史建卫1，王乐1,2，徐波1,2，梁永君1
1.日东电子科技（深圳）有限公司，广东，深圳，518103
2.哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点试验室，黑龙江，哈尔滨 150001
摘 要：无铅化是国际电子整机业发展的必然趋势，无铅制程的导入给企业带来新的挑战与机遇。本文针对无铅化电子组装带来的问题给出了相应的解决方案，其中包括无铅化生产实施步骤，物料与设备的选择，工艺的制定，有毒有害物质的检测，运行成本等。
关键词：无铅钎料，波峰焊，再流焊，浸焊，手工焊
中图分类号：TN305.94 文献标识号：A 文章编号：1004-4507(2006)05-0046-10
Problem and Solution in Lead-free Electronics Assembly
Shi Jianwei1, Wang Le1,2, Xu Bo1,2, Liang Yongjun1
1.Sun East Electronic Technology Company Lt.d, Shenzhen, 518103 China
2.Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001, China
Abstract: Lead-free is the trend of international electronics assembly, and lead-free processinduces many new problems. This article gives solutions to problems including implement process,choice of equipments and materials and setup of parameters, along with inspection and test ofproductions for elements with toxin, cost of run as well.
Key words: Lead-free Solder; Wave Soldering; Reflow Soldering; Dipping Soldering;Handing Soldering
Document Code: A Article ID: 1004-4507(2006)05-0046-10
1.引言
实施无铅化电子组装，许多企业并不主动，而是在各种压力下才转为无铅化生产的。外来压力主要包括法令规定、环保要求、市场利益、用户需求、有害物质回收处理和无铅技术方面等。
无铅化电子组装实施五步法包括：1）选择正确的物料和设备；2）定义制程工艺；3）建立可靠的制程工艺：收集分析数据，排除制程中的缺陷；4）执行无铅化生产：生产开始后仔细跟踪制程并作必要的调整；5）控制并改进制程：持续不断的跟进、监控和分析数据，并良好控制整个制程。
2.物料选择
2.1 PCB
无铅化制造中与PCB 有关的问题包括设计、材料和工艺等。特别需要关注和控制的问题有：可焊性及热过程中可焊性的退化问题；较高Tg 的基材选用问题；较低CTE 基材选用问题；合适的焊盘涂层材料选择问题；焊接过程中大尺寸PCB 下垂变形问题；高温下基板Z 轴的热膨胀系数导致通孔可靠性问题；基材高温分解引起的可靠性问题；基材吸水后在高温再流过程中可能导致的内部分层、玻璃纤维和树脂界面接合的退化问题；另外还有兼容性和长期可靠性问题。
（1）基材
对于简单产品，焊接温度为235～240℃；对于大热容量的复杂产品，可能需要260℃高温才能满足要求。传统PCB 基材大量使用溴化环氧树脂等含卤素聚合物的阻燃材料（含PBB 和PBDE），在无铅工艺高的焊接温度下可能出现不可接受的变色、起皮或变形，而且容易释放出高毒性物质（如二恶英等致癌物）。另外焊接温度升高，由于材料的CET 不匹配，尤其是Z 方向，容易造成多层结构的PCB 金属化孔镀层断裂。一般玻璃转化温度Tg 前后，都要求有较低的CTE，图1 中B 为合适的材料选择。
图1 不同PCB 材料在Tg 前后的厚度变化
常用FR4 的Tg 在135℃左右，Tg 下树脂、玻璃纤维的CTE 与Cu（16ppm/k）相似，而在Tg～260℃间Z 轴CTE 较大（80-90ppm/k）。基于外观要求、设计难度和绿色制造等理由，无铅化用PCB 应转向使用Tg 较高的FR4、FR5 或CEMn基材有助于降低不匹配产生的应力，但后两者成本较高。表1 和图2 为不同钎料焊接温度对PCB 基材的性能要求。Td 为分解温度/层压分离温度，定义为材料重量损失5%时的温度。无铅工艺中业界提出将Td 改为重量减少2%的温度，如图中Td 为220℃和260℃。除了表中对PCB 分解温度的要求外，无铅后PCB 还要求一个参数T288，含义为温度在288℃时PCB 能保持它的强度多长时间，IPC最近公布的FR4 标准草案中为15 分钟。此外在电镀前还需除掉孔内侧树脂/玻璃纤维，以增强金属化孔壁与多层板的结合力，凹蚀深度一般为13～20um，镀铜厚度为25um 以上。（CEMn 指由表面和芯部不同材料构成的刚性复合基敷铜箔层压板）目前市场上出现一种高Tg 的环保型材料，以含磷环氧树脂取代溴化环氧树脂作主体树脂，以含氮酚醛树脂取代传统的双氰胺作固化剂，通过添加阻燃助剂或氮和磷的作用提高产品的阻燃性。这种环保型材料比传统型材料有以下优点：卤素含量低于0.09wt%（即无氯素板），具有优良的耐热性能（Tg>150℃）和低的吸水性，Z 轴热膨胀系数低，介质损耗低，可靠性高。另外，在强度硬度及热应力方面， 环保型材料比传统的性能要好。（ Tg<130℃ 不适合无铅生产，140℃<Tg<165℃适合普通板，Tg>165℃适合10 层以上板）
表1 不同钎料焊接温度对PCB 基材性能要求
图2 有铅/无铅钎料对PCB 基材Td 的要求
（2）预焊剂
传统PCB 表面预焊剂处理是用有机溶剂将松香系变性树脂溶解，经与铜箔反应形成铜与咪唑的络合物而起到防锈效果。无铅化之后，需采用新型咪唑衍生物做成高耐热性水溶性预焊剂，其热解温度和防氧化能力需好于传统的性能，比如松下公司研制的K 型强耐热性预焊剂，热稳定性可达350℃，而其原来的T型预焊剂热稳定性仅为250℃。
（3）焊盘涂层材料
印刷电路板焊盘表面涂层主要起到两个作用：防止铜导线和焊盘氧化，保证焊盘可焊性。PCB 表面无铅化涂层材料包括Sn、Ag、Bi、Pd、SnAg、SnBi、SnCu、Sn/Ni、Au/Ni、Pd/Ni 等。表2 为主要的有铅和无铅PCB 焊盘表面涂层材料比较，图3 为具有良好平整度的无铅钎料HASL 涂层表面。
