浅析无铅焊接工艺技术

李晓松

【摘 要】随着环保标准的逐步提高，无铅工艺代替有铅工艺已成为电子产业发展的一个必然趋势。本文对有铅工艺和无铅工艺进行了分析和对比，对无铅工艺的现状和工艺流程进行了较为详细的分析，最后对常见的无铅焊接缺陷进行了分析并提出了解决措施，本文具有一定的借鉴价值。

【关键词】无铅；有铅；工艺窗口

一、有铅、无铅焊接工艺比较

有铅焊接工艺技术有上百年的发展历史，具有较好的焊接可靠性和稳定性，拥有成熟的生产工艺技术，这主要取决于有铅焊料合金具有以下特点：有铅焊料合金熔点低，焊接温度低，对电子产品的热损坏少；有铅焊料合金润湿角小，可焊性好，产生焊点假焊的可能性小；焊料合金的韧性好，形成的焊点抗振动性能好于无铅焊点。

无铅焊接工艺从目前的研究结果中，所有可替代合金的熔点温度都高于现有的锡铅合金。例如从目前较可能被业界广泛接受的錫-银-铜合金看来，其熔点是217℃， 这将在焊接工艺中造成工艺窗口的大大缩小。理论上工艺窗口的缩小为从锡铅焊料的37℃降到23℃。实际上，工艺窗口的缩小远比理论值大。因为在实际工作中我们的测温法含有一定的不确定性，加上DFM的限制，以及要很好地照顾到焊点外观等， 回流焊接工艺窗口其实只有约14℃。

不只是工艺窗口的缩小给工艺人员带来巨大的挑战，焊接温度的提高也使得焊接工艺更加困难。其中一项就是高温焊接过程中的氧化现象。我们都知道， 氧化层会使焊接困难、润湿不良以及造成虚焊。氧化程度除了器件来料本身要有足够的控制外，用户的库存条件和时间、加工前的处理（例如除湿烘烤）以及焊接中预热（或恒温）阶段所承受的热能（温度和时间）等都是决定因素。由于无铅焊接工艺窗口比起含铅焊接工艺窗口有显著的缩小，业界有些人认为氮气焊接环境的使用也许有必要。氮气焊接能够减少熔锡的表面张力，增加其润湿性。也能防止预热期间造成的氧化。但氮气非万能，它不能解决所有无铅带来的问题。尤其是不能解决焊接工艺前已经造成的问题。

二、无铅焊接现状及工艺方法

无铅的定义尚未有国际统一标准。一般认定的“无铅”，是指电子产品中的铅含量不超过0.1%（质量分数）。总体来讲，无铅封装是一个系统工程，它不仅仅指无铅焊料，还有相应的元器件引脚及其覆层、PCB涂镀覆层等要求无铅。同时，由于现有大量昂贵的电子产品生产设备与制造工艺大都是与传统锡铅料相适应的，所以向无铅化的转变必然会带来大量明显和潜在的问题。

实现电子组装无铅化有两个办法

1）采用新型的无铅合金替代传统的铅锡合金，并基本上不改变现有的生产过程。这是为了在使用无铅合金的同时，使无铅生产工艺与现有的生产设备尽量兼容，降低技术更新的成本。

2）采用导电互连技术取代合金互连技术。各向同性导电胶期望可在现有的生产条件下与焊膏一样作为互连材料，并且可在较低温度下固化，还可以应用于更细间距的印刷。

三、无铅焊接常见问题及解决措施

无铅焊接缺陷主要有表面裂纹和表面发暗两种缺陷。

（一）表面裂纹（龟裂）

由于PCB基板材料及PCB上铜箔导线、铜过孔壁及元件引脚之间的热膨胀系数存在差异，焊接过程中PCB在Z轴方向出现的热膨胀远大于铜过孔臂的热膨胀，从而引起焊点和焊盘变形。即使PCB通过了波峰，但大量密集焊点固化热量传导至板材而使PCB继续处于热膨胀状态。一旦固化热能辐射结束，焊点就开始缓慢下降至环境温度，PCB开始冷却恢复平板状，这就在焊点表面产生很大的应力，引起焊盘起翘或焊点剥离或表面裂纹。

