电子组件的波峰焊接工艺

电子组件的波峰焊接工艺在电子组件的组装过程中，焊接起到了相当重要的作用。 它涉及到产品的性能、 可靠性和质量等， 甚至影响到其后的每一 工艺步骤。 此外，由于电子组件朝着轻、 薄、小的方向快速发展， 为焊接工艺提出了一系列的难题， 为此， 电子制造业的各个厂家 围绕 SMT 的焊接工艺展开了激烈的竞争，旨在进一步提高焊接 质量，克服焊接中存在的短路、桥接、焊球和漏焊等缺陷，从而 提高产品质量，满足市场需求。目前，最广泛使用的焊接工艺主要有波峰焊接和再流焊接。 波峰焊接工艺主要是用于通孔和各种不同类型元件的焊接， 是一 种关键的群焊工艺。 尽管波峰焊接工艺已有多年的历史， 而且还 将继续沿用下去，然而，我们要是能够用上切实可行的、有生命 力的波峰焊接工艺需持时日。 因为这种工艺必须达到快速、 生产 率高和成本合理等要求。 换言之， 这种工艺与焊接前的每一工艺 步骤密切相关，其中包括资金投入、 PCB 设计、元件可焊性、 组装操作、焊剂选择、温度 / 时间的控制、焊料及晶体结构等。 1 焊料目前，波峰焊接最常用的焊料是共晶锡铅合金：锡 63 ； 铅 37 ，应时刻掌握焊锡锅中的焊料温度，其温度应高于合金 液体温度183 C,并使温度均匀。过去，250 C的焊锡锅温度被 视为“标准”。 随着焊剂技术的革新， 整个焊锡锅中的焊料温度 的均匀性得到了控制， 并增设了预热器， 发展趋势是使用温度较 低的焊锡锅。在230 240 C的范围内设置焊锡锅温度是很普遍 的。通常，组件没有均匀的热质量 ,要保证所有的焊点达到足够 的温度， 以便形成合格的焊点是必要的。 重要的问题是要提供足 够的热量，提高所有引线和焊盘的温度， 从而确保焊料的流动性， 湿润焊点的两面。 焊料的温度较低就会降低对元件和基板的热冲 击，有助于减少浮渣的形成，在较低的强度下，进行焊剂涂覆操 作和焊剂化合物的共同作用下，可使波峰出口具有足够的焊剂， 这样就可减少毛刺和焊球的产生。焊锡锅中的焊料成份与时间有密切关系，即随着时间而变 化，这样就导致了浮渣的形成， 这就是要从焊接的组件上去除残 余物和其它金属杂质的原因及在焊接工艺中锡损耗的原因。 以上 这些因素可降低焊料的流动性。 在采购中， 要规定的金属微量浮 渣和焊料的锡含量的最高极限，在各个标准中，（如象IPC/J-STD-006 都有明确的规定 ）。在焊接过程中，对焊料纯 度的要求在 ANSI/J-STD-001B 标准中也有规定。除了对浮渣 的限制外，对 63锡；37铅合金中规定锡含量最低不得低于 61.5 。波峰焊接组件上的金和有机泳层铜浓度聚集比过去更快。 这种聚集，加上明显的锡损耗，可使焊料丧失流动性，并产生焊 接问题。外表粗糙、呈颗粒状的焊点常常是由于焊料中的浮渣所 致。由于焊锡锅中的集聚的浮渣或组件自身固有的残余物暗淡、 粗糙的粒状焊点也可能是锡含量低的征兆，不是局部的特种焊 点，就是锡锅中锡损耗的结果。这种外观也可能是在凝固过程中， 由于振动或冲击所造成的。焊点的外观就能直接体现出工艺问题或材料问题。为保持 焊料“满锅”状态和按照工艺控制方案对检查焊锡锅分析是很 重要的。由于焊锡锅中有浮渣而“倒掉”焊锡锅中的焊剂，通常来说是不必要的，由于在常规的应用中要求往锡锅中添加焊料， 使锡锅中的焊料始终是满的。 在损耗锡的情况下，添加纯锡有助 于保持所需的浓度。为了监控锡锅中的化合物，应进行常规分析。 如果添加了锡，就应采样分析，以确保焊料成份比例正确。浮渣过多又是一个令人棘手的问题。毫无疑问，焊锡锅中 始终有浮渣存在，在大气中进行焊接时尤其是这样。使用“芯片 波峰”这对焊接高密度组件很有帮助，由于暴露于大气的焊料表 面太大，而使焊料氧化，所以会产生更多的浮渣。焊锡锅中焊料 表面有了浮渣层的覆盖，氧化速度就放慢了。在焊接中，由于锡 锅中波峰的湍流和流动而会产生更多的浮渣。推荐使用的常规方法是将浮渣撇去，要是经常进行撇削的 话，就会产生更多的浮渣，而且耗用的焊料更多。浮渣还可能夹 杂于波峰中，导致波峰的不稳定或湍流， 因此要求对焊锡锅中的 液体成份给予更多的维护。 如果允许减少锡锅中焊料量的话，焊 料表面的浮渣会进入泵中，这种现象很可能发生。有时，颗粒状 焊点会夹杂浮渣。最初发现的浮渣，可能是由粗糙波峰所致，而 且有可能堵塞泵。 锡锅上应配备可调节的低容量焊料传感器和报 警装置。2 波峰 在波峰焊接工艺中，波峰是核心。可将预热的、涂有焊剂、 无污物的金属通过传送带送到焊接工作站， 接触具有一定温度的 焊料，而后加热，这样焊剂就会产生化学反应，焊料合金通过波 峰动力形成互连，这是最关键的一步。目前，常用的对称波峰被 称为主波峰，设定泵速度、波峰高度、浸润深度、传送角度及传 送速度， 为达到良好的焊接特性提供全方位的条件。 应该对数据 进行适当的调整，在离开波峰的后面 （出口端 ）就应使焊料运行降 速，并慢慢地停止运行。 