什么是无铅化电子组装技术
无铅化电子组装技术
第一章 时代背景
2003年2月13日比利时—布鲁塞尔举行欧盟会议首次以官方公报形式公布：2006年7月1日全面禁止六种有毒物质：铅（lead）、汞（Mercury）、镉（Cadmium）、六价铬
（Hexavalent chromium）、聚合溴化联苯(PBB)、溴化联苯乙醚(PBDE)
★无铅焊料相关的国家标准：
（1）熔化温度范围测定方法；
（2）力学性能试验方法—拉伸试验；
（3）铺展率试验方法；
（4）基于润湿平衡法与接触角法的润湿性试验方法；
（5）焊点的拉伸与剪切试验方法；
（6）QFP封装外引线焊点的45度角拉脱；
（7）IC类元件焊点的剪切试验方法；
第二章 无铅化电子组装的基本概念
1、电子组装
一般是指印刷电路板络的组装，即各种电子元器件的引线端与印刷电路板上的焊盘连结起来。这种连接目前一般采用软钎焊的方式，使用的焊接材料即焊料（solder）；所形
成的焊接接头即焊点(solder joint).
焊点的作用：
A 一是电连接，保证电信号传输
B 二是机械连接，即保证电子元器件能固定在印刷线路板上
2、无铅焊料的定义
就印刷电路板组装而言，其上面的铅主要是由焊料带进来的（当然还有一小部分是由元器件封装材料印刷电路板上的油墨等带进来的）。因此焊料在无铅化电子组装中就占
有极其主要的地位。
首先，无铅焊料并不意味着焊料中100%的不含铅，在有铅焊料中，铅是作为一种基体元素存在的，在无铅焊料中，基体元素不含有铅，但是作为一种杂质元素，铅的存在是不
可避免的，既然称之为无铅焊料，我们就要对铅—这种杂质元素的含量有一个限制。ISO9453、JISZ3282等待国际标准对铅这种杂质元素含量做出了规定，即铅的含量要小于0.1WT%
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第三章 无铅焊料的选择
1、SN-PB焊料特点
在讨论无铅焊料性能之前，我们必须先来了解一下传统的SN-PB焊料
纯SN的熔点是232℃
纯铅（PB）的熔点是327℃
SN63—PB37之间可以形成共晶合金熔点183℃
2、可能的备选无铅焊料及相关金属分析
A 无铅焊料的基体
寻找替代SN-PB焊料的无铅焊料时，新的无铅焊料仍然能够完成传统的焊料SN-PB职能，即在软钎焊允许的温度范围内（小于450℃），能够实现与母材（主要是铜或者镀镍、镀
银金属表面）的良好连接。即主要考虑SN能够与CU、NI、AG等母材金属之间形成金属间化合物，从而促进焊料在金属表面的润湿铺展及原子间键合进而形成可靠的连接。
基于焊料熔点和反应润湿必要性的认识，无铅焊料即以SN为基体的合金。它包括两层含义：
A SN是无铅焊料的基体元素，如同有铅焊料一样，通过SN与母材金属之间形成金属化合物不保证无铅焊料的润湿和实现连接；
B 无铅焊料是一种合金，即是在纯锡中添加某些金属元素而构成的。金属元素的添加可以抑制前述的纯锡的相变问题，同时可以改善强度等物理性能。
金属毒性：Bi < Zn < In < Sn < Cu < Sb < Ag < Pb
从产业实用化的角度出发，对无铅焊料的性能要求主要集中在以下四点
(1) 溶点—焊料溶点是决定焊接温度的最根本参数
(2) 电气性能—焊料形成焊点之后主要作用是传输信号
(3) 力学性能—焊点的另一个主要作用就是机械连接
(4) 润湿铺展性能—良好的润湿铺展是形成良好焊点的前提
★ 无铅焊料专利
中国加入WTO，越来越重视专利和侵权问题
二元无铅焊料不存在任何专利问题。日本已申请SN-CU-NI NI的含量必须超过一定的量，即作为基体元素存在。否则可以看作是一种杂质元素。
专利保护期20年，中国市场目前相关无铅焊料专利28个，17个是外国公司在中国申请的，11个是国内自己申请。
中国市场第一个专利是“三星”韩国
★ 评估无铅焊料供应商
建议：
（1）无铅焊料供应商必须具备自我检测能力 PB 含量＜1000PPM 镉＜20PPM
（2）无铅焊料供应商的技术服务能力
（3）无铅焊料应用的一个难点在于其润湿性比传统的SN-PB焊料要差很多，要靠助焊剂帮忙。
