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無鉛焊接技術及其在應用中存在的問題

　　無鉛化已成為電子制造錫焊技術不可逆轉的潮流。2005年起，國內無鉛化進程進人了實施階段。然而無鉛化實施應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，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，必須與電子元件及印制板的鍍層銅、鎳、銀等有良好的潤濕。從電子產品的可靠性出發，為了形成良好的冶金結合的焊點，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，這是由于電子產品在使用過程中不可避免的會產生發熱現象而產生熱膨脹，同時在不使用時溫度下降會產生收縮，如此反復循環將在焊點處發生熱疲勞現象。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。但是這樣將產生殘留物而出現腐蝕和電遷移等現象。同時，在流動焊時由于波峰焊產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。在存放期間焊膏內的助焊劑與合金發生反應而劣化，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。
　　從這些觀點出發來選擇適當的無鉛焊料是非常重要的。表1所示的是從．1980年以來開發的無鉛共晶合金的特性比較。在此基礎上發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。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上添加鉍、銦以降低熔點以及開發錫鋅系無鉛化焊料將成為今后發展的方向，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
從錫鉛焊料到錫銀銅焊料，在再流焊實際操作時將發生很大的變化，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，必須提高預熱溫度和時間。再流焊設備必須進行多溫區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，焊接工藝和設備都將發生重大的變化。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性(230℃-240℃)，這就要求預熱終點溫度要高，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，必須提高預熱溫度和預熱時間。但這又導致焊接溫度的變化可能帶來的負面影響，因此必須開發用于無鉛焊膏的助焊劑。
④印刷工藝過程中，由于焊膏內助焊劑與粉末的反應，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
從錫鉛焊料到錫銀銅焊料，在流動焊實際操作時將發生很大的變化，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，必須關注預熱溫度和波峰焊接工藝，見圖6和表3。
⑤雜質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％，液相溫度變為25O℃。
4 無鉛焊接實踐中可能出現的問題、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，同時容易發生橋接、拉尖等，因此必須改良設備、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，可以大致得出無鉛焊料的實際用途，見圖7表6。 5 小結
綜上所述我們可以得出如下結論：
①無鉛焊接理論與實踐均屬于錫焊技術的領域，僅是有鉛轉向無鉛的過程。目前關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，必須對錫焊技術理論有較深的理解并學習國內外的先進經驗，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的唯一標準。

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