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1、焊接工艺常识传统的锡铅焊料在电子装联中已经应用了近一个世纪。Sn63Pb37共晶焊料的导电性、稳定性、抗蚀性、抗拉和抗疲劳、机械强度、工艺性都是非常优秀的，而且资源丰富，价格便宜。是一种极为理想的电子焊接材料。但由于铅污染人类的生活环境。据统计，某些地区地下水的含铅量已超标30倍（允许标准 一、 无铅焊接技术的现状无铅焊料合金成分的标准化目前还没有明确的规定。IPC等大多数商业协会的意见：铅含量0.10.2WT（倾向0.1，并且不含任何其它有毒元素的合金称为无铅焊料合金。1、 无铅焊料合金无铅化的核心和首要任务是无铅焊料。据统计全球范围内共研制出焊膏、焊丝、波峰焊棒材100多种无铅焊料，但真正
2、公认能用的只有几种。（1） 目前最有可能替代SnPb焊料的合金材料最有可能替代SnPb焊料的无毒合金是Sn基合金。以Sn为主，添加Ag、Cu、Zn、Bi、In、Sb等金属元素，构成二元、三元或多元合金，通过添加金属元素来改善合金性能，提高可焊性、可靠性。主要有：SnBi系焊料合金，SnAg共晶合金，SnAgCu三元合金，SnCu系焊料合金，SnZn系焊料合金（仅日本开发应用），SnBi系焊料合金，SnIn和SnPb 系合金。（2） 目前应用最多的无铅焊料合金三元共晶形式的Sn95.8Ag3.5Cu0.7（美国）和三元近共晶形式的Sn96.5Ag3.0Cu0.5（日本）是目前应用最多的用于再流焊
3、的无铅焊料。其熔点为216220左右。由于Sn95.8Ag3.5Cu0.7无铅焊料美国已经有了专利权，另外由于Ag含量为3.0WT的焊料没有专利权，价格较便宜，焊点质量较好，因此IPC推荐采用Ag含量为3.0WT（重量百分比）的SnAgCu焊料。Sn0.7CuNi焊料合金用于波峰焊。其熔点为227。虽然Sn基无铅合金已经被较广泛应用，与Sn63Pb37共晶焊料相比无铅合金焊料较仍然有以下问题：（A）熔点高34左右。（B）表面张力大、润湿性差。（C）价格高2、PCB焊盘表面镀层材料无铅焊接要求PCB焊盘表面镀层材料也要无铅化，PCB焊盘表面镀层的无铅化相对于元器件焊端表面的无铅化容易一些。目前主
4、要有用非铅金属或无铅焊料合金取代PbSn热风整平（HASL）、化学镀Ni和浸镀金（ENIC）、Cu表面涂覆OSP、浸银（IAg）和浸锡（ISn）。目前无铅标准还没有完善，因此无铅元器件焊端表面镀层的种类很多。美国和台湾省镀纯Sn和Sn/Ag/Cu的比较多，而日本的元件焊端镀层种类比较多，各家公司有所不同，除了镀纯Sn和/Sn/Ag/Cu外，还有镀Sn/Cu、Sn/Bi等合金层的。由于镀Sn的成本比较低，因此采用镀Sn工艺比较多，但由于Sn表面容易氧化形成很薄的氧化层、加电后产生压力、有不均匀处会把Sn推出来，形成Sn须。Sn须在窄间距的QFP等元件处容易造成短路，影响可靠性。对于低端产品以及寿
5、命要求小于5年的元器件可以镀纯Sn，对于高可靠产品以及寿命要求大于5年的元器件采用先镀一层厚度约为1m以上的Ni，然后再镀23m厚的Sn。3、 目前无铅焊接工艺技术处于过渡和起步阶段虽然国际国内都在不同程度的应用无铅技术，但目前还处于过渡和起步阶段，从理论到应用都还不成熟。没有统一的标准，对无铅焊接的焊点可靠性还没有统一的认识，因此无论国际国内无铅应用技术非常混乱，大多企业虽然焊接材料无铅化了，但元器件焊端仍然有铅。究竟哪一种无铅焊料更好？哪一种PCB焊盘镀层对无铅焊更有利？哪一种元器件焊端材料对无铅焊接焊点可靠性更有利？什么样的温度曲线最合理？无铅焊对印刷、焊接、检测等设备究竟有什么要求。都