PCB 随着波峰运行最终要将焊料推至 出口。在最挂的情况下， 焊料的表面张力和最佳化的板的波峰运 行，在组件和出口端的波峰之间可实现零相对运动。 这一脱壳区 域就是实现了去除板上的焊料。 应提供充分的倾角， 不产生桥接、 毛刺、拉丝和焊球等缺陷。有时，波峰出口需具有热风流，以确保排除可能形成的桥 接。在板的底部装上表面贴装元件后，有时，补偿焊剂或在后面 形成的“苛刻的波峰”区域的气泡， 而进行的波峰整平之前， 使 用湍流芯片波峰。 湍流波峰的高竖直速度有助于保证焊料与引线 或焊盘的接触。 在整平的层流波峰后面的振动部分也可用来消除气泡，保证焊料实现满意的接触组件。焊接工作站基本上应做到：高纯度焊料 （按标准 ）、波峰温度 （230250 C ）、接触波峰的总时间（35秒钟）、印制板浸入波 峰中的深度（5080 %），实现平行的传送轨道和在波峰与轨道平 行状态下锡锅中焊剂含量。3 波峰焊接后的冷却通常在波峰焊机的尾部增设冷却工作站。为的是限制铜锡 金属间化合物形成焊点的趋势，另一个原因是加速组件的冷却， 在焊料没有完全固化时，避免板子移位。快速冷却组件，以限制 敏感元件暴露于高温下。 然而， 应考虑到侵蚀性冷却系统对元件 和焊点的热冲击的危害性。一个控制良好的“柔和稳定的”、强制气体冷却系统应不 会损坏多数组件。 使用这个系统的原因有两个： 能够快速处理板， 而不用手夹持， 并且可保证组件温度比清洗溶液的温度低。 人们 所关心的是后一个原因，其可能是造成某些焊剂残渣起泡的原 因。另一种现象是有时会出现与某些焊剂浮渣产生反应的现象， 这样，使得残余物“清洗不掉”。在保证焊接工作站设置的数据满足所有的机器、所有的设 计、采用的所有材料及工艺材料条件和要求方面没有哪个定式能 够达到这些要求。必须了解整个工艺过程中的每一步操作。4 结论总之，要获得最佳的焊接质量，满足用户的需求，必须控制焊接前、焊接中的每一工艺步骤，因为 SMT 的整个组装工艺 的每一步骤都互相关联、 互相作用， 任一步有问题都会影内到整 体的可靠性和质量。 焊接操作也是如此， 所以应严格控制所有的 参数、时间 / 温度、焊料量、焊剂成分及传送速度等等。对焊接 中产生的缺陷，应及早查明起因，进行分析，采取相应的措施， 将影响质量的各种缺陷消灭在萌芽状态之中。 这样，才能保证生 产出的产品都符合技术规范。线路板装配中的无铅工艺应用原则过去 5 年间，电子装配业一直在测试各种合金， 希望能找到几种 无铅方案替代常规 63Sn/37Pb 共晶系统。有很多方案虽然从技 术的角度来看是可行的， 但却没考虑成本、 供货性和工艺性等其 它方面的因素。 本文旨在为业界提供一个实际可行的无铅工艺选 用原则， 内容包括工艺要求、 根据要求得出的结论以及在实际条 件下的试用情况等， 今后如需对其他更为复杂的系统进行判断比 较，这里提供的方法也可作为评估参考。电子装配对无铅焊料的基本要求 无铅焊接装配的基本工艺包括：a. 无铅 PCB 制造工艺；b. 在 焊 锡 膏 中 应 用 的 96.5Sn/3.5Ag 和 95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu 共晶和近似共晶合金系统；c. 用于波峰焊应用的 99.3Sn/0.7Cu 共晶合金系统；d. 用于手工焊接的 99.3Sn/0.7Cu 合金系统。尽管这些都 是可行工艺， 但具体实施起来还存在几个大问题， 如原料成本仍 然高于标准 Sn/Pb 工艺、对湿润度的限制有所增加、要求在波 峰焊工艺中保持惰性空气状态 （要有足量氮气 ）以及可能将回流焊 温度升到极限温度范围（235245 C之间）而提高了对各种元件 的热性要求等等。就无铅替代物而言，现在并没有一套获得普遍认可的规范， 经过与该领域众多专业人士的多次讨论， 我们得出下面一些技术 和应用要求：金属价格 许多装配厂商都要求无铅合金的价格不能高于 63Sn/37Pb ，但不幸的是现有的所有无铅替代物成本都比 63Sn/37Pb 高出至少 35% 以上。在选择无铅焊条和焊锡丝时， 金属成本是其中最重要的因素； 而在制作焊锡膏时， 由于技术成 本在总体制造成本中所占比例相对较高， 所以对金属的价格还不 那么敏感。熔点 大多数装配厂家 （不是所有 ）都要求固相温度最小为150 C,以便满足电子设备的工作温度要求，最高液相温度则视具体应用而定。波峰焊用焊条： 为了成功实施波峰焊， 液相温度应低于炉温260 C。手工/ 机器焊接用焊锡丝：液相温度应低于烙铁头工作温度345 C。焊锡膏：液相温度应低于回流焊温度 250 Co对现有许多回 流焊炉而言， 该温度是实用温度的极限值。 许多工程师要求最高 回流焊温度应低于225230 C,然而现在没有一种可行的方案 来满足这种要求。