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無鉛焊接技術(shù)及其在應(yīng)用中存在的問題

　　無鉛化已成為電子制造錫焊技術(shù)不可逆轉(zhuǎn)的潮流。2005年起，國內(nèi)無鉛化進程進人了實施階段。然而無鉛化實施應(yīng)用中存在許多實際的問題與難點。
1 無鉛焊料的必要條件
　　電子工業(yè)用60／40、63／37焊料已有50多年的歷史，已形成非常成熟的工藝。因此無鉛焊料要取代有鉛焊料必須滿足一些充分而必要的條件，見圖1。
　　首先，從電子焊接工藝的要求出發(fā)，為了不破壞元器件的基本特性，所用無鉛焊料熔點必須接近錫鉛共晶焊料的熔點183℃。這是由于熔點高的焊料將超過電子元件的耐熱溫度，同時由于再流焊爐制約，不可以使用熔點高的焊料。
　　其次，從可焊性的觀點出發(fā)，必須與電子元件及印制板的鍍層銅、鎳、銀等有良好的潤濕。從電子產(chǎn)品的可靠性出發(fā)，為了形成良好的冶金結(jié)合的焊點，焊料本身的機械強度是非常重要的。特別要求焊點具有耐熱疲勞性能，這是由于電子產(chǎn)品在使用過程中不可避免的會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象而產(chǎn)生熱膨脹，同時在不使用時溫度下降會產(chǎn)生收縮，如此反復(fù)循環(huán)將在焊點處發(fā)生熱疲勞現(xiàn)象。從焊接的實際操作來看，希望焊接缺陷少是非常重要的。特別是橋接、拉尖等不良缺陷均和焊料的潤濕性有密切關(guān)系。在再流焊接時，由于母材表面氧化，為了提高焊劑的去氧化作用，必須使用有活性的助焊劑予以去除。但是這樣將產(chǎn)生殘留物而出現(xiàn)腐蝕和電遷移等現(xiàn)象。同時，在流動焊時由于波峰焊產(chǎn)生的氧化錫渣也是一個問題，不僅造成焊點不良率上升，同時也增加成本。此外，焊膏的保存性是進行良好印刷的必要條件。在存放期間焊膏內(nèi)的助焊劑與合金發(fā)生反應(yīng)而劣化，會造成粘度升高、印刷不良等。以上均是無鉛焊料必須考慮的問題。
　　從這些觀點出發(fā)來選擇適當?shù)臒o鉛焊料是非常重要的。表1所示的是從．1980年以來開發(fā)的無鉛共晶合金的特性比較。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了當前實用的錫銀銅等主流無鉛焊料。
2 無鉛焊料和有鉛焊料的比較及其特點
　　近年來比較實用的無鉛標準合金大致以錫銀銅為基礎(chǔ)。然而由于該合金熔點仍偏高，即使元器件的焊料的1．5～．O倍的抗張強度和非常優(yōu)秀的抗熱疲勞性能，但另一方面對銅的潤濕性差。從擴散率來看，錫鉛焊料擴散率超過90％，而錫銀銅焊料在80％左右，耐熱性有所提高，多層、薄形的印制板耐熱性仍存在問題。因此在錫銀合金基礎(chǔ)上添加鉍、銦以降低熔點以及開發(fā)錫鋅系無鉛化焊料將成為今后發(fā)展的方向，見表2。
　　錫銀銅無鉛焊料有比較好的機械特性，具有錫鉛錫鋅焊料在大氣下擴散率非常差。但是由于技術(shù)不斷進步，目前錫銀銅無鉛焊膏的潤濕性已取得了明顯提高，幾乎達到錫鉛焊膏的水平。
3 無鉛焊接和有鉛焊接工藝比較及其特點
3．1再流焊工藝技術(shù)
從錫鉛焊料到錫銀銅焊料，在再流焊實際操作時將發(fā)生很大的變化，主要有：
①目前最常用的錫-3．0銀-0．5銅其熔點在217℃～219℃，在進行再流焊時，可操作的最低工藝溫度應(yīng)為液相溫度加10℃，這就比錫鉛共晶焊料的熔點高出40℃。不難看出操作溫度的上升與元器件的耐熱溫度(240℃)的差距將大幅減少，因此必須較以往有更正確的工藝溫度管理。此外，由于印制板的多樣化，熱容量不同的元器件均會有10℃的溫差，必須提高預(yù)熱溫度和時間。再流焊設(shè)備必須進行多溫區(qū)加熱以減少溫度誤差，這是一項有效的措施，見圖2。由于熔點的上升，焊接工藝和設(shè)備都將發(fā)生重大的變化。實行錫銀銅焊料的無鉛化，降低其熔點將成為一個被關(guān)注的問題。