表2 有铅和无铅PCB 焊盘表面涂层材料比较
图3 无铅钎料HASL 涂层表面
2.2 元件
无铅制程导入过程中碰到的问题有相当比例与元件质量有关。无铅制造中需改善元件的封装材料和封装设计，避免高焊接热对元件所造成的热冲击，确保元件质量。
（1）设计
塑料封装从安装可靠性方面观察，密封树脂吸收空气中的水分，再流焊时高温使水分变成蒸气而产生膨胀，导致芯片、焊盘和树脂之间分层，如图4 所示。随着无铅化工艺的应用，元件急需解决的两个问题：一是封装内水蒸气压增加，二是各部结构材料之间的热膨胀差距扩大。解决措施就是通过新的结构设计和工艺技术进行性能改进，或根据表3 元件封装所能承受的峰值温度来尽量降低焊接峰值温度。
另外对于片式元件开裂现象，与温度、CTE 差异、元件尺寸等成正比。陶瓷电阻和特殊的电容对温度曲线的斜率非常敏感，陶瓷体与PCB 的热膨胀系数相差很大，在焊点加热或冷却时容易造成元件体和焊点裂纹，最好采用RTS 温度曲线来降低开裂发生率。对于0201、0402 和0603 小元件一般很少开裂，而1206 以上的大元件发生开裂机会较多。
图4 元件分层（C-SAM）
表3 元件封装承受峰值温度
（2）湿气敏感性
无铅焊接较高的再流温度对塑料封装元件的湿气敏感性等级要求十分严峻，由敏感性引发的产品焊后分层、爆裂等，会严重影响电子组装的可靠性，必须按照敏感性元件的存储、使用和管理要求进行严格控制。另外还需对湿气敏感性问题重视和了解，一方面强化对供应商的控制，一方面当出现问题时可有效的解决。元件湿气敏感等级要求可以参考相关标准：JEP113 为湿气敏感性元件符号和标识，J-STD-033A 为湿气敏感集成电路元件的分级和处置，JEDEC A113 为可靠性实验前塑封元件的预处理。表4 为非气密性固态表面贴装元件的水汽/再流敏感性分级。实验证明：温度每升高10℃，MSL 的可靠性降1 级。有效防止措施为提前预烘烤并尽量降低焊接峰值温度。
（3）可焊性
元件无铅化就是要引线和焊端部分涂层材料无铅化，无铅焊接对元件表面涂层的要求为无铅、抗氧化、耐260℃高温、与无铅钎料生成良好的界面合金。元器件焊端或引脚表面涂层材料有Sn、SnBi、SnCu、SnAg、SAC、Sn/Ni、Au/Ni、Pd/Ni、Ag/Pd、Au/Pd/Ni 等，主要涂层材料为Sn、SnCu、SnBi、SnAg 和预镀NiPd/NiPdAu。所有高锡含量替代方案都产生锡须现象，存在可靠性风险。
表4 IPC/JEDEC/J-STD-020 湿气敏感等级（MSL）
注：温度敏感零件开封时，湿度卡圆圈内显示颜色为蓝色方可使用
（4）元件标签
JEDEC 标准JESD97 对标识、符号、识别无铅组装的标签、组件和器件都有规定，要求在内包装和外包装盒上都要打上标签，明确显示包装内的产品符合RoHS 指令，或者说是无铅的。图5 标签显示了带有特殊无铅字符的部件编号，同时还有表示无铅的符号。标签还显示该部件可采用260℃的再流焊，并通过了3 级潮湿敏感等级（MSL）的认证。
图5 JEDEC 97 规定的无铅元件标签
2.3 钎料
传统共晶钎料的替代方式有无铅钎料、导电粘合剂（ECA）和嵌入式芯片。无铅钎料技术相对比较成熟，而后两种由于技术和成本问题，暂时没有得到广泛推广。无铅钎料选择应考虑以下几个问题：熔点低，润湿性好、成本低，易成形，抗氧化，兼容性和可靠性好等。由图6 可以看出，目前使用较多的无铅钎料有Sn0.7Cu，Sn3.5Ag和SAC三种，SnZn和SnBi等也用于部分场合。图7 和8 显示了无铅钎料高熔点、低润湿性特点，表7 为无铅钎料应用于不同焊接方法的推荐温度。另外，主要几种无铅钎料相对密度减小12.5%，热传导率减小34%，热膨胀系数增大11%，并且会形成Ag3Sn和Cu6Sn5两种金属间化合物（如图9）及锡的枝状晶体。
无铅化组装中，建议各种焊接方法使用同一合金，不但可以降低波峰焊时的二次再流风险和材料管理风险，而且可以防止Pb 等有害物质的污染。
图6 主要使用的无铅钎料体系
图7 无铅钎料高熔点
图8 无铅钎料大的润湿角
图9 无铅钎料/Cu 之间形成厚的IMC
2.4 焊剂
无铅化后焊剂的成分发生了改变：新的催化剂成分（高的活化温度），新的树脂成分（低的分解率），新的热稳定凝胶剂（减少塌陷），新的表面活性剂（增强可焊性）及更高温度的抗氧化剂。在焊剂选择时，不同的合金应该选择不同的焊剂，以防止化学反应，考虑因素有合金种类、焊接环境、焊盘和元件镀层等。
用于无铅钎料的新型焊剂的开发集中于无松香、无VOC 的环保产品，而且是水溶性或免清洗的。由于无铅软钎焊工艺中去除的对象还是Sn 的氧化物等，因此现有的焊剂仍然使用，只是由于温度的升高需要注意防止黑色焊剂残渣的形成。表5 为改进的载体配方，其中松油醇、丁基卡必醇醋酸脂和柠檬酸三丁脂中的松油醇挥发性最强，柠檬酸三丁脂最弱；混合溶剂的挥发基本符合亨利定律，即溶液中混合酸溶剂的相对含量决定了其蒸气压的相对比值，合理调整三者的相对含量，可以获得不同层次挥发特性的有机载体；少量的添加剂对挥发特性几乎没有影响，但是能极大的改变载体的各种性能。
表5 改进后适合无铅钎料使用的焊剂
免清洗焊剂代替松香基焊剂及水溶性焊剂，有利于实现益于环保的免清洗工艺并节省生产成本。醇基免清洗焊剂对焊接温度特别敏感，如果不适合230～260℃的高温焊接，分解将会显著增加，产生大量烟雾和凝结物，并且残留物易于发生聚合变硬，阻碍探针测试，并且挥发性有机化合物（VOC）的散发会对臭氧层形成破坏作用，无VOC 新型水基免清洗焊剂已成功开发，其活性剂和化学物质在水中的反应活性比醇中高，且在改善残留物和提高可焊性方面比醇基更优。
2.5 焊膏
焊膏是将合金粉与粘性很高的焊剂混合而制成的膏状物，一般需具备以下性能：漏印中透过性好，印刷后粘度保持时间长，无塌边现象，可焊性好，锡球飞溅少，满足在线电性能测试，焊剂残渣可靠性高（通过SIR 和电迁移测试）、清洗性好，性能经时变化小。低固溶免清洗焊膏选择标准为：焊后无残留物、无腐蚀，板面干净且不粘手，有足够高的表面绝缘电阻，离子残留满足免清洗要求，不易发生焊球、桥连等缺陷，无毒及严重气味，无环境污染。
无铅再流焊过程中，焊剂较难润湿合金粉和焊盘及引脚，焊接缺陷率比传统工艺中要高，建议在制程导入之前，对无铅焊膏进行一系列工艺测试：黏着性测试，冷热塌陷性测试，典型温度曲线在空气和氮气下的焊球测试，不同表面镀层材料润湿铺展测试。另外焊膏存储温度、湿度及存储时间要严格参照技术说明。
3.设备与工艺
