无铅焊接的发展趋势

    由于铅对人类的危害,防止铅污染已成世界潮流。日本已于1998年开始在大公司实施无铅化制造。2003年以前,日本的索尼、东芝、日立、NEC等大公司已基本实现电子产品无铅化。2003年，我国信息产业部发布"电子信息产品污染防治管理办法"文件，规定从2006年7月1日起，全面禁止在电子信息产品生产中使用含铅的焊料，要求投放市场的电子、电气产品不含铅、汞、镉、六价铬、聚溴二苯醚和联苯6种有害物质。市场的发展趋势将迫使含铅焊料的电子产品无法进入市场。因此，在波峰焊和再流焊接中采用无铅焊料和无铅焊接工艺技术就成为我们面临的紧迫任务。

无铅焊接面临的问题

    无铅焊接面临着三个急需要解决的问题，一是焊料的无铅化，二是元器件和印刷板的无铅化，三是焊接设备的无铅化。

1、焊料的无铅化

    按照焊料的无铅化的要求，焊料生产厂、供应商已进行了大量的科研、试验和推广工作，目前推向市场的无铅焊料已不下几十种。国外某些研究机构和生产企业对这些无铅焊料进行了大量的生产现场试验和验证工作。经过生产考验与淘汰，目前行业认可、并逐步推广应用的属于Sn/Ag/Cu系、Sn/Cu系、Sn/Ag系和Sn/Ag/Su/x系的系列合金。我国部分中外合资的焊料生产厂家已经开始生产无铅焊料并供应市场。

    对我国电子工业较为适用的无铅焊料可能从表1所列的合金中优选出来。目前我国波峰焊中使用的无铅焊料普遍认可Sn95．5/Ag4．0/Cu0．5和Sn99．3/Cu0．7两种合金。在再流焊接中使用的焊膏中使用的无铅焊料是Sn96．5/Ag3．5和Sn95．5/Ag4．O/CuO．5。手工焊接时使用Sn99．3/Cu0．7焊料。以上无铅焊料的熔化温度虽然比Sn/Pb焊料要高大约30-40℃，其性能基本上令人满意。但由于预热时间的延长，预热和焊接温度的提高对印制板和元器件的耐热性提出了更高的要求。

    我国湖南郴州金箭焊料公司生产的无铅焊料已出口国外，并供应国内市场。金箭焊料公司已能生产14种不同组分的无铅焊料，选择其中适合电子工业无铅焊接的5种无铅焊料为例，简要说明如下：

2、元器件和印制板的无铅化

    元器件和印制板的无铅化就是将其引线或PCB镀层原来使用的Sn/Pb焊料等可焊涂复层，用无铅焊料或其他可焊层替代。但因为涉及的领域较广，替代技术相对要复杂一些。从技术角度考虑，对元器件引线，可选择纯锡、银、钯/镍、金、镍/钯、镍/金、银/钯、镍/金/铜等代替Sn/Pb焊料等可焊涂复层。对印制线路板上的焊盘和导电层，下列可焊涂复层可作为原有Sn/Pb焊料等可焊涂复层的良好替代：

    1)OSP(OrganicSolderabilityPreservative)有机可焊保护层，此保护层在高温下才会分解消逝，是一种比较稳定的氧化防护层。

    2)化学镀银/电镀镍银、电镀镍/金、铜/金层上热风整平镀锡、电镀镀镍/钯、镀纯锡、电镀钯/铜等。

3、焊接设备的无铅化

    主要是波峰焊机和再流焊机设备要进行无铅化改造。再流焊机设备的无铅化改造比较简单，只需加长预热温区的长度、提高加热控制精度。这样，在使用时选择最少5温区以上的再流焊机、设置正确的温度曲线，调整适当的焊接参数即可。而波峰焊机的无铅化改造相对就比较复杂一些。以下重点叙述波峰焊机的无铅化改造要求。再流焊接的预热控制、焊接加热控制和波峰焊接的预热控制以及焊接加热控制的要求基本相近，可参考借鉴。

波峰焊机的无铅化要求

    与传统的波峰焊机相比，无铅波峰焊机在结构上和性能上有下列不同的改进。

1、预热及加热温度提高，温控精度高

    由于无铅焊料熔融温度比有铅焊料高30℃以上，要求波峰焊机的预热温度和锡炉温度身高。预热时间一般1-3分钟，PCB传送速度1．2米/分，预热区长度大于1．4米以上，一般分为两段预热。元器件预热在130-150℃(焊接面)，保温区150-170℃(10-30秒)，焊接区焊接温度250±2℃(实测元器件焊点温度230℃以上)。为此波峰焊机的预热区通常采用热板式或高温烧结陶瓷管或远红外发热管加热方式，预热区的温度控制采用PID方式+模拟量调压调相方式，温度精度控制＜±2℃。再流焊机的预热和再流焊温度接加热一般采用全热风对流或者红外+热风对流方式。

2、锡炉喷口结构改进

    要求焊接时焊料浸润时间不小于4秒。采用双波峰焊接，第一波峰为通常的絮流波，第二波峰为层流宽平波。采用加宽波峰口，减小波峰口间距的设计方案。两波峰口之间距离60mm左右，使两波之间的焊锡相距30mm左右。焊接时两波峰之间的温度跌落(下降)最大不超过50℃。

