淺析無鉛焊接工藝技術(shù)

李曉松

【摘 要】隨著環(huán)保標準的逐步提高，無鉛工藝代替有鉛工藝已成為電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個必然趨勢。本文對有鉛工藝和無鉛工藝進行了分析和對比，對無鉛工藝的現(xiàn)狀和工藝流程進行了較為詳細的分析，最后對常見的無鉛焊接缺陷進行了分析并提出了解決措施，本文具有一定的借鑒價值。

【關(guān)鍵詞】無鉛；有鉛；工藝窗口

一、有鉛、無鉛焊接工藝比較

有鉛焊接工藝技術(shù)有上百年的發(fā)展歷史，具有較好的焊接可靠性和穩(wěn)定性，擁有成熟的生產(chǎn)工藝技術(shù)，這主要取決于有鉛焊料合金具有以下特點：有鉛焊料合金熔點低，焊接溫度低，對電子產(chǎn)品的熱損壞少；有鉛焊料合金潤濕角小，可焊性好，產(chǎn)生焊點假焊的可能性小；焊料合金的韌性好，形成的焊點抗振動性能好于無鉛焊點。

無鉛焊接工藝從目前的研究結(jié)果中，所有可替代合金的熔點溫度都高于現(xiàn)有的錫鉛合金。例如從目前較可能被業(yè)界廣泛接受的錫-銀-銅合金看來，其熔點是217℃， 這將在焊接工藝中造成工藝窗口的大大縮小。理論上工藝窗口的縮小為從錫鉛焊料的37℃降到23℃。實際上，工藝窗口的縮小遠比理論值大。因為在實際工作中我們的測溫法含有一定的不確定性，加上DFM的限制，以及要很好地照顧到焊點外觀等， 回流焊接工藝窗口其實只有約14℃。

不只是工藝窗口的縮小給工藝人員帶來巨大的挑戰(zhàn)，焊接溫度的提高也使得焊接工藝更加困難。其中一項就是高溫焊接過程中的氧化現(xiàn)象。我們都知道， 氧化層會使焊接困難、潤濕不良以及造成虛焊。氧化程度除了器件來料本身要有足夠的控制外，用戶的庫存條件和時間、加工前的處理（例如除濕烘烤）以及焊接中預熱（或恒溫）階段所承受的熱能（溫度和時間）等都是決定因素。由于無鉛焊接工藝窗口比起含鉛焊接工藝窗口有顯著的縮小，業(yè)界有些人認為氮氣焊接環(huán)境的使用也許有必要。氮氣焊接能夠減少熔錫的表面張力，增加其潤濕性。也能防止預熱期間造成的氧化。但氮氣非萬能，它不能解決所有無鉛帶來的問題。尤其是不能解決焊接工藝前已經(jīng)造成的問題。

二、無鉛焊接現(xiàn)狀及工藝方法

無鉛的定義尚未有國際統(tǒng)一標準。一般認定的“無鉛”，是指電子產(chǎn)品中的鉛含量不超過0.1%（質(zhì)量分數(shù)）。總體來講，無鉛封裝是一個系統(tǒng)工程，它不僅僅指無鉛焊料，還有相應(yīng)的元器件引腳及其覆層、PCB涂鍍覆層等要求無鉛。同時，由于現(xiàn)有大量昂貴的電子產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備與制造工藝大都是與傳統(tǒng)錫鉛料相適應(yīng)的，所以向無鉛化的轉(zhuǎn)變必然會帶來大量明顯和潛在的問題。

實現(xiàn)電子組裝無鉛化有兩個辦法

1）采用新型的無鉛合金替代傳統(tǒng)的鉛錫合金，并基本上不改變現(xiàn)有的生產(chǎn)過程。這是為了在使用無鉛合金的同時，使無鉛生產(chǎn)工藝與現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備盡量兼容，降低技術(shù)更新的成本。

2）采用導電互連技術(shù)取代合金互連技術(shù)。各向同性導電膠期望可在現(xiàn)有的生產(chǎn)條件下與焊膏一樣作為互連材料，并且可在較低溫度下固化，還可以應(yīng)用于更細間距的印刷。