3.1 焊膏印刷工艺
无铅焊膏由于焊剂含量高、缺少铅的润滑作用，与有铅焊膏相比，释放率降低了15％，扩散率由90％以上降低至73～77％。有铅焊膏对工艺参数的变化相对不敏感，而无铅焊膏却依赖性很大。
无铅工艺中，丝网最好用聚脂网，钢网最好用304 不锈钢，钢网制作方法多采用激光切割。许多因素会影响孔的位置精度和尺寸精度，包括设备精度及磨损、激光灯的老化、切割过程的温度和张力等。
随着元件的小型化，钢网厚度越来越薄，开孔尺寸也越来越小，为了增加焊膏释放率，一般采用电铸方法制作，并选择印刷精度较高的全自动焊膏印刷机，保证焊点覆盖焊盘的覆盖率达90％以上。还需选用适当的合金类型，一般为3号粉、合金含量为88.5～89.5%的焊膏，增加金属沉淀率。
采用统一的文件格式，比如GERBER 光绘文件来作为制作金属模板与PCB的共同文件，可以提高金属模板与PCB 对准精度。此外，其对准精度除了与印刷机的定位精度有关外，还与PCB 本身的位置精度有很大关系。因为PCB 制作工艺的收缩和进行焊接过程中发生收缩，会影响第二面的印刷精度。
高速印刷与PCB 板上焊膏成型的清洗度没有任何关系，有两个参数能更好的描述焊膏印刷性能，即流变系数和粘度不恢复率。高的流变系数意味着焊膏在高剪切率下更容易变稀，低的粘度不恢复率意味着焊膏在剪切力消除后粘度恢复的时间更短，可以理解为抗塌陷性好。粘度测试可参考标准JIS Z-3284。
为了提高焊膏释放率，建议印刷速度放快、刮刀压力调高，以实现对模板表面顶侧充分印刷，且刮刀压力的起点为每线性英寸印刷区域1.5～2lbs。但印刷工艺参数调节并不是一个简单的平面关系，如图10 所示无铅焊膏的工艺窗口，而是一个空间关系，具体调节时要根据实际情况来优化。
图11 为实际无铅焊膏印刷效果，释放率较低，需考虑模板开口的设计。由于无铅焊膏的扩散性不如有铅焊膏，模板孔径与焊盘孔径比恢复到1:1 或更大：对于间距大于0.5mm 的元件，一般采取1:1.02～1.10 的开口比例；对于间距小于0.5mm 的元件，一般采用1:1 的开口比例，图12 为印刷模板开孔设计示例。
图10 无铅焊膏工艺窗口
图11 无铅化模板设计焊膏漏印效果
图12 模板孔径比变化
为了实现量好的焊膏印刷体积和图形质量，根据IPC-7525 要求，必须保证按照图13，模板开孔最小宽度与模板厚度比W/T>1.6（SnPb 为1.5），模板开孔面积比大于0.71（SnPb 为0.66）。对于0402、0201 等小元件，为了防止墓碑或锡珠现象的产生，需对焊盘形状进行如图14 所示的修改。此外，还需加大模板擦拭频率，选择擦拭或超声波清洗方式，选用对应焊膏的清洗剂，若无特殊要求，可选用酒精和去离子水。
图13 印刷模板开口示意图
图14 模板开口形状变化
3.2 元件贴装工艺
贴片过程中，无铅元件的电极颜色比有铅的暗，元件识别条件值应特别注意，才能保证高的贴装率。另外，由于无铅钎料润湿性差、自矫正作用小，为了保证元件在焊接位置的正确性，须提高贴装精度。对于1005 元件，其宽度为0.5mm，如果元件焊端焊接宽度要求为元件宽度的2/3，那么元件左右偏移最大值为0.16mm；但是元件在焊盘上纵向偏移时，不能超过0.05mm，否则容易造成立碑缺陷，尤其是在氮气环境中。选用贴片精度在±0.05mm 的全自动贴片机，才能保证元件的焊接质量。
3.3 再流焊设备与工艺
（1）设备特点
如图15 所示，无铅钎料的高熔点、低润湿性导致工艺窗口变小，质量控制难度相应加大。为满足无铅焊接要求，再流焊设备应该具有以下特点：更高的加热温度和效率；更好的温度控制精度（±1℃）和温度均匀性（△T≤2℃）；更多的加温区数；具有可控的冷却系统、焊剂过滤及管理系统、氮气保护系统及实时温度控制功能。温区选择时一般推荐使用8 温区（双焊接区），对于大重型组件最好使用8 温区以上（三焊接区）。更多的温区，曲线调节灵活，传输速度快，生产加工能力强。对于大重型组件，还需有中央支撑以防止PCB 变形。
图15 无铅再流焊工艺窗口变窄
（2）温度曲线特点
温度曲线的设定除了参考焊膏推荐商的温度曲线参数外，还要考虑电子元件的耐热性问题及实际焊接质量问题。图16 示温度曲线形状有RSS 和RTS 两种，无铅焊接优选RTS 曲线形状（帐篷形）。这是因为帐篷形温度曲线具有以下特点：（1）减少PCB 上最冷与最热元件之间的温差，提高温度均匀性，有助于减少桥连、焊球、竖碑、芯吸及锡珠等缺陷；（2）合理升温速率控制在0.5～2℃/s 之间，最好为1.0-1.5°C/sec。过大会导致合金粉末向外飞溅，过低则焊剂由扩散取代快速蒸发产生爆破，避免产生锡球，但会导致熔化前的热输入增加，在强制热风对流加热方式中合金粉末氧化严重，导致润湿不良。
热塌陷与热扰动效应为焊膏的本质特性，它们为温度的函数，导致粘度下降；溶剂蒸发效应为一动态现象，其为温度和时间的函数，导致粘度升高，对焊膏的塌陷起到一定的作用。图17 为两种物理变化对焊膏粘度影响示意图。采用帐篷形曲线降低升温斜率，有助于溶剂更多蒸发而抵消分子热振动带来的影响，当升温斜率足够低时，焊膏粘度反而会随着温度的升高而增加，从而减少或抑制塌陷。
图16 RSS 与RTS 温度曲线形状
图17 热振动与溶剂蒸发对焊膏黏度的影响
（3）热电偶联结方式
温度曲线测试仪用来绘制温度曲线，K 型热电偶常用来进行温度采集，由于热滞后性通常设定为2s 或4s，采样周期一般为0.1s、0.2s、0.4s、0.5s 或更高，通过RS232 接口与计算机相连。测温线直径需尽可能小，一般为0.12mm，形状为片状，其时间常数小、响应快，得到的结果精确。为了得到准确的温度曲线，还要注意正确的放置热探头位置，尤其是要注意BGA、FC 等元件的测试。图18为BGA 元件热电偶探头接触位置。
IPC-7530 标准提供了热电偶的联结方法。热电偶接触有4 种方法：高温钎料联结，铝带联结，Kapton tape 联结和传导树脂联结。高温钎料最可靠，重复性最好；铝带可靠好，但重复性差一点；Kapton tape 是一种热传导很好的电带，但可靠性和重复性均差一点；传导树脂可靠性一般，但重复性很差。高温钎料与热电偶探头联结方法如图19 所示。
图18 BGA 元件热电偶接触位置
图19 高温钎料联结方法
（4）氮气保护
氮气保护可以改善无铅钎料润湿性，降低了焊点内部空洞率，形成良好圆角，提高了焊点拉伸强度。随着氧含量的降低，焊点拉伸强度升高，但在极低氧含量下由于出现芯吸现象，焊点拉伸强度反而降低。