第四章 无铅化焊接技术
无铅化焊接技术的基本特点
1、可用的无铅焊料SN-CU SN-AG SN-AG-CU 溶点均为220℃左右，比传统的SN63-PB37的熔点183℃高出40℃左右，所以无铅焊接需要更高的焊接温度，随之而来的就必须对设备
，电子元器件和印刷电路板的耐热性能提出更高的要求。
2、另一方面，所有的无铅焊料的润湿性能都弱于传统的SN PB，如果无铅焊接要求达到与有铅同样的焊接质量：首先要求焊接工艺的更精确控制，其次需要开发新形助焊剂来
弥补无铅焊料润湿性不足的缺陷，当然是否使用惰性气体保护也是一个需要评估的问题。
★ 以上两点就是无铅化焊接众多特殊要求的根本来源，接下来我们将分别阐述电子组装用焊技术，即手工烙铁焊、浸焊、波峰焊和回流焊在具体应用方面的要求。
推荐使用的无铅焊料
就手工烙铁焊，浸焊和波峰焊应用而言，我们推荐使用SN-CU二元无铅焊料，主要是SN-0.7CU共晶焊料。
主要有以下几方面理由：
1、由于无铅焊料各元素之间熔点差别很大，因此应尽可能使用最简单的二元合金。元素越多就越难形成均匀的显微组织；
2、就软钎焊而言，具备共晶成分的焊料合金其综合焊接性能是最好的；
3、SN-CU焊料的实用性已经被广泛证实。2000年美国NEMI向北美工业界推荐无铅焊料时也建议无铅波峰焊使用SN-0.7CU焊料；
4、SN-CU焊料是所有无铅焊料成本最低的，这一点对以加工为主的中国电子工业界来说是相当重要的。我们计算过一家电子厂每个月平均使用1吨焊料，考虑到价格成本以及锡
渣，清炉等带来损耗，一年下来，SN-CU焊料比SN AG/SN AG CU系列无铅焊料节约成本100万人民币。
就无铅回流焊而言，推荐SN AG/SN AG CU焊料由于电子元器件耐热冲击性能的限制，回流焊的峰值温度不可以超过250℃。
SN AG/SN AG CU 无铅焊料熔点比SN-CU系列熔点低6℃。
★ 无铅化手工烙铁焊
电烙铁的基本种类
1、低成本空心电烙铁
此类电烙铁一般由两芯功率电缆直接与带有固定输出功率的加热单元相连。由于烙铁头未接地。因此不适宜焊接对静电敏感的电子元器件。而且由于加热单元和烙铁头无法更换损
坏之后只能废弃。
2、非可调电压专业烙铁
基本原理与1、中烙铁相同。有二芯三芯。加热单元和烙铁头可更换。烙铁头、形状、功率可选。
3、变压器供电的焊接工作台
可调电压、可防静电
4、迷你电烙铁
为了适应小型元器件，特点是烙铁头相当细小
5、大功率烙铁
100W以上，烙铁头温度高，体积大，当心“着火”。
无铅化手工烙铁焊的注意事项
1、电烙铁的功率一般为60W以上，70W/75W最为合适一般而言。烙铁头的温度要高于焊料熔点150℃，因此无铅手工烙铁焊中烙铁头温度要在370-400℃左右。
2、建议使用恒温烙铁，这样既能保证足够的焊接温度，又不会因烙铁头过热损伤烙铁。同时，烙铁头过热会导致严重飞溅问题。
3、无铅焊料中含锡量相当高，一般在95WT%以上，而高锡含量的无铅锡线对烙铁头的腐蚀相对严重。建议使用烙铁头带有有效防护镀层的。
4、用于无铅焊接的电烙铁必须具有很好的回温性能，这一点对于IC引脚的拖焊非常重要。
★ 无铅化浸焊
浸焊主要用于线材、电子元器件引脚上锡，也有一部分印刷电路板改的组装来用浸焊工艺。
浸焊工艺相对简单但要注意以下五点：
1、无铅浸焊时锡炉的温度一般设定为260℃-280℃，当然在变压器浸锡等条件下依据工艺要求不同，锡炉温度应设定为380℃-470℃。
2、影响浸焊质量的一个主要问题是助焊剂的挥发问题。
3、焊料的氧化问题。
4、CU的溶解问题。众所周知无论是线材、电子元器件的引脚，还是印刷电路板上的焊盘都含有大量的铅。在浸焊过程中其上面的铜在熔融焊料中溶解较细线材直径变小或熔断
。
5、无铅浸焊最大问题在于CU的熔解带来的CUSN金属间化合物的清除问题。这一方面与SN-PB焊料相比会带意想不到的困难。
CU与SN形成CU6SN5金属间化合物，其熔点在500℃以上。SN63PB37密度为8.80G/立方厘米 CU6SN5密度为8.28G/立方厘米.
