无铅波峰焊工艺

1.1无铅波峰焊工艺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 PCB置于传送带上，经过某一些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。当 PCB进入波峰面前段时，基板与引脚被加热，并在未离开波峰焊前整个 PCB浸在焊料中，即被焊料所包围，但是在离开波峰尾端的瞬时，少量的焊料由于润湿力的作用，粘附在焊盘上，并由于表面张力的原因，会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大于两焊盘之间的焊料的内聚力，因此会形成完美的焊点，离开波峰尾部的多余焊料由于重力的原因回落到锡锅中。 1.1.1无铅波峰焊工艺新特点波峰焊机理很简单，也很好理解，但是要在生产中获得良好的焊点，就要严格控制各工艺参数，其中任何一个参数设置不当都会产生焊接不良。目前无铅钎料的使用，给波峰焊工艺与设备带来新的特点。 1. 高的焊接温度主要的无铅钎料 Sn0.7Cu熔点(227oC)较传统 SnPb(183oC)高 44oC，设备的可加热最高温度也应相应提高至少 44oC，所以设备材料及结构设计必须具有良好的耐热性，在高温下不变形。另外无铅波峰焊的焊接温度较高(一般设定为 260oC)，为减少印刷电路板组装件与波峰接触时的热冲击，需要增加预热时间。最好的解决方法是增加设备的预热区长度，其长度由产量和传送速度来决定。无铅化后预热区的长度由以前的 90～100㎝变为 120～150㎝，增加了预热时间。对于加热方式来说，基本采用热辐射方式进行预热，最常用的波峰焊预热方法由强制热风对流，电热板对流、电热棒加热和红外线加热等。 2.长的预热时间预热阶段主要是蒸发多余溶剂和 PCB制造过程中夹带的水分，增加粘性，并起到活化助焊剂的作用。如果粘度太低，助焊剂会被熔融钎料过早的排挤出，造成表面润湿不良。表 2为无铅免清洗助焊剂和水溶性助焊剂的活性参数。表 2 免清洗和水溶性助焊剂的活性参数活性参数 No-clean Water soluble 涂覆量（ μg/in2） Foam：1000-1500 Spray：450-800 Spray：＞1200 PCB顶部预热温度 100-120℃ 104-113℃ PCB底部预热温度高于顶部 35℃高于顶部 22℃温度梯度最大 2℃/s最大 2℃/s传输角 5-8o 5-8o传输速度（ m/min） 1.0-1.8 1.0-1.8接触时间（ s） 1.5-3.5 1.5-4 钎料槽温度（℃） 235-260 255-265从这些数据可以计算出预热区的长度，对于不同的助焊剂的活性参数要求，需要的预热区长度可能有所变化，但差别不是很大。预

热阶段干燥助焊剂也可加强其表面活性，加快焊接过程。并且基板和元器件在预热阶段加热到 100℃以上，可以降低热冲击，较少基板翘曲的可能。另外预热阶段可以加快 PCB板及元器件上挥发物质的蒸发，避免在波峰上引起焊锡飞溅和 PCB上的锡球。不足的预热时间和温度会造成焊后残留，或许活性不足，造成润湿性差。预热低可能导致焊接时水蒸气、液体助焊剂等气体排放造成焊料球，这种情况在低挥发性有机化合物（VOC）的水基助焊剂上特别明显。过高则会导致助焊剂在到达波峰之前就已经失去作用，导致焊锡表面张力增大，造成桥连或冰柱。 3.大量助焊剂的使用由于可能要使用较大量的助焊剂，所以设备必须配备优良的抽风过滤系统，以最小化助焊剂中挥发物质的污染。 4.喷雾式助焊剂涂覆方式常用助焊剂用 CFC等清洗剂清洗，其中含有的 ODS（臭氧耗竭物质）破坏生态环境，严重威胁人类安全。