氮气保护不是必须而是被推荐采用。一般在以下几种情况下使用：客户需求，配合免清洗工艺，实际组合材料的可焊性较差。对于性能较差的焊膏，氮气保护对焊点质量影响效果明显，推荐实际生产中采用氮气保护，反之亦然。氮气有利于无铅焊接生产工艺，但也会带来额外的成本，固需正确使用，推荐实际生产中氧含量控制在700～1000ppm 之间。为防止竖碑现象，氧含量应小于300ppm 或大于10000ppm。
（5）可控冷却速率
液态温度以上时间（TAL）和焊接峰值温度决定金属间化合物的形态和厚度，可控的冷却速率可以控制液态温度以上时间。快速冷却可以细化晶粒，提高强度，防止偏析，增强可靠性，避免Ag3Sn和Cu6Sn5等树枝状结晶的形成（如图20），还降低了产品焊后的出炉温度。但快速冷却容易产生较大应力对元件和组装板不利，一般推荐冷速在3℃/s～6℃/s之间。
图20 无铅焊点表面形成的Cu6Sn5枝状晶
（6）更先进的炉温控制技术
随着元件密度增加和工艺窗口变窄，寻求一个工艺曲线可以满足这样的组件和工艺，特别是大尺寸、横向温差也较大的PCB 是一件很不容易的事，就需要更先进的炉温控制技术，比如KIC 炉温测控系统等，对工艺进行优化和控制。
3.4 波峰焊设备与工艺
波峰焊是借助于机械泵使熔融钎料不断垂直向上地朝喷嘴涌出，形成20～40mm 高的波峰。钎料以一定压力和速度作用于电路板完成焊接过程。图21 为传统波峰焊工艺向无铅工艺转变的参数变化，除了传输速度减小外，其他参数均大于或相似于传统工艺。
（1）焊剂涂覆系统
免清洗焊剂普遍应用于无铅化电子组装中，其溶剂包括水、甲醇、乙醇、异丙醇和丁醇（见表6），固体含量低于5%，一般为2%左右。发泡式涂覆方式缺乏过程控制、溶剂蒸发严重、比重很难控制，易造成非均匀形核，常需要标定焊剂比重（多为0.808～0.815ug/cm3）及更换焊剂。由于醇基焊剂的挥发对环境不利，目前市场对无VOC水基免清洗焊剂的需求较多，采用喷雾方式效果较好。
水基焊剂由于成本高，要求更少的剂量，减少了30%，并需增强的喷雾法使雾滴更加细小，得到平稳的焊剂分布。传统喷雾方式基于空气压力调节，喷嘴直径0.6～1.0mm，为了降低喷涂量而使用细喷嘴容易发生堵塞。附带超声波装置的喷嘴自身带有雾化作用，喷嘴直径一般在2.54mm 左右，不易堵塞。
焊剂涂敷量和均匀性对于焊点质量非常重要，涂敷量的检测一般可采用称重法，单位为μg/inch2。普通焊剂流量通过手动流量调节阀来调节，先进焊剂流量通过精密机械泵来控制，涂层厚度分别可控制在1-10um和1.5um左右。涂敷均匀性一般采用两块金属板夹住一具有化学敏感性的纸张（一般选择传真纸），面向喷雾设备的金属板预先开好特定的焊盘孔，进行喷雾过程后根据纸张上颜色或灰度值大小进行判断涂敷的均匀性以及是否有严重的重复涂敷。对于无铅高密度组装要求，还需减小喷射角度以更好地浸透过孔壁，一般选择45°较好。
图21 无铅波峰焊与传统波峰焊工艺参数对比
表6 免清洗焊剂溶剂参数
（2）预热系统
图22 为无铅与有铅波峰焊工艺曲线对比。无铅波峰焊预热区温度爬升斜率一般小于3℃/s，最佳为1.5-2.5℃/s，温度由110～130℃升高为110～150/160℃，预热区长度由1.2m 增加至1.5m 或1.8m，用以满足预热温度比波峰温度低120℃的基本原则。如果PCB 在高的预热温度下易发生变形，则采用较低预热温度，为了保证充足的预热就需较长的预热区。PCB 上表面最高预热温度有铅工艺一般为110℃，而无铅工艺一般为130℃，最大不能超过160℃，否则容易引起二次回流。对多层板预热不足时，有必要安装顶部预热单元。
图22 无铅与有铅波峰焊工艺曲线对比
图23 为不同预热方式。不锈钢发热管发热不均匀，热冲击大，而且容易引起PCB 上滴落焊剂着火。红外预热采用热板式或高温烧结陶瓷管或波长为2.5～5μm 的远红外射线管加热。水基免清洗焊剂挥发相对醇基额外需要50%的能量，使用红外预热技术效果较差，强制热风对流技术是最有效的方法，其具有良好的温度均匀性，并且加快焊剂挥发，减少焊后残余。
图23 不同预热方式结构对比
（3）波峰喷嘴
混装工艺中由于表面组装元件没有通孔插件那样的安装孔，焊接产生的气体无处散逸，加上贴装元件有一定的高度和宽度，且组装密度较大（5-8 件/cm2），易产生屏蔽效应，为此开发双波峰方式。前波较窄，波高宽比大于1，峰端有2-4排交错排列的扰动小波峰，利于气体排放，实现良好浸润，且垂直向上的力防止遮蔽效应；后波为双向宽平波，一般6～10mm，可以去除多余钎料，消除毛刺、桥连等缺陷。还可调节波型保证印刷电路板在流动速率最小点处脱离钎料波峰，进而最大限度地抑制桥连和毛刺等焊接缺陷的产生。
无铅波峰工艺中，锡炉温度升高到255～260℃，温度控制精度小于±2℃，波峰与预热区之间温度差不大于100℃，两波峰之间温度跌落不超过50℃，高可靠产品不超过30℃。为了满足以上工艺要求，波峰与预热区之间安装热补偿设备，两波峰喷嘴距离缩减到70mm 或60mm，两波峰之间距离缩减到30mm。此外，无铅工艺中还要求扰动波接触时间为0.8s，平波接触时间为3.5～4s，最小也不得低于3s，相比传统0.5s 和2.6s 而言，焊接时间延长。图24 和25 为相对应的双波峰喷嘴与单波峰喷嘴结构的改动，其中扰流波变为3 排或4 排孔。
图24 改进后缩小距离的双波峰喷嘴结构
图25 传统扰流波和改进后扰流波喷嘴结构
无铅钎料氧化严重，波峰喷嘴需进行防氧化和氧化渣分流设计。新型波峰焊喷嘴结构如图26 所示，全新的锡渣分离设计，使氧化渣自动聚积流向边缘，流动波峰部位无漂浮的氧化锡渣；通过逐步优化喷嘴，使实际钎料波接近于最佳流动特性，从而使锡球出现率降到最低程度，使用氮气时效果更明显。此外，钎料槽维护与清洗工作也得到了很大的改进。
图26 具有氧化渣分流设计的无铅波峰喷嘴结构
（4）波峰高度
波峰高度对焊接质量有很大影响。波峰焊时，通孔元件插装孔内上锡不足，高度达不到75%板厚要求，如图27，形成原因除焊盘孔径设计、焊剂选择和部分工艺参数设计外，还与过低的波峰高度有关。但波峰高度过高容易在PCB 上板面形成锡球。以1.6mm 厚PCB 为例，第一波峰高度应高于PCB 底面0.8～1.6mm，最佳为1.5mm，第二波峰高度应高于PCB 底面1/2-2/3 板厚（单层板）或2/3-3/4（多层板），最佳为0.5mm。
图27 无铅波峰焊通孔填充不足
（5）钎料槽选材
无铅钎料很容易导致不锈钢材料的钎料槽腐蚀，一般连续工作三个月就会发生漏锅现象。不锈钢耐腐蚀的根本原因在于其表面的氧化铬保护层可以有效阻挡钎料侵蚀。但高Sn 含量的无铅钎料对这层氧化铬有很强的溶解能力，一旦失去该保护层，内部的不锈钢基体就很快被熔蚀。波峰焊设备中与无铅钎料接触的地方，必须采用适当的抗腐蚀材料。表7 为几种材料方案性能对比。钎料槽里面的叶轮、输送管和喷嘴用材料多为钛及钛合金和表面渗氮不锈钢。钎料槽用材料多为钛及钛合金，铸铁和表面渗氮不锈钢。
