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无铅焊接技术及其在应用中存在的问题

　　无铅化已成为电子制造锡焊技术不可逆转的潮流。2005年起，国内无铅化进程进人了实施阶段。然而无铅化实施应用中存在许多实际的问题与难点。
1 无铅焊料的必要条件
　　电子工业用60／40、63／37焊料已有50多年的历史，已形成非常成熟的工艺。因此无铅焊料要取代有铅焊料必须满足一些充分而必要的条件，见图1。
　　首先，从电子焊接工艺的要求出发，为了不破坏元器件的基本特性，所用无铅焊料熔点必须接近锡铅共晶焊料的熔点183℃。这是由于熔点高的焊料将超过电子元件的耐热温度，同时由于再流焊炉制约，不可以使用熔点高的焊料。
　　其次，从可焊性的观点出发，必须与电子元件及印制板的镀层铜、镍、银等有良好的润湿。从电子产品的可靠性出发，为了形成良好的冶金结合的焊点，焊料本身的机械强度是非常重要的。特别要求焊点具有耐热疲劳性能，这是由于电子产品在使用过程中不可避免的会产生发热现象而产生热膨胀，同时在不使用时温度下降会产生收缩，如此反复循环将在焊点处发生热疲劳现象。从焊接的实际操作来看，希望焊接缺陷少是非常重要的。特别是桥接、拉尖等不良缺陷均和焊料的润湿性有密切关系。在再流焊接时，由于母材表面氧化，为了提高焊剂的去氧化作用，必须使用有活性的助焊剂予以去除。但是这样将产生残留物而出现腐蚀和电迁移等现象。同时，在流动焊时由于波峰焊产生的氧化锡渣也是一个问题，不仅造成焊点不良率上升，同时也增加成本。此外，焊膏的保存性是进行良好印刷的必要条件。在存放期间焊膏内的助焊剂与合金发生反应而劣化，会造成粘度升高、印刷不良等。以上均是无铅焊料必须考虑的问题。
　　从这些观点出发来选择适当的无铅焊料是非常重要的。表1所示的是从．1980年以来开发的无铅共晶合金的特性比较。在此基础上发展了当前实用的锡银铜等主流无铅焊料。
2 无铅焊料和有铅焊料的比较及其特点
　　近年来比较实用的无铅标准合金大致以锡银铜为基础。然而由于该合金熔点仍偏高，即使元器件的焊料的1．5～．O倍的抗张强度和非常优秀的抗热疲劳性能，但另一方面对铜的润湿性差。从扩散率来看，锡铅焊料扩散率超过90％，而锡银铜焊料在80％左右，耐热性有所提高，多层、薄形的印制板耐热性仍存在问题。因此在锡银合金基础上添加铋、铟以降低熔点以及开发锡锌系无铅化焊料将成为今后发展的方向，见表2。
　　锡银铜无铅焊料有比较好的机械特性，具有锡铅锡锌焊料在大气下扩散率非常差。但是由于技术不断进步，目前锡银铜无铅焊膏的润湿性已取得了明显提高，几乎达到锡铅焊膏的水平。
3 无铅焊接和有铅焊接工艺比较及其特点
3．1再流焊工艺技术
从锡铅焊料到锡银铜焊料，在再流焊实际操作时将发生很大的变化，主要有：
①目前最常用的锡-3．0银-0．5铜其熔点在217℃～219℃，在进行再流焊时，可操作的最低工艺温度应为液相温度加10℃，这就比锡铅共晶焊料的熔点高出40℃。不难看出操作温度的上升与元器件的耐热温度(240℃)的差距将大幅减少，因此必须较以往有更正确的工艺温度管理。此外，由于印制板的多样化，热容量不同的元器件均会有10℃的温差，必须提高预热温度和时间。再流焊设备必须进行多温区加热以减少温度误差，这是一项有效的措施，见图2。由于熔点的上升，焊接工艺和设备都将发生重大的变化。实行锡银铜焊料的无铅化，降低其熔点将成为一个被关注的问题。