免清洗助焊剂和水溶性助焊剂解决了不使用 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问题，它们的使用已经同无铅焊料一样，成为一种必然的趋势。表 1所示为三种不同助焊剂的物理参数的比较，分别代表传统的松香基助焊剂、免清洗助焊剂和水溶性助焊剂。表 1 不同助焊剂的物理参数物理参数 产品牌号Flux 1 （Rosin） Flux 2 （No-clean） Flux 3 （Water soluble）成分树脂松香： 30-40%异丙醇： 50-60%脂肪酸： 1-5%二甲基戊二酸： 1-5%异丙醇： 90-100% 二羟基酸： 1-5% tetraglyme：1-5% 脱离子水： 90-95%固体含量（％） 40 2.2 3.5 密度（25℃,g/cm3） 0.898±0.005 0.799±0.003 1.012±0.003 PH酸性 3.4 2.4 助焊剂涂覆分为发泡和喷雾。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的空气泡，并沿着烟筒型的喷管吹向表面，通过喷嘴使焊接面接融泡沫，涂上一层均匀的助焊剂，其优点是和连续焊接工艺相容，发泡要求精度不高，适用于混合组装基板，并且设备简单、价格低、使用维修方便。但其缺点是助焊剂槽采用开放式，蒸发损失相当大，直接和空气接触密度不易控制、助焊剂易氧化，涂覆厚度偏多，需较长的时间预热以使溶剂挥发，且涂覆不均匀，印制板上有残余物，不能控制助焊剂涂覆量，需要时常监视助焊剂的成分变化及更换助焊剂，消耗量大。一般发泡方式针对固体含量在 5％以上的助焊剂来说，效果较好。 对于无铅焊接的免清洗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

％，不适合发泡应用，故助焊剂涂敷方式优选喷雾方式，要求喷雾气压稳定，电脑控制参数设置，同时提供便捷的助焊剂更换方法。 喷雾法可以设计成单通路系统，有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接的固体含量。喷雾涂覆工艺由于具有涂覆均匀、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。通过基板传送速度，空气压力，喷嘴摆速和助焊剂浓度，可使喷射的层厚控制在1～10 μm。当助焊剂的涂覆量过大时，就会使 PCB焊后残留过多，影响外观，而且对 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。另外还会低落在发热管上引起着火，影响发热丝使用寿命。如果太少或不均匀，就可能造成露焊、虚焊或连焊。 5.高的腐蚀性 高 Sn含量（95％以上）的无铅焊料在焊接温度升高（30～50℃）的情况下，对锡炉采用的材料 SUS304和 SUS316型不锈钢具有明显腐蚀（图 1），一般为 6个月，而且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。板材浸锡试验表明不锈钢材料很容易被高 Sn焊料合金润湿并进一步腐蚀 304不锈钢 316不锈钢不锈钢具有防腐型是因为含有合金元素 Cr，对于有铅焊料，其具有很好的耐蚀性。但是对于无铅钎料，高温下与不锈钢具有良好的铺展能力，从而产生浸润腐蚀不锈钢。