6、没有明确的说法。总之，对无铅焊接技术众说纷纭，各有一套说法、各有一套做法。这种状态对无铅焊接产品的可靠性非常不利。因此目前迫切需要加快对无铅焊接技术从理论到应用的研究。二、 无铅焊接的特点和对策1、 无铅焊接和焊点的主要特点（1） 无铅焊接的主要特点（A）高温、熔点比传统有铅共晶焊料高34左右。（B）表面张力大、润湿性差。（C）工艺窗口小，质量控制难度大。（2） 无铅焊点的特点（A）浸润性差，扩展性差。（B）无铅焊点外观粗糙。传统的检验标准与AOI需要升级。（C）无铅焊点中气孔较多，尤其有铅焊端与无铅焊料混用时，焊端（球）上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘，助焊剂排不出去，造成气孔。但气孔不影响机械强
7、度。（D）缺陷多由于浸润性差，使自定位效应减弱。无铅焊点外观粗糙、气孔多、润湿角大、没有半月形，由于无铅焊点外观与有铅焊点有较明显的不同，如果有原来有铅的检验标准衡量，甚至可以认为是不合格的，但对于一般要求的民用电子产品这些不影响使用质量。因此要说服客户理解，这是因为无铅焊接润湿性差造成的。随着无铅技术的深入和发展，由于助焊剂的改进以及工艺的进步，无铅焊点的粗糙外观已经有了一些改观，相信以后会有更好的进步。2、 无铅波峰焊特点及对策无铅波峰焊接的主要特点也是高温、润湿性差、工艺窗口小。质量控制难度比再流焊更大。（1） 用对波峰焊的焊料通常采用Sn0.7Cu或Sn0.7Cu0.05Ni，熔点22
8、7，焊接温度250260。SnCu焊料中加入少量的Ni可增加流动性和延伸率。波峰焊也可以使用Sn/Ag/Cu，一般不推荐用Sn/Ag/Cu焊料，除了因为Sn/Ag/Cu焊料的成本比较高，另外Ag也会腐蚀Sn锅，而且腐蚀作用比Sn更严重。（2） 无铅波峰焊接Sn锅中焊料温度高达250260，Sn在高温下有溶蚀Sn锅的现象，温度越高熔蚀性越严重，而且无铅焊料中Sn成分占99，比有铅焊料多40，如果采用传统的不锈钢锅胆进行无铅焊，大约三个月就会发生漏锅现象。因此要求波峰焊设备的Sn锅，喷嘴耐高温、耐腐蚀，目前一般采用钛合金钢锅胆， 由于无铅焊料的浸润性差，工艺窗口小，焊接时为了减小PCB表面的温度差
9、，要求Sn锅温度均匀，（3） 由于高熔点，PCB预热温度也要相应提高，一般为100130。为了PCB内外温度均匀，预热区要加长。使缓慢升温。焊接时间34s。两个波之间的距离要短一些。（4） 对于大尺寸的PCB，为了预防PCB变形，传输导轨增加中间支撑。（5） 由于高温，为了防止焊点冷却疑固时间过长造成焊点结晶颗粒长大，波峰焊设备应增加冷却装置，使焊点快速降温。但是冷却速度过快又可能对陶瓷体结构的CHIP元件伤害，有可能会使无件产生开裂，因此还要控制不要过快冷却。另外对Sn锅吹风会影响焊接温度，因此还要考虑采用适当的冷却手段。（6） 由于高温和浸润性差，要提高助焊剂的活化温度和活性，工艺上可增加
10、一些助剂涂覆盖。（7） 要密切关注SnCu焊料中Cu的比例，Cu的成分达0.2，液相温度改变多达6。这样的改变可能导致动力学的改变以及焊接质量的改变。Cu比例超过1，必须换新焊料。由于Cu随工作时间不断增多，因此一般选择低Cu合金。（8） 波峰焊时通孔元件插装孔内上锡高度可能达不到75（传统SnPb要求75），因此要求从PCB孔径比的设计、助焊剂活性与涂覆量、波峰温度、波峰高度、导轨的倾斜角度等方面综合考虑。（9） 由于高温，Sn会加速氧化，因此无铅波峰焊工艺还有一个很大的缺点是产生大量的残渣，充氮气（N2）可以减少焊Sn渣的形成。当然也可以不充N2，或者加入无铅锡渣还原粉，将产生大量的残渣还
