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1、无铅波峰焊工艺研究全球电子电气工业膨勃发展，锡铅焊接逐步向无铅焊接转化，波峰焊接越来越多的向回流焊接发展，但新的“无铅波峰焊接技术”仍是业界研究的一个焦点。在美国由几家公司组成的社团收集了很多无铅波峰焊接过程中的相关资料，幷对这些资料进行分析，研究，试图找到适用于无铅波峰焊接的工艺参数。但是对于高可靠性的电子产品，如网络设备，到目前为止还达不到实际所需的高可靠性要求，需通过大量工艺优化来实现无铅波峰焊接的高可靠性。研究工作使用了可以承受无铅焊接温度的新型PCB 材质，厚度为0.125 英寸，该PCB为18 层板，其中8 层为接地层，10 层为信号层，PCB 焊盘镀层分别为浸银（1mm-Ag）和
2、高温防氧化有机涂层（OSP）二种，焊接材料选用SnPb 和SAC305，PCB 为典型的通讯用线路板，布线设计复杂程度高，特制的波峰焊接夹具可以使该PCB 在无铅波峰焊炉上实施选择性波峰焊接，焊后2D X-RAY 和3D X-RAY 检测系统观察焊点可靠性，焊点形状及焊接缺陷。一套可靠的，具有破坏性的试验分析工具（DPA）用来评估焊点质量，幷与共晶焊料Sn/Pb 装配结果做质量对比分析，与此同时，详细记录焊接温度，使用的元器件，以及对应的焊点质量。与共晶Sn/Pb 焊料焊接结果相比，首先发现镀通孔润湿性差，通孔内焊锡量不足，桥接增多，焊点内有大量空洞。无铅波峰焊接工艺窗口变窄，要想获得理想的焊
3、锡量，就要不断优化焊接曲线。试验结果发现，浸银的PCB 在镀通孔填充率和可焊性方面均优于OSP PCB。EU 的环境立法，如ROHS关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令，WEEE关于报废电子电气设备指令，明确指明要将铅从电子产品中去除，但Sn/Pb焊料在电子领域中引导潮流几十年，根深蒂固的影响很难从人们的生活中剔除。对于复杂的线路板装配（PBAS），特别是那些厚的，使用夹具过波峰焊接完成通孔器件焊接的模式在Sn/Pb 焊接中被广泛应用，夹具的使用，可以依照设计者的思路在波峰焊接炉上实现选择性波峰焊接，而这种板型在无铅波峰焊接中实施选择性波峰焊接的确对工艺人员提出了挑战。要想获得良好的焊
4、点质量和高可靠性焊接结果，在波峰焊接参数设置时，必须考虑以下几个问题：1. 波峰焊接环境2. 焊料合金成分3. 助焊剂，施加助焊剂的方式4. 预热5. 导轨速度6. 波峰特性7. 锡缸污染度以上几个因素在Sn/Pb 波峰焊接中已有完整的记录，不只是对无铅焊接要求。其中的几个因素是关于无铅波峰焊接工艺的优化，即本次研究的主要内容。试验要求与范围：试验范围-厚的多层PCB 板，无铅波峰焊接工艺（SMT 装配不在研究范围之内）。试验板介绍：测试板由Brocade 和FoxConn 公司设计制作，PCB 上需要安装一系列SMT 器件和通孔器件，是具有代表性的工业电子产品，PCB 焊盘镀层为Sn/Pb
5、和Pb-Free 二种，目的是通过对非功能性器件的研究优化无铅波峰焊接工艺。板材采用高Tg（175）FR4 材料，与无铅工艺相容的层压方式制作的PCB，尺寸为18inch*12 inch，厚度为0.125 inch，18 层板（其中8 层接地层，10 层信号层），如图1（Topside 装配面）图1 无铅测试板测试板共36 块，二种PCB 镀层，其中18 块为浸银板，18 块为OSP 处理的测试板，每块板子上面都有相应的编号，新型OSP 处理的PCB 裸板可承受6 次无铅波峰焊接温度冲击，试验中选用了4 种通孔元器件（每一个元器件上也有相应的编号），它们是：1. 钽电容2. DIMM 插座连接