另外高温焊料的冲刷腐蚀也是个非常重要的原因，下表为采用 X射线化学分析仪对腐蚀不锈钢槽的截面成分分析：腐蚀截面的合金元素分布元素 Bulk 304LSS 20μm 40μm 60μm Bulk Sn-Ag Solder Nickel 8.76 0.00 0.00 0.25 0.00 Iron 71.25 18.19 16.97 0.59 0.00 Manganese 1.69 0.09 0.02 0.00 0.00 Chromium 17.31 2.36 0.80 0.25 0.00 Silicon 1.00 0.71 0.67 0.21 0.00 Tin 0.00 75.71 78.71 95.61 93.87 Silver 0.00 2.95 2.82 3.29 6.13 从表中实验数据可以看出，无铅钎料在不锈钢表面完全浸润，并与不锈钢基体之间发生相互扩散。这种扩散最终导致锡槽腐蚀。对于高 Sn钎料的腐蚀性，设备材料应采用抗高 Sn焊料腐蚀的金属，比如采用钛合金。考虑到钛合金的成本，对于无铅波峰焊设备，锡炉里面的叶轮、输送管和喷口多采用以下材料： 1）及钛合金 2）表面渗氮不锈钢 3）表面陶瓷喷涂不锈钢对于锡炉多用材料为： 1）钛及钛合金 2）铸铁 3）表面渗氮不锈钢 4）表面陶瓷喷涂不锈钢 6.更多氧化渣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，在波峰焊过程中，PCB接触到焊料波的前沿表面，氧化皮破裂，PCB前面的焊料皮无褶皱的向前推进，整个氧化皮与 PCB以同样的速度移动。与 Sn-Pb焊料相比，无铅焊料将产生更多的锡渣 (dross)，影响焊接质量，同时也造成浪费。典型的锡渣结构都是 90％的可用金属在中心，外面包含 10％的氧化物。这是因为不同温度下 SnO2和 PbO的标准生成自由能不同，前者生成自由能低，容易产生，而后者不易。无铅波峰焊设备最好配有自动刮除锡渣装置和焊锡液面高度自动监测装置。可以明显减少氧化，随着氧气浓度的降低，无铅焊料的氧化量时明显减少。当氮气保护中的氧气浓度为 50ppm或以下时，无铅焊料基本上不产生氧化。 7.采用双波峰系统双波峰系统前面的湍流波可渗入到所有待焊表面以保证良好润湿后面的双向宽平波流动缓慢且平坦，有利于保证印刷电路板在流动速率最小点处脱离焊料波峰，进而最大限度地抑制桥连 (bridge)、毛刺(icicle)等焊接缺陷的产生。 8.Lift-off（剥离）缺陷剥离现象如图所示，焊点与焊盘在应力的作用下开裂，焊点边缘翘起。剥离现象一般在 40X工业检测放大镜下就可以观测到，对电性能几乎没有影响，但是对可靠性会造成很大的威胁。剥离形成原因：1.非共晶焊料存在熔化温度区间，焊点不能同时凝固，在后凝固时发生收缩，产生剥离；2.由杂质元素引起，如 Bi会与 Sn形成 Sn-Bi低熔共晶，凝固时焊点发生收缩，产生剥离； 3.内应力作用。剥离现象一般在针孔插件焊点中常见，在表面贴装中出现较少，这与其产生原因有关。如图所示当液态焊料冷却时，外部冷却快先凝固，内部冷却慢后凝固，内部钎料凝固的过程中就会产生如图所示的内应力（蓝箭头表示），焊料与铜焊盘之间受到张力的作用，如图中红箭头表示。另外，对于 PCB材料来说，X,Y,Z方向的热膨胀系数（ CET）不同，就 FR4而言， Tg温度下 X,Y方向为 16×10-6/℃，而 Z方向为 50×10－6/℃，Tg温度以上更为严重。这样在冷却过程中，PCB就在 Z轴方向收缩，形成那收缩力，如图中黑箭头表示。焊点与焊盘的界面处在受到内收缩力和张力的共同作用下，就会开裂，形成剥离现象。在含 Bi元素焊点中，更易出现剥离现象，原因是因为 Bi元素容易和其它合金元素形成低熔共晶，在冷却的过程中更易开裂。防止措施：1.保证钎料为共晶成分，使得均匀凝固，同时控制钎料杂质的含量；2.当采用含有低熔元素 Bi的无铅钎料时，对电路板则需采取低温（如-30oC冷气）快速