表7 三种解决方法对比
（6）杂质元素控制
表8 为无铅钎料中污染元素含量上限要求。实际生产过程中，对钎料槽中Cu、Pb、Fe 等杂质要进行严格控制。
表8 无铅钎料中污染元素含量上限
钎料中的Cu主要来源于电路板镀层和元件镀层，SAC合金更趋向于溶解铜，速度是SnPb合金的2 倍，是SnCuNi合金的3.5 倍。使用SnCu钎料要密切注意Cu的含量，由图28 SnCu合金相图可以看出：当Cu成分改变0.2％时，熔点增加6℃；成分改变0.25％时，就产生Cu6Sn5结晶体；成分改变0.3％时，就会明显出现桥连缺陷，需要清理；成分改变1％，熔点增加25℃，就要更换钎料。Cu6Sn5化合物不能使用传统“比重排铜法”（190℃/8h）来清除，应该通过选择合适的钎料勾兑的方法，否则就要更换钎料。
图28 SnCu 合金相图
（7）氮气保护
如图29 所示，无铅钎料在空气中焊接形成的气孔和夹杂等缺陷较多，尤其在通孔焊中。无铅焊接工艺中，常常在钎料槽部分增加如图30 氮气保护装置。
图29 无铅钎料在空气中焊接形成的不良焊点
图30 钎料槽部分氮气保护装置
氮气保护具有以下优点：改善润湿性，使焊点更光亮；降低锡尖和桥连等缺陷，进而减少修补时间以及人工费用；促进润湿进而降低焊剂使用量，减少印刷电路板表面残余物；增加生产线正常运行时间；降低锡渣量，节省钎料成本及处理锡渣带来的人工费用；让使用中性焊剂成为可能。大量工艺研究发现：当氧含量为1000ppm 时，锡渣量可以减少一半左右。
（8）快速冷却
无铅波峰焊工艺中，冷却速率业界一般要求为3～8℃/s 或8～12℃/s。理论上冷却主要影响焊点的晶粒度、IMC 形态和厚度、低熔共晶的偏析和剥离现象产生。但实际生产过程中焊点在离开波峰到达冷却区之前温度已经下降到熔点以下，冷却区并不能起到理论作用。波峰焊工艺中增加强制冷却还会产生表面裂纹的趋势，其主要作用为降低组件焊后温度方便搬拿。
（9）传输系统
链条传输系统必须平稳，并维持一个恒定的速度，且传输速度和角度可以进行控制。轨道传输速度范围一般在1.2-1.4m/min，轨道倾角一般控制在5～7°之间。另外，对于大尺寸PCB，传输系统还应增加线支撑来预防PCB 变形。
对于无铅工艺带来的新问题，需要从PCB 设计、焊剂活性和涂覆量、波峰温度及高度，导轨倾角等各方面综合考虑，进行调节以实现最优设计，比如从焊盘设计入手，改变形状和孔径尺寸，如图31。
（a）抑制散热设计 （b）抑制焊盘起翘设计
图31 焊盘优化设计
2.5 浸焊工艺
浸焊主要用于线材和元件引脚上锡，也有一部分用于电路板组装工艺。浸焊相对简单，无铅化后主要面临四个方面的改进。
（1）锡炉温度与无铅波峰焊相似，一般设定为255～265℃。当然在大热容元件浸焊时，依据工艺要求可以适当提高设定温度。
（2）焊剂挥发是影响浸焊质量的一个主要问题。醇类载体的焊剂易于挥发导致焊剂比重增加，既作为活性物质的固体成分百分含量增加，将会导致焊后残留物增加等问题。因此浸焊工艺一定要严格控制焊剂比重，建议每天检测一次。如发现比重超过规定指标，则通过添加稀释剂将比重调整为标准值。
（3）与无铅波峰焊相似，钎料的氧化严重，相当于SnPb 钎料的2.4 倍。制造商一般都配备锡渣重熔装置来提取锡渣中80%以上的纯锡再次用于生产。
（4）Cu污染问题是浸焊面临的一个最严重的挑战。线材及元件引脚的Cu材料在浸焊时溶解在钎料槽中产生Cu6Sn5金属间化合物，严重影响焊接质量。由于其密度（8.28g/cm3）比SnPb钎料密度（8.80g/cm3）小而比无铅钎料密度（7.5g/cm3）大，沉于钎料槽底部时影响传热，只有1 个月定期清理锡炉一次。
2.6 手工焊设备与工艺
（1）电烙铁前端形状
图32 为电烙铁前端主要的三种形状，一般优选（a）。圆椎形接触面小，只使用于较小的焊接点，螺丝刀形或凿子形接触面宽，传热范围广，使用于较大的焊接点。无铅焊接用电烙铁优先选用螺丝刀形或凿子形烙铁头，因为圆锥形烙铁接触点较细，传热不完全，稍一接触就会使接触面温度明显上升，温度均匀性差。电烙铁前端大小决定着热传导效率，尺寸应该与被焊物体相当。
图32 电烙铁头前端形状
（2）电烙铁功率
一般选用瓦数应为焊接需要使用瓦数的2 倍，这样才可以迅速的进行热补偿，不会造成温度下降而带来焊接不良，无铅焊接一般选择30～40 瓦，但具体要根据产品特点来定：用于对热敏感的元件或板块，选用20~30W，用于印刷线路板装配中，选用30~45W；用于较薄的多层板或较大的连接点，选用60~100W。
（3）电烙铁头部结构
图33 为电烙铁头部结构图。铜具有高热传导率，铁用来保形和防止铜扩散，镍铬合金用来防止钎料发生芯吸，钎料合金用来保护和增强润湿性。铁层越厚，电烙铁头抗腐蚀性强，使用寿命越长，但热传导效率较低。另外，热测温探头必须离烙铁头近一些，及时能反映温度变化。
图33 手工电烙铁头部结构
图34 为电烙铁头部附着物，有铅焊接时焊剂碳化物较多，无铅焊接时锡氧化物较多。有铅焊丝中焊剂氧化，引起焦黑而造成污染，严重损害烙铁头的品质，阻碍烙铁头前端温度上升，从而增加了温度损耗。但其附着物主要是焊剂碳化物，用海棉或吹气等通常的清洗方法即可除去。而使用无铅锡丝时，烙铁头上的残留物主要是锡的氧化物。镀锡层氧化，锡面被锡的氧化物覆盖，锡丝无法溶化，热量无法传递到焊件上而导致不吃锡的现象。操作时应该从三个方面加以控制：每完成一次焊接操作，必须对烙铁头进行清洁处理；将烙铁头放回烙铁架时，需用钎料将烙铁头进行覆盖，再次焊接时先去掉钎料，再开始新的焊接；用于清洁烙铁头的海绵必须经常清洗，确保作业中没有附着的钎料。
图34 电烙铁头部附着物（左为有铅，右为无铅）
烙铁头消耗的过程，实际上是对烙铁头寿命起决定作用的镀铁层从开始形成锡的反应层，反应层逐渐变厚直至崩溃消失的过程。Sn通过表面缺陷扩散到早期的FeSn2中与Fe接触而反应，经过的时间越长FeSn2层就越厚，直至Fe完全被锡侵食而出现穿孔的现象。500um镀铁层电烙铁使用无铅焊丝约为使用SnPb锡丝时的寿命的1/3。在实际操作过程中，应尽量避免在过高温度下操作，因为高温下电烙铁头氧化速度会增加很多。另外在用完后在烙铁头温度稍为降低一些涂一层钎料防止烙铁头氧化。
好的恒温电烙铁具有高品质烙铁头和优良回温性能，能有效防止拉尖现象；具有高效率的新型加热器和压倒性热量传输的烙铁头构造；具有和氮气保护和自动待机温度安全管理功能等功能，即不作业时烙铁头温度自动下降。图35 为具有氮气保护功能电烙铁头。
