無鉛回流焊技術(shù)探討

王萬剛，王小平，彭 勇

（重慶城市管理職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院，重慶 400055 ）

0 引言

2003年2月13日，歐盟正式公布了WEEE（關(guān)于電子電氣設(shè)備廢棄物的指令）和RoHS（關(guān)于在電子電氣設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)的指令）指令，并于2006年7月1日起，全面禁止鉛在電子產(chǎn)品中的使用。這兩相指令的公布，極大的推動了電子產(chǎn)品中的無鉛化進(jìn)程。2003年3月，中國信息產(chǎn)業(yè)部擬定《電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理辦法》，提議自2006年7月1日起投放市場的國家重點(diǎn)監(jiān)管目錄內(nèi)的電子信息產(chǎn)品不能含有Pb，《電子信息產(chǎn)品污染防止管理辦法》自2007年3月1日起開始實(shí)施。隨著人類環(huán)保意識的加強(qiáng)，“鉛”及其化合物對人體的危害及對環(huán)境的污染，越來越被人類所重視。因此，出于對環(huán)保的考慮，含鉛焊料的電子產(chǎn)品將無法進(jìn)入市場。對于目前已經(jīng)成為SMT電路板組裝技術(shù)主流的回流焊也不得不導(dǎo)入無鉛制程。

1 無鉛制程引發(fā)的問題

1.1 無鉛焊膏評價(jià)體系的改變

回流焊接使用的無鉛焊膏，除了必須適應(yīng)應(yīng)用中的印刷／元件貼裝／回流焊等工藝外，與原來焊膏相同，還需要進(jìn)行潤濕性、焊料球、印刷性、印刷塌邊、加熱塌邊、觸變性、焊劑可靠性等方面的評價(jià)。

1.2 無鉛工藝溫度高，工藝窗口小

無鉛工藝溫度高，熔點(diǎn)比傳統(tǒng)有鉛共晶焊料高50℃ 左右；工藝窗口小，質(zhì)量控制難度大。高溫焊料進(jìn)行回流焊的最大課題是電子元件焊接時(shí)的損傷，因目前大多數(shù)電子元件是針對Sn-37Pb焊料而設(shè)計(jì)的，其中比較典型的簿型的LSI封裝和塑封件連接器等，存在的問題大。組裝中對熱容大的大型QFP、BGA有必要對其端子部加熱，如果同時(shí)存在熱容小的元件一起加熱，很可能就會產(chǎn)生對元件的過熱，即超過了元件承受的耐熱溫度。針對Sn-Ag系焊料的應(yīng)用發(fā)展，在減少對多引線LSI 和小型元件使用限止的同時(shí)，設(shè)法增加元件的耐熱性，適當(dāng)降低回流焊的最高溫度，提高回流爐的均勻加熱能力，提高焊接預(yù)熱溫度，改變元件電極的設(shè)計(jì)等都是急需要著手進(jìn)行的課題。

1.3 焊點(diǎn)可靠性問題

無鉛焊點(diǎn)浸潤性差，擴(kuò)展性差；無鉛焊點(diǎn)外觀粗糙，傳統(tǒng)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)有待更新。特別是可靠性評價(jià)中還存在著很多不清楚的地方，在積累數(shù)據(jù)的同時(shí)，為縮短從開發(fā)到生產(chǎn)的準(zhǔn)備時(shí)間，有必要研究和開發(fā)各種各樣的性能加速試驗(yàn)方法[1]。

1.4 缺陷多

主要由于浸潤性差，使自定位效應(yīng)減弱造成的。

2 當(dāng)前無鉛回流焊中的焊料

據(jù)統(tǒng)計(jì)全球范圍內(nèi)共研制出焊膏、焊絲、焊棒材等100多種無鉛焊料，但對于回流焊，當(dāng)前一般選用Sn-Ag或Sn-Ag-Cu系無鉛焊料。美國傾向于Sn-3.9Ag-0.6Cu；歐洲傾向于Sn-3.8Ag-0.7Cu；日本傾向于Sn-3Ag-0.5Cu和Sn-3.5Ag-0.7Cu。

Sn-Ag系合金釬料的力學(xué)性能、釬焊性、熱疲勞可靠性均良好，其共晶成分熔點(diǎn)為221℃ ；此外，由于Ag的抗氧化性能好，使用起來無需氣體保護(hù)。其顯著優(yōu)點(diǎn)是對Au的溶入有較大的容忍度，即使Au的溶入量達(dá)到5% ，其仍能保持良好的延展性[2]。Sn-Ag-Cu系合金釬料熔化溫度范圍在217℃附近，錫銀銅無鉛焊料的機(jī)械特性較好，抗張強(qiáng)度比錫鉛焊料高1.5倍～2.0倍，而且具有非常優(yōu)秀的抗熱疲勞性能，化學(xué)性能穩(wěn)定、連續(xù)印刷性好，能滿足細(xì)間距電子元件(QFP)的焊接，很少出現(xiàn)橋接現(xiàn)象，可獲得與錫鉛合金同樣的焊點(diǎn)機(jī)械性能[3]。Sn-Ag-Cu和Sn-Ag組合之間的差異很小，其選擇主要取決于成本、供貨等方面因素。目前Sn-Ag-Cu系合金是工業(yè)界傾向采用的無鉛釬料。通常認(rèn)為，Ag含量從3.0%到4.0%的Sn-Ag-Cu合金均是可以接受的成分。根據(jù)IPC、焊料供應(yīng)商和電子制造服務(wù)商對合金成分標(biāo)準(zhǔn)化的研究表明，這些Ag含量不同的Sn-Ag-Cu合金在工藝性能和熱機(jī)械可靠性上沒有顯著差別[4]。

