無鉛焊接技術的發展現狀及未來發展趨勢

【摘要】電子產品生產中傳統的焊接材料為錫鉛合金，鉛屬于有毒重金屬，對人體健康有害，我國在2003年做出了無鉛化生產的相關規定，本文就無鉛焊接技術的發展現狀以及未來發展趨勢來闡述無鉛焊接的必然性和緊迫性。

【關鍵詞】無鉛焊接；助焊劑；焊接設備

1.引言

鉛是一種多親害性、對人體有毒的物質，主要損害人的神經系統、造血系統、消化系統，鉛中毒也是引發白血病、腎病、心臟病、精神異常的重要因素之一。鉛毒不僅對水污染，而且對土壤、空氣均可產生污染，一旦環境產生嚴重鉛污染，其治理的難度很大、周期甚長、經費支出巨大。電子制造業中大量使用的錫鉛合金焊料（Sn/Pb）是污染人類生存環境的重要根源之一。實現電子制造的全面無鉛化，以減少環境污染，提升綠色制造競爭能力，以適應國內外市場對綠色電子產品的需求，是我國電子制造業以后勢在必行的舉措。

2.無鉛焊接技術的發展現狀

目前，無鉛焊料的成分并沒有統一的標準，通常是以錫為主體，添加其他金屬，近幾年來有關無鉛焊料的研究工作發展很迅速。目前最常見的無鉛焊料，主要是以Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi為基體，在其中添加適量的其他金屬元素所組成的三元合金和多元合金。現在市場上主要以錫/銀/銅合金為主，取代錫/鉛焊料的錫/銀/銅合金，3種存在不同的配比形式：日本傾向于96.5%錫/3.0%銀/0.5%銅，北美更傾向于95.5%錫/3.9%銀/0.6%銅，傾向于95.EU5%錫/3.8%銀/0.7%銅。IPC推薦的三種焊料合金是：96.5%錫/3.0%銀/0.5%銅，95.5%錫/3.8%銀/0.7%銅，95.5%錫/4.0%銀/0.5%銅。

3.無鉛焊接技術未來發展趨勢

無鉛焊技術主要應用在電子元件組裝領域，其存在的形態為焊條、焊絲、焊膏。其應用范圍主要在各種電子、電器產品，印制電路板（PCB）的組裝。影響無鉛焊接技術的應用的因素很多。要使無鉛焊接技術得到廣泛應用，還必須從電子組裝焊接這個系統工程的角度來解析和研究。

3.1 元器件目前開發已用于電子產品組裝的無鉛焊料，熔點一般要比有鉛焊料高，所以要求元器件耐高溫，而且無鉛化，即元器件內部連接和引出端（線）也要采用無鉛焊料和無鉛鍍層。尤其塑封器件，耐熱力要達到280℃/5S，與錫/鉛元器件相同，使用前按要求對元器件進行預處理，減少焊接過程中缺陷的產生，同時要求元器件端電極材料均為無鉛。

3.2 在PCB板方面，無鉛焊接要求PCB的基礎材料耐更高溫度，焊接后不變形，表面鍍覆的無鉛共晶合金材料與組裝焊接用無鉛焊料兼容，而且要考慮低成本。為了適應更高的溫度，防止板的變形和銅箔的翹起，以滿足無鉛焊接的溫度特性的要求，制造商多在板的表面涂覆一層有機可焊性保護層OSP，該涂層厚0.2～0.5um，它在預熱區因較高溫度而失去活性，在活性區被助焊劑中的酸和溶劑溶解而變成助焊劑的一部分，在回流區揮發掉。

3.3 焊接工藝與設備焊接設備要適應新的焊接溫度的要求，例如需要加長預熱區或更換新的加熱元件。若采用波峰焊，錫爐內壁、波峰馬達等始終與無鉛焊料接觸的部件，其抗溶蝕能力應比錫鉛焊爐中的部件要更高。波峰焊技術是將印制電路板組裝件以平面直線運動方式，與熔融的呈波峰狀隆起的焊料接觸鉛焊連接的方法。波峰焊是一種先進的生產工藝，具有焊接質量穩定、生產一致性強、自動化程度高等。

3.4 助焊劑為滿足無鉛焊料焊接的要求，需要開發新型的氧化還原能力更強和潤濕性更好的助焊劑。新開發的助焊劑要與焊接預熱溫度和焊接溫度相匹配，而且要滿足環保的要求。迄今為止，實際測試證明，免清洗助焊劑用于無鉛焊料焊接效果更好。

3.5 無鉛焊接的質量管理。只要滿足無鉛焊料的溫度特性，采用與傳統錫鉛焊的相同的質量控制方法，那么，無鉛焊接的質量和Sn-Pb共晶并沒有太大的區別。回路焊接的不良率也沒有增加。以感應式充電器為例，其充電性能、溫度試驗、冷熱循環沖擊試驗、附著力測試、振動試驗、吸附試驗、潮態試驗等效果均十分理想。焊接缺陷統計顯示也沒有明顯差別。唯一要指出一點的手工修理時要注意對焊工進行培訓，因為焊接溫度翹起和損壞元件，同時，鐵烙頭更容易氧化，必須定期更換。

4.影響SMT無鉛焊技術的幾個因素

工藝溫度在無鉛回流焊接中，無鉛焊錫影響工藝溫度，因此影響到加熱溫度曲線。為了以較低的維護停機時間保持機器的清潔，需要一個適當的助焊劑流動管理系統。冷卻系統無鉛焊接中推薦一個受控的冷卻系統，因為一旦爐子具有適當的冷卻能力，液化以上的時間，晶粒結構和板子出來的溫度都可以界定自然需要更多的室溫風扇。而推薦使用的是一個高級的直接空氣、完全集成的、排熱系統。這個系統設計用于以較低的氮氣消耗提供良好的冷卻。

助焊劑的選擇由于較高的工藝溫度，無鉛焊接要求與含鉛焊錫不同的助焊劑。助焊劑類型決定哪一種預熱配置最適合干該工藝。選擇一種具有快速變換配置靈活性的波峰焊接機器。預熱模塊應該容易交換，以找到對每個個別工藝的最佳安排。焊腳和空洞在無鉛焊接中，會發生一些特別的缺陷，諸如焊腳開起。焊腳開起的主要原因是合金化合物、銅焊盤、板厚度與材料的溫度膨脹系數的不匹配。

5.結束語

我國已成為電子組裝業的大國，隨著全球經濟一體化和我國進入WTO ，禁鉛令對我國電子工業形成強大沖擊，主要表現在印刷電路板、IC 封裝、電機、電子半導體、電訊、家電產業、光學儀器等諸多領域，若不盡快開發應用新型環保焊接材料，將直接影響電子產品出口和人居環境的改善。目前我們在無鉛焊膏的開發應用方面還相當落后，面臨日本和歐洲的含鉛焊錫禁用政策和國際環保政策，對無鉛焊膏的開發應用不僅勢在必行，還必須加大開發力度，盡快跨入無鉛技術領域，各相關產業在制作工藝上必須相互配合，共同促進其發展。

參考文獻

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作者簡介：何良松（1979—），男，安徽六安人，工程師，主要從事電子工程技術方面的研究。