②一般认为锡银铜比锡铅润湿性低，其扩散率在75％～80％，比锡铅下降15％左右。为了提高可焊性，在助焊剂中增加活性剂是必要的，但会造成粘度升高等不良现象。另外，由于无铅焊料表面张力比有铅焊料高，在同样条件下润湿性也会变差。
③无铅焊料的熔点高，因此必须考虑峰值温度与元器件的耐热温度的适应性(230℃-240℃)，这就要求预热终点温度要高，使有热容量差异的元器件温度能达到均匀。此外，元器件与母材的氧化、焊膏活性的损失容易产生焊球，因此，当锡铅焊膏的助焊剂用于锡银铜焊膏时，必须提高预热温度和预热时间。但这又导致焊接温度的变化可能带来的负面影响，因此必须开发用于无铅焊膏的助焊剂。
④印刷工艺过程中，由于焊膏内助焊剂与粉末的反应，在粉末表面有有机金属化合物与有机金属盐析出，造成流动性下降，粘度升高，给印刷性能带来影响，成为焊接不良的原因。
3．2 流动焊工艺技术
从锡铅焊料到锡银铜焊料，在流动焊实际操作时将发生很大的变化，主要有：
①流动焊槽温度与峰值温度的温差，锡铅焊料为52℃～67℃，而锡银铜仅为30℃～35℃，温差范围大大减少，造成工艺控制困难、氧化锡渣增多等，见图3。 ②有铅焊料比重为8．4g cm-3、无铅焊料比重为7．4g cm-3，同样体积重量将减少。
③需要提高温度，无铅焊料才能达到有铅焊料同样的润湿时间，见图4。只有选用优良的无铅助焊剂才有可能减少润湿时间，见图5。 ④在240℃时，锡铅焊料表面张力为396mN／m、锡银铜焊料为471．8mN／m、铅为468mN／m、锡为544mN／m，为了提高通孔上升率和减少焊接缺陷，必须关注预热温度和波峰焊接工艺，见图6和表3。
⑤杂质成分的管理是必要的，主要是对铜与铅的管理，铜的增加对熔点有所影响。含铜0．5％～0．9％液相温度没有多大变化；超过O．9％将形成Cu6-Sn5中间合金；铜达到1．2％，液相温度变为25O℃。
4 无铅焊接实践中可能出现的问题、难点、方向
在流动焊时，对于单面板无铅焊接可以用锡铜焊料，通孔板采用锡银铜焊料。单面板与通孔板的共同问题是可焊性低、熔点高、润湿性差、表面张力大、焊槽温度与峰值温度温差少，同时容易发生桥接、拉尖等，因此必须改良设备、助焊剂与氮气保护。其焊接性能见表4。此外流动焊从目前来看，由于有铅与无铅共存将产生焊点剥离，这将成为今后研究的课题，见表5。最后从无铅焊料熔融温度出发，可以大致得出无铅焊料的实际用途，见图7表6。 5 小结
综上所述我们可以得出如下结论：
①无铅焊接理论与实践均属于锡焊技术的领域，仅是有铅转向无铅的过程。目前关于无铅焊料的标准体系，锡银铜已成为共识，但其熔点仍偏高，锡银铋铟以及锡铋、锡锌焊料将成为人们关注的热点和方向；
②无铅焊接液相温度与峰值温度温差范围较有铅温差范围小，因此温度管理成为无铅焊接中的重要内容；
③由于无铅焊料熔点较高，将对元器件、印制板特性带来更高的要求；
④无铅化是一个长期的过程，目前仍处于与有铅共存时期，这期间铅污染仍是一个较难解决的问题；
⑤由于无铅与有铅的共存而产生的焊点剥离问题是无铅化过程中的最大难点。 本文是笔者对无铅焊接的理论与实践的体会，无铅化是一个长期的过程，必须对锡焊技术理论有较深的理解并学习国内外的先进经验，才能加速无铅化进程。在这一过程中，实践将是检验和实施无铅化锡焊技术的唯一标准。

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