无铅焊的介绍

    传统的锡铅焊料在电子装联中已经应用了近一个世纪。共晶焊料的导电性、稳定性、抗蚀性、抗拉和抗疲劳、机械强度、工艺性都是非常优秀的，而且资源丰富，价格便宜。是一种极为理想的电子焊接材料。但由于铅污染人类的生活环境。据统计，某些地区地下水的含铅量已超标３０倍，由于Pb是一种有毒的金属，对人体有害，并且对自然环境有很大的破坏性，所以引进了无铅焊丝。

一． 无铅焊接的起源：
    由于环境保护的要求，特别是ISO14000的导入，世界大多数国家开始禁止在焊接材料中使用含铅的成分。
    日本在2004年禁止生产或销售使用有铅材料焊接的电子生产设备。欧美在2006年禁止生产或销售使用有铅材料焊接的电子生产设备。据估计，中国没有多久也将采用无铅焊接。
   因此，在这种情况下，电子材料开始生产无铅焊料。例如：美国 Alpha metal焊丝：reliacore 15的主要组成成分为S nAgCu.
二、 无铅焊接技术的现状
    无铅焊料合金成分的标准化目前还没有明确的规定。ＩＰＣ等大多数商业协会的意见：铅含量<０.１－０.２ＷＴ％（倾向<０.１％，并且不含任何其它有毒元素的合金称为无铅焊料合金。
１、 无铅焊料合金
无铅化的核心和首要任务是无铅焊料。正公认能用的有：
（１） 目前最有可能替代Ｓn／Ｐb焊料的合金材料
（２） 目前应用最多的无铅焊料合金三元共晶形式的Ｓn９５.８\Ａg３.５\Ｃu０.７（美国）和三元近共晶形式的Ｓn９６.５\Ａg３.０\Ｃu０.５（日本）是目前应用最多的用于再流焊的无铅焊料。其熔点为２１６－２２０℃左右。
无铅合金焊料较仍然有以下问题：
（Ａ）熔点高３４℃左右。
（Ｂ）表面张力大、润湿性差。
（Ｃ）价格高
２、ＰＣＢ焊盘表面镀层材料
    无铅焊接要求ＰＣＢ焊盘表面镀层材料也要无铅化，ＰＣＢ焊盘表面镀层的无铅化相对于元器件焊端表面的无铅化容易一些。目前无铅标准还没有完善，因此无铅元器件焊端表面镀层的种类很多。
３、 目前无铅焊接工艺技术处于过渡和起步阶段
    虽然国际国内都在不同程度的应用无铅技术，但目前还处于过渡和起步阶段，从理论到应用都还不成熟。没有统一的标准，对无铅焊接的焊点可靠性还没有统一的认识，因此无论国际国内无铅应用技术非常混乱，因此目前迫切需要加快对无铅焊接技术从理论到应用的研究。
三、 无铅焊接的特点和对策
１、 无铅焊接和焊点的主要特点
（１） 无铅焊接的主要特点
（Ａ）高温、熔点比传统有铅共晶焊料高３４℃左右。
（Ｂ）表面张力大、润湿性差。
（Ｃ）工艺窗口小，质量控制难度大。
（２） 无铅焊点的特点
（Ａ）浸润性差，扩展性差。
（Ｂ）无铅焊点外观粗糙。传统的检验标准与ＡＯＩ需要升级。
（Ｃ）无铅焊点中气孔较多，尤其有铅焊端与无铅焊料混用时，焊端（球）上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘，助焊剂排不出去，造成气孔。但气孔不影响机械强度。
（Ｄ）缺陷多－由于浸润性差，使自定位效应减弱。
    无铅焊点外观粗糙、气孔多、润湿角大、没有半月形，由于无铅焊点外观与有铅焊点有较明显的不同，如果有原来有铅的检验标准衡量，甚至可以认为是不合格的，随着无铅技术的深入和发展，由于助焊剂的改进以及工艺的进步，无铅焊点的粗糙外观已经有了一些改观。
四、 无铅工艺对助焊剂的挑战
（１） 无铅工艺对助焊剂的要求
（Ａ）由于焊剂与合金表面之间有化学反应，因此不同合金成分要选择不同的助焊剂。
（Ｂ）由于无铅合金的浸润性差，要求助焊剂活性高。
（Ｃ）提高助焊剂的活化温度，要适应无铅高温焊接温度。