无铅焊料密度是7.40G/立方厘米 所以在无铅焊接中CU6SN5容易沉积锅底造成传热不良 所以要求平均一个月清炉1次。
无铅化波峰焊
波峰焊——是借助于机械泵使熔融态钎料不断垂直向上地朝狭长出口涌出，形成20-40MM高的波峰。
无铅波峰焊工艺与设备的技术特点探讨
铅是一种具有毒性的金属元素，长期与含铅物质接触将对人体健康造成危害。随着人类环保意识的日益增强，大范围内禁止使用含铅物质的呼声越来越高，其中一个主要的方
向就是推进电子行业中的无铅化。
2003年2月13日，欧盟正式公布了WEEE和ROHS指令，并于2006年7月1日起，全面禁止铅在电子产品中使用。这两项指令的公存，极大地推动了电子产品中的无铅化进程。
随着电子产品无铅化的推进，无铅焊料、无铅助焊剂、无铅焊接设备有研究都取得了很大的成功，另外PCB和电子元器件的无铅化也得到很大的发展。对于无铅焊接设备，主要是无
铅波峰焊和无铅回流焊，下面就无铅波峰焊设备及其工艺方面的技术特点作一个简要的概叙。
纵观整个波峰焊工艺过程，包括助焊剂涂敷系统、预热系统、波峰焊接系统。每一个系统对整个焊接工艺来说都是非常重要的，直接影响到PCB焊接接头的质量。在传送带上的
印制电路板组件按照规定的路线通过这些工艺系统。通常情况下，在波峰焊接设备的左侧进入，右侧输出。对于无铅波峰焊来说，另外一个主要的系统就是氮气保护系统。
1、助焊剂涂敷系统
随着电子设备的小型化、轻型化，特别是高密度组装技术的发展，对PCB焊接质量的要求越来越高，而助焊剂是保证焊接质量的一个重要因素。传统的助焊剂焊后固体残余物较多，
需要清洗，而清洗工艺一直采用CFC氟氯烃产品及1，1，1—三氯乙烷等作为PCB焊后的清洗剂，以消除PCB表面残留的导电物质或其它污染物，保证产品可靠使用，但是CFC等清洗剂
中含有ODS（臭氧耗竭物质），破坏生态环境，严重威胁人类的安全。
免清洗助焊剂是随着电子工业发展及环境保护的需要而产生的一种新型助焊剂。它解决了不使用CFC类清洗剂减少环境污染方面和解决因细间隙、高密度元器件组装带来的清洗困难
方面具有重要的意义。
对于无铅波峰焊来说，免清洗助焊的使用已经成为一种必然的趋势，但是由于免清洗助焊剂的固体含量一般都比较低，一般在2%左右。这就对助焊剂涂敷系统提出了更高的要
求。
目前，无铅波峰焊助焊剂采用的涂敷方法主要有二种：发泡和喷雾。发泡法是借助一个浸在助焊剂液体中的鼓风机，喷出低压清洁的空气发泡，并沿着烟囱型的喷管吹向表面，通
过喷嘴，使焊接面接融泡沫，涂上一层均匀的助焊剂。其优点是：和连接焊接工艺相容，发泡要求精度不高，适用于混合组装基板。便其缺点是蒸发损失相当大，因为溶液沸点高
，预热时间长，且不是所有助焊剂都有好的发泡性能。另外就是涂覆不均匀，印制板上有残余物，不能控制助焊剂涂敷量，需要时常监视助焊剂的变化及经常更换助焊剂，助焊剂
消耗量大，发泡的方法对于固体含量高于5%的助焊剂来说，效果是比较好的。然而，对于无铅焊接的免清洗助焊剂和无残渣助焊剂，其固体含量一般都低于5%，多数免清洗助焊剂
的固体含量为2%，而固体含量低的助焊剂发泡不充分，不适合发泡应用。这就需要另一种助焊剂涂敷方式，即喷雾法。
喷雾法是免清洗焊接工艺中一种颇受欢迎的方法。它可以精确地控制助焊剂沉积量。助焊剂喷雾系统可设计成单通路系统，由单通路系统中的非再循环的封闭容器供给焊剂。为此
就不需要监控焊剂的固体含量。
助焊剂喷雾系统是利用喷雾装置，将焊剂雾化后喷到PCB上，预热后进行波峰焊。喷雾涂敷工艺由于具有涂敷均匀、用量少、不需进行任何滴定或比重的监控，不需定期排放旧