冷却，同样可减少焊点剥离现象的发生。快速冷却可以有效防止剥离现象的产生，故应该具有快速冷却系统系统。 9.焊锡成分的准确性波峰焊中，由于焊料的氧化和母材金属的溶解，使焊料槽中钎料的成分发生变化，偏离共晶点，导致流动性差，出现连焊、虚焊、焊点强度不够，影响整机的可靠性。焊锡中 Cu含量超过 0.85wt%时会导致焊接不良，当 Cu溶解于钎料锅内时，会在熔融钎料内形成 Cu6Sn5金属间化合物，Cu6Sn5化合物相的密度为 8.3g/mm3，而常用无铅钎料的密度则为 7.4g/mm3，从而形成的金属间化合物沉淀在熔融钎料锅的底部不易清除，缩短焊锡锅寿命。铜箔及元器件的铜材向钎料中扩散，引起焊料液中铜的含量升高，当铜的含量多于 0.3％时，会使焊料温度升高，流动性变差，导致焊点粗糙无光泽、强度降低、连焊增加。在这种条件下应该进行适当的添取。当铜超标时，可以根据焊料槽容量和超标的数值，从焊料槽内取出部分焊料合金，然后添加适量的 Sn-0.3Ag-0.1Cu来降低锡炉中铜的含量。当铅超标时，可以很据焊料槽容量和超标的数值，从焊料槽内取出部分焊料合金，然后添加适量的 Sn-0.3Ag-0.7Cu来降低锡炉中铅的含量。当铅、铜都超标时，可以根据焊料槽容量和超标的数值，从焊料槽内取出部分焊料合金，然后添加适量的 Sn-0.3Ag-0.7Cu、Sn-0.3Ag-0.1Cu来降低锡炉中铅、铜的含量。采用抗氧化焊锡条，该焊锡条中含有还原剂，可将部分 SnO还原为 Sn，从而减小渣量，缓解吸含量降低的速度。由于波峰焊接口始终以新生态的钎料合金出现，与空气接触氧化。因此每当 2～3天应根据实际生产情况添加一定量特一号锡（ 99.95％） (R . M )G2 =G1 × 100 其中：G2为添加纯锡的量，G1为锡槽中钎料合金的量，R为钎料中焊锡原始含量值（Sn-Pb中为 63），M为锡槽中钎料的含锡量。当锡槽中焊料含铜量大于 0.3％时，整锅锡应予以更换。10.氮气保护由于无铅钎料(Sn0.7Cu)的润湿性要弱于传统 SnPb钎料，钎焊过程中推荐采用氮气保护以提高无铅钎料的可焊性。表面上看，氮气保护会增加设备投资和生产成本，但是使用 N2后可以减小焊接缺陷，降低返修率，提高成品率；另外可以大大降低氧化渣。对于无铅化焊接系统，应该具有氮气保护系统，其具体要求如下： 1.可快速达到低氧气浓度，一般要低于 500ppm； 2.配有专门仪器监控氧气浓度； 3.尽可能小的氮气消耗量，一般要低于 20立方米/小时； 4.最好配有氮气过滤系统以便循环利用。O2气浓度控制曲线

冷却，同样可减少焊点剥离现象的发生。快速冷却可以有效防止剥离现象的产生，故应该具有快速冷却系统系统。 9.焊锡成分的准确性波峰焊中，由于焊料的氧化和母材金属的溶解，使焊料槽中钎料的成分发生变化，偏离共晶点，导致流动性差，出现连焊、虚焊、焊点强度不够，影响整机的可靠性。焊锡中 Cu含量超过 0.85wt%时会导致焊接不良，当 Cu溶解于钎料锅内时，会在熔融钎料内形成 Cu6Sn5金属间化合物，Cu6Sn5化合物相的密度为 8.3g/mm3，而常用无铅钎料的密度则为 7.4g/mm3，从而形成的金属间化合物沉淀在熔融钎料锅的底部不易清除，缩短焊锡锅寿命。铜箔及元器件的铜材向钎料中扩散，引起焊料液中铜的含量升高，当铜的含量多于 0.3％时，会使焊料温度升高，流动性变差，导致焊点粗糙无光泽、强度降低、连焊增加。在这种条件下应该进行适当的添取。当铜超标时，可以根据焊料槽容量和超标的数值，从焊料槽内取出部分焊料合金，然后添加适量的 Sn-0.3Ag-0.1Cu来降低锡炉中铜的含量。当铅超标时，可以很据焊料槽容量和超标的数值，从焊料槽内取出部分焊料合金，然后添加适量的 Sn-0.3Ag-0.7Cu来降低锡炉中铅的含量。