可靠的无铅焊接与SMT工艺技术

优化无铅波峰焊接
在考虑到上述所有因素的情况下，那么，工程师应如何优化波峰焊接设备呢？可将波峰焊接工艺概括为如下几个方面：
‧ 与供货商商讨，使设备与无铅制造相匹配。
‧ 识别无铅元器件和PCB板，并且与元器件供货商密切合作
‧ 选择一种无铅焊料：SAC305、Sn/Cu、或其它兼容性的选择方案。
‧ 选择助焊剂化合物，无VOC助焊剂最佳，专门为无铅焊接应用而设计。
‧ 启动试验性设计。
‧ 确定一组最佳参数，以便达到充分的润湿和完全的通孔填充。
‧ 设置无铅波峰焊接工艺，并且规定其过程和统计极限值。
‧ 确保将无铅材料与含铅材料隔离开。
‧ 设置兼容的手工焊接工艺和返修工艺。
‧ 如果使用可水洗焊剂的话，则给出清洗工艺参数。
在某些情况下，助焊剂残余物具有聚合为较硬的水晶材料的倾向，这种材料会影响到探针测试和残余物的洁净性。在很大程度上取决于其化学特性，但是，较高的焊接温度和较长的接触时间却能够起到一定的作用。
有时，如果在水清洗系统中使用清洗剂的话，就要求使用为无铅清洗专门设计的替代产品。许多焊料公司已对清洗剂的制造厂家的新型助焊剂的清洗效果进行了评估。因此，第一步就是征求他们的意见。
在第一次设置无铅波峰焊接工艺时，含铅和无铅的焊料可能都在使用。因此，防止交叉污染是很重要的，因为无铅焊料与含铅63/37焊料的颜色基本相同。比较可行的方法是在无铅焊料棒上采用一种形状独特的标识和标签，从而避免出现损失惨重的错误。当前多数人的意见是：在焊锡槽中铅含量的最大值设置为0.3%，以防止出现可靠性的问题。值得注意的是：无铅焊点的最高含铅量确定为0.1%。另外，在波峰焊锡槽中严重的铅污染是不允许的。
提倡将焊锡槽中金属熔化时浮升至表面的渣滓或者氧化物等残余物分离出来。有些公司使用红色或黑色桶盛放含铅氧化物，而用绿色或白色桶盛放无铅氧化物。无铅氧化物的价值要比63/37高得多。分离这两种焊料是为了确保在循环回收再利用焊料时达到最大量的回收。为了避免混淆，建议使用醒目的字体在波峰焊接设备上做上标记。为区分哪个是无铅焊接的（哪个不是无铅的），还需要对焊接好的PCB板做标记。
在焊接时要小心谨慎，并采取适当的方法，就可以实现可靠的无铅波峰焊接。
可靠的无铅SMT组装的关键工艺要求
如果认真地执行这几个工艺要求，那么，就能获得可靠的无铅SMT。无铅SMT中最常用的合金是锡-银-铜合金，这种合金熔融温度范围为217℃到220℃。这些合金熔融温度都比传统的含铅焊料，如63/37（其熔点为183℃）熔融温度要高。
关键变量如下：
‧ 合金的熔融温度
‧ 助焊剂化学成分－活性和温度效应
‧ 合金的润湿和表面张力特性
‧ 焊球和桥接的可能性升高率
‧ 元器件/PCB板的可靠性
‧ 兼容的返工/返修
‧ 兼容的波峰焊，选择性焊接工艺
‧ 质量检验标准
‧ 在较高回流温度下助焊剂的外观效应
‧ 氮气与自然气氛
‧ 助焊剂残余物的探针可测试性
‧ 焊接孔洞的影响
‧ 残余物清洗/去除工艺变化
‧ 覆形涂敷材料和底部填充材料
‧ 焊接设备的保养维护和助焊剂的溶解量
这些合金的熔点较高，因此，要求优化热曲线，从而避免使元器件和PCB暴露于过高的温度下（见图3）。SAC合金的峰值温度范围为235℃-245℃，但是，如果PCB板热量小，而且炉子具有足够的加热区的话，那么，可以使用较低的229℃的温度。



