无铅焊接工艺技术与设备

无铅知识、无铅焊接工艺与设备

 第一部分：无铅基础知识 2

 第二部分：无铅焊接工艺技术与设备 7

第一部分：无铅基础知识

1 无铅的定义

1.1 RoHS指令规定限制使用的六种有害物质是：铅，汞，镉，六价铬，聚溴二苯醚（PBDE），聚溴联苯（PBB）

1.2 在RoHS指令中未包含的六大禁用物质限值已由欧盟技术发展委员会(TAC) 订定虽然这些限值仍在等待核准，但其中镉的建议最大限值为0.01 % =100ppm(依照欧盟镉指令91/338/EEC) 其它禁用物质（铅，汞，镉，六价铬，聚溴二苯醚（PBDE），聚溴联苯（PBB））最大限值则为0.1%=1000ppm 这些限值适用于所有电子电气设备零件除非是豁免项目。

1.3 六种有害物质在无法用机械方法分离的同类物质中重量百分比需要小于最大浓度限定值（我司比国际要求的严一些），详见下表

禁用物质	最大浓度限定值（净重比例）
Lead铅（Pb）	0.08%，800ppm
Mercury汞（Hg压脉带）	0.08%，800ppm
Chromium VI 六价铬（Cr6+）	0.08%，800ppm
Cadmium 镉（Cd）	0.007%，70ppm
Polybrominated 聚溴联苯（PBB）	0.08%，800ppm
Polybrominated diphenyl ethers聚溴二苯醚（PBDE）	0.08%，800ppm

2 无铅焊接缺陷类型迷宫式油封

2.1 焊点外观质量下降

 铅焊料( 以SnAgCu为例 )焊点外观不如Sn/37Pb钎料好，表面易出现凹凸不平（可参考下页图片），这种焊点本身是好的，出现此问题的原因普遍认为是由于无铅焊料存在的液相温度和固相温度之间的液-固混合区过大所致。因此，原有产品检验标准要作相应的调整。IPC-A-610D在焊接可接受性要求的相关条文中已作了表述。

2.2 发生虚焊的概率高

 由于无铅焊料本身的润湿性差，所以在焊接时若助焊剂活性不够或者焊接的工艺参数控制不合适时，就极易发生虚焊现象。

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2.3 焊点复盖面积减少

 无铅焊料粘度大，漫流性差，所以形成的焊点在焊盘表面上不能完全复盖，如下图（1）

 当PCB采用OSP有机可焊性保护涂层时，在焊盘的侧壁上就可能要出现露铜现象，如下图（2）

2.4 锡须

 锡须的成长现象主要发生在纯锡或富锡无铅钎料合金软钎焊接合部。

 锡须一般能成长到约1mm，极限状态下长到约4mm，但是由于其直径很小（最大约12.5微米），所以肉眼难以检测。

 锡须的成长温度环境：-40度至数百度，且随温度的升高其生长密度增加。

 锡须的成长容易引起微细电路的短路，因此严重影响电子元器件或组件的小型高密度化。

 不同的锡须形态：

 引线间锡须造成短路

3 无铅焊接中的工艺问题

3.1 熔融温度范围普遍偏高

 目前在工业中获得推广应用的无铅合金，其熔融温度范围如下表所示。

3.2 润湿性较差

 无铅合金的润湿性普遍比63Sn37Pb差，如下表所示。

3.3 焊接中氧化现象更严重

 无铅焊料，基本上都是由Sn、Ag、Cu、Bi 等元素组成。在SnPb合金中最常见的氧化物是SnO和SnO2，而在无铅焊料中，不仅Sn含量更高，而且添加的其他元素Ag、Cu、Bi 等对氧更活泼。因此，工作中必然会形成更多更复杂的氧化物和更多的钎料渣。化学反应动力学还告诉我们，当温度每增加10℃时，化学反应速度则增加一倍。无铅钎料焊接温度的提高，更是加剧了氧化渣的大量形成。国外有学者认为：在空气中操作的无铅焊接过程