图35 具有氮气保护功能电烙铁头
（4）手工焊工艺
理论上焊接温度高于钎料熔点30℃左右即可，但手工焊中操作时间短，为了得到相当的热输入量而提高温度，一般高于熔点150℃，如图36 所示。
图36 手工焊温度曲线对比
有铅焊接温度一般为315℃，无铅钎料丝的熔化温度较高，适当地提高烙铁头的温度是必要的，但不要一味地提升温度，一般最低为345℃，但具体要根据产品特点来定：用于对热敏感元件设定为315℃；电子装配中最常使用370℃；用于多层板或较大连接点，设定为425℃。
实际生产中还要注意不要把无铅锡丝熔点的上升幅度全部转移到烙铁头上。问题的关键不在于温度的高低，而在于要能够以最快的速度传给焊点所需的热量。因此是否拥有加热焊件所需的足够热量、烙铁头的形状是否与焊接物相符等成为解决问题的重点。钎料线径规格的不同，焊接温度的平衡性也会有所差异。一般情况下钎料线径越粗，烙铁的热量越易被夺取，应尽量选用细丝。对于焊接区的润湿不良，可以通过添加焊剂或变动烙铁头来进行改善和修正，也可选择更强活性焊剂的焊丝，但要焊后注意清洗。
建议采用恒温电烙铁，这样既保证足够的焊接温度，又不会因电烙铁头温度过高损伤元件。恒温电烙铁要具有很好的回温性能，这一点对于IC 元件引脚的拖焊非常重要。这是因为如果回温性能不好，拖焊后面的焊点时，烙铁头温度严重下降易产生拉尖现象。
一般手工焊工序：准备合适烙铁头→烙铁头接触被焊件→送上钎料丝→钎料丝脱离焊点→烙铁头脱离焊点。线路板上高可靠性焊接所需时间一般不会超过3秒。无铅手工焊焊前需先对焊丝进行3～4s 的预热处理，然后把烙铁头及熔融焊丝一起接触被焊件，时间1.5s 较为适宜，最多不超过2s，否则高温易损伤被焊件及导线绝缘层，且产生过热现象导致通孔内铜箔开裂，造成焊点表面粗糙、发黑、不亮和扩展性不好等缺陷。短时间内完成焊接，快速移走烙铁头还可防止如图37（b）中拉尖等缺陷。预热时注意焊丝和烙铁头的接触位置，如图38 所示，焊丝要与烙铁头最大面积接触，充分吸收热量，一方面使焊丝快速熔化，另一方面使烙铁头起到良好保护。
（a）正常焊点 （b）电烙铁移出速度过慢导致的冰尖缺陷
图37 SOP 无铅引脚焊点对比
图38 焊丝与烙铁头接触位置
3.返修与清洗工艺
3.1 返修工艺
正确的返修应该注意以下几点：正确选择焊膏、焊剂、焊丝等材料，使用含无铅专用焊剂的无铅焊丝；选择适当的返修设备和工具；正确使用返修设备和工具；正确设置焊接参数。手工补焊时所用的烙铁温度应该有所提高，但避免使用过高的温度，且要注意焊接时间的掌握，防止元件因焊接温度过高、焊接时间较长而产生失效。
无铅钎料熔点高、流动性差，所以无铅化产品返修需对电烙铁操作人员进行培训，严格按照上述手工焊工艺操作。操作人员还要能识别无铅烙铁及其工作站，对无铅和有铅操作区进行隔离，带防静电腕带，用防静电恒温电烙铁。电烙铁头形状选择要根据元件引脚形状变化而变化，比如扁铲式、马蹄式，双片扁铲式和四方形等。烙铁头要保持光滑、无钩、无刺，不得重触焊盘，不得长时间在一点加热，不得划破焊盘及导线。不允许用电烙铁直接加热Chip 元件焊端和引脚根部上部。焊接过程中不要施加过大的压力来弥补润湿不足，否则会造成烙铁头变形，应采用接触式方法；及时清理烙铁头黑色表面氧化物或锈渍，否则不易上锡。清理时使用浸湿后又挤干的海绵清洁烙铁头，如用未经润湿的海绵清洁易使烙铁头表面的镀锡层剥落而导致不上锡。
无铅化产品返修要保证焊剂和钎料与焊接时一致或匹配，特别要防止钎料污染。无铅化产品主要返修材料为SnAg 合金，其可加工成焊丝，更不会出现金属间化合物问题，且有效防止金属间化合物引起的硕砾状颗粒。
3.2 清洗工艺
焊后焊剂残余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，引起表面绝缘电阻（SIR）的下降。如果有枝状结晶生长和电迁移发生，将发生导线间漏电和短路的出现，需对不同焊剂性能进行评估。
无铅焊膏工艺发生了一定的变化，对产品质量的影响见表9。根据焊剂本身清洗特性，由易到难的次序一般为免清洗软残余→水溶性焊剂→免清洗硬残余。对应不同性质的焊剂需使用与之匹配的清洗剂进行清洗，包括溶剂性清洗剂、水基不含活性剂清洗剂和水性碱基活性剂表面清洗剂。焊膏清洗一般使用中性pH值的清洗剂，焊后清洗一般选用碱性清洗剂。具体的清洗工艺要根据实际的组装工艺制定，比如是惰性气体保护免清洗工艺，可靠性要求不高，就可以不用清洗，否则就需要进行相应的清洗。
表 9 无铅焊膏工艺变化对产品质量的影响
Umut Tosun 对无铅模板和误印进行清洗，完成后在40 倍显微镜下，利用微分干涉差检查模板和误印，用偏振光源检查污染，用洁净度测量方法检查基板上残留。结果发现可以继续使用现存的清洗工艺，不需要做重大的改变。基于溶剂和水的清洗剂，清洗工艺不需做其他处理，但对与表面活化剂的清洗剂，由于活化剂的不同会造成表面活化剂和要清洗的残留物之间的化学不匹配，需要做一些测试。
4.质量管理
4.1 物料管理
对于生产现场，面临无铅生产的物料管理。目前许多电子制造厂一方面继续有铅产品的组装，另一方面实施无铅制程的导入，在短期内就面临管理两种系列物料，运行两种不同工艺，很容易导致原物料的混淆，一个很小的疏忽将会导致严重的后果。除了Pb 对环境的污染外，对生产也有很大影响，Pb 与Bi 元素会形成低熔共晶。预防铅污染的主要措施有：所有物料符合标准并且严格按照物料编号区分；专用线体进行无铅生产；无铅的物料、半成品和成品完全隔离区分；有铅生产线转无铅生产要符合以上要求，并严格清理并作记录确认。
成功的无铅转换需要工程设计、生产、采购和元件供应商与分消商之间积极协作和努力。针对绿色供应链管理，公司的采购部可以建立初步的供应商数据库并做出相应的产品分类。一般来说，分为电子类、机械类、辅助物料三大类。电子类中可进一步分为电路板、电阻、电容、电感、二三极管、集成电路等；机械类细分为塑料件、金属件、包装用品等；辅助物料的部分包括化学品、标签、胶带等杂物。考虑到物料和工艺的兼容性问题，避免有铅元件和无铅元件及其它物料混合在一起，需从技术文档、工艺规程、元件编码、仓库管理、返修处理和产品记录跟踪等方面努力制定管理无铅转换的路线图，并把他们不同的客户需求纳入考虑范围。国际著名企业DELL公司无铅化组装生产评审内容主要包括质量体系（13%）、合同审查（3%）、设计控制（10%）、文件控制（9%）、供应商质量控制（10%）、产品标识及标签的可追溯性（3%）、工序控制（12%）、检查与测试（8%）、校准（6%）、非一致性产品控制（13%）、搬运、包装、储存、交货（8%）、质量记录（6%）等。