当铅、铜都超标时，可以根据焊料槽容量和超标的数值，从焊料槽内取出部分焊料合金，然后添加适量的 Sn-0.3Ag-0.7Cu、Sn-0.3Ag-0.1Cu来降低锡炉中铅、铜的含量。采用抗氧化焊锡条，该焊锡条中含有还原剂，可将部分 SnO还原为 Sn，从而减小渣量，缓解吸含量降低的速度。由于波峰焊接口始终以新生态的钎料合金出现，与空气接触氧化。因此每当 2～3天应根据实际生产情况添加一定量特一号锡（ 99.95％） (R . M )G2 =G1 × 100 其中：G2为添加纯锡的量，G1为锡槽中钎料合金的量，R为钎料中焊锡原始含量值（Sn-Pb中为 63），M为锡槽中钎料的含锡量。当锡槽中焊料含铜量大于 0.3％时，整锅锡应予以更换。10.氮气保护由于无铅钎料(Sn0.7Cu)的润湿性要弱于传统 SnPb钎料，钎焊过程中推荐采用氮气保护以提高无铅钎料的可焊性。表面上看，氮气保护会增加设备投资和生产成本，但是使用 N2后可以减小焊接缺陷，降低返修率，提高成品率；另外可以大大降低氧化渣。对于无铅化焊接系统，应该具有氮气保护系统，其具体要求如下： 1.可快速达到低氧气浓度，一般要低于 500ppm； 2.配有专门仪器监控氧气浓度； 3.尽可能小的氮气消耗量，一般要低于 20立方米/小时； 4.最好配有氮气过滤系统以便循环利用。O2气浓度控制曲线

线 1.1.2波峰焊工艺参数的确定工艺参数的确定对焊接质量有很大影响。下图为无铅波峰焊工艺参数参考：焊接温度 250～260℃，预热温度 100-130℃，预热时间 60秒以上，预热温升速率 3℃/秒以下，初始冷却速率 8-10℃/秒。注意：没有一条适用于任何组装条件的温度曲线 1.焊接温度焊接温度并不等于锡炉温度，在线测试表面，一般焊接温度要比锡炉温度低 5℃左右，也就是 250℃测量的润湿性能参数大致对应于 255℃的锡炉温度。通过实验表明，一般的无铅焊料合金，最适当的锡炉温度为 271℃。此时常用的无铅合金一般存在最小的润湿时间和最大的润湿力。当采用不同的助焊剂时，无铅焊料润湿性能最佳的锡炉温度有所不同，但是差别不大。下表为 ALPHA公司推荐的锡炉温度： AlPHA公司推荐的锡炉温度无铅焊料锡炉温度 Sn-0.7Cu 276℃ Sn-3.0Ag-0.5Cu 270℃ Sn-4.0Ag-0.5Cu 276℃ Sn-3.5Ag 276℃ Sn-37Pb 260℃波峰焊锡炉的温度对焊接质量影响很大。温度若偏低，焊锡波峰的流动性变差，表面张力大，易造成虚焊和拉尖等焊接缺陷，失去波峰焊接所应具有的优越性。若温度偏高，有可能造成元件损伤，增强焊料氧化。评价标准：焊料合金+助焊剂组合可以达到优良的润湿效果评价方法：采用润湿平衡法对于 Sn-0.7Cu焊料合金+无铅专用助焊剂/低 VOC助焊剂组合而言，焊锡槽的最佳温度为 260-270℃；复合双面板一般要比单面板温度高 10～25℃左右；无铅波峰焊中最好使用 Tg高的基板材料，因为其有更好的阻抗能力。无铅波峰焊对于元器件影响不是很大，下图为 Sn-0.7Cu钎料在 260℃焊接温度下对不同元器件引脚温度的测试数据，由图可以看出几条曲线温度相近，没有很大变化。 2.波峰高度波峰高度的升高和降低直接影响到波峰焊的平稳及波峰表面焊锡的流动性。适当的波峰焊高度可以保证 PCB有良好的压锡深度，使焊点能充分与焊锡接触。平稳的波峰焊可使整块 PCB在焊接时间内都能得到均匀的焊接。当波峰偏高时，表面液态焊料流速增大。雷诺数值增大将使液态流体进行湍流状态，易导致波峰不稳定，造成 PCB漫锡，损坏 PCB上的电子元件，但是有利于焊缝的填充，易引起拉尖、桥连等焊接缺陷。波峰偏低时，泵内液态焊料流速低为层流态，因而波峰跳动小，平稳。焊锡的流动性变差，容易产生吃锡量不足，焊点不饱满等缺陷。波峰高度通常控制在 PCB板厚度的 1/2～1/3。 3.浸锡时间被焊表面浸入和退出溶化焊料波峰的速度对润湿质量，焊点的均匀性和

