無(wú)鉛焊的介紹

??? 傳統(tǒng)的錫鉛焊料在電子裝聯(lián)中已經(jīng)應(yīng)用了近一個(gè)世紀(jì)。共晶焊料的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性、抗蝕性、抗拉和抗疲勞、機(jī)械強(qiáng)度、工藝性都是非常優(yōu)秀的，而且資源豐富，價(jià)格便宜。是一種極為理想的電子焊接材料。但由于鉛污染人類的生活環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某些地區(qū)地下水的含鉛量已超標(biāo)３０倍，由于Pb是一種有毒的金屬，對(duì)人體有害，并且對(duì)自然環(huán)境有很大的破壞性，所以引進(jìn)了無(wú)鉛焊絲。

一． 無(wú)鉛焊接的起源：
??? 由于環(huán)境保護(hù)的要求，特別是ISO14000的導(dǎo)入，世界大多數(shù)國(guó)家開始禁止在焊接材料中使用含鉛的成分。
??? 日本在2004年禁止生產(chǎn)或銷售使用有鉛材料焊接的電子生產(chǎn)設(shè)備。歐美在2006年禁止生產(chǎn)或銷售使用有鉛材料焊接的電子生產(chǎn)設(shè)備。據(jù)估計(jì)，中國(guó)沒有多久也將采用無(wú)鉛焊接。
?? 因此，在這種情況下，電子材料開始生產(chǎn)無(wú)鉛焊料。例如：美國(guó) Alpha metal焊絲：reliacore 15的主要組成成分為S nAgCu.
二、 無(wú)鉛焊接技術(shù)的現(xiàn)狀
??? 無(wú)鉛焊料合金成分的標(biāo)準(zhǔn)化目前還沒有明確的規(guī)定。ＩＰＣ等大多數(shù)商業(yè)協(xié)會(huì)的意見：鉛含量<０.１－０.２ＷＴ％（傾向<０.１％，并且不含任何其它有毒元素的合金稱為無(wú)鉛焊料合金。
１、 無(wú)鉛焊料合金
無(wú)鉛化的核心和首要任務(wù)是無(wú)鉛焊料。正公認(rèn)能用的有：
（１） 目前最有可能替代Ｓn／Ｐb焊料的合金材料
（２） 目前應(yīng)用最多的無(wú)鉛焊料合金三元共晶形式的Ｓn９５.８\Ａg３.５\Ｃu０.７（美國(guó)）和三元近共晶形式的Ｓn９６.５\Ａg３.０\Ｃu０.５（日本）是目前應(yīng)用最多的用于再流焊的無(wú)鉛焊料。其熔點(diǎn)為２１６－２２０℃左右。
無(wú)鉛合金焊料較仍然有以下問題：
（Ａ）熔點(diǎn)高３４℃左右。
（Ｂ）表面張力大、潤(rùn)濕性差。
（Ｃ）價(jià)格高
２、ＰＣＢ焊盤表面鍍層材料
??? 無(wú)鉛焊接要求ＰＣＢ焊盤表面鍍層材料也要無(wú)鉛化，ＰＣＢ焊盤表面鍍層的無(wú)鉛化相對(duì)于元器件焊端表面的無(wú)鉛化容易一些。目前無(wú)鉛標(biāo)準(zhǔn)還沒有完善，因此無(wú)鉛元器件焊端表面鍍層的種類很多。
３、 目前無(wú)鉛焊接工藝技術(shù)處于過渡和起步階段
??? 雖然國(guó)際國(guó)內(nèi)都在不同程度的應(yīng)用無(wú)鉛技術(shù)，但目前還處于過渡和起步階段，從理論到應(yīng)用都還不成熟。沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)無(wú)鉛焊接的焊點(diǎn)可靠性還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，因此無(wú)論國(guó)際國(guó)內(nèi)無(wú)鉛應(yīng)用技術(shù)非?；靵y，因此目前迫切需要加快對(duì)無(wú)鉛焊接技術(shù)從理論到應(yīng)用的研究。