表面裂纹是无铅波峰焊工艺中通孔焊点上出现的新缺陷。在接触波峰面焊点表面出现肉眼可观察到的裂纹。IPC- 610-D指出： 只要裂纹底部可见，且没有深入内部接触引线和焊盘影响电气及力学性能就判定为合格， 但实际生产中应尽量避免表面裂纹的产生。

解决措施如下：控制合适的焊接温度和浸锡时间，减少变形量；控制焊点冷却凝固之前变形量，比如提高预热温度；控制适当冷速： 一般冷速控制在6℃/s- 10℃/s， 冷速对晶粒大小形态及结晶速率影响很大，避免形成方向性明显的枝晶影响钎料基体性能；控制材料工艺性： 采用高Tg、Z方向膨胀系数小PCB， 防止大量变形产生板级应力；选用共晶钎料或含对无铅合金裂纹收缩有显著影响的元素（添加Ni）的钎料， 同时防止Pb及Bi的污染等；保持印刷电路板清洁， 防止元器件引线氧化，同时评估板面和元件镀层的影响（推荐I-Ag/I- Au） ， 评估焊剂化学物质对裂纹是否有作用。

（二）表面发暗

大部分无铅焊点呈灰暗或者灰白色，这和锡铅焊点光滑、明亮、有光泽的表面有所不同。这一现象产生有许多原因，其中包括多种合金元素不同共晶晶核的形成，凝固时焊料的收缩及焊膏未完全凝固时元件移动或焊料流动。其中合金形核中SAC合金最为典型。

焊料是由两种或多种合金组成，它的熔化和凝固取决于在焊料不同共晶可能凝固的区域。在焊料中含有铜和银时就会出现这种情形，CuSn（227℃）和AgSn（ 221℃）二元共晶部分或初晶晶粒，焊点凝固时再次形成SnAgCu（ 217 ℃）三元共晶，从而形成多种结晶共存现象。同时对于富锡合金，锡晶体可能会在焊点冷却到232℃时凝结在合金层的外面。如果元件引脚镀了锡铅合金，从锡铅镀层中熔解出来的铅也会形成共晶晶粒或形成锡铅共晶体（183℃），同时含银时也会出现SnPbAg（178℃）共晶体。

在凝固期间，最低熔点的共晶被已经凝固的微粒所包围。这就是说在焊点的最后凝固阶段，液态焊料和已经凝固的微粒形成了不同的纹理结构。熔化的焊料在凝固时体积收缩大约4%，体积的减少和收缩大多数发生在焊点最后凝固的那部分合金，在液体和固体混合凝固的不同阶段，它们有不同的表面结构，如果这些晶粒是在焊点表面就可能导致焊点呈现灰暗、表面没有光泽。

当焊料还未完全凝固时待焊元件或焊料发生抖动，最坏的情况是焊点产生裂纹失去光泽。在焊点形成时焊盘的自然移动也会引起这个现象。在元件有很多引脚（如连接器）的情况下焊盘移动相当大，有可能会导致焊锡撕裂、焊锡浮起或者焊盘的撕裂。波峰焊中强迫冷却可以帮助PCB以较快的速度降低温度，但对于上述机理没有任何实际作用。因为大多数焊点是在离开波峰之后5s内就可完成凝固。在这之后的任何冷却对已经凝固的焊点都不会有重要的作用。

【参考文献】

[1]王万刚，王小平，彭勇.无铅回流焊技术探讨[J].制造业自动化.2010（01） .

[2]盛菊仪，徐冠捷.无铅回流焊工艺及设备[J].电子工艺技术.2004（02）.