助焊剂，可控制板上的助焊剂沉积量及封闭式系统，消除了助焊剂污迹问题等优点，被众多的用户认可。用喷雾方式进行免清洗焊剂的涂敷已成为今后的发展方向。影响助焊剂量
的参数有四个：基板传送速度、空气压力、喷嘴摆速和助焊剂浓度。通过这些参数的控制可使喷射的层厚控制在1-10微米之间。助焊剂喷雾方式的优点是可以用于大多数液态助焊
剂，涂层厚度可以控制，预热时间短。
对于无铅波峰焊来说，由于无铅焊料的润湿性比SNPB焊料要差，为人保证良好的焊接质量，对助焊剂的选择和涂敷的要求更高。一般无铅波峰焊采用免清洗助焊剂，这种助焊
剂一般具有较低的活性，而且残留物活性在很大程度上依赖于过程操作，这就需要波峰焊设备在助焊剂喷雾上要求均匀涂敷的要求更高。一般无铅波峰焊采用免清洗助焊剂，这种
助焊剂一般具有较低的活性，而且残留物活性在很大程度上依赖于过程操作，这就需要波峰焊设备在助焊剂喷雾上要求均匀涂敷的要求更高。一般无铅波峰焊采用免清洗助焊剂，
这种助焊剂一般具有较低的活性，而且残留物活性在很大程度上依赖于过程操作，这就需要波峰焊设备在助焊剂喷雾上要求均匀涂敷的助焊剂喷雾上要求均匀涂敷，而且涂敷的助
焊剂的量要求适中。当助焊剂的涂敷量过大时，就会使PCB焊后残留物过多，影响外观，而且这种残留物对PCB具有一定的腐蚀性，有可能在使用过程中造成电路的破坏。另外过多
的助焊剂在预热过程中有可能滴落在发热管上引起着火，影响发热管的使用寿命。当时焊剂的涂敷量不足或涂敷不均匀时，就可能造成漏焊、虚焊或连焊。
2、预热系统
在基板涂敷助焊剂之后，首先是蒸发助焊剂中多余的溶剂，增加粘性。这就要在焊接前进行预热基板。如果粘性太低，助焊剂会被熔融的锡过早的排剂出，造成表面润湿不良。干
燥助焊剂也可加强其表面活性，加快焊接过程。在预热阶段，基板和元器件被加热到100-105℃，使基板和熔锡接触时，降低了热冲击，减少基板翘曲的可能。
在通过波峰焊接之前预热，有以下几个理由：
1） 提升了焊接表面的温度。因此从波峰上要求较少的温带能量，这样有助于助焊剂表面的反应和更快速的焊接。
2） 预热也减少波峰对元器件的热冲击，当元器件暴露在突然的温度梯度下时可能被削弱或变成不能运行。
3） 预热加快挥发性物质从PCB上的蒸发速度。这些挥发性物质主要来自于助焊剂，但也可能来自较早的操作、储存条件和处理。挥发物在波峰上的出现可能引起焊锡飞溅和
PCB上的锡球。
控制预热温度梯度、预热温度和预热时间对于达到良好的焊接接头是关键的。保证助焊剂在适当的时间正确地激发和保持，直到PCB离开波峰。预热必须将PCB带到足够高的温
度，以提供正在使用的助焊剂的活性化。多数助焊剂供应商发布推存的温度上升率、最大和最小顶面与底面预热温度。
对于任何助焊剂，不足的预热时间和温度将造成较多的焊后残留物，或许活性不足，造成润湿性差。预热低也可能导致焊接时有气体放出造成焊料球，当在波峰前没有提供足
够的预热来蒸发水分时，液体溶剂到达波峰时容易造成焊锡飞溅。这种情况在低挥发性有机化合物的水基助焊剂上特别明显。当预热温度过高或预热时间过长，导致助焊剂有可能
在达到波峰之前就已经失去作用。助焊剂在波峰上的主要作用是降低焊锡的表面张力，提高润湿性。如果助焊剂的活性面分过早的挥发，则可能的造面桥连或冰柱。最佳的预热温
度是在波峰上留下足够的助焊剂，以帮助在PCB退出波峰时焊锡从金属表面的剥落。
波峰焊预热长度由产量和传送带速度来决定，产量越高，传送带的速度越快。为使板子达到所需的浸润温度就需要更长的预热区。另外，由于双面板和多层板的热容量较大，