6、器3. 电源连接器4. LED为更好的模拟实际生产，器件引脚要焊接到不同的PCB 层面上。波峰焊接工艺：助焊剂在焊接过程中对于良好焊点的形成，足够的镀通孔填充率起着至关重要的作用，因无铅焊料的润湿性较Sn/Pb 焊料要差，相对Sn/Pb 焊料焊接，应增加助焊剂的活性，使助焊剂能迅速润湿镀通孔，增大镀通孔填充率，减少焊接缺陷。水溶性无VOC 助焊剂广泛用于无铅波峰焊接，助焊剂采用喷涂方式能起到更好的助焊效果，SS316 可编程的On/Off 时间控制能让助焊剂渗透到镀通孔表面，留下薄薄一层助焊剂，使用PCB 跟踪器，记录使用单向/双向喷雾喷涂到PCB 通孔中的助焊剂量。试验用波峰焊接炉有三个预热
7、区，在线连接、全自动，满足无铅波峰焊接锡缸温度要求。试验时将PCB 安装在焊接夹具上，经助焊剂喷涂进入预热区，预热区总厂为1.8 米，三个预热区预热模式为底部预热，前二个预热区加热方式为强制热风对流加热，第三个区加热方法为红外辐射加热，底部预热为PCB 进入波峰区实施焊接做好温度准备，该波峰焊接设备没有顶部加热装置，顶部加热对厚的PCB，特别是板上有大的吸热器件时很有帮助。接下来PCB 匀速进入波峰区，实施焊接。使用不同的波峰形状达到最好的焊接效果，因无铅焊接镀通孔的填充率对波形提出更高的要求，只有波形控制严格，才能有好的通孔填充。试验用无铅焊接材料：锡银铜（SAC305）无铅焊料，是业界推荐
8、使用的焊料组合成分，在无铅波峰焊接材料中SAC305 具有一定的代表性。装配工艺：首先在36 块测试板上贴装SMT 器件，其中第一组为10PCS PCB，所用SMT 器件镀层为Sn/Pb 器件，焊接材料为Sn/Pb 焊膏，采用锡铅回流焊接工艺进行焊接，这10PCS 板用于后面基础对比分析时使用。第二组有4PCS PCB，SMT 器件为无铅器件，采用锡铅焊接工艺；第三组22PCS PCB，SMT 器件为无铅器件，采用无铅回流焊接工艺，回流过程完成后，36PCS PCB 进入波峰焊接步骤。第一组的10PCS PCB 仍然采用锡铅波峰焊接，这10 块板主要用于分析比较材料的可焊性及镀通孔焊锡填充量，
9、第二组的4 块板仍采用锡铅波峰焊接工艺，锡缸温度设置为260，第三组无铅波峰焊接时，锡缸温度设置为285，幷在氮气保护环境下实施焊接。观察：下列三个因素是焊接工艺中需重点考虑优化的因素：1. 传输速度2. 锡缸温度3. 波峰形状试验是按PCB 镀层分类进行的，根据不同的PCB 镀层，不同的工艺条件，分类，分组地进行观察。OSP 处理的PCB 分三组，分别按 工艺参数实施焊接：Run 1 中，锡缸设置温度为265，传输速度为66cm/min，OSP 处理的PCB 经焊接后，目检焊接缺陷。目检结果：PCB 的TOP 面焊锡量不足，润湿性差，用3D X-Ray 进一步观察镀通孔填充量（按IPC ，
10、级标准，镀通孔填充率必须50%），大多数的焊点，镀通孔填充量小于50%，RUN 2 中，锡缸温度设置为285，传输速度为78cm/min，接下来的5PCS PCB，焊接参数设置时主波峰锡波速度增加10rnp,达到315 rnp 的柔和波峰，观察焊接结果，锡缸温度达到285时，按IPC 标准判别，缺陷率明显减少。RUN3 LEDS：LED 安装在PCB 边缘处，表3 是LED 引脚连接在PCB 的层面位置，与PCB上多层面相连的LED 引脚焊点，焊锡填充量小于引脚与较少层面相连的LED 焊点填充量。DIMM 插座接插件：试验中，每块板上只用了一个DIMM 连接器，但DIMM 连接器四排引脚连接到