人们普遍认为合金回流焊温度越接近 220 C效 果越好， 能避免出现较高回流焊温度是最理想不过的， 因为这样 能使元件的受损程度降到最低，最大限度减小对特殊元件的要 求，同时还能将电路板变色和发生翘曲的程度降到最低， 并避免 焊盘和导线过度氧化。导电性好 这是电子连接的基本要求。导热性好 为了能散发热能，合金必须具备快速传热能力。 较小固液共存温度范围非共晶合金会在介于液相温度和固相温度之间的某一温度 范围内凝固，大多数冶金专家建议将此温度范围控制在10 C以内，以便形成良好的焊点，减少缺陷。如果合金凝固温度范围较 宽，则有可能会发生焊点开裂，使设备过早损坏。低毒性合金及其成分必须无毒， 所以此项要求将镉、 铊和汞排除在 考虑范围之外；有些人也要求不能采用有毒物质所提炼的副产 品，因而又将铋排除在外，因为铋主要来源于铅提炼的副产品。具有良好的可焊性 在现有设备和免清洗型助焊剂条件下该合金应具备充分的 润湿度， 能够与常规免清洗焊剂一起使用。 由于对波峰进行惰性 处理的成本不太高， 因此可以接受波峰焊加惰性环境的使用条件 要求；但就 SMT 回流焊而言，合金最好要具备在空气下进行回 流焊的能力，因为对回流焊炉进行惰性处理成本较高。良好的物理特性 （强度、拉伸度、疲劳度等 ） 合金必须能够提供 63Sn/37Pb 所能达到的机械强度和可 靠性，而且不会在通孔器件上出现突起的角焊缝（特别是对固液共存温度范围较大的合金 ）。生产可重复性 / 熔点一致性电子装配工艺是一种大批量制造工艺， 要求其重复性和一致 性都保持较高的水平， 如果某些合金的成分不能在大批量条件下 重复制造，或者其熔点在批量生产时由于成分变化而发生较大变 化，便不能给予考虑。 3 种以上成分构成的合金往往会发生分离 或成分变化，使得熔点不能保持稳定，合金的复杂程度越高，其 发生变化的可能性就越大。焊点外观 焊点的外观应与锡 / 铅焊料接近， 虽然这并非技术 性要求，但却是接受和实施替代方案的实际需要。供货能力当试图为业界找出某种解决方案时， 一定要考虑材料是否有 充足的供货能力。 从技术的角度而言， 铟是一种相当特别的材料， 但是如果考虑全球范围内铟的供货能力， 人们很快就会将它彻底 排除在考虑范围之外。另外业界可能更青睐标准合金系统而不愿选专用系统， 标准 合金的获取渠道比较宽， 这样价格会比较有竞争性， 而专用合金 的供应渠道则可能受到限制，因此材料价格会大幅提高。与铅的兼容性由于短期之内不会立刻全面转型为无铅系统， 所以铅可能仍 会用在某些元件的端子或印刷电路板焊盘上。 有些含铅合金熔点 非常低，会降低连接的强度，如某种铋 / 锡/ 铅合金的熔点只有 96 C,使得焊接强度大为降低。金属及合金选择在各种候选无铅合金中，锡(Sn)都被用作基底金属，因为它 成本很低，货源充足，并具备理想的物理特性，如导电 / 导热性 和润湿性， 同时它也是 63Sn/37Pb 合金的基底金属。 通常与锡 配合使用的其它金属包括银(Ag)、铟(In)、锌(Zn)、锑(Sb)、铜(Cu) 以及铋 (Bi) 。p 之所以选择这些材料是因为它们与锡组成合金时一般会降 低熔点， 得到理想的机械、 电气和热性能。 表 1 列出了各种金属 的成本、密度、年生产能力和供货方面的情况，另外在考察材料 的供货能力时， 将用量因素加在一起作综合考虑得出的结果会更 加清晰，例如现在电子业界每年 63Sn/37Pb 的消耗量在 4.5 万吨左右，其中北美地区用量约为 1.6 万吨，此时只要北美有 3%的装配工厂采用含铟 20%的锡/ 铟无铅合金，其铟消耗量就 将超过该金属的全球生产能力。近 5 年来业界推出了一系列合金成分建议， 幷且对这些无铅 替代方案进行了评估。备选方案总数超过 75 个，但是主要方案 则可以归纳为不到 15 个。面对所有候选合金，我们采用一些技 术规范将选择缩到一个较小的范围内便于进行挑选。铟铟可能是降低锡合金熔点的最有效成分， 同时它还具有非常 良好的物理和润湿性质， 但是铟非常稀有， 因此大规模应用太过 昂贵。基于这些原因， 含铟合金将被排除在进一步考虑范围之外。 虽然铟合金可能在某些特定场合是一个比较好的选择， 但就整个 业界范围而言则不太合适，另外差分扫描热量测定也显示77.2Sn/201 n/2.8Ag合金的熔点很低，只有114 C,所以也不太适合某些应用。锌 锌非常便宜，几乎与铅的价格相同，并且随时可以得到，同 时它在降低锡合金的熔点方面也具有非常高的效率。就锌而言， 其主要缺点在于它会与氧气迅速发生反应，形成稳定的氧化物， 在波峰焊过程中， 这种反应的结果是产生大量锡渣， 而更严重的 是所形成的稳定氧化物将导致润湿性变得非常差。 也许通过惰性 化或特种焊剂配方可以克服这些技术障碍， 但现在人们要求在更 大的工艺范围内对含锌方案进行论证， 因此锌合金在今后考虑过 程中也会被排除在外。铋铋在降低锡合金固相温度方面作用比较明显， 但对液相温度 却没有这样的效果，因此可能会造成较大的固液共存温度范围， 而凝固温度范围太大将导致焊脚提升。 