（Ｄ）焊后残留物少，并且无腐蚀性，满足ＩＣＴ探针能力和电迁移。
（２） 焊膏印刷性、可焊性的关键在于助焊剂。
确定了无铅合金后，关键在于助焊剂。选择焊膏要做工艺试验，看看印刷性能否满足要求，焊后质量如何。总之要选择适合自己产品和工艺的焊膏。
（３） 无铅焊剂必须专门配制焊膏中的助焊剂是净化焊接表面,提高润湿性,防止焊料氧化和确保焊膏质量以及优良工艺性的关键材料。高温下助焊剂对ＰＣＢ的焊盘，元器件端头和引脚表面的氧化层起到清洗作用，同时对金属表面产生活化作用。
（４） 波峰焊中无ＶＯＣ免清洗耳恭听焊剂也需要特殊配制。无铅焊膏和波峰焊的水溶性焊剂对某些产品也是需要的。
（５） 高温对元件的不利影响
    陶瓷电阻和特殊的电容对温度曲线的斜率(温度的变化速率)非常敏感,由于陶瓷体与ＰＣＢ的热膨胀系数ＣＴＥ相差大，在焊点冷却时容易造成元件体和焊点裂纹，元件开裂现象与ＣＴＥ的差异、温度、元件的尺寸大小成正比。
铝电解电容对清晰度极其敏感。
连接器和其他塑料封装元件在高温时失效明显增加。主要是分层、爆米花、变形等、粗略统计，温度每提高１０℃，潮湿敏感元件（ＭＳＬ）的可靠性降１级。解决措施是尽量降低峰值温度；对潮湿敏感元件进行去潮烘烤处理。
（６） 高温对ＰＣＢ的不利影响
    高温对ＰＣＢ的不利影响在第三节中已经做了分析，高温容易ＰＣＢ的热变形、因树脂老化变质而降低强度和绝缘电阻值，由于ＰＣＢ的Ｚ轴与ＸＹ方向的ＣＴＥ不匹配造成金属化孔镀层断裂而失效等可靠性问题。
    解决措施是尽量降低峰值温度，一般简单的消费类产品可以采用ＦＲ－４基材，厚板和复杂产品需要采用耐高温的ＦＲ－５或ＣＥＭn来替代ＦＲ－４基材。
（７） 电气可靠性
    回流焊、波峰焊、返修形成的助焊剂残留物，在潮湿环境和一定电压下，导电体之间可能会发生电化学反应，导致表面绝缘电阻的下降。如果有电迁移和枝状结晶（锡须）生长的出现，将发生导线间的短路，造成电迁移（俗称“漏电”）的风险。为了保证电气可靠性，需要对不同免清洗助焊剂的性能进行评估。
（８） 关于无铅返修
① 无铅焊料的返修相当困难，主要原因：
（Ａ）无铅焊料合金润湿性差。
（Ｂ）温度高（简单ＰＣＢ２３５℃，复杂ＰＣＢ２６０℃）。
（Ｃ）工艺窗口小。
② 无铅返修注意事项：
（Ａ）选择适当的返修设备和工具。
（Ｂ）正确作用返修设备和工具。
（Ｃ）正确选择焊膏、焊剂、焊锡丝等材料。
（Ｄ）正确设置焊接参数。
除了要适应无铅焊料的高熔点和低润湿性。同时返修过程中一定要小心，将任何潜在的对元件和ＰＣＢ的可靠性产生不利影响的因素降至最低。
（９） 关于过度时期无铅和有铅混用情况总结。
（Ａ）无铅焊料和无铅焊端――效果最好。
（Ｂ）无铅焊料和有铅焊端――目前普通使用，可以应用，但必须控制Ｐb，Cu等的含量，要配制相应的助焊剂，还要严格控制温度曲线等工艺参数，否则会造成可靠性问题。
（Ｃ）有铅焊料和无铅焊端――效果最差，ＢＧＡ、ＣＳＰ无铅焊球是不能用到有铅工艺中的，不建议采用。
    目前无铅工艺当中采用的钎焊料相对比原来的焊料成分方面锡的含量增大很多，其合金成分相对有很大的提升。在生产加工过程中，其锡渣的产生量比原来普通焊料的产生量也有很大幅度的提高。如果能将锡渣的产生量降低则对于材料消耗方面的成本控制是有益的。
锡渣主要是锡在高温环境下和氧气发生反应产生的氧化物，通过物理高温搅拌可以将大部分的锡氧分离（即锡渣还原），将分离的锡重新使用，也可利用化学置换还原反应将锡渣中的氧分子置换后还原成纯锡而重复使用。
    每个工厂可根据自身的机器及工艺安排等方面综合考虑得到较好的无铅化的道路。