因此它们比单面板更需要较高的预热温度。
目前波峰焊机基本上采用热辐射方式进行预热，最常用的波峰焊预热方法有强制热风对流、电热板对流、电热棒加热及红外线加热等。
3、波峰焊接系统
波峰焊的焊接机理是将熔融的液态焊料，借助动力泵的作用，在焊料槽液面形成特定形状的焊料波，插装了元器件的PCB置与传送带上，经过某一特定的角度以及一定的浸入深度穿
过焊料波峰而实现焊点焊接的过程。
焊料波的表面被一层均匀的氧化皮覆盖，它在沿焊料波的整个长度方向上几乎都保持静态，在波峰焊接过程中，PCB以同样的速度移动。
当PCB进入波峰面前端时，基板与引脚被加热，并在未离开波峰尾端的瞬间，少量的焊料由于润湿力的作用，粘附在焊盘上，并由于以引线为中心收缩至最小状态，此时焊料与
焊盘之间的润湿力天于两焊盘之间的焊料内聚力。因此会形成饱满、圆整的焊点，离开波峰尾部的多余焊料，由于重力的原因，回落到锡锅中。
3.1无铅焊料的氧化性问题
同SN-PB合金焊料相比，高SN含量的无铅焊料在高温焊接中更容易氧化，从而在锡炉液面形成氧化物残渣，影响焊接质量，同时也造成浪费。典型的锡渣结构是90%的可用金属
在中心，外面包含10%的氧化物组成。产生锡渣的原因有：（1）原始焊料的质量。
（2）焊接温度。
（3）波峰高度。
（4）波峰的扰度。
温度升高，增加无铅焊料的氧化性，高温下锡炉表面氧化物的厚度如下表示：
M /A K
其中：
研究表明，相同条件下，纯锡的K值是SN-PB合金K值的两倍，而且无铅焊料的焊接温度比SN-PB合金焊料的要高，故其具有更强的氧化率。为了防止无铅焊料的氧化，解决办法
是改善锡炉喷口，最好的对策是加氮气保护。
改善锡炉喷口的结构，主要就是控制波峰的高度和扰度，减少无铅焊料的氧化。氮气保护就是减小氧气的浓度，从氧化性的本质上减小无铅焊料的氧化，其效果是显著的。随
着氧气浓度的降低，无铅焊料的氧化量是明显减少的。当氮气保护中的氧气的含量在50PPM或以下时，无铅焊料基本上不产生氧化，氮气流量为16立方米/H是降低氧气含量的临界值
。
3.2锡炉的腐蚀性问题
波峰焊接PCB上的插装电子元器件，当采用无铅焊料时，由于无铅焊料的焊接温度比SN-PB合金焊料高约30-50℃，另外无铅焊料中SN的含量大幅度提高，一般都在95%以上，造
成了波峰焊时无铅焊料对锡炉和喷口的腐蚀性加强。国内一般锡炉采用的材料是SUS304和SUS316型不锈钢。实验表明，不锈钢材料在高温条件下6个月就被高SN无铅焊料明显腐蚀。
最容易受到腐蚀的是与流动焊料接触的部位，如泵的叶轮、输送管和喷口。
不锈钢具有防腐蚀性能的原因就是合金元素CR的作用，对大多数材料包括普通的SN-PB焊料合金，不锈钢都具有很好的耐腐蚀性能。但对于高SN无铅焊料，高温下其在不锈钢表面具
有良好的铺展能力，容易产生浸润现象，从而产生浸润腐蚀不锈钢。另外由于在波峰焊过程中，冲刷与之接触的表面，导致冲刷腐蚀，这就是为什么泵的叶轮、输送管和喷口处的
腐蚀更为严重的原因。采用X射线化学分析仪对无铅焊料腐蚀不锈钢的截面作成分分析。无铅焊料在不锈钢表面完全浸润，并与不锈钢基体之间发生了相互扩散。这种扩散最终导致
不锈钢锡炉及其内部不锈钢结构件的腐蚀。
为了防止高SN无铅焊料对波峰焊设备的腐蚀作用，提高设备的使用的寿命，对于无铅波峰焊设备，锡炉里面的叶轮、输送管和喷口采用以下材料：
（1）钛及其合金结构。
（2）表面渗氮不锈钢。
（3）表面陶瓷喷涂不锈钢。
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