铋具有非常好的润湿性质 和较好的物理性质，但铋的主要问题是锡 / 铋合金遇到铅以后其 形成的合金熔点会比较低， 而在元件引脚或印刷电路板的焊盘上 都会有铅存在，锡/铅/铋的熔点只有96 C,很容易造成焊点断 裂。另外铋的供货能力可能会因铅产量受到限制而下降， 因为现 在铋主要还是从铅的副产品中提炼出来， 如果限制使用铅， 则铋 的产量将会大大减少。 尽管我们也能通过直接开采获取铋， 但这 样成本会比较高。基于这些原因，铋合金也被排除在外。四种和五种成分合金 由四种或五种金属构成的合金为我们提供了一系列合金成 分组合形式，各种可能性不胜枚举。与双金属合金系统相比，大 多数四或五金属合金可以大幅降低固相温度， 但对降低液相温度 却可能无所作为，因为大部分四或五金属合金都不是共晶材料， 这意味着在不同的温度下会形成不同的金相形式， 其结果就是回 流焊温度不可能比简单双金属系统所需的低。另外一个问题是合金成分时常会发生变动，因此熔点也会 变，这在四或五金属合金中会经常遇到。 由三种金属组成的合金 很难在焊锡膏内的锡粉中实现“同批”和“逐批”一致，在四种 和五种金属组成的合金中实现同样的一致性其复杂和困难程度 更大。所以多元合金将被排除在进一步考虑范围之外， 除非某种多 元合金成分具有比二元系统更好的特性。 但就目前来看， 业界还 没有找到哪种四或五金属合金比二元或三元替代方案更好（无论在成本上还是性能上 ）。表 2 列出一些主要无铅替代方案， 以及最终选用或不选用的 原因，表中包括了单位重量价格、单位体积价格 （对焊锡膏而言 单位体积价格更具成本意义 ） 以及熔点等信息，这些合金按照其 液相温度递增顺序排列。 现根据每种焊接应用的特殊要求分别选 出合适的合金。先考虑焊条 （波峰焊 ）和焊线 （手工和机器焊接 ）。对波峰焊用焊条的要求包括：a. 能在最高260 C锡炉温度下进行连续焊接；b. 焊接缺陷 （漏焊、桥接等 ）少；c. 成本尽可能低；d. 不会产生过多焊渣。结果所有选中的合金都符合波峰焊要求，但99.3Sn/0.7Cu 和 95Sn/5Sb 合金与其它替代方案相比能够节 省更多成本。比较而言， 99.3Sn/0.7Cu 的液相温度比 Sn/Sb 合金低13 C,因此99.3Sn/0.7Cu 成为波峰焊最佳候选方案。手工焊用锡线的要求与上面焊条应用非常相似，成本考虑 仍然居于优先地位，同时也要求能够提供较好的润湿和焊接能 力。焊线用合金必须能够很容易地拉成丝线，而且能用345370 C的烙铁头进行焊接，99.3Sn/0.7Cu合金可以满足这些要求。与焊条和焊线相比， 焊锡膏较少考虑合金成本， 因为金属成 本在使用焊锡膏的制造流程总成本中所占比重较少， 选择焊锡膏 合金的主要要求是尽量降低回流焊温度。 考察表中所列合金， 可 以发现液相温度最低的是 95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu（ 熔点 217 218 C）和 96.5Sn/3.5Ag（ 熔点 221 C）。这两种合金都是较为合适的选择并各具特点，相比之下Sn/Ag/Cu 合金的液相温度更低（虽然只有4 C），而Sn/Ag合 金则表现出更强的一致性和可重复制造性， 并已在电子业界应用 多年，一直保持很好的可靠性。 有些主要跨国公司已经选择共晶 Sn/Ag 合金进行评估作为无铅替代方案，大多数大型跨国公司 也开始对 Sn/Ag/Cu 合金作初步高级测试。实测评估结果波峰焊评测 将 99.3Sn/0.7Cu 合金装入标准 ElectrovertEconopakPlus 波峰焊机进行测试，这种波峰焊机配备有 USI 超声波 助焊剂喷涂系统、Vectaheat对流式预热和“ A”波CoN2tour 惰性系统。测试在两种无铅印刷电路板上进行：带 OSP 涂层的 裸铜板和采用浸银抛光的裸铜板 (Alpha 标准 )，两种电路板都采 用固态含量 2% 且不含 VOC 的免清洗助焊剂 (NR300A2) 。另外 作为对照，将同样的电路板在相同设备上采用相同条件进行焊 接，只是焊料用传统 63Sn/37Pb 合金。通过实验可得出以下结论：如果采用 99.3Sn/0.7Cu 合金，则有必要对波峰焊机进行 惰性处理以确保得到适当的润湿度， 但不需要对波峰焊机或风道 进行完全惰性处理，用 CoN2tour 公司的边界惰性焊接系统即 已足够。使用 99.3Sn/0.7Cu 焊接的电路板外观与用 63Sn/37Pb 合金焊接的电路板没有区别，焊点的光亮程度、焊点成型、焊盘 润湿和通孔上端上锡情况也基本一样。与 Sn/Pb 合金相比， Sn/Cu 合金的桥接现象较少，但由 于测试的条件有限，因此对这一点还需要作更进一步的研究。99.3Sn/0.7Cu合金在260 C温度条件下焊接非常成功，在245 C条件下也没有问题。