厚度影响很大。焊料被吸收到 PCB焊盘通孔内，立即产生热交换。当印制板离开波峰时，放出潜热，焊料有液相变为固相。当锡炉温度在 250～260℃左右，焊接温度就在 245℃左右，焊接时间为 3～5s左右。考虑到环境温度的变化，助焊剂性能和焊料的温度，接触时间也有所不同。 4.冷却系统无铅化之后，通孔基板波峰焊接时常常会发生剥离缺陷，其原因是因为在冷却过程中焊料合金的冷却与 PCB的冷却不匹配。此外无铅钎料与镀有 Sn-Pb合金的元件会共同存在一段时间，如果采用含 Bi无铅焊料，剥离现象更为凸出。目前解决的最好办法是在出口加冷却系统，采用较大冷却速率。焊后的冷却主要从三个方面影响钎焊焊点形态和厚度。影响焊点的晶粒度。适当的过冷度会增大形核率，细化晶粒，提高焊点强度。影响 IMC的形态核厚度。对于铜焊盘表面常常会形成一种 η-Cu6Sn5相化合物，其不断长大，形成 IMC。随着扩散的进一步深入，在铜盘与 η-Cu6Sn5之间会形成 ε-Cu3Sn相。实验表明，IMC厚度一般以 1-3μm为宜。过厚的 IMC会导致焊点断裂，韧性和抗低周疲劳能力下降，并且层状的 Cu3Sn电子化合物则呈脆性，焊接强度低，导电性能差，从而导致焊点可靠性下降。影响低熔共晶的偏析。焊点结晶过程中由于化学成分不均匀而往往导致偏析产生，再加上低熔共晶的存在，冷却过程中造成焊点内应力而产生焊接裂纹。冷却系统应满足以下技术要求： 1）流应定向，应不导致钎料槽表面的剧烈散热； 2）风压应适当，过大易产生扰动焊点；3）冷却速度要求适中，急速冷却将导致较大的热应力而损坏元器件。目前广泛应用的冷却方式是采用强制自然风冷却，其冷却速度为 3-4℃ /s，基本上可以满足一般 PCB的焊接要求，另外一种冷却方式是采用强制冷源冷却，其冷却速度可达 8-10℃/s，对于表面组装比较复杂的 PCB，或者是多层板、混装板建议采用这种冷却方式，其冷却效果比较好。 6.助焊剂更换生产过程中，由于空气中的水分、灰尘，铜箔及元件引线表面的吸附气体、吸附水膜、氧化物、油脂、尘埃等不断进入助焊槽，使助焊剂的杂质含量会慢慢上升，当杂质含量大于 300×10－6时应予以更换。第2章无铅制造企业策略我国的很多电子制造厂家已经明显落后国际步伐，作为电子制造大国，我国在无铅制造方面是否能够实现平稳高效过渡，最终赶上预定的时间节点将大大影响我国在电子制造领域的竞争力。 2.1无铅制造步骤面对 Rohs法令的出台，我们国家电子制造商应该有

步骤的实现无铅化制造。第一步：焊膏，波峰焊锡，印制板焊盘镀层无铅化；元器件必须能够承受无铅焊接温度，但是引脚，内部连接，模块内部，元器件材料仍然可以继续使用含铅产品。第二步：焊膏，波峰焊锡，印制板焊盘镀层及元器件引脚必须无铅；元器件内部连接，模块内部，元器件材料仍然可以继续使用含铅产品。第三步：除豁免类产品外，焊膏，波峰焊锡，印制板焊盘镀层，元器件引脚，元器件内部连接，模块内部，元器件材料必须完全实现无铅化。 2.2无铅制造问题无铅制造涉及面广，是一典型系统工程，就电路板组装代工场，应该考虑下面几个问题： 1. 组装设计问题部分代工厂除提供加工外，也提供与制造有关的设计与开发工作。无铅制造的导入，至少在可制造性设计和可靠性设计方面提出新的挑战。无铅制程焊盘设计新规则问题；机械应力（弯曲，振动，跌落等），热机械应力（环境温度变化，功耗引起的发热等问题）情况下的可靠性与寿命问题。在可制造性设计方面，目前无足够准确通用信息可供参考。 IPC-279提供了相当详细的针对传统电子制造的可靠性设计指南，参考该指南并对无铅制造所带来的变化进行分析并进行相应的变更应该是一种十分有效的方法。