无铅焊接技术知识

无铅焊接工艺技术
１．无铅焊接技术的发展趋势
在传统的电子产品焊接工艺中，普遍都是使用含铅焊料，以至于大量的铅毒
存在于我们日常使用的电子产品中。

由于铅及其化合物属剧毒物质，容易污染地下水及土壤，给人类的生存环境带来严重危害，特别是对儿童的脑发育。

随着电子工业的快速发展，被废弃的电器制品将逐年增多，电子工业中电路板焊接使用的焊料几乎都含有铅。

其污染地下水和土壤，成为环境问题，近年来已引起人们的特别关注，特别是在发达国家。

（１）欧洲议会决议：欧洲电子工业计划在２００４年１月全面禁止含铅焊料的使用，在公元２００４年欧美将全力导入无铅锡膏的制程。

（２）日本ＮＥＣ、ＳＯＮＹ、松下、富士通、东芝等大型电子厂家在公元２０００年已开始导入无铅锡膏的制程。

（３）在中国，由于很多电子厂家是做欧美及日本的ＯＥＭ订单，越来越多地被他们的客户要求使用无铅焊料。

（４）同时更多的公司在申请ＩＳＯ１４０００认证时，都被要求使用对环境无害的原料和技术。

（５）在环境保护这个大前提下，法规和市场因素将起着更直接的作用。

中国在加入ＷＴＯ以后，也必将响应、加强世界环保条约。

因此，出于对环保的考虑，铅在２１世纪将被严格限用。

未来的市场发展趋势是使用含铅焊料的电子产品将无法进入国际市场。

对于电子组装企业来说，无铅焊接技术的应用已经是摆在面前必须解决的现实问题。

２．无铅焊接技术的工艺特点
无铅焊接工艺与传统Sn-Pb合金焊接工艺不同。

如熔点在183℃的Sn/Pb含铅焊料，其完全液化温度在205~215℃之间；一般PCB允许的最高温度在230~240℃。

采用无铅焊接工艺，因所使用的无铅焊料（目前已开发出来的）大多数合金熔点比传统的63Sn37Pb合金高40℃左右，熔点温度在195℃~227℃之间，完全液化
温度在240℃~250℃之间，这就意味着回流焊必须在更高的温度下进行；而PCB允许的最高温度必须保持不变，否则会超过PCB的材质许可温度（240℃），使PCB 损坏。

无铅双波峰焊设备的常规温度曲线
通过上述曲线图和金属材料学知识，我们了解到为了获得可靠、最佳的焊点，温度Ｔ２最佳值应大于无铅锡的共晶温度，锡液焊接温度一仍控制在２５００Ｃ２０Ｃ（比有铅锡的温度要求更严），这样一般有高可靠要求的军用产品，△Ｔ２＜３００Ｃ，对于普通民用产品，建议温差可放宽到△Ｔ２＜５００Ｃ（根据日本松下的要求）；预热温度Ｔ１与有铅焊大致相同，具体数值根据助焊剂和ＰＣＢ板工艺等方面来定，但△Ｔ１必须控制在－５０Ｃ以内，以确保助焊剂的活化性能的充分发挥和提高焊锡的浸润性；焊接后的冷却从温度Ｔ３２５００Ｃ降至温度Ｔ４６０～８００Ｃ，建议按６～１２０Ｃ／Ｓ的降幅梯度控制；温度曲线在时间上的要求主要是预热时间ｔ１、浸锡时间ｔ２、ｔ３及冷却时间ｔ４，这些时间的具体数值的确定要考虑元器件、ＰＣＢ板的耐热性及焊锡的具体成份等多方面因素，通常ｔ１在１分钟左右，ｔ２＋ｔ３在３～４Ｓ之间。

上述参数要求对波峰焊接设备各相关部件提出了比有铅焊更高的要求：
Ａ、为了在有限的预热时间ｔ１里达到预热温度Ｔ１＋△Ｔ１而不造成温度冲击，根据国外的研究报告和日东实验比较，
建议采用：
１、ＰＩＤ模拟量＋远红外线辐射（菲利浦射灯＋特种玻璃）加热方式＋模拟量调压方式；
２、热风方式。

这种两种预热方式可获得较佳的预热曲线；
Ｂ、为达到温度Ｔ３２０Ｃ，建议采用间接加热方式＋ＰＩＤ模拟量控制方式（传统的直接加热方式很难做到２０Ｃ的均匀度）。

Ｃ、温度△Ｔ２优化值的获得，一般主要通过缩短两波峰的间距来实现，但两距离的缩短不是越短越好，同时还要考虑两波峰的波形不能干涉，并且第二
波峰的高度不得小于６～８ｍｍ以确保锡液对ＰＣＢ的板面压力。

日东公司通过与日本松下株式会社的合作，针对上述特性开发出适合无铅要求的专用型双波峰焊机ＳＡ－３ＪＳ，并已被松下、ＳＯＮＹ、东芝、先锋、嘉财等公司认可和采用。

该机型主要配置是Ｌ１２００ｍｍ长的专用远红外预热器；间接加热特种材料
的锡炉和强制冷却系统；人机界面控制系统和ＰＩＤ模拟量控制方式。

日东公司研制ＳＡ系列无铅波峰焊已完全符合无铅焊接要求，在一些方面已达到国际领先技术水平，推向市场后受到日本一些知名公司的信赖，台湾及国内一些导入无铅化制程的公司在向日东公司采购同时共同探讨无铅焊接工艺。