采用 Sn/Cu 合金的几个星期内铜的含量没有发生变化， 之 所以关注这一问题， 是因为铜在锡中的溶解度很低， 而且与温度 有很大关系。 在大批量生产中， 电路板的铜吸收情况与用 Sn/Pb 合金时相同。印制和回流焊评测针对 Sn/Ag 和 Sn/Ag/Cu 合金开发了一种新的助焊剂， 以便在更高回流焊温度下得到较好的润湿效果， 因为回流焊温度 较高时（比常规回流焊温度高 20 C）要求助焊剂中的活性剂应具 备更高的热稳定性。 另外如果在空气中工作， 回流焊温度较高还 可能使普通免清洗助焊剂变色， 所以这种助焊剂对高温要有很强 的承受能力。 在 95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu 合金中使用 UP 系列焊 锡膏时，即使空气温度达到240 C,它也不会变为棕色或琥珀色。UP 系列焊锡膏在印刷测试中表现非常好， 测试时采用的是 MPMUP2000 印刷机，印刷条件包括 6mil 厚激光切割网板、 印刷速度25mm/秒、网板开口间距1650mil以及接触式印 刷，焊膏印出的轮廓非常清晰且表现出良好的脱模性能。 另外这 种焊锡膏在中止印刷后 （停放超过一小时 ）再开始使用时无需进行 搅拌，其网板使用寿命在 8 小时以上，粘性也可保持 8 小时。回流焊采用 ElectrovertOmniflo 七温区回焊炉， 在空气环境下进行焊接。 回焊曲线 如图 1 ，从图中可看出温度在 200 秒时间里以近似线性的速率 上升到240 C,温度高于熔点（221 C ）的时间为45秒。得出结论如下：UP 系列焊锡膏 95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu 88-3-M13 表现出 良好的印刷性。无铅焊锡膏能提供良好的粘力且能保持足够的时间。对测试板而言，95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金所需的240 C最高温度是可以接受的。回流焊无需氮气也能取得很好效果。焊点光亮度好，与标准 Sn/Pb 合金相同。助焊剂残留物外观 （颜色及透明度 ）比采用 Sn/Pb 合金及普 通助焊剂在标准热风回流焊（峰值温度220 C,高于183 C的时 间为 45 秒 ）后的情形好得多。润湿和扩散特性与 Sn/Pb 标准合金相同。当使用没有阻焊膜的裸 FR-4 板子时， 过高的回流焊温度会 使线路板出现严重变色 （变深 ），浅绿色阻焊膜会使变色看起来较 轻，中 / 深绿色阻焊膜则使变色基本上看不出来。有些元件经高温回流焊后会出现变色和氧化迹象， 将这种无 铅焊料用于两面都有表面安装器件的电路板上时， 建议在回流焊 后再安装需作波峰焊接的底面 SMD 器件，以免过度受热影响可 焊性。用 UP 系列 96.5Sn/3.5Ag 合金进行的测试所获结果相似， 只是回流温度提高了 35 Co其它特性 选择一种简单普通二元合金的最大好处在于它已经完成了 大量测试且已被广泛接受，如 96.5Sn/3.5Ag 合金已在某些电 子领域应用了很长的时间。 95.5S n/4.0Ag/0.5Cu 现正接受同样严格的测试，并在一些地方显示出非常相似的性能和优点福特汽车公司对使用 Sn/Ag 合金的测试板和实际电子组件 进行了热循环试验（-40 C140 C ），已完成全面热疲劳测试研 究，另外他们还将无铅组件用于整车中，测试结果显示 Sn/Ag 合金的可靠性与 Sn/Pb 合金相差无几甚至更好。摩托罗拉公司 也已经完成了 Sn/Ag 和 Sn/Pb 合金的热循环和振动研究，测 试表明 Sn/Ag 合金完全合格， 其它 OEM 厂商在各自的 Sn/Ag 和 Sn/Ag/Cu 合金研究中也得到了类似的结论。根据研究结果， Sn/Ag 和 Sn/Pb 在导电性、 表面张力、导 热性和热膨胀系数等各方面所取得结果大致相当（见表 3）。本文结论通过上述讨论， 我们可以得到一个实际可行的标准无铅焊接 工艺，其基本内容包括：对焊 锡膏应用而言， 可将 95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu 或 96.5Sn/3.5Ag 合金与 UP 系列助焊剂配合使用。对波峰焊应用而言，焊锡条可使用 99.3Sn/0.7Cu 合金。 对手工 / 机器焊接而言，焊锡线可使用99.3Sn/0.7Cu 合金。虽然上述方案还未能达到研究无铅替代方案工程师们所确 定的每项目标，但基本上能令人满意，该方案最大限制在于 96.5Sn/3.5Ag 合金所要求的回流焊温度比 Sn/Pb 合金的要高 2030 C,因此回流焊对元件的要求也有所提高。元器件供应 商应与电子装配厂密切合作以解决高温回流焊带来的种种问题。 