當(dāng)前Sn-Ag-Cu焊料被作為實(shí)現(xiàn)無鉛的標(biāo)準(zhǔn)合金，并達(dá)成共識。然而，由于這種合金熔點(diǎn)仍偏高，即使提高元器件的耐熱性，但多層、薄形的印制板耐熱性仍存在問題。因此，在錫銀合金基礎(chǔ)上添加鉍、銦以降低熔點(diǎn)以及開發(fā)低溫段的錫鋅系無鉛化焊料成為業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。除了存在耐熱性問題外，還存在著對銅的潤濕性差的問題。從擴(kuò)散率來看，錫鉛焊料擴(kuò)散率超過90%，而錫銀銅焊料在80%左右。不過，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前，錫銀銅無鉛焊膏的潤濕性已得到了明顯提高，幾乎能達(dá)到錫鉛焊膏的水平[3]。

圖1 無鉛回流焊溫度曲線

3 無鉛回流焊溫度曲線設(shè)置

由于無鉛工藝窗口小，質(zhì)量控制難度大。焊件在通過回流爐的整個(gè)過程中，對其表面溫度變化的控制比傳統(tǒng)的要求更高，因此無鉛制造的回流爐溫區(qū)數(shù)量應(yīng)多于傳統(tǒng)的爐子，通常需要8個(gè)溫區(qū)(加溫區(qū)4個(gè)、回流區(qū)2個(gè)、冷卻區(qū)2個(gè))[5]。一般爐子的傳送速度控制在70～75cm/Min為宜。

3.1 對溫度曲線的分析

下面結(jié)合圖1無鉛回流焊溫度曲線進(jìn)行分析。

3.1.1 升溫預(yù)熱區(qū)

起始溫度(30℃)到130℃時(shí)的溫升速率為1～3 ℃/s，升溫區(qū)從室溫30℃升到130℃需要35～100s的時(shí)間，預(yù)熱區(qū)從130～180℃時(shí)的恒溫時(shí)間要控制在60～120s。當(dāng)多層板、大尺寸板以及有大熱容量元器件的復(fù)雜印制電路板時(shí)，為了使整個(gè)PCB溫度均勻，減小PCB及大小元器件的溫差?t，無鉛焊接需要緩慢升溫和預(yù)熱。

3.1.2 快速升溫區(qū)（助焊劑浸潤區(qū)）

從180℃升到217℃，升溫37℃。由于Sn-Ag-Cu比63Sn/37Pb的熔點(diǎn)高34℃，另外溫度越高升溫越困難，如果升溫速率提不上去，長時(shí)間處在高溫下會使焊膏中助焊劑提前結(jié)束活化反應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)會使PCB焊盤，元件引腳和焊膏中的焊料合金在高溫下重新氧化而造成焊接不良。助焊劑浸潤區(qū)對擴(kuò)散、溶解形成良好結(jié)合層是極其重要的，助焊劑浸潤區(qū)的主要作用是清洗焊接面的氧化層，同時(shí)要求助焊劑在焊料熔融時(shí)還要保持一定的活性，因此要求助焊劑浸潤區(qū)有更高的升溫斜率。

3.1.3 回流區(qū)

從Sn-Ag-Cu焊料熔融溫度217℃到焊料凝固溫度217℃為回流區(qū)，即流動的液相區(qū)，高過217℃的時(shí)間要控制在30～60s之間；高過230℃的時(shí)間不要超過20s，最高峰值在240℃±5℃。回流區(qū)是擴(kuò)散、溶解、冶金結(jié)合形成良好焊點(diǎn)的關(guān)鍵區(qū)域。由于無鉛焊接溫度高，既要保證充分焊接還要考慮到不要使高溫?fù)p壞元器件和印制板，因此正確控制回流時(shí)間、以及峰值溫度和峰值時(shí)間是極其重要的。

