無鉛回流焊技術探討

王萬剛，王小平，彭 勇

（重慶城市管理職業學院 信息工程學院，重慶 400055 ）

0 引言

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

1 無鉛制程引發的問題

1.1 無鉛焊膏評價體系的改變

回流焊接使用的無鉛焊膏，除了必須適應應用中的印刷／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。

1.2 無鉛工藝溫度高，工藝窗口小

無鉛工藝溫度高，熔點比傳統有鉛共晶焊料高50℃ 左右；工藝窗口小，質量控制難度大。高溫焊料進行回流焊的最大課題是電子元件焊接時的損傷，因目前大多數電子元件是針對Sn-37Pb焊料而設計的，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，如果同時存在熱容小的元件一起加熱，很可能就會產生對元件的過熱，即超過了元件承受的耐熱溫度。針對Sn-Ag系焊料的應用發展，在減少對多引線LSI 和小型元件使用限止的同時，設法增加元件的耐熱性，適當降低回流焊的最高溫度，提高回流爐的均勻加熱能力，提高焊接預熱溫度，改變元件電極的設計等都是急需要著手進行的課題。

1.3 焊點可靠性問題

無鉛焊點浸潤性差，擴展性差；無鉛焊點外觀粗糙，傳統的檢驗標準與檢測技術有待更新。特別是可靠性評價中還存在著很多不清楚的地方，在積累數據的同時，為縮短從開發到生產的準備時間，有必要研究和開發各種各樣的性能加速試驗方法[1]。

1.4 缺陷多

主要由于浸潤性差，使自定位效應減弱造成的。

2 當前無鉛回流焊中的焊料

據統計全球范圍內共研制出焊膏、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系合金釬料的力學性能、釬焊性、熱疲勞可靠性均良好，其共晶成分熔點為221℃ ；此外，由于Ag的抗氧化性能好，使用起來無需氣體保護。其顯著優點是對Au的溶入有較大的容忍度，即使Au的溶入量達到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械特性較好，抗張強度比錫鉛焊料高1.5倍～2.0倍，而且具有非常優秀的抗熱疲勞性能，化學性能穩定、連續印刷性好，能滿足細間距電子元件(QFP)的焊接，很少出現橋接現象，可獲得與錫鉛合金同樣的焊點機械性能[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系合金是工業界傾向采用的無鉛釬料。通常認為，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IPC、焊料供應商和電子制造服務商對合金成分標準化的研究表明，這些Ag含量不同的Sn-Ag-Cu合金在工藝性能和熱機械可靠性上沒有顯著差別[4]。

當前Sn-Ag-Cu焊料被作為實現無鉛的標準合金，并達成共識。然而，由于這種合金熔點仍偏高，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，在錫銀合金基礎上添加鉍、銦以降低熔點以及開發低溫段的錫鋅系無鉛化焊料成為業界和學術界的研究熱點。除了存在耐熱性問題外，還存在著對銅的潤濕性差的問題。從擴散率來看，錫鉛焊料擴散率超過90%，而錫銀銅焊料在80%左右。不過，隨著技術的不斷進步，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置

由于無鉛工藝窗口小，質量控制難度大。焊件在通過回流爐的整個過程中，對其表面溫度變化的控制比傳統的要求更高，因此無鉛制造的回流爐溫區數量應多于傳統的爐子，通常需要8個溫區(加溫區4個、回流區2個、冷卻區2個)[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

下面結合圖1無鉛回流焊溫度曲線進行分析。

3.1.1 升溫預熱區

起始溫度(30℃)到130℃時的溫升速率為1～3 ℃/s，升溫區從室溫30℃升到130℃需要35～100s的時間，預熱區從130～180℃時的恒溫時間要控制在60～120s。當多層板、大尺寸板以及有大熱容量元器件的復雜印制電路板時，為了使整個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熱。

3.1.2 快速升溫區（助焊劑浸潤區）

從180℃升到217℃，升溫37℃。由于Sn-Ag-Cu比63Sn/37Pb的熔點高34℃，另外溫度越高升溫越困難，如果升溫速率提不上去，長時間處在高溫下會使焊膏中助焊劑提前結束活化反應，嚴重時會使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。助焊劑浸潤區對擴散、溶解形成良好結合層是極其重要的，助焊劑浸潤區的主要作用是清洗焊接面的氧化層，同時要求助焊劑在焊料熔融時還要保持一定的活性，因此要求助焊劑浸潤區有更高的升溫斜率。

3.1.3 回流區

從Sn-Ag-Cu焊料熔融溫度217℃到焊料凝固溫度217℃為回流區，即流動的液相區，高過217℃的時間要控制在30～60s之間；高過230℃的時間不要超過20s，最高峰值在240℃±5℃。回流區是擴散、溶解、冶金結合形成良好焊點的關鍵區域。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損壞元器件和印制板，因此正確控制回流時間、以及峰值溫度和峰值時間是極其重要的。

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雜產品，可能需要260℃才能焊好。這時FR-4基材PCB以及某些元器件就不能滿足無鉛的高溫要求。

在實際回流焊中，在同一塊PCB上，特別是大尺寸、復雜的多層板，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、元件布局、Cu的分布以及元件尺寸和熱容量：擁有大而復雜元件（如CBGA）的大、厚印制板，典型?t高達20℃～25℃。

3.1.4 冷卻區

由于回流區的峰值溫度高，為了防止由于焊點冷卻凝固時間過長，造成焊點結晶顆粒長大；同時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 設置溫度曲線的依據

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

1）根據助焊劑的活化溫度和活性考慮助焊劑浸潤區的溫度和斜率。

2）根據PCB板的材料、厚度、是否多層板、尺寸大小等進行設置。

3）根據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等特殊元器件進行設置。

4）根據設備的具體情況，例如加熱區長度、加熱源材料、再流焊爐構造和熱傳導方式等因素進行設置。

比如，熱風爐和紅外爐有很大區別，紅外爐主要是輻射傳導，其優點是熱效率高，溫度陡度大，易控制溫度曲線，雙面焊時PCB上、下溫度易控制。其缺點是溫度不均勻。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和大體積元器件達到焊接溫度，必須提高焊接溫度。熱風爐主要是對流傳導。其優點是溫度均勻、焊接質量好。缺點是PCB上、下溫差以及沿焊接爐長度方向溫度梯度不易控制。

5）根據溫度傳感器的實際位置來確定各溫區的設置溫度。

6）根據排風量的大小進行設置。

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

4 結束語

綠色環保產品是時代的主流，中國市場已經逐步與國際市場接軌，對于電子組裝企業來說，無鉛焊接技術的應用已經是擺在企業面前必須解決的現實問題。在實際生產中，各企業要根據自己的產品、設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品開發出一個合適的溫度曲線，探討整個系統操作成本問題等。

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

[2] 胡志田,何前進,徐道榮.無鉛軟釬料國內外的研究動態與發展趨勢[J].焊接技術,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.無鉛焊料互聯及可靠性[M].北京:電子工業出版社,2008.

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