4.2 生产管理
无铅制造过程中出现的许多问题主要原因是材料的标识是非标准的、缺乏材料跟踪的方法和系统以及过度的人为干涉。
为了更好的管理生产现场，区分有铅与无铅物料，就需从PCB、元件、焊膏、焊条、焊丝、模板等方面考虑。目前主要问题放在发布识别无铅元件和成品组件的行业标准上，IPC-1066 已对无铅元件和组装板给出了标识，但对于物料编号上还没有明确的规定。元件采购主要依赖于零部件编号，这是识别元件的重要一个方面。但元件和物料的标签并无统一的行业标准，每个厂商都有自己的标签格式，包括部件编号、批次编号、日期代码和数量。有些厂商编号有限，可以提供自身指定的条形码格式，而许多组装厂在接受并配套每批物料时，必须建立自己的条形码标签、因此需要为每个项目赋予一个独特的序号，这样赋予制定项目的所有物料和工艺信息都可以在中央数据库中保留和更新。NEMI 和一些团体及用户赞同采用新的零部件标号加以识别，如图39。新的编号可能在原有编号上增加前后缀；湿敏元件等级会因有铅和无铅而制定两种等级，这都增加了标签信息的复杂成都。通过区分含铅与无铅元件，简化无铅工艺管理，从而确保将正确的元件应用于正确的工艺，并提供生产后的可追溯性达至RoHS 指令的要求。
图39 无铅零部件产品标号
车间里频繁的生产变更可能是产品版本的变更，如新的BOM，也可能是生产物料的更换，如不同的供应商批次或替代的物料。这些工艺和物料的变更事件捕捉，对实现精确的生产后追溯至关重要。整机制造商和电子制造服务商必须识别有铅和无铅产品，进行工艺变更跟踪，必须提供文件证明产品是按照新的规定制造的。识别有铅和无铅产品可应用条码标签或无线射频（RFID）标签来识别。条形码标签贴在材料和工具上，可以用手提式扫描器或固定在设备上的扫描器扫描标签（如图40），确认是否正确，跟踪材料而实现极度详细的可追溯性。另外，跟踪记录缺陷和维修历史可以发现可能的根本原因，特别是由于某一特定供应商或生产批次导致的缺陷。通过提供综合的组装板生产历史，包括测试结果以及采取了哪些维修步骤，例如更换元件和操作人员活动，从而发现产品和工艺缺陷的根本原因。此外，为了确保在环境与安全性符合方面满足可追溯性要求，记录所有的维修事件至关重要，例如确保在返修时只使用无铅元件是声明符合RoHS的条件之一。
图40 手提式扫描器扫描标签以确认物料更换记录
在材料改变位置时可以对材料进行跟踪，是一种节省成本的办法，但是需要人的干预，而且不能完全消除差错。将RFID标签固定在所需要识别、跟踪、显示位置和控制各种材料和工具上，然后将读出RFID标签的天线安装在需要跟踪的材料位置上，并且确认设置的正确性，可以防止差错，提供闭路确认，完全实现跟踪自动化。图41为工艺流程自动化记录示意图，通过读取产品编码来进行记录保存所有的变更管理事件，提供一套真正准确的可追溯性解决方案，使得制造商可以追溯特定的生产事件，包括在车间发生的元件与工艺流程变更，比如产品工艺缺陷、补充不同供应商的元件、维修过程中的操作人员行为以及具体到元件级别的SMT贴片事件。工艺流程追溯通过自动化记录，具备了工艺流程可追溯性，再加上物料、元件与电路板的可追溯性，制造商即可以获得完全的可追溯性，同时满足几乎所有可能的针对PCBA的可追溯性要求。
图41 RFID标签识别技术在可追溯生产线上的应用
4.3 PDCA 循环质量管理
PDCA循环是美国质量管理专家戴明提出来的，又称“戴明环”。PDCA是质量管理的基本方法，是有效进行任何一项工作的合乎逻辑的工作程序。失败的教训加以总结以免重现，未解决的问题放到下一个PDCA循环。PDCA即计划（P）、执行（D）、检查（C）和行动（A），先确定方针、目标和活动计划，然后实地去做以实现计划中的内容，最后对总结检查的结果进行处理，成功的经验加以肯定并适当推广、标准化。
无铅工艺作为一种新的技术，在不断的完善和发展，所以要求持续使用一种标准改进模式来实施新的发展，比如一种新的焊剂将引入到工艺中，跟随的步骤是计划一个试验来找出是否该焊剂将改进品质、降低成本或达到已经选定的另一个目标；运行该试验；分析试验的输出和判断是否该焊剂满足期望；在工艺中使用该焊剂，保持观察品质。
新实施之后，工艺必须持续地控制、改进和重新设计，以节约成本和增强竞争性。质量跟踪对新工艺的实施尤为重要，它能反映新工艺中的所有信息，如人、机、料、法和环境，找出解决问题的方法以备下次改进。
4.4 材料匹配
目前在无铅化制程导入时，由于组装材料的不同时性，存在着三种匹配问题，即正匹配，负匹配和完全匹配，见表10 和图42。
表10 组装材料三种匹配性
图42 无铅钎料混装时的匹配
正匹配存在明显的问题是BGA 内部出现空洞缺陷，产生原因是由于无铅焊膏的熔点高于BGA 焊球熔点，焊球溶化之后包裹了大量焊剂而产生气孔，如图43 所示。如果形成小的弥散气孔，将有助于提高可靠性达16～24％，如果形成集中的空洞，将导致焊点过早失效。负匹配如果采用有铅钎料温度曲线，导致无铅镀层不熔化，出现分层等现象，会大大降低焊点质量。
正匹配或负匹配时，如果铅含量较高（20％），其则会以共晶相出现，退化过程同其它共晶相一样；如果铅含量超过5％，其则会增加焊后焊点与焊端交界面处“剥离”现象；如果铅含量在2～5%，其则会发生偏析，以大颗粒相出现，凝固在锡枝状晶粒的晶界之间，明显降低无铅焊点的机械疲劳寿命，但不会差于SnPb 焊点。当锡晶开始重结晶及长大时，受到其边界上的铅势井阻止，裂纹就从锡晶与铅相的边界最薄弱处萌生扩展。无铅化电子组装中要严格控制焊点中铅含量小于0.05％。此外当铅含量低于4％时，铋和铅会形成93℃的低熔共晶，影响产品可靠性，故镀SnBi 元件只能用在无铅钎料中。
负匹配时，采用SnPb 合金温度曲线不能熔化元件无铅镀层材料，焊点可靠性最差。虽然可以通过提高温度来实现无铅元件镀层材料的熔化，但是容易引起焊点内Pb 的不均匀性，产生可靠性问题。
图43 正匹配时BGA 内产生气孔
4.5 工艺研究
无铅组装使用前需对组装物料进行检查，确认是否变形、氧化和吸超。如果PCB吸超，在高温焊接时就会变形或起泡；元件吸潮，在高温焊接时就会出现分层和裂纹等缺陷，固须在组装前对PCB和元件进行烘烤。