三、無鉛焊接常見問題及解決措施

無鉛焊接缺陷主要有表面裂紋和表面發(fā)暗兩種缺陷。

（一）表面裂紋（龜裂）

由于PCB基板材料及PCB上銅箔導線、銅過孔壁及元件引腳之間的熱膨脹系數(shù)存在差異，焊接過程中PCB在Z軸方向出現(xiàn)的熱膨脹遠大于銅過孔臂的熱膨脹，從而引起焊點和焊盤變形。即使PCB通過了波峰，但大量密集焊點固化熱量傳導至板材而使PCB繼續(xù)處于熱膨脹狀態(tài)。一旦固化熱能輻射結(jié)束，焊點就開始緩慢下降至環(huán)境溫度，PCB開始冷卻恢復平板狀，這就在焊點表面產(chǎn)生很大的應(yīng)力，引起焊盤起翹或焊點剝離或表面裂紋。

表面裂紋是無鉛波峰焊工藝中通孔焊點上出現(xiàn)的新缺陷。在接觸波峰面焊點表面出現(xiàn)肉眼可觀察到的裂紋。IPC- 610-D指出： 只要裂紋底部可見，且沒有深入內(nèi)部接觸引線和焊盤影響電氣及力學性能就判定為合格， 但實際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免表面裂紋的產(chǎn)生。

解決措施如下：控制合適的焊接溫度和浸錫時間，減少變形量；控制焊點冷卻凝固之前變形量，比如提高預熱溫度；控制適當冷速： 一般冷速控制在6℃/s- 10℃/s， 冷速對晶粒大小形態(tài)及結(jié)晶速率影響很大，避免形成方向性明顯的枝晶影響釬料基體性能；控制材料工藝性： 采用高Tg、Z方向膨脹系數(shù)小PCB， 防止大量變形產(chǎn)生板級應(yīng)力；選用共晶釬料或含對無鉛合金裂紋收縮有顯著影響的元素（添加Ni）的釬料， 同時防止Pb及Bi的污染等；保持印刷電路板清潔， 防止元器件引線氧化，同時評估板面和元件鍍層的影響（推薦I-Ag/I- Au） ， 評估焊劑化學物質(zhì)對裂紋是否有作用。

（二）表面發(fā)暗

大部分無鉛焊點呈灰暗或者灰白色，這和錫鉛焊點光滑、明亮、有光澤的表面有所不同。這一現(xiàn)象產(chǎn)生有許多原因，其中包括多種合金元素不同共晶晶核的形成，凝固時焊料的收縮及焊膏未完全凝固時元件移動或焊料流動。其中合金形核中SAC合金最為典型。

焊料是由兩種或多種合金組成，它的熔化和凝固取決于在焊料不同共晶可能凝固的區(qū)域。在焊料中含有銅和銀時就會出現(xiàn)這種情形，CuSn（227℃）和AgSn（ 221℃）二元共晶部分或初晶晶粒，焊點凝固時再次形成SnAgCu（ 217 ℃）三元共晶，從而形成多種結(jié)晶共存現(xiàn)象。同時對于富錫合金，錫晶體可能會在焊點冷卻到232℃時凝結(jié)在合金層的外面。如果元件引腳鍍了錫鉛合金，從錫鉛鍍層中熔解出來的鉛也會形成共晶晶粒或形成錫鉛共晶體（183℃），同時含銀時也會出現(xiàn)SnPbAg（178℃）共晶體。

在凝固期間，最低熔點的共晶被已經(jīng)凝固的微粒所包圍。這就是說在焊點的最后凝固階段，液態(tài)焊料和已經(jīng)凝固的微粒形成了不同的紋理結(jié)構(gòu)。熔化的焊料在凝固時體積收縮大約4%，體積的減少和收縮大多數(shù)發(fā)生在焊點最后凝固的那部分合金，在液體和固體混合凝固的不同階段，它們有不同的表面結(jié)構(gòu)，如果這些晶粒是在焊點表面就可能導致焊點呈現(xiàn)灰暗、表面沒有光澤。

當焊料還未完全凝固時待焊元件或焊料發(fā)生抖動，最壞的情況是焊點產(chǎn)生裂紋失去光澤。在焊點形成時焊盤的自然移動也會引起這個現(xiàn)象。在元件有很多引腳（如連接器）的情況下焊盤移動相當大，有可能會導致焊錫撕裂、焊錫浮起或者焊盤的撕裂。波峰焊中強迫冷卻可以幫助PCB以較快的速度降低溫度，但對于上述機理沒有任何實際作用。因為大多數(shù)焊點是在離開波峰之后5s內(nèi)就可完成凝固。在這之后的任何冷卻對已經(jīng)凝固的焊點都不會有重要的作用。

【參考文獻】

[1]王萬剛，王小平，彭勇.無鉛回流焊技術(shù)探討[J].制造業(yè)自動化.2010（01） .

[2]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).2004（02）.