三、 無(wú)鉛焊接的特點(diǎn)和對(duì)策
１、 無(wú)鉛焊接和焊點(diǎn)的主要特點(diǎn)
（１） 無(wú)鉛焊接的主要特點(diǎn)
（Ａ）高溫、熔點(diǎn)比傳統(tǒng)有鉛共晶焊料高３４℃左右。
（Ｂ）表面張力大、潤(rùn)濕性差。
（Ｃ）工藝窗口小，質(zhì)量控制難度大。
（２） 無(wú)鉛焊點(diǎn)的特點(diǎn)
（Ａ）浸潤(rùn)性差，擴(kuò)展性差。
（Ｂ）無(wú)鉛焊點(diǎn)外觀粗糙。傳統(tǒng)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與ＡＯＩ需要升級(jí)。
（Ｃ）無(wú)鉛焊點(diǎn)中氣孔較多，尤其有鉛焊端與無(wú)鉛焊料混用時(shí)，焊端（球）上的有鉛焊料先熔，覆蓋焊盤，助焊劑排不出去，造成氣孔。但氣孔不影響機(jī)械強(qiáng)度。
（Ｄ）缺陷多－由于浸潤(rùn)性差，使自定位效應(yīng)減弱。
??? 無(wú)鉛焊點(diǎn)外觀粗糙、氣孔多、潤(rùn)濕角大、沒有半月形，由于無(wú)鉛焊點(diǎn)外觀與有鉛焊點(diǎn)有較明顯的不同，如果有原來(lái)有鉛的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)衡量，甚至可以認(rèn)為是不合格的，隨著無(wú)鉛技術(shù)的深入和發(fā)展，由于助焊劑的改進(jìn)以及工藝的進(jìn)步，無(wú)鉛焊點(diǎn)的粗糙外觀已經(jīng)有了一些改觀。
四、 無(wú)鉛工藝對(duì)助焊劑的挑戰(zhàn)
（１） 無(wú)鉛工藝對(duì)助焊劑的要求
（Ａ）由于焊劑與合金表面之間有化學(xué)反應(yīng)，因此不同合金成分要選擇不同的助焊劑。
（Ｂ）由于無(wú)鉛合金的浸潤(rùn)性差，要求助焊劑活性高。
（Ｃ）提高助焊劑的活化溫度，要適應(yīng)無(wú)鉛高溫焊接溫度。
（Ｄ）焊后殘留物少，并且無(wú)腐蝕性，滿足ＩＣＴ探針能力和電遷移。
（２） 焊膏印刷性、可焊性的關(guān)鍵在于助焊劑。
確定了無(wú)鉛合金后，關(guān)鍵在于助焊劑。選擇焊膏要做工藝試驗(yàn)，看看印刷性能否滿足要求，焊后質(zhì)量如何?？傊x擇適合自己產(chǎn)品和工藝的焊膏。
（３） 無(wú)鉛焊劑必須專門配制焊膏中的助焊劑是凈化焊接表面,提高潤(rùn)濕性,防止焊料氧化和確保焊膏質(zhì)量以及優(yōu)良工藝性的關(guān)鍵材料。高溫下助焊劑對(duì)ＰＣＢ的焊盤，元器件端頭和引腳表面的氧化層起到清洗作用，同時(shí)對(duì)金屬表面產(chǎn)生活化作用。
（４） 波峰焊中無(wú)ＶＯＣ免清洗耳恭聽焊劑也需要特殊配制。無(wú)鉛焊膏和波峰焊的水溶性焊劑對(duì)某些產(chǎn)品也是需要的。
（５） 高溫對(duì)元件的不利影響
??? 陶瓷電阻和特殊的電容對(duì)溫度曲線的斜率(溫度的變化速率)非常敏感,由于陶瓷體與ＰＣＢ的熱膨脹系數(shù)ＣＴＥ相差大，在焊點(diǎn)冷卻時(shí)容易造成元件體和焊點(diǎn)裂紋，元件開裂現(xiàn)象與ＣＴＥ的差異、溫度、元件的尺寸大小成正比。
鋁電解電容對(duì)清晰度極其敏感。