中产生的焊料渣量将比Sn63 / Pb37时增加5～7倍，大约90%的焊接成本都将花费在焊料渣上。

3.4 焊接工艺过程窗口较小

 再流焊接温度窗口

无铅合金的使用直接影响再流焊接的过程温度，即影响到加热曲线。钎料熔化温度的提高，缩小了再流焊接的工艺窗口，有铅焊膏63Sn37Pb、62Sn36Pb2Ag和无铅焊膏96.5Sn3Ag0.5Cu在再流焊接中，它们之间的工艺温度窗口比较如下图所示。

 波峰焊接温度窗口

波峰焊接中无铅焊料的主流合金是SnAgCu。在波峰焊接中，它与传统焊料63Sn37Pb温度窗口的差异，如下图所示。

上图显示了焊料槽温度与焊料液相温度间的温度差△T，差异如下：

·63Sn37Pb：

△T＝52～67℃；

·SnAgCu：

△T＝30～35℃。

第二部分：无铅焊接工艺技术与设备

无铅焊接工艺技术与设备

1. 无铅焊接技术的工艺特点:

电子产品制造业实施无铅化制程需面临以下问题；1)焊料的无铅化；2)元器件及PCB板的无铅化; 3)焊接设备的无铅化、焊料的无铅化.

到目前为止，全世界已报道的无铅焊料成分有近百种，但真正被行业认可并被普遍采用是Sn-Ag-Cu三元合金，也有采用多元合金，添加In,Bi,Zn等成分。现阶段国际上是多种无铅合金焊料共存的局面，给电子产品制造业带来成本的增加，出现不同的客户要求不同的焊料及不同的工艺，未来的发展趋势将趋向于统一的合金焊料。

（1）熔点高，比Sn-Pb高约30度；

（2）延展性有所下降，但不存在长期劣化问题；

（3）焊接时间一般为4秒左右；

（4）拉伸强度初期强度和后期强度都比Sn-Pb共晶优越。

（5）耐疲劳性强。

（6）对助焊剂的热稳定性要求更高。

（7）高Sn含量，高温下对Fe有很强的溶解性

2. 鉴于无铅焊料的特性决定了新的无铅焊接工艺及设备

1）元器件及PCB板的无铅化

红外线烘干箱在无铅焊接工艺流程中，元器件及PCB板镀层的无铅化技术相对要复杂，涉及领域较广，这也是国际环保组织推迟无铅化制程的原因之一，在相当时间内，无铅焊料与Sn-Pb的PCB镀层共存，而带来 "剥离(Lift-Off)"等焊接缺陷,设备厂商不得不从设备上克服这种现象。另外对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。

2）焊接设备的无铅化

(1)波峰焊设备:由于无铅焊料的特殊性，无铅焊接工艺进行要求无铅焊接设备必须解决无铅焊料带来的焊接缺陷及焊料对设备的影响，预热／锡炉温度升高，喷口结构，氧化物，腐蚀性，焊后急冷，助焊剂涂敷，氮气保护等。

Ａ）无铅焊接要求的温度曲线分析：

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，锡液焊接温度控制在2500C±20度（比有铅锡的温度要求更严），一般有高可靠要求的军用产品，△T＜300C，对于普通民用产品，建议温差可放宽到△T2＜50度（根据日本松下的要求）；预热温度T1比有铅焊要稍高，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50度以内，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T3（250度）降至温度T4（100～150度），建议按7～11度/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1.5分钟左右，t2+t3在3～5S之间。

Ｂ）从以上温度曲线分析可确定设备的结构及控制要求：

预热方式

预热时间t1在1.5分钟左右输送ＰＣＢ板的速度1.2m/min,预热长度要保障1.8M以上；为保障预热的热稳定性预热结构必须采用封闭式的结构，预热方式建议采用热风预热方式。从国内外设备厂研制的波峰焊及客户使用分析，采用热风预热方式比较理想，因为采用全热风加热，可提高热效率，提高PCB板的温度均匀性.我公司特别是针对无铅波峰焊又开发一种新的控制方式：自适应PID控温方式，解决传统固定PID及ＯＮ－ＯＦＦ控制方式对温度的冲击，达到较佳的预热曲线，保证预热区与焊接取的温度下降值在30度以内。（如下图示）

锡炉喷口

要克服无铅焊料润湿性（铺展能力）差给焊接带来的缺陷，需要４秒以上的浸锡时间，如果采用双波峰焊接，两波峰之间的最低温度要在２20度以上锡炉喷口结构必须能达到符合以上的温度曲线，设备厂家通过减小两喷口之间距离的设计，来达到这个要求。　

由于高Sn含量的无铅焊料更易氧化，另外无铅焊料的成本较高，控制锡氧化物生成量是焊接设备厂家必须考虑的问题，一些国内外的厂家已推出新的波峰喷口结构，氧化物生成量同过去相比减少一倍.

