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。
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
免清洗助焊剂
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
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
豫公网安备41160202000603
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