí)間t4，這些時(shí)間的具體數(shù)值的確定要考慮元器件、PCB板的耐熱性及焊錫的具體成份等多方面因素，通常t1在1分鐘左右，t2+t3在3～5S之間。

Ｂ）從以上溫度曲線分析可確定設(shè)備的結(jié)構(gòu)及控制要求：

預(yù)熱方式

預(yù)熱時(shí)間t1在1分鐘左右輸送ＰＣＢ板的速度1.2m/min,預(yù)熱長(zhǎng)度要保障1.2M以上；為保障預(yù)熱的熱穩(wěn)定性預(yù)熱結(jié)構(gòu)必須采用封閉式的結(jié)構(gòu)，預(yù)熱方式建議采用：１）熱風(fēng)預(yù)熱方式；２）遠(yuǎn)紅外線發(fā)熱管方式；３）陶瓷發(fā)熱管（或不銹鋼發(fā)熱管）。從國(guó)內(nèi)外設(shè)備廠研制的波峰焊及客戶使用分析，采用第２種遠(yuǎn)紅外線發(fā)熱管方式比較理想，因?yàn)榘l(fā)熱原理是一種紅外線輻射，可提高熱效率，如果在發(fā)熱管上部再覆蓋耐高溫陶瓷玻璃，效果會(huì)更佳，安全可靠，避免松香滴落在發(fā)熱管上，日東公司生產(chǎn)的設(shè)備已有２０００臺(tái)使用此種方式（自１９９８年），特別是針對(duì)無(wú)鉛波峰焊又開發(fā)一種新的控制方式：PID+模擬量調(diào)壓方式，解決傳統(tǒng)ＯＮ－ＯＦＦ控制方式對(duì)溫度的沖擊，達(dá)到較佳的預(yù)熱曲線，保證預(yù)熱區(qū)與焊接取的溫度下降值在５0度以內(nèi)。如果預(yù)熱區(qū)分成２溫區(qū)或３溫區(qū)長(zhǎng)度1.6M，焊接預(yù)熱工藝將靈活。當(dāng)然針對(duì)某些產(chǎn)品適合用熱風(fēng)預(yù)熱方式。

錫爐噴口

要克服無(wú)鉛焊料潤(rùn)濕性（鋪展能力）差給焊接帶來(lái)的缺陷，需要４秒以上的浸錫時(shí)間，如果采用雙波峰焊接，兩波峰之間的最低溫度要在２００0度以上錫爐噴口結(jié)構(gòu)必須能達(dá)到符合以上的溫度曲線，設(shè)備廠家通過(guò)加寬噴口設(shè)計(jì)，減少兩波峰間距來(lái)實(shí)現(xiàn)。

????由于高Sn含量的無(wú)鉛焊料更易氧化，另外無(wú)鉛焊料的成本較高，控制錫氧化物生成量是焊接設(shè)備廠家必須考慮的問(wèn)題，一些國(guó)內(nèi)外的廠家已推出新的波峰噴口結(jié)構(gòu)，氧化物生成量同過(guò)去相比減少一倍，日東公司在日本松下公司的協(xié)助下推出的無(wú)搖動(dòng)雙波峰噴口結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用到包括松下公司在內(nèi)的眾多日本公司及國(guó)內(nèi)知名公司，并得到客戶的認(rèn)可。

腐蝕性

無(wú)鉛焊料的高Sn含量,在高溫下對(duì)Fe有佷強(qiáng)的溶解能力，傳統(tǒng)的波峰焊焊料槽及噴口大多數(shù)采用不銹鋼材料，從而發(fā)生溶解反應(yīng)，隨著時(shí)間的推移，最終導(dǎo)致部件的溶蝕損壞，特別是噴口及葉輪部件。現(xiàn)在國(guó)外大多數(shù)廠家的焊錫槽采用鑄鐵并鍍防護(hù)層，國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家采用鈦合金材料。

氧化

同Sn-Pb合金焊料相比，高Sn含量的無(wú)鉛焊料在高溫焊接中更容易氧化，從而在錫爐液面形成氧化物殘?jiān)⊿nO2）