淺析無鉛焊接工藝技術

李曉松

【摘 要】隨著環保標準的逐步提高，無鉛工藝代替有鉛工藝已成為電子產業發展的一個必然趨勢。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

有鉛焊接工藝技術有上百年的發展歷史，具有較好的焊接可靠性和穩定性，擁有成熟的生產工藝技術，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，對電子產品的熱損壞少；有鉛焊料合金潤濕角小，可焊性好，產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果中，所有可替代合金的熔點溫度都高于現有的錫鉛合金。例如從目前較可能被業界廣泛接受的錫-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，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，業界有些人認為氮氣焊接環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造成的問題。

二、無鉛焊接現狀及工藝方法

無鉛的定義尚未有國際統一標準。一般認定的“無鉛”，是指電子產品中的鉛含量不超過0.1%（質量分數）。總體來講，無鉛封裝是一個系統工程，它不僅僅指無鉛焊料，還有相應的元器件引腳及其覆層、PCB涂鍍覆層等要求無鉛。同時，由于現有大量昂貴的電子產品生產設備與制造工藝大都是與傳統錫鉛料相適應的，所以向無鉛化的轉變必然會帶來大量明顯和潛在的問題。

實現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的鉛錫合金，并基本上不改變現有的生產過程。這是為了在使用無鉛合金的同時，使無鉛生產工藝與現有的生產設備盡量兼容，降低技術更新的成本。

2）采用導電互連技術取代合金互連技術。各向同性導電膠期望可在現有的生產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存在差異，焊接過程中PCB在Z軸方向出現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繼續處于熱膨脹狀態。一旦固化熱能輻射結束，焊點就開始緩慢下降至環境溫度，PCB開始冷卻恢復平板狀，這就在焊點表面產生很大的應力，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的新缺陷。在接觸波峰面焊點表面出現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， 但實際生產中應盡量避免表面裂紋的產生。

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及結晶速率影響很大，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方向膨脹系數小PCB， 防止大量變形產生板級應力；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） ， 評估焊劑化學物質對裂紋是否有作用。

（二）表面發暗

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。這一現象產生有許多原因，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域。在焊料中含有銅和銀時就會出現這種情形，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，從而形成多種結晶共存現象。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SnPbAg（178℃）共晶體。

在凝固期間，最低熔點的共晶被已經凝固的微粒所包圍。這就是說在焊點的最后凝固階段，液態焊料和已經凝固的微粒形成了不同的紋理結構。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發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構，如果這些晶粒是在焊點表面就可能導致焊點呈現灰暗、表面沒有光澤。

當焊料還未完全凝固時待焊元件或焊料發生抖動，最壞的情況是焊點產生裂紋失去光澤。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。因為大多數焊點是在離開波峰之后5s內就可完成凝固。在這之后的任何冷卻對已經凝固的焊點都不會有重要的作用。

【參考文獻】

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