随着新技术的发展，将来还会有更多更好的替代方案推出， 这里讨论的系统最大价值在于其它复杂系统可以根据它提供的 标准进行参照比较。 在考察更加复杂的系统之前， 应多问下面一 些可以定量回答的问题：焊锡膏1. 新的合金系统是否能将回流焊温度降至与 Sn/Ag 合金差 不多的程度（Sn/Ag 合金最低回流焊温度为240 C ,而 95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金的最低回流焊温度则为 235 C ）?2. 与 Sn/Ag 或 Sn/Ag/Cu 合金相比，金属和焊锡膏的成 本如何？3. 合金中各材料有没有技术参数限制？各材料在技术参数范围内变化时其固相和液相温度的变化情况如何？焊条1. 合金的成本如何？与 Sn/Cu 合金比较哪一个更贵？2. 合金是否具有 Sn/Cu 合金所没有的优点？为什么要采用无铅方案？在谈论健康和安全问题时， 人们一般考虑两个因素危害 和危险。 危害是指某物质存在毒性以及食入、 吸入或吸收后对人 体的影响， 危险更多是指采取正确预防措施后材料的安全性或者 危害发生的可能性。铅是一种有毒物质， 人体吸收了过量的铅会引起铅中毒， 摄 入低剂量的铅则可能对人的智力、神经系统和生殖系统造成影 响。在评定铅的危险性时， 通常是通过调查饮食或呼吸摄入的可 能性。就电子业而言， 一般正常条件下铅不会达到使其气化的温 度，因此这方面的危险无法定量测出，只能通过监测确定。可以采用一些简单的预防措施， 包括在保养波峰焊锡炉和清 理残渣时戴上面罩， 在有铅区域禁止抽烟， 尽可能减少在工作区 摄入铅的可能性。 另外当接触焊锡膏、 焊条、焊线等含铅物体后， 务必在吃饭、 饮水和抽烟之前清洗双手， 彻底消除摄入铅的可能 途径。一般地说，从铅吸收来源来看食入铅的危险要高于呼吸吸 入，所以应强调养成良好卫生习惯的重要性， 在含铅的区域严禁 饮食和抽烟以将危险降到最低。 事实证明， 只要采取了正确的预 防措施，在工作场所使用铅还是相对较为安全的。既然在电子工业中使用铅的危险如此之小，那么人们为什 么还在考虑彻底消除铅的使用呢？其实主要的担心是含铅材料 的处置问题，如印刷线路板等。之所以有这种担心，是因为那些 被作为垃圾处理的废印刷电路板在埋入地下后， 其中所含的铅可 能会从电路板渗出进入地下水，继而流入我们的饮用水之中。目前存在一些技术争论，主要围绕铅从 PCB 渗出的可能性 以及饮用水可接受的含铅量 （如果确实含铅 ）应该低于多少。无铅立法是否即将出台？立法过程的政策性很强， 因此很难预知， 例如目前美国国会 就尚未采取积极的立法措施来限制在电子工业中使用铅。 由于电 子业所用的铅在人类铅使用总量中仅占非常小的份额， 而且电子 业在国民生产总值中所占比例非常重要并呈增长趋势， 因此对电 子工业限制用铅会遇到很大阻力。 此外所有无铅焊料的替代品都 会增加电子制造成本，一些地区关于无铅焊料的研究还没有开 始，所以从某种意义上说对此的立法可能会削弱本国电子制造业 的竞争力。欧洲则在推动无铅立法上采取了更为积极的态度，欧盟计 划进行一项投票表决， 要求 2004 年 1 月之前在除车用和某些特 殊场合之外的所有电子产品中禁止用铅， 荷兰和瑞士则早已实施 了有关电子废料的法令。亚洲方面已有国家就电子废料的回收利用问题发表声明。 日 本电子产业开发协会和日本电子封装研究所在 1998 年1 月制定 了无铅方案的研究原则与计划， 有些 OEM 厂商已经成功开发出 回收利用方法，索尼、东芝、松下、日立和 NEC 等大公司也已 承诺将遵守日本的法律， 于 2001 年在某些电子产品中实现无铅 化。电子业是否正在实施无铅工艺？ 许多跨国电子公司已经开始启动无铅技术项目，对无铅替 代方案进行评估， 以做好准备在限制性法律生效后实施无铅系统 方案。也有许多公司将实施无铅工艺作为一种营销战略， 他们希望在营销过程中将其电子产品作为无铅和环保产品进行宣传。片状元件波峰焊接的难题By Bria n Lynch本文介绍，较新的助焊剂技术可帮助战胜片状元件波峰焊接 的缺陷。在过去十年里，电子装配制造商已经迅速地采用了免洗助焊 剂技术。今天，在北美，超过60%的所有电子装配都是使用免洗助焊剂工艺生产的。随着低固体、免洗助焊剂技术的采用，出 现了几个明显的挑战。要克服的最新的困难是两种麻烦的缺陷的 发生：锡球和锡桥。这两种缺陷的频率经常伴随片状元件波峰焊 接(wave solder)的使用而大大增加。这个问题已经刺激了在助 焊剂技术中的最新发展。片状元件波峰焊接的难题是什么？使用传统的 入或“A”型焊接波峰来焊接底面的表面贴装 元件(SMD),经常产生不满意的焊接结果。 这两种波峰类型设计 更适合焊接传统的通孔(through-hole)元件。因此，在许多情况 下，这两种波型不具有适当的接触作用或动力，来打破在底面 SMD的元件引脚与焊盘界面之间焊锡的表面张力。