传统的电子产品可靠性主要挑战是为散热和焊点热疲劳；但是现代化电子产品除热疲劳和散热外，机械应力（压力、跌落、振动等）因素开始变得越来越重要。目前研究结果显示无铅焊料的性能优于 SnPb共晶焊料。但是机械应力下的可靠性可能会是无铅产品可靠性主要问题。 . 焊接温度变高，金属间化合物厚度增加，形状变大 . 器件一侧或器件和印刷电路板两侧含有 Ni的情况下，无铅制程一般导致焊接界面形成 CuNiSn三元金属间化合物（可能为 (CuNi)6Sn5，也可能为 (CuNi)3Sn4）。现有实验结果表明三元金属间化合物在机械应力下的可靠性很可能不及 SnPb共晶下形成的 Cu6Sn5或 Ni3Sn4。 2. 工艺问题无铅焊接对工艺的要求远远高于传统共晶钎料的要求。即使对工艺文件由客户提供的制造商，由于任何工艺的转移都必然牵涉转化，吸收及学习过程，因而也必须从知识，经验上早做准备，从而使得转化得以快速高质量完成。典型需要考虑的问题有： . 回流曲线类型的选择及工艺参数优化。欧盟大多数厂家采用两种类型的回流曲线及典型参数设置，其中更多侧重线性型。 . 返修工艺。和传统焊接相比，无铅焊接高温对返修提出严峻挑战。如何避免，减少和控制返修可能导致焊盘

的损伤，焊料及界面金属间化合物的氧化等需要更加仔细的分析和论证。 3. 元器件问题目前组装生产厂家在导入无铅制程中碰到的问题有相当比例与器件和印制电路板质量有关。针对无铅制造，在元件方面要特别关注和控制的问题有： . 元器件可焊性问题。由于元器件引脚的无铅化，镀层制备相应变更；同时由于可焊性实验所使用的焊膏无铅化，所以可焊性实验结果的分析判断也和传统的 SnPb共晶焊接存在差异。 . 湿气敏感性问题。无铅焊接较高的回流温度下达到塑料封装的湿气敏感性级别要求是元器件供应商的十分严峻的挑战。有使其敏感性引发的组装焊接后容易出现分层、爆裂等会严重影响电子组装的可靠性。必须按照使其敏感性器件的存储、使用和管理进行严格控制，另外还需对湿气敏感性问题重视和了解，一方面强化对供应商的控制，一方面当出现问题时可以有效的解决。湿气敏感元器件常用标准。JESD-020C：非气密性固态表面贴装器件的水汽/回流敏感性分级；J-STD-033A：湿气敏感集成电路器件的分级和处置；JEDEC A113：可靠性实验前塑封器件的预处理；JEP113：湿气敏感性器件符号和标识。 . 锡晶须问题。由于引脚镀层与焊锡反应生成的金属间化合物的热膨胀系数一般小于焊锡，导致焊锡材料处于压应力下而产生锡晶须生长，引发短路等严重可靠性问题。目前实验结果表明，一般情况下毛锡（matt tin）及在铜引脚上镀 Ni底镀层可以有效抑制锡晶须生长。对于具体情况还要采用方法来验证。目前 JEDEC推荐使用的锡晶须评估试验条件为：高温高湿实验（600℃、93％RH，大于 10周），室温储存实验（ 22～28℃，40～70％，6个月），温度循环试验（-55℃～+85℃温度循环 2000周） 4. 印制电路板问题无铅化制造中牵涉到许多与印制电路板有关的问题，包括设计、材料、工艺等。其中特别需要关注和控制的典型主要问题有： . 可焊性及若过程中可焊性的退化 . 选用较高 Tg的基材 . 选择焊盘镀层材料。目前无铅消费类电子多使用 OSP镀层，但无铅制造技术方面的调查多数认为主要选择为化学 NiAu镀层。无铅焊料中 Sn含量比锡铅焊料高以及无铅焊料熔点温度的提高，加热时间延长，使得 Cu，Au等贵金属在熔融焊料中的溶解和扩散大大加快，增加了焊点和基体间界面上形成金属间化合物。这些脆性的金属间化合物影响了互连接点的机械性能，一般需在界面处镀一 Ni来阻止扩散。 . 如何解决焊接过程中大尺寸印制电路板下垂变形 . 高温焊接和基板 Z轴热