3、焊锡防氧化与锡渣分流

    无铅焊料的高含锡量使焊料更容易氧化，控制焊锡氧化成为无铅焊接时的重要问题。采取的主要措施如下：

    1)采用新型喷口结构和锡渣分离设计，尽量减少锡渣中的含锡量，在正常工作情况下可使锡的氧化渣量减少到每8小时低于2KG。

    2)氧化渣自动聚积的流向设计，波峰上无飘浮的氧化锡渣，无须淘渣，减少维护。

    3)要彻底减少氧化渣的形成，最好采用氮气保护。在200℃以上时，焊盘容易氧化，氧化膜的厚度随温度的升高快速增加，可能出现焊料润湿性变差，影响焊接质量。氮气保护首期投资较大，但从质量和经济性长远考虑，最终还是划算的。

4、增加抗腐蚀性措施

    无铅焊料在高温下，锡对铁有较强的溶解性，传统的波峰焊机的不锈钢焊料槽及锡汞和喷口会逐渐腐蚀，特别是叶片、喷口等更容易损坏。如果无铅焊料中含有锌(zn)，则更易使其氧化。因此无铅焊接的波峰焊机的这些部位应当采用钛合金制造，才可避免腐蚀损坏。

5、助焊剂和助焊剂喷涂系统

    无铅焊接时，最好采用专为无铅焊接研制的免清洗助焊剂，该助焊剂固体含量低、不含卤素、挥发完全，也不含任何树脂、松香和其他合成物质，焊后无残留物。晶英公司生产的免清洗助焊剂IF2005C，专为无铅焊接研制，对于大部分难以焊接的表面有极好的焊接性能，焊后无残留物。在HAL、OSP、镍金、及化学镀锡表面，焊接可靠性极高。

    助焊剂最好使用助焊剂喷涂系统，采用喷雾法进行焊剂的喷涂。助焊剂喷涂系统具有一个密闭式的增压恒压罐，内装助焊剂。喷嘴采用步进伺服电机驱动，微机控制。是一个喷涂速度、喷涂宽度和喷涂量可调的自动跟踪系统。助焊剂回收采用上下抽风、两级不锈钢丝网过滤，上部过滤倾斜，利用流体特性最大极度地过滤收回多余的助焊剂。该系统适合各种无VOC环保助焊剂的喷涂。

6、温度控制精度提高

    原来使用有铅焊料时，熔融温度为183℃，达到焊接温度250℃(实测元器件焊点温度210℃左右)，工艺窗口宽度为67℃。无铅焊接时无铅焊料的熔融温度提高到210℃以上。由于元器件耐热性的限制，焊接温度仍旧为250℃，使其焊接区的工艺窗口变仄。这就要求波峰焊机的温度的控制精度提高到±2℃，再流焊机的温度的控制精度提高到±1℃。传统波峰焊机采用温度表方式控温，原理为通断模式(ON-OFF)温度精度低。新的无铅波峰焊接机有的厂家采用PID+模拟量调压控制方法，可减少温度冲击，达到较高的温控精度。焊料槽的温控精度最低应达到±2℃。

7、控制冷却速率

    推广过渡阶段，无铅焊料势必与某些元器件及印制板上的有铅涂层共同存在。由于无铅焊料液相显和固相线温差较大，其冷却速率与印制板的冷却速率不同，导热系数大的插装元件引线和铜焊区附近先凝固，焊料产生热收缩，而使最后凝固的低熔点焊料在靠近焊盘一侧发生剥离，出现无铅焊料的焊点与印制板焊盘相剥离现象。若采用含Bi的无铅焊料这种现象可能更为突出。为避免这一现象，波峰焊机的出口处加装冷却装置。一般采用自然风强制冷却，冷却速率在6-8℃/秒或8-12℃/秒，根据具体情况确定。

8、波峰焊接温度曲线优化

    对于有铅波峰焊来说，63/37焊料熔化温度为183℃，焊接峰值温度为250℃，其工艺窗口为67℃。对于无铅波峰焊来说，Sn95．5/Ag4．0/CuO．5无铅焊料熔化温度为215-220℃，焊接峰值温度为250℃，其工艺窗口为30℃。而要达到焊料的良好湿润性，元器件端头及印制板焊盘处的实际温度必须达到230℃以上，才能实现有效地焊接，这样其有效的工艺窗口仅为20℃。小型元器件经过预热区、再经过焊接区峰值温度，很容易就可达到230℃。但大型元器件的温度这时远远未达到，这就需要延长预热时间，以便降低元器件之间的温度差，使大型元器件经过焊接区峰值温度时，其焊点的温度也能达到230℃，所以，无铅波峰焊机的预热区要比普通波峰焊机长得多。

    图1是无铅焊接的波峰焊接温度曲线，除了需要有足够的预热时间和预热温度、保证足够的焊接时间外，焊接时波峰的峰值温度与预热温度之差小于150℃(T3-T1<150℃)。

特别要注意以下温度点：

    从预热段到焊接前的温度跌落(下降)最大小于5℃(dtl＜5℃)。

    两波峰焊接之间的温度跌落最大小于50℃(dtl<50℃，高可靠产品dt2＜30℃)。

    两波峰焊接时间之和一般为4秒，不得小于3秒(t2+t3＞3-5秒)。