②一般認為錫銀銅比錫鉛潤濕性低，其擴散率在75％～80％，比錫鉛下降15％左右。為了提高可焊性，在助焊劑中增加活性劑是必要的，但會造成粘度升高等不良現(xiàn)象。另外，由于無鉛焊料表面張力比有鉛焊料高，在同樣條件下潤濕性也會變差。
③無鉛焊料的熔點高，因此必須考慮峰值溫度與元器件的耐熱溫度的適應(yīng)性(230℃-240℃)，這就要求預(yù)熱終點溫度要高，使有熱容量差異的元器件溫度能達到均勻。此外，元器件與母材的氧化、焊膏活性的損失容易產(chǎn)生焊球，因此，當錫鉛焊膏的助焊劑用于錫銀銅焊膏時，必須提高預(yù)熱溫度和預(yù)熱時間。但這又導致焊接溫度的變化可能帶來的負面影響，因此必須開發(fā)用于無鉛焊膏的助焊劑。
④印刷工藝過程中，由于焊膏內(nèi)助焊劑與粉末的反應(yīng)，在粉末表面有有機金屬化合物與有機金屬鹽析出，造成流動性下降，粘度升高，給印刷性能帶來影響，成為焊接不良的原因。
3．2 流動焊工藝技術(shù)
從錫鉛焊料到錫銀銅焊料，在流動焊實際操作時將發(fā)生很大的變化，主要有：
①流動焊槽溫度與峰值溫度的溫差，錫鉛焊料為52℃～67℃，而錫銀銅僅為30℃～35℃，溫差范圍大大減少，造成工藝控制困難、氧化錫渣增多等，見圖3。 ②有鉛焊料比重為8．4g cm-3、無鉛焊料比重為7．4g cm-3，同樣體積重量將減少。
③需要提高溫度，無鉛焊料才能達到有鉛焊料同樣的潤濕時間，見圖4。只有選用優(yōu)良的無鉛助焊劑才有可能減少潤濕時間，見圖5。 ④在240℃時，錫鉛焊料表面張力為396mN／m、錫銀銅焊料為471．8mN／m、鉛為468mN／m、錫為544mN／m，為了提高通孔上升率和減少焊接缺陷，必須關(guān)注預(yù)熱溫度和波峰焊接工藝，見圖6和表3。
⑤雜質(zhì)成分的管理是必要的，主要是對銅與鉛的管理，銅的增加對熔點有所影響。含銅0．5％～0．9％液相溫度沒有多大變化；超過O．9％將形成Cu6-Sn5中間合金；銅達到1．2％，液相溫度變?yōu)?5O℃。
4 無鉛焊接實踐中可能出現(xiàn)的問題、難點、方向
在流動焊時，對于單面板無鉛焊接可以用錫銅焊料，通孔板采用錫銀銅焊料。單面板與通孔板的共同問題是可焊性低、熔點高、潤濕性差、表面張力大、焊槽溫度與峰值溫度溫差少，同時容易發(fā)生橋接、拉尖等，因此必須改良設(shè)備、助焊劑與氮氣保護。其焊接性能見表4。此外流動焊從目前來看，由于有鉛與無鉛共存將產(chǎn)生焊點剝離，這將成為今后研究的課題，見表5。最后從無鉛焊料熔融溫度出發(fā)，可以大致得出無鉛焊料的實際用途，見圖7表6。 5 小結(jié)
綜上所述我們可以得出如下結(jié)論：
①無鉛焊接理論與實踐均屬于錫焊技術(shù)的領(lǐng)域，僅是有鉛轉(zhuǎn)向無鉛的過程。目前關(guān)于無鉛焊料的標準體系，錫銀銅已成為共識，但其熔點仍偏高，錫銀鉍銦以及錫鉍、錫鋅焊料將成為人們關(guān)注的熱點和方向；
②無鉛焊接液相溫度與峰值溫度溫差范圍較有鉛溫差范圍小，因此溫度管理成為無鉛焊接中的重要內(nèi)容；
③由于無鉛焊料熔點較高，將對元器件、印制板特性帶來更高的要求；
④無鉛化是一個長期的過程，目前仍處于與有鉛共存時期，這期間鉛污染仍是一個較難解決的問題；
⑤由于無鉛與有鉛的共存而產(chǎn)生的焊點剝離問題是無鉛化過程中的最大難點。 本文是筆者對無鉛焊接的理論與實踐的體會，無鉛化是一個長期的過程，必須對錫焊技術(shù)理論有較深的理解并學習國內(nèi)外的先進經(jīng)驗，才能加速無鉛化進程。在這一過程中，實踐將是檢驗和實施無鉛化錫焊技術(shù)的唯一標準。

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