使用无铅SAC和SnAg合金的典型回流曲线
在无铅焊膏中使用助焊剂化合物是为了减少因较高的回流温度而产生过多的缺陷。较高的回流温度引起的缺陷涉及焊膏坍塌到残余物的炭化等。焊膏制造厂家使用的是具有良好抗热坍塌能力并能在较高的预热及峰值回流温度下活化的化合物。
与可替代的无铅焊料相关的较低润湿速度，使助焊剂活性成为焊膏性能的一个关键因素。设计的免清洗和可水洗焊膏不需要在氮气下回流，而且在自然气氛下的良好润湿可以形成可靠的焊接。如果是含有较高浓度活化剂的可水洗焊膏，就可以用于多数金属表面涂层的焊接。使用免清洗焊膏时要求对焊接的表面层及焊膏的属性进行认真地选择。某些无铅免清洗焊膏是为不同金属表面的充分焊接而设计的。其它的焊膏对于裸铜PCB板的二次焊接比较困难，因为其活性较低。某些免洗焊膏要求采用较低的峰值温度，而其它焊膏经历较高的温度后不会出现炭化或聚合污染的现象。
如图4所示，氮气会影响到焊点的外观。焊膏在自然气氛下回流，焊点外观会呈现出均匀一致的较光亮的表面。不过，焊膏在氮气下回流可以增强无铅焊料的润湿性，尤其是在裸铜OSP表面上。必须注意的是：大多数组装厂家正在寻求一种可在空气中回流的焊膏。在这种焊膏的开发研制过程中，许许多多无铅化学产品像雨后春笋，涌现出来。



如图4所示，将无铅焊膏印刷到白色陶瓷基板上进行测试，然后，将其中一个在自然气氛下回流，另一个在氮气氛下回流。尽管从表面上看完全不同，但是，这只是表面现象。为SMT工艺选择最佳的无铅焊膏是一个关键因素，以下这些条件可以作为选择工艺的指南：
‧ 印刷速度
‧ 脱离时间
‧ 模板寿命
‧ 粘附寿命
‧ 焊球测试
‧ 坍塌测试
‧ 扩散测试
‧ 回流窗口
‧ 产生孔洞的可能性
‧ 双回流窗口
‧ 可清洗性
‧ 探针可测试性
在企业内部重复这些试验是没有必要的。一个优秀的焊膏制造厂家常常是让用户享有这方面的信息。如果认真地选择焊膏，就可起到优化SMT工艺的作用，就可以顺利地过渡到无铅制造，而不会危及到可靠性和产量。常见的与无铅相关的缺陷有：
‧ 焊料脱离焊盘
‧ 芯片中间形成焊球
‧ 墓碑现象
‧ 细间距QFP引脚桥接（短路）
‧ 焊点裂开
‧ 不润湿
‧ 半润湿
‧ 冷焊点
‧ 孔洞
采用能够提供充分润湿、达到低的坍塌以及无铅合金的低孔洞产生率这样一种设计的无铅焊膏，经适当优化的工艺是可以避免这些缺陷的产生。
由于无铅焊料的润湿性下降，所以，有时无铅焊料不能完全润湿焊盘。这是由于受到焊剂活性的影响和回流焊中氮气的影响。因此，一些组装厂家对模板进行修改，而很少减少网孔。这就要求焊膏具有良好的热坍塌特性，以防止桥接和产生焊球现象。其它组装厂家也正在研究如何完善焊盘的设计。在许多情况下，不能将其看作是一个问题。
开发无铅SMT工艺不仅需要周全的规划，而且还需要与所有的供货商建立密切的合作关系。以组成团队的方式和适当的培训对于实现可靠的无铅集成是最基本的要求，尤其是在使用含铅和无铅两种焊料的情况下。
结论
可靠的无铅焊接与诸多方面的因素相关。要获得可靠的焊接，焊膏的选择是一个极其关键的因素，为减少焊接缺陷要考虑到焊膏的热坍塌性能、优化焊接工艺和参数。通过测试表明，焊膏的活性与润湿性也是很关键的。与此同时，在实施无铅化制造之前，制造厂家应与设计人员和材料（元器件和焊料）的供货商建立密切的联系，并加强管理，才能为无铅焊接获得成功打下良好的基础。