11、PCB不同层面。试验结果：钽电容：安装在PCB 中间部位的电容焊点填充量不足，在PCB 边缘的电容填充量不足的相对少一些，很显然，PCB 设计对焊接结果有一定的影响，LEDS：只有一个LED 显示焊料填充量不足，LED 在浸银板焊接中，润湿性，焊点填充均有很好的表现。DIMM 插座接插件：3D X-RAY 观察，只有少量引脚焊锡量不足(0.093inches）的PCB 在通孔器件焊接中，器件镀通孔内润湿性填充量是非常重要的，其控制也是非常严格的，实验结果表明：OSP处理的PCB 在润湿性和镀通孔填充量上都不如浸银处理的PCB 表现。锡缸温度：Sn/Pb 波峰焊接，锡缸温度在250-260之间，
12、以前的文章中，Sn/Pb 波峰焊锡缸的温度一般在260-270之间。在本试验前，无铅锡缸的温度设置是265，结果是镀通孔焊料填充量不足，所以在本试验中，无铅锡缸温度设置为285，锡缸温度升高，对焊料填充有帮助，尤其是对OSP 处理的PCB，效果更为明显，遗憾的是锡缸温度升高，会产生很多负面影响。第一， 太高的T 对塑封器件易造成温度损伤，到现在为止，塑封器件是否与高温波峰焊接工艺兼容还没有明确；第二，高温冲击是否会造成PCB 分层，虽然多数无铅PCB 碾压工艺能够抵挡高温冲击；第三，为满足高温波峰需要，预热温度也要相应提高，同时要求PCBTOP 面和BOTTOM 面同时预热。前面的试验中TOP
13、 面没有预热器，如果试验能够采用双面预热，或许会得到更好一些的焊接结果。助焊剂：助焊剂是焊接过程中必不可少的，但必须严格控制助焊材料，助焊剂用量小，润湿效果差，用量大，会引起锡珠，且留下过量的助焊剂残留，会导致污染，甚至会腐蚀产品，引起产品的性能问题，此次试验，只选用了一种助焊剂，所以不同类型助焊剂的助焊效果没有评估。考虑到该助焊剂与无铅焊料的兼容性，我们选用了一种高活性的助焊剂，但这种助焊剂因预热温度要求升高，也可能导致波峰焊前助焊剂已全部挥发，焊接过程中没起到助焊作用，引起焊锡不足，基于这点，我们试验了手工施加助焊剂，仍是焊锡量不足，改变助焊剂喷嘴类型，增加助焊剂流速，都不能提高润湿性及焊
14、料填充量。预热：PCB 和元器件预热，可提高焊点质量及产品可靠性，该试验中没有TOP 面预热装置也是一种遗憾，更高的锡缸温度使预热区和波峰区的T 增大，预热温度不够高会引起焊料填充不足，如果是厚度0.093inches 的PCB，即此次试验用的PCB 类型，TOP 面预热是非常重要的，但是，TOP 面预热温度过高会引起SMT 器件的移动，另一负面影响就是器件温度过高会因热冲击导致器件热损伤。波峰焊接材料：OSP 处理的PCB 采用无铅工艺与锡铅工艺焊接结果做比较，图9 是锡铅工艺焊接的引脚，其填充量几乎满足IPC 目标要求。无铅焊接材料，熔点温度升高，工艺控制窗口缩小，OSP 处理的PCB 使
15、用无铅焊料时，润湿性很明显要比锡铅焊料润湿性差。PCB 表面镀层：本次试验的二种PCB 镀层处理方法：OSP，浸银。在润湿性和焊料填充量方面浸银处理的PCB 优于OSP 处理的PCB，对于较厚的PCB，其工艺窗口正如我们试验所示，非常窄，需要优化工艺参数以达到良好焊点要求。最终结论：该试验目的是针对多层，厚PCB 用夹具实施选择性无铅波峰焊接工艺窗口窄等问题进行分析，优化工艺参数，控制焊接过程。试验表明，通过优化工艺参数，可以实现可接受的镀通孔填充量及通孔件的可靠性焊接，在填充量方面，浸银板表现优于OSP 处理的PCB，更多的DOE 矩阵分析可以帮助我们确定适合的波峰焊接参数，此次试验的遗憾是没有足够满足工艺要求的设备，选择性无铅波峰焊接的可行性仍需进一步试验分析。电源连接器：非常有趣，电源连接器在Run1，2，3 试验中都得到了良好的焊点填充量，只有几个在TOP 面的焊点外形不太完整，分析原因是因为器件太靠PCB 边缘，或者是因为镀通孔内径的公差差异。B Imm-Ag 浸银板：试验中有2 块PCB 是浸银处理的，表7 是2 块浸银板过波峰的工艺参数，一块PCB 在Run1 中，锡缸温度为265，传