如果焊锡的 表面张力不打破，那么焊锡不能适当地熔湿(wet)界面，并形成焊接点。这个现象有时叫做“阴影(shadowing) ”，是那些通常 叫做“漏焊 (skip) ”的缺陷的主要原因为了解决这个问题，大多数波峰焊接设备制造商已经开发， 并且现在提供装备有“紊流 (turbulent) ”或者“适于片状元件 的(chip) ”波峰的机器。在这种波峰焊接机器类型中，片状波峰 (chip wave) 后面跟着传统的焊接波峰，构成双波峰焊接工艺。 片状波峰是专门设计的发出消除底面 SMD 经历的阴影效果所要 求的适当作用或动力。 这种作用允许焊锡的表面张力更容易地打 破，保证焊锡适当的熔湿焊盘与元件的界面， 形成焊接点。 因此， 片状波峰的使用是减少漏焊缺陷发生所需要的。可是，当片状波峰要求用于底面 SMD 的适当焊接和与传统 低固 (low-solids) 、免洗 (no-clean) 助焊剂一起使用时，其它的 焊接问题是常见的。 一种传统的低固、 免洗助焊剂通常含有大约 2% 的活性剂 (activator) ，或固体， 但可以高达 4% 的固体。 在双 波峰工艺中经常与这些助焊剂的使用有关的缺陷是锡球 (solder ball) 和锡桥 (solder bridge) 。因此， 将这类助焊剂用于含有底面 SMD 装配的电子装配制造商面对片状波峰的难题： 如果不使用片状波峰，在底面 SMD 焊盘上出现漏焊。 如果使用片状波峰，会出现过多的焊锡球和锡桥。 哪一种 方法都会造成缺陷。注意，在这种情况下遇到的锡球通常叫做非随机锡球。 非随 机锡球在一块板的底面上相同的位置上找到， 一块板接着一块板 都有，通常在突出引脚的托尾边。 它们的发生和焊锡与阻焊层之 间的表面张力有关。基本上，如果这个表面张力足够大的话，锡 球与 PCB 之间的粘力将大于重力向下的力。结果形成锡球。 传统助焊剂与片状波峰传统的低固、免洗助焊剂经常在单波峰焊接工艺中表现满 意。当使用双波峰工艺时，表现差是常见的，因为片状波峰大大 地增加了 PCB 与熔化的焊锡之间的接触时间。事实上，当使用 片状波峰 (chip wave) 时， PCB 花在与 460500 F 熔化的焊 锡接触的时间增加了，比单波峰工艺增加 2540% 。图一说明 PCB 与焊锡波峰接触时间是对不同波峰类型的传送带速度的函 数。例如，对于5 ft/min.的传送带速度，“A”波比“ A”波加 片状波峰的接触时间是 1.5 秒比 2.1 秒。这个数据表示板与熔化 的焊锡接触的时间增加 40% 。传统的低固、免洗助焊剂不是设计忍耐这么长的温度暴露。 它们不能经受得住在使用片状波峰时所遇到的延长的驻留时间， 倾向于在板到达第二波峰出处的剥离区域之前就蒸发了。这里， 助焊剂发挥其在焊接工艺中最好的和关键的作用。 剩下的助焊剂 必须减少焊锡与阻焊层折旧的表面张力， 以减少锡球频率。 另外， 剩余的助焊剂必须帮助焊锡从元件引脚排放掉， 以减少锡桥的频 率。如果当板从波峰出来时助焊剂完全没有了， 这些缺陷可能会 戏剧性地增加。解决片状波峰的难题有几种选择来解决片状波峰的难题。 电路板设计的改变， 如 虚设焊盘 (dummy pad) 的使用， 可帮助减少一排引脚端的锡桥。 在多个研究中， 与平滑的阻焊层相比较， 不光滑表面的阻焊层的 使用显示 5090% 的锡球数量的大大减少。增加了助焊剂沉积、 加快传送带速度、或降低锡缸的温度也可帮助减少锡球或锡桥 1040% ，这是基于工业的经验。可是，这些 方法不总是可以 办到的，有时可能产生其它焊接问题。在低固、免洗助焊剂技术中的最新进步提供了一个解决这类 问题的方法。 不象传统的不能忍耐焊接中驻留时间延长的低固免 洗助焊剂， 已经开发出更新的助焊剂技术， 提供温度更稳定的活 性剂系统。温度更稳定允许助焊剂忍受在双波峰工艺中所遇到的 温度暴露时间的增加。这个能力保证助焊剂将在波峰出来时还 有，以减少焊锡的表面张力， 大大地减少非随机锡球与锡桥的发 生。温度重力分析 (TGA, thermo-gravimetric analysis) 在检 查温度稳定性时是有帮助的。 图二比较一种传统的低固免洗助焊 剂与一种较新的更温度稳定的基于溶剂的低固免洗助焊剂的 TGA 图。温度重力分析 (TGA) 是对一种材料在温度与时间上怎样挥 发的定量测量。 TGA 测试从样品的已知数量开始，用图绘出随 着 温度与时间的增加样品质量的损失。其结果对一种助焊剂在 波峰焊接工艺中所经历的温度暴露是相似的， 可帮助预测一种助焊剂在这两个缺陷区域的表现。在图二中比较的两种助焊剂的情况中， 每一个都是以急下坡 开始， 这表示每个助焊剂样品的大多数已经挥发。 这个急下坡对 波峰焊接工艺中预热区期间助焊剂载体的挥发是类似的。 画圈的 区域是比较的更关键区域。 该图的每一部分都类似于在与焊锡波 峰接触期间助焊剂对焊接热量的暴露。 