日东公司是一家具有十八年波峰焊发展历史的公司，作为一家上市公司，同时又是高新技术企业。

有实力，有责任承担起无铅焊接的研究开发，以回报十八年来支持日东公司的客户以及业内同仁，为世界环保事业作出贡献！
5.无铅焊料系列的熔点温度
焊料的组成熔融温度(℃)
Sn/Cu227
Sn/Ag221
Sn/Ag/Cu217
Sn/Bi/Ag205~215
Sn/Zn199
Sn/Bi138
６、无铅焊接工艺对ＰＣＢ板工艺要求及其它。

由于无铅焊料的成份特殊，对ＰＣＢ板制作工艺的要求也相对提高：ＰＣＢ板及元器件的材质要求耐热性更好，同时ＰＣＢ和元器件脚的材质必须在高温焊接时不被焊锡腐蚀，并且元器件脚材料的基本成份应与焊锡成份相一致等等。

７、无铅焊料焊接缺陷
１．冷却速度的问题
快速冷却可以细化晶粒，提高焊点的强度，但是快速冷却带来了一个问题，容易产生气孔，降低焊点的强度，而且快速冷却使焊点的内应力增大，容易导致焊点失效。

ＬＩＦＴＩＮＧＯＦＦ（剥离）（锡须）
2．润湿不良在焊接作业中是不能被接受的，它严重地降低了焊点的耐久性和延伸性，同时也降低了焊点的导电性及导热性。

其产生的原因及解决的办法：
１）ＰＣＢ和元件被外界污染物污染，这些污染物包括油、漆、脂等。

这些污染物可通过适当的清洗方式清除，可选择用清洗剂清洗。

２）ＰＣＢ及元件严重氧化。

可采用活性较强的助焊剂焊接作业或清洗铜箔表面、元件端线。

同时避免ＰＣＢ及元件长期存放。

３）助焊剂可焊性差。

研究助焊剂有无问题和助焊剂是否变质。

另外，助焊剂涂覆不均匀，同样容易造成润湿不良。

４）通过对实验板的分析，当其它工艺参数不变的情况下，Ｎ２保护环境下能够大大提高合金焊料的润湿性。

通过对实验板的显微镜观察，在Ｎ２环境下焊接的实验板不存在焊盘的润湿不良现象。

３．填充不足
在设计插件元件焊盘时，焊盘尺寸设计应合适。

焊盘太大，焊料铺展面积较大，形成焊点不饱满，而较小的焊盘铜箔表面张力太小，形成的焊点为不浸润焊点。

当孔径比引线宽０．０５－０．２ｍｍ，焊盘直径为孔径的２－２．５倍时，是焊接比较理想的条件。

我们从ＰＣＢ的焊点设计可以看出，通孔直径为０．８ｍｍ，引线直径为０．６ｍｍ，其中的间隙是容许的最大间隙，在焊接过程中由于间隙太大导致填充不足。

另外，ＰＣＢ通孔内壁没有镀层，焊料不可能润湿内壁，液态焊料在润湿焊点时，外部表面张力大，焊点中心表面张力小，导致焊料向焊盘周围移动，导致通孔填充不足，如图３所示。

（ａ）（ｂ）焊点不足
焊点内的气孔
４．气孔形成气孔的原因可能是ＰＣＢ或元器件放置时间过长，造成受潮，也有可能是预热温度不够，没有蒸发掉助焊剂或焊盘上的水分，在焊接过程中造成气孔的形成。

从实验板的分析可知，此种气孔的数量较少，而且尺寸较少，不会影响到接头的可靠性。

８．缺陷解决方案
１．从实验板的分析可知，采用氮气保护相对于空气环境下的焊接，其缺陷率要大大减少，从而证实氮气保护可以大大提高ＰＣＢ的焊接质量；２．分析ＰＣＢ或试验引线是否防止时间过长，造成表面氧化过深，使可焊性下降；３．分析助焊剂是否失效，从而造成焊接过程中的桥连、润湿不良等焊接缺陷；４．预热温度是否过高，适当降低预热温度，桥连、润湿不良等焊接缺陷可能会大大减少，预热温度应根据助焊剂的要求设定，一般无铅焊接的预热温度在１１０－１３０左右；５．确定焊接温度是否正常，温度过低，相应会导致焊料的流动性不良，造成焊接缺陷，一般锡炉温度在２５０－２６５之间；６．波峰高度是否适宜，当波峰高度太大时，其与ＰＣＢ接触时的波峰温度会降低，而且焊料易氧化，造成焊接缺陷；７．ＰＣＢ与波峰的接触时间是否合理，如果接触时间太短，容易造成填充不足、焊点结合强度不够、虚焊等。

由于波峰焊接过程是一个复杂的过程，影响焊接质量的因素有很多，对于每一种焊接缺陷，应根据实际情况确定是出于何种控制因素，因而找到相应的解决办法。

本分析报告是根据缺陷的形成机理，列出了产生缺陷的种种原因，如果要减少甚至消除这些焊接缺陷，须根据实际操作过程，改变适当的工艺参数。