連接器和其他塑料封裝元件在高溫時(shí)失效明顯增加。主要是分層、爆米花、變形等、粗略統(tǒng)計(jì)，溫度每提高１０℃，潮濕敏感元件（ＭＳＬ）的可靠性降１級(jí)。解決措施是盡量降低峰值溫度；對(duì)潮濕敏感元件進(jìn)行去潮烘烤處理。
（６） 高溫對(duì)ＰＣＢ的不利影響
??? 高溫對(duì)ＰＣＢ的不利影響在第三節(jié)中已經(jīng)做了分析，高溫容易ＰＣＢ的熱變形、因樹脂老化變質(zhì)而降低強(qiáng)度和絕緣電阻值，由于ＰＣＢ的Ｚ軸與ＸＹ方向的ＣＴＥ不匹配造成金屬化孔鍍層斷裂而失效等可靠性問題。
??? 解決措施是盡量降低峰值溫度，一般簡(jiǎn)單的消費(fèi)類產(chǎn)品可以采用ＦＲ－４基材，厚板和復(fù)雜產(chǎn)品需要采用耐高溫的ＦＲ－５或ＣＥＭn來(lái)替代ＦＲ－４基材。
（７） 電氣可靠性
??? 回流焊、波峰焊、返修形成的助焊劑殘留物，在潮濕環(huán)境和一定電壓下，導(dǎo)電體之間可能會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致表面絕緣電阻的下降。如果有電遷移和枝狀結(jié)晶（錫須）生長(zhǎng)的出現(xiàn)，將發(fā)生導(dǎo)線間的短路，造成電遷移（俗稱“漏電”）的風(fēng)險(xiǎn)。為了保證電氣可靠性，需要對(duì)不同免清洗助焊劑的性能進(jìn)行評(píng)估。
（８） 關(guān)于無(wú)鉛返修
① 無(wú)鉛焊料的返修相當(dāng)困難，主要原因：
（Ａ）無(wú)鉛焊料合金潤(rùn)濕性差。
（Ｂ）溫度高（簡(jiǎn)單ＰＣＢ２３５℃，復(fù)雜ＰＣＢ２６０℃）。
（Ｃ）工藝窗口小。
② 無(wú)鉛返修注意事項(xiàng)：
（Ａ）選擇適當(dāng)?shù)姆敌拊O(shè)備和工具。
（Ｂ）正確作用返修設(shè)備和工具。
（Ｃ）正確選擇焊膏、焊劑、焊錫絲等材料。
（Ｄ）正確設(shè)置焊接參數(shù)。
除了要適應(yīng)無(wú)鉛焊料的高熔點(diǎn)和低潤(rùn)濕性。同時(shí)返修過程中一定要小心，將任何潛在的對(duì)元件和ＰＣＢ的可靠性產(chǎn)生不利影響的因素降至最低。
（９） 關(guān)于過度時(shí)期無(wú)鉛和有鉛混用情況總結(jié)。
（Ａ）無(wú)鉛焊料和無(wú)鉛焊端――效果最好。
（Ｂ）無(wú)鉛焊料和有鉛焊端――目前普通使用，可以應(yīng)用，但必須控制Ｐb，Cu等的含量，要配制相應(yīng)的助焊劑，還要嚴(yán)格控制溫度曲線等工藝參數(shù)，否則會(huì)造成可靠性問題。
（Ｃ）有鉛焊料和無(wú)鉛焊端――效果最差，ＢＧＡ、ＣＳＰ無(wú)鉛焊球是不能用到有鉛工藝中的，不建議采用。
??? 目前無(wú)鉛工藝當(dāng)中采用的釬焊料相對(duì)比原來(lái)的焊料成分方面錫的含量增大很多，其合金成分相對(duì)有很大的提升。在生產(chǎn)加工過程中，其錫渣的產(chǎn)生量比原來(lái)普通焊料的產(chǎn)生量也有很大幅度的提高。如果能將錫渣的產(chǎn)生量降低則對(duì)于材料消耗方面的成本控制是有益的。
錫渣主要是錫在高溫環(huán)境下和氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的氧化物，通過物理高溫?cái)嚢杩梢詫⒋蟛糠值腻a氧分離（即錫渣還原），將分離的錫重新使用，也可利用化學(xué)置換還原反應(yīng)將錫渣中的氧分子置換后還原成純錫而重復(fù)使用。
??? 每個(gè)工廠可根據(jù)自身的機(jī)器及工藝安排等方面綜合考慮得到較好的無(wú)鉛化的道路。