11、原后重复利用，但一定要比有铅焊接更注意每天的清理和日常维护。（10） 波峰焊后分层LIFTOFF（剥离、裂纹）现象较严重。三、 从有铅向无铅焊接过渡的特殊阶段存在的问题1、 无铅工艺对元器件的挑战（1） 耐高温要考虑高温对元器件封装的影响。由于传统表面贴装元器件的封装材料只要能够耐240高温就能满足有铅焊料的焊接温度了，而无铅焊接时对于复杂的产品焊接温度高达260，因此元器件封装能否耐高温是必须考虑的问题了。另外还要考虑高温对器件内部连接的影响。IC的内部连接方法有金丝球焊、超声压焊，还有倒装焊等方法，特别是BGA、CSP和组合式复合元器件、模块等新型的元器件，它们的内部连接用的材料也是与表面
12、组装用的相同的焊料，也是用的再流焊工艺。因此无铅元器件的内连接材料也要符合无铅焊接的要求。（2） 焊端无铅化有铅元器件的焊端绝大多数是SnPb镀层，而无铅元器件焊端表面镀层的种类很多。究竟哪一种镀层最好，目前还没有结论，因此还有待无铅元器件标准的完善。2、 无铅工艺对PCB的挑战无铅工艺要求PCB耐热性好，较高的玻璃化转变温度Tg，低热膨胀系数，低成本。（1） 无铅工艺要求较高的玻璃化转变温度TgTg是聚合物特有的性能，是决定材料性能的临界温度。在SMT焊接过程中，焊接温度远远高于PCB基板的Tg，无铅焊接温度比有铅高34，更容易PCB的热变形，冷却时损坏元器件。应适当选择Tg较高的基PCB材
13、料。（2） 要求低热膨胀系数（CTE）当焊接温度增加时，多层结构PCB的Z轴与XY方向的层压材料、玻璃纤维、以及Cu之间的CTE不匹配，将在Cu上产生很大的应力，严重时会造成金属化孔镀层断裂而失效。这是一个相当复杂的问题，因为它取决于很多变量，如PCB层数、厚度、层压材料、焊接曲线、以及Cu的分布、过孔的几何形状（如纵横比）等。克服多层板金属化孔断裂的措施：凹蚀工艺一-电镀前在孔内侧除掉树脂玻璃纤维。以强金属化孔壁与多层板的结合力。凹蚀深度为1320m。（3） 高耐热性FR4基材PCB的极限温度为240，对于简单产品，峰值温度235240可以满足要求，但是对于复杂产品，可能需要260才能焊好。
14、因此厚板和复杂产品需要采用耐高温的FR5。（4） 低成本由于FR5的成本比较高，对于一般消费类产品可以采用复合基CEMn来替代FR4基材，CEMn是表面和芯部由不同材料构成的刚性复合基覆铜箔层压板，简称CEMn代表不同型号。四、 无铅工艺对助焊剂的挑战（1） 无铅工艺对助焊剂的要求（A）由于焊剂与合金表面之间有化学反应，因此不同合金成分要选择不同的助焊剂。（B）由于无铅合金的浸润性差，要求助焊剂活性高。（C）提高助焊剂的活化温度，要适应无铅高温焊接温度。（D）焊后残留物少，并且无腐蚀性，满足ICT探针能力和电迁移。（2） 焊膏印刷性、可焊性的关键在于助焊剂。确定了无铅合金后，关键在于助焊剂。例
15、如有8家焊膏公司给某公司提供相同合金成份的无铅焊膏进行试验，试验结果差别很大。润湿性好的焊膏后不立碑，润湿性差的湿膏焊上后电阻、电容移位比较多。因此，选择焊膏要做工艺试验，看看印刷性能否满足要求，焊后质量如何。例如印刷时焊膏的滚动性、填充性、脱膜性是否好，间隔1个小时观察印刷质量有无变化、测18小时的黏度变化等等。总之要选择适合自己产品和工艺的焊膏。（3） 无铅焊剂必须专门配制焊膏中的助焊剂是净化焊接表面,提高润湿性,防止焊料氧化和确保焊膏质量以及优良工艺性的关键材料。高温下助焊剂对PCB的焊盘，元器件端头和引脚表面的氧化层起到清洗作用，同时对金属表面产生活化作用。免清洗SnPb焊膏已经使用了多年，而且已是成熟的技术。早期无铅焊膏的做法是简单地将SnPb焊料免清洗焊剂和无铅合金混合，结果很糟糕。焊膏中助焊剂和焊料合金间的化学反应影响了焊膏的流变特性，流变性对印刷性能至关重要。由于无铅合金的浸润性差，要求助焊提高活性，提高活化温度的道理，下面再进一步分析：无论有铅焊接还是无铅焊接，助焊剂浸润区是控制焊接接的关键区域，助焊酸在常温下不能和Cu20起反应，就是分解反应，在分解反应时会发出热量，释放激活能。有铅焊接时，助焊剂的活性反应恰好在焊料的熔点183之前，对金属表面进行清洗，焊料熔化时使金属表面获得激活能