腐蚀性会议水牌

无铅焊料的高Sn含量,在高温下对Fe有佷强的溶解能力，传统的波峰焊焊料槽及喷口大多数采用不锈钢材料，从而发生溶解反应，随着时间的推移，最终导致部件的溶蚀损坏，特别是喷口及叶轮部件。现在国外大多数厂家的焊锡槽采用铸铁并镀防护层，国内大多数厂家采用钛合金材料。

氧化

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（SnO2），过多的氧化物不但影响焊接品质，而且使焊料成本浪费，尤其是对现在昂贵的无铅焊料。多数设备厂家采用改善锡炉喷口结构来减少氧化物,当然最好的对策是加氮气保护，氮气保护系统设备前期投入较大，如果从长远利益考虑是合理的。国内外佷多设备厂家都已推出氮气保护的波峰焊，技术已成熟。

焊后急冷却

在无铅焊接工艺应用,通孔基板的波峰焊接时常常会发生"剥离"缺陷（Lift-off,或Fillet lifting）,产生的原因在于冷却过程中，焊料合金的冷却速率与印刷电路板的冷却速率不同所致。无铅化推广前期，无铅焊料与镀有Sn-Pb的元器件会有一段时间共存，如果采用的是含Bi无铅焊料此种现象更为突出，解决对策是在波峰焊出出口处加冷却系统，至于冷却方式及冷却速率的要求要根据具体情况而定，因为冷却速率超过6度/SEC.设备冷却系统要采用冷源方式，大多数采用冷水机或冷风机，国外的研究有提到用冷液方式，可达到20度/SEC.以上的冷却效果，成本非常高，对于大规模电子产品生产厂家是无法承受的，属于早期实验，真正被推广应用的，在日本大多数厂家采用全无铅化方案（焊料/元器件/基板等全部无铅化），设备冷却结构采用强制自然风冷却，对于国内电子产品生产厂家，建议采用Sn-Ag-Cu合金或Sn-Cu合金的焊料，快速冷却速率控制在6~80度/SEC.或8~120度/SEC.,冷却方式采用自然风强制冷却或带冷水机冷源的方式。

助焊剂

无铅焊料的特殊性,在焊接工艺中必须是对应的助焊剂相匹配,基于环保的考虑,醇类溶剂的降低使用,逐步推广VOC-FREE环保助焊剂 .

由于无铅焊料润湿性差,克服焊接缺陷在佷大程度上要通过助焊剂成分及喷雾方式来改变,传统的发泡是喷雾结构已不适应现在的工艺, 喷雾结构一些设备厂家经过改良,一些厂家喷雾移动采用步进马达方式,助焊剂供给采用衡压系统 ,强力抽风过滤系统,目的是使喷雾效果均匀,降低挥发性物质的排放量.

控制

控制系统发展的方向主要是数字化控制及管理。

控制系统除了要求对运输速度、助焊剂涂敷均匀度、预热温度,锡炉温度、冷却速度等精确控制外,还应该对生产过程中所有的工艺参数（运输速度；助焊剂涂敷厚度、浓度、宽度、角度；预热温度；锡炉温度；冷却速度；氮气浓度等）均实现数字化控制，便于参数的重复利用。我公司推出的WS系列无铅波峰焊均以数字化控制为核心目标，采用人机界面或工业控制计算机对生产过程进行监控,不但能监控、PCB参数、机器参数、PID参数、温度参数,还支持参数设定、打开、保存,方便参数的重复利用，最大限度的减少机种更换时调整参数的时间。在全电脑控制的机型上,随机自带了无铅焊接非常关心的温度曲线测试及分析功能,能测试并分析3条温度曲线的预热时间,预热斜率,预热温度，波峰1时间,波峰2时间,波峰1温度,波峰2温度,跌落时间,跌落温度,冷却时间,冷却斜率,超出时间等,并支持温度曲线测试、打印功能,无铅焊接所关心的所有参数都能一目了然。