由于FR-4基材PCB的極限溫度為240℃～245℃，有些有鉛元器件的極限溫度也是240℃，因此無鉛焊接時(shí)只允許有5℃～10℃的波動范圍，工藝窗口非常窄。如果PCB表面溫度是均勻的，那么實(shí)際工藝允許有5℃～10℃ 的誤差。假若PCB表面溫度差?t＞5℃，那么PCB某處已超過FR-4基材PCB以及某些元件的極限溫度240℃，會損壞PCB和元器件。對于有大熱容量的復(fù)雜產(chǎn)品，可能需要260℃才能焊好。這時(shí)FR-4基材PCB以及某些元器件就不能滿足無鉛的高溫要求。

在實(shí)際回流焊中，在同一塊PCB上，特別是大尺寸、復(fù)雜的多層板，由于不同位置銅的分布面積不同，不同位置上元器件的大小、元器件的密集程度不同，因此PCB表面的溫度是不均勻的。回流焊時(shí)如果PCB某處最小峰值溫度為235℃ ，最大峰值溫度取決于板面的溫差?t，它取決于板的尺寸、厚度、層數(shù)、元件布局、Cu的分布以及元件尺寸和熱容量：擁有大而復(fù)雜元件（如CBGA）的大、厚印制板，典型?t高達(dá)20℃～25℃。

3.1.4 冷卻區(qū)

由于回流區(qū)的峰值溫度高，為了防止由于焊點(diǎn)冷卻凝固時(shí)間過長，造成焊點(diǎn)結(jié)晶顆粒長大；同時(shí)降溫速度也不能過快，過快降溫會損壞元器件。所以降溫率控制在3℃/s～5℃/s之間為好。

3.2 設(shè)置溫度曲線的依據(jù)

理想的溫度曲線根據(jù)組裝中使用的焊膏型號不同而有差異。根據(jù)焊膏的化學(xué)成分，制造商會推薦最佳的溫度曲線以求得到最優(yōu)的性能。在設(shè)置再流焊溫度曲線時(shí)，一般還需要考慮到以下一些因素：

1）根據(jù)助焊劑的活化溫度和活性考慮助焊劑浸潤區(qū)的溫度和斜率。

2）根據(jù)PCB板的材料、厚度、是否多層板、尺寸大小等進(jìn)行設(shè)置。

3）根據(jù)表面組裝板搭載元器件的密度、熱分布、以及元器件的大小以及有無BGA、CSP等特殊元器件進(jìn)行設(shè)置。

4）根據(jù)設(shè)備的具體情況，例如加熱區(qū)長度、加熱源材料、再流焊爐構(gòu)造和熱傳導(dǎo)方式等因素進(jìn)行設(shè)置。

比如，熱風(fēng)爐和紅外爐有很大區(qū)別，紅外爐主要是輻射傳導(dǎo)，其優(yōu)點(diǎn)是熱效率高，溫度陡度大，易控制溫度曲線，雙面焊時(shí)PCB上、下溫度易控制。其缺點(diǎn)是溫度不均勻。在同一塊PCB上由于器件的顏色和大小不同、其溫度就不同。為了使深顏色器件周圍的焊點(diǎn)和大體積元器件達(dá)到焊接溫度，必須提高焊接溫度。熱風(fēng)爐主要是對流傳導(dǎo)。其優(yōu)點(diǎn)是溫度均勻、焊接質(zhì)量好。缺點(diǎn)是PCB上、下溫差以及沿焊接爐長度方向溫度梯度不易控制。

5）根據(jù)溫度傳感器的實(shí)際位置來確定各溫區(qū)的設(shè)置溫度。

6）根據(jù)排風(fēng)量的大小進(jìn)行設(shè)置。

7）環(huán)境溫度對爐溫也有影響，特別是加熱溫區(qū)短、爐休寬度窄的再流焊爐，在爐子進(jìn)出口處要避免對流風(fēng)。

4 結(jié)束語

綠色環(huán)保產(chǎn)品是時(shí)代的主流，中國市場已經(jīng)逐步與國際市場接軌，對于電子組裝企業(yè)來說，無鉛焊接技術(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)問題。在實(shí)際生產(chǎn)中，各企業(yè)要根據(jù)自己的產(chǎn)品、設(shè)備等方面考慮焊料的選取、不斷研究無鉛焊接中的工藝問題，提倡與回流爐制造商一起為產(chǎn)品開發(fā)出一個(gè)合適的溫度曲線，探討整個(gè)系統(tǒng)操作成本問題等。

[1] 何柏林,于影霞,張馨.無鉛釬料的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].熱加工工藝,2006(15):54.

[2] 胡志田,何前進(jìn),徐道榮.無鉛軟釬料國內(nèi)外的研究動態(tài)與發(fā)展趨勢[J].焊接技術(shù),2005,34(3):4-7.

[3] 侯瑞田.淺談Sn-Ag-Cu無鉛焊料的可靠性[J].電子與封裝,2008,(8):4-8.

[4] Dongkai Shangguan.無鉛焊料互聯(lián)及可靠性[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[5] 盛菊儀,徐冠捷.無鉛回流焊工藝及設(shè)備[J].電子工藝技術(shù),2003,(3):60-63,67.