在这个温度范围助焊剂温 度稳定性的差别帮助预测助焊剂性能的差别。 正如所显示的， 含 有一个更温度稳定活性剂系统的助焊剂比传统的助焊剂挥发较 慢。因为挥发较慢，在焊锡波峰的剥离区域或出口还有助焊剂， 来减少焊锡的表面张力，结果减少非随机锡球和锡桥。 结论片状元件焊接波峰 (chip wave) 要求用来提供在底面 SMD 的元件引脚与焊盘界面处的适当熔湿 (wetting) 。非随机锡球与锡 桥的发生经常随着片状波峰的使用而大大增加。 较新的助焊剂技 术，结合了更温度稳定的活性剂系统，可用来大量减少这些缺 陷。波峰焊接的持续改进方法By Joe Chu and Tony Huang 如果能够使用适当的准备和支持来实施有效的过程控制系 统，那么，波峰焊接过程中出现的大部分问题可以得到解决，或 者至少减少到一个可以接受的水平。波峰焊接是一项成熟的技术， 保持一种有效的大规模焊接工 艺过程，特别是对通孔和第三类 SMT 装配。可是，波峰焊接也 由于其不连续的性能和复杂性， 被人们不接受。 波峰焊接的复杂 是由于其过程运作变量，例如，传送带速度、预热温度、波峰的 焊接问题，板与波的交互作用、助焊剂化学成分、机器维护、板 的设计、元件的可行性和操作员的培训。近来，有些制造商企图尝试撇开波峰焊接，来做其 PCB 装 配流水线工艺流程，由于有许多涌现的技术和“更小、更快、更 便宜”的需求。如果可以掌握到波峰焊接的复杂性，以达到可重 复的良好的焊接性能， 一些专家相信， 它将保持其适当的位置和 使其适应新的挑战。波峰焊接改进的目的是在第一时间生产出完美的波峰焊接 点。每个与波峰焊接改进有关的人都必须认识到， 焊接缺陷的修 补是不必要的和十分花费的。 除此之外， 修补也将不会改进原来 的焊接点。事实上，焊接点将会降级，因为它们要经历另一次温 度周期，增加金属间化合物的厚度。一个波峰焊接改进小组在 Adaptec 的 Proto Assembly Center 成立。不是尝试去寻找一个一次性修正方案，而是采用 了连续的问题解决方法。小组采用 Deming 的计划、干、研究 和行动循环 (PDSA, Plan, Do, Study, Act)，这是问题解决的连续的逼近途径。因为人是任何改进行动的基础，日本的Kaizen哲学首先关心的是人的素质。如果人的素质得到改进，那么过程改进随之而来。对每一个涉及波峰焊接过程的人需要做定期的正式和适当的 培训。从波峰焊接改进的前景，到每一件和焊接过程有关的事都 可以改进。不管改进是多小，或改进行动是什么，都降提高整个的焊接性能。连续改进策略改进过程包括四个主要阶段： 定义目标、建立和培训集中小 组、采用Demi ng的PDSA循环、和评估由于改进效果的所发 生的变化。由于管理层的支持，工程目标清楚地定义如下：“团结组织内所有有关人员，一起工作以达到没有大的固定资产投入 的情况下，连续地改进现有的波峰焊接工艺。” 由于人是任何改进行动的基础，“人员素质”的改进结果将是过 程的改进。对与波峰焊接过程有关的每个人必须定期接受正式的 和适当的培训。把“人员素质”哲学应用到波峰焊接改进的计划 中，必须对小组成 员进行两个正式的培训阶段。*)%AWE in WkTSPC U Viluc by wkWackFiaure 3. Wavesolder defect control chariWdvMAi inrvieD it S peed4 ft/ mniri5 minB Pnlisaitonel200TZSDF IPrWieaitzQne 2250-T300 F孑却节4刃下作波峰焊曲线期间，一个最困难的任务是决定预热器的设定点。预热过程中，加热 PCB的最佳目标是将板顶面的温度升到200210 F，而保持板底面温度在一个可接受的水平。为了将用于决定预热器设定而所需要运行的次数减到最少，使用了两个24-1的部分工厂试验。用于两个试验的因素是相同的：预热区1、预热区2、预热区3和传送带速度。用于第一个试验的 响应是顶部温度，而用于第二个试验的响应是焊料屈从。 第二个 试验是在第一次试验期间决定了变量范围后进行的。表二和三列出了两个试验的所有变量、响应和变量范围。板和波峰交互参数的控制。在上助焊剂过程优化和最优的加 热器和传送带速度设定决定后，实施用来控制上锡过程的系统。 变量，如焊锡接触居留时间、浸锡深度和传送带平行，是当板经 过波峰时需要控制的关键因素。 板与波的交互参数是使用一个波峰焊接优化器来测量和控制的影响驻留时间和浸锡深度的变量是传送带速度、锡罐水平、 锡泵高度、PCB坐在指爪上的方法和是否采用夹具。因为传送 带速度是基于PCB预热要求决定的，它在调节焊锡接触驻留时 间和浸锡高度时是保持不变的。 控制驻留时间和浸锡深度的方法 是固定锡罐的水平，和基于预先决定的最优值上调节锡泵的速 度。最优的浸锡深度 和驻留时间是在产生最低缺陷率的时间基 础上决定的。波峰焊接的改革为