控制系统发展的另一个方向是客户成本概念。

客户成本是指客户在生产过程中生产一定数量的产品所消耗的材料，时间，能源等。我公司的产品一直遵循最大限度降低客户成本原则，从助焊剂消耗，焊锡氧化量减少，电量损耗，氮气损耗等方面进行综合控制，达到节约客户成本的目的。无论生产焊料的厂家，还是生产设备的厂家，推出的产品既要符合焊接工艺又要兼顾最终用户的成本投入，随着技术的发展，无铅焊接工艺会逐步走向成熟.

(2)回流焊设备:

a)无铅再流焊技术是应用再流焊对无铅锡膏进行再流的焊接技术。传统锡膏的共晶成份是锡和铅，锡铅比为Sn63/Pb37的锡膏再流共晶温度为183℃，锡比为Sn62/Pb36加2%的锡膏再流共晶温度为179℃。对于无铅锡膏，在合金成份中去掉了铅，接近共晶的合金是锡/电子鱼竿银/铜合金。多数无铅合金，包括Sn-Ag-Cu其熔点都超过200℃，高于传统的锡/铅合金的共晶温度。这使再流焊接温度升高。这是无铅再流焊的一个主要特点。

b)传统的铅/铅合金再流时，共晶温度为179℃ ~ 183℃，焊接时小元器件上引脚的峰值温度达到240℃，而大元器件上温度210℃左右，大/小元器件温度差近mppt算法30℃。这个差别不会影响元器件寿命。当使用无铅锡膏时，由于无铅锡膏的熔点温度高于锡/铅的共晶温度。例如：Sn/Ag成份的锡膏熔点范围是216℃ ~ 221℃。这就使得被加垫的大元器件引脚温度要高于230℃以保证溶温，而小元器件引脚的峰值温度要保持在240℃左右，大小元器件的温度差小于10℃。这是无铅再流焊的另一个主要特点。

c)鉴于无铅再流焊的主要特点，技术上要解决的主要问题是再流溶融温度范围内，尽可能小地减小被焊元器件之间的温度差，确保热冲击不影响元器件的寿命。解决办法是先用多温区、高控温精度的氮气保护再流焊炉、精确调试再流焊曲线。因此，在无铅回流焊的设计中，在各独立温区尺寸减小的同时增加温区数目，增加助焊剂分离及回收装置，设计新型中心支撑.

d)再流焊曲线调试应注意

①提高预热温度

无铅再流焊接时，再流焊炉的预热区温度应比锡/铅合金再流的预热温度要高一些。通常高30℃左右，在170℃-190℃（传统的预热温度一般在140℃-160℃）提高预热区温度的目的是为了减少峰值温度以减少元器件间的温度差。

②延长预热时间

适当延长预热的预热时间，预热太快一方面会引起热冲击，不利于减少在形成峰值再流温度之衫，元器件之间的温度差。因此，适当延长预热的预热时间，使被焊元器件温度平滑升到预定的预热温度。

③延长再流区梯形温度曲线

延长再流区梯形温度曲线。在控制最高再流温度的同时，增加再流区温度曲线宽度，延长小热容量元器件的峰值时间，使大小热容量的元器件均达到的要求的回流温度，并避免小元器件的过热。

④调整温度曲线的一致性

测试调整温度曲线时，虽然各测试点的温度曲线有一定的离散性，不可能完全一致，但要认真调整，使其各测试点温度曲线尽量趋向一致。

e)无铅标准温度曲线

①溶锡之前的助焊剂预热温度及时间基本不变。

②使用2个以上的回流焊机加热区作为焊接区。

焊接区中的第一个加热区用来急速升温，使PCB的表面温度达到无铅锡的溶化温度以上10~20℃，焊接区中的第二个加热区用来保持前一区的熔锡温度，同时增加熔锡时间。从温度曲线来看，在焊接区产生了一个温度平台。（注：在溶锡温度超过锡膏溶化温度不多时，锡膏溶化需要更多的时间。比如：用5℃的水熔化同样大小的冰块，将比用10℃的水需要更多的时间。

本文发布于:2024-09-22 09:49:40，感谢您对本站的认可！

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