膨胀系数大导致通孔可靠性问题 . 基材高温分解引起的可靠性问题 . 目前使用的 PCB，如 FR4,CEM3等都大量使用溴化环氧树脂等含氯素的阻燃材料。在无铅工艺中，高的回流温度容易导致 PCB释放出高毒性物质，如二恶英，其为高致癌物。目前解决方法使以含磷环氧树脂取代溴化环氧树脂，作为主体树脂；以含氮酚醛树脂取代传统的双氰胺作固化剂，通过氮和磷的作用，提高产品的阻燃性；或添加阻燃助剂。 . 基材吸水及高温回流过程中可能导致的内部分层，玻璃纤维和数值界面接合的退化问题 . 其它还包括兼容性（焊膏无铅但引脚有铅（正兼容性）和焊膏有铅但引脚无铅（负兼容性）），长期可靠性问题 5. 国际标准存在的问题目前电子制造业中还没有关于无铅焊料产品的公认国际标准及评价无铅技术质量和可靠性的方法。这对于电子产品无铅化来说是最大的障碍。 6. 常见焊接质量问题无铅制程导入之后常常出现的问题及原因如下： . 湿气敏感元器件印温度及湿气应力产生的分层和爆裂 . 陶瓷电阻、电容等因温度梯度引起的漏电、开路 . 印制板焊盘脱落、内部分层、开裂、镀层开裂等 . 与可焊性等有关的高空洞率、焊点外观不良 . 波峰焊通孔器件内焊料填充不良问题 . 金属间化合物引起的早期失效 . 与机械应力等有关的焊点开裂 7. 常用检测手段与质量相关的常见检测分析手段： . 外观（形状）：光学显微镜，X射线显微镜 . 器件内部结构：扫描超声显微镜，X射线显微镜，金相微切片 . 力学（推力、拉力等）：接合强度测试仪、材料试验机 . 微结构和成分：金相制备＋光学显微镜和扫描电子显微镜（电子能谱） . 焊点开裂分析：染色，光学显微镜分析，扫描电镜断口分析等 . 离子污染度：离子污染度测试仪与可靠性相关的检测手段： . 焊点热疲劳寿命：温度循环实验和温度冲击实验（注：实验过程中进行焊点通断、功能监控；实验进行到不同时间时抽样进行金相剖面，染色等实验） . 锡晶须：可靠性实验（实验进行到不同时间时采用扫面电子）尽管无铅化是电子制造技术的大势所趋，但其在推行过程中还存在很多困难。无铅技术在生产过程的实施的主要难题有：第一，在选择无铅焊料供应商时，如果忽视无铅合金兼容性的问题，可能会造成产品的腐蚀和损坏。第二，由于无铅再流焊比一般再流焊要高 20至30℃，高温会使 PCB 板变形翘起，所以生产用于基站等大型设备的 PCB 仍很困难。第三，无铅焊接过程中引脚提起、锡须和焊点

点中的空洞等焊接缺陷比锡铅工艺中发生得多，检测变得更加复杂。第四，由于无铅焊料表面张力和粘度的改变使得返工十分困难。第五，焊接过程的温度、时间和合金成份的确定没有统一的标准。 无铅焊接并不是可行性的问题，它更多地是我们在这个技术领域处于追随地位还是领导地位的 虽然无铅工艺目前仍存在工艺复杂、缺少相应的标准、成本增加等不利因素，但从长远的角度看，无铅制造在全球的推广势在必行！中国电子科学研究院电子电路柔性制造中心（EDMI），虽已拥有世界一流的多条 SMT生产线设备和 HP5DX 射线仪及 SEICA FP20 飞针测试仪等高精度大型检测仪器，但同样面临 PCBA 生产和军品研发的无铅化挑战，为此，在有关部门的支持下，从去年开始，已组织专门力量，展开电子整机板级电路 PCB 装联无铅化的技术跟踪和试验研究工作，为我国电子产品生产的无铅化作出我们应有的贡献电子产品制造过程的无铅化是一种必然，电子制造厂家应该立即行动起来，有计划、有步骤的逐步实现无铅制造，有准备的面对绿色制造技术贸易壁垒，使自己的产品适应环保需求，满足人类生存环境的可持续发展需求。在电子组装领域中，随着产业无铅化的趋势，许多 IC供应商正在积极评测并且供给无铅产品。