无铅化再流焊影响因素很多，通过DOE实验设计，可以进行工艺参数优化。常以信噪比S/N来表示质量随参数变化的稳定性。图44 为焊接后润湿性与各种影响因素之间S/N关系图。结果发现：对无铅焊膏润湿性影响由大到小的因素为氮气含量、焊膏种类、峰值温度、传输速度、印刷速度、液相线以上时间。再流焊中氮气浓度是生产高质量无铅化产品最重要的因素，使用高惰性环境可以使影响无铅焊点质量的各种因素产生的变化最小，此外使用OSP材料和免清洗（低活性高固体含量）焊膏时需配合氮气使用。焊膏中焊剂活性次序为水溶性>免清洗（中等活性高固体含量）>免清洗（中等活性低固体含量）>免清洗（低活性高固体含量）>免清洗（低活性高固体含量）≈相似于无VOC。在选用焊膏时需要一个折中的方法，既要考虑具有良好的润湿性，又要考虑焊后残余不会产生电化学迁移或枝晶生长。（注：S/N=10×Log(yaverage/σaverage)，yaverage是对运行响应的平均值，σaverage是对运行响应的标准偏移量）
图44 焊接后润湿性与影响因素S/N 关系图
无铅波峰焊中常使用SAC 和SnCu 两种钎料，SAC 成本高，但可以采用低的焊接温度和低Tg 的PCB，SnCu 成本低，但需采用高的焊接温度和高Tg 的PCB。为了避免桥连产生，在PCB 焊盘设计时应进行适当的更改，比如缩小孔径和焊盘，对称焊盘方向垂直与PCB 运行方向等，如图45 所示。
图45 无铅波峰焊避免桥连焊盘设计
4.6常见问题解答
（1）RoHS 是否要求贴装无铅标签：无。
（2）SnCu 和SAC 钎料是否可以用于同一钎料槽：不可以。
（3）SnCu 和SAC 钎料是否可以使用同一种焊剂？一般推荐专用焊剂，如果焊剂化学成分设计适当，可以使用同一种焊剂。
（4）怎样解决Pb 的污染问题？
纯净无铅钎料Pb 含量一般在0.02-0.05%之间。RoHS 指令要求Pb 含量低于0.1%，当Pb 含量超标之后，可以通过稀释和更换两种方式，但稀释一般不采用。
（5）怎样识别无铅符号和标记？
识别无铅钎料：无铅一般为三角形，有铅一般为梯形；识别无铅锡渣箱：白色一般为白色，有铅一般为红色；培养采购和工艺人员辨认供应商有铅和无铅产品，可以参考IPC-1066 或JEDEC97。
（6）怎样降低被焊件的浸析度？
焊端出现变色现象，比如镀锡层一般呈灰色，再流后其色泽可能变为暗淡或光亮，有时也呈现黄色。浸析度严重会引起反润湿现象，并导致更厚的IMC，产生脆裂现象。解决措施为减少工艺接触时间和降低焊接温度。
4.7新标准制定
无铅制程的导入致使相应的标准也进行了修改，比如IPC和J-STD-001D已重新修订。由于无铅焊点的表面状况没有有铅焊点的理想，须对相应的检验标准也需进行升级。图46给出了无铅钎料合金颗粒及焊点外观。
对于无铅工艺，在试生产过程中，需总结出自己企业标准并进行验证，然后贯彻实施。另外还需相关部门针对无铅工艺的具体实施情况进行标准化，使无铅焊接在使用过程中做到有法可依。
图46（a）有铅合金颗粒与无铅合金颗粒外观
图46（b）有铅焊点与无铅焊点外观
4.8有毒有害物质检测
法令规定方面，不同国家和地区有不同的要求。美国虽有无铅方面的法令，但对电子产品是豁免的；日本虽没有无铅方面的法令，但通过饮用水质量标准含铅量、废弃物处理法律和家用电气可回收法律等影响电子产品中铅的使用；欧盟颁布了废弃电子电器设备指令（WEEE）和对有害物质限制指令（RoHS），明确限制铅的使用范围和含量：不锈钢中小于0.35wt%，铝合金中小于0.4wt%，铜合金中小于4wt%，钎料中小于1000ppm 或介于1000～2000ppm（IPC）之间。我国信息产业部、国家发改委、商务部、海关总署、工商总局、质检总局、环保总局共同起草的《电子信息产品污染防治管理办法》在2005 年底向WTO/TBT通报工作已完成，该标准也被称为电子产品的环保“绿卡”。中兴通讯于2005年12 月底正式推出了国产第一批“无铅手机”，并通过相关部门测试出口英国。
铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯（PBB）、多溴二苯醚（PBDE）等六种有害物质替代技术和相关检测技术，主要内容涉及：无铅钎料，无铅铜合金、无镉触头物料，无镉弹性物料，无卤阻燃剂，无卤塑料（包括塑料外壳、电缆、电线、油漆类，以及绝热用塑料）、无卤无铅电子元件封装料，可循环使用塑料等。与其相关的工作已成为目前国内的热点问题，不仅受到社会各界的高度重视，而且得到政府部门、生产企业和专业检测机构的广泛参与。表11 为目前较公认的对六种受控物质控制范围的汇总结果。
表11 六种受控物质的控制范围汇总结果
目前一些检测机构，如SGS、Intertek、CTI、各区市出入境检验检疫局工业品检测技术中心和标准技术研究院质量检验中心等，其服务涉及电镀产品（引线，管壳，基座等）、油墨、扬声器、塑料、金属合金、环氧塑封料、包装物料、硅胶、线圈固定胶、电子焊接物料和树脂等产品中有毒有害物质检测。最近国家质检局和国家认监联合发布国际上首批针对欧盟RoHS 指令的6 项检测方法标准。针对6 种受限物质，分别采用原子荧光光谱法、火焰原子吸收光谱法、二苯碳酰二肼分光广度法、X 射线荧光光谱法、HPLC 法和GC-MS 法。
根据部分产品检测的结果可以看出，原物料及现有的加工工艺都是有毒有害物质控制的关键环节，尤其是将受检样品拆分到最小单元时，部分重金属含量偏高，详细结果列于表12。主要存在的问题为：1）镀件产品涂层中铅和六价铬含量偏高，主要原因是电镀工艺中有铅/铬存在，因此很难保证涂层上做到无铅化；2）无铅钎料中铅含量偏高，主要原因是原料铅含量超标和加工过程交叉污染所致；3）金属合金中镉含量过高，主要是原物料中镉含量超标；4）塑封料中存在有毒有害物质。此外，油墨及包装物料中有毒有害物质基本达到要求。
表12 部分产品受控物质检测结果汇总
6.成本估算
当改进无铅制造能力达到提高生产成品率、保证产品可靠性时，明显的前端费用就可能得到补偿。在对成本进行总体评价时，要考虑总的产权成本，具体包括：每单位重量的焊接材料费用；工艺运作费用；元件和印刷电路板的成本；设备成本；缺陷率增加引起产品性能和可靠性下降，进行返工时需要的时间和工作量；对无铅材料进行跟踪，并进行分离所浪费资源和时间；生产线上用错材料造成的成本损失等。
6.1PCB 板材
除了禁止铅之外，卤化阻燃剂也将从PCB 基材中消除。因此使用无铅表面涂层的新的板材必须用较高玻璃态转化温度来经受较高的工艺温度。这些新的板材以及无铅表面涂层，将影响产品成本价格。现在还不清楚这些价格将增加多少，因为多数电路板供应商还在优化板材的选择与其制造工艺。
6.2 元件
对于许多元件，改变引脚的表面涂层将不是一个主要问题，因为技术是现成的，这些元件的价格预计不会大幅地增加。对于周边封装的替代引脚表面涂层正在研究之中，可靠性和锡须问题必须解决。
使用一种具有高精度的再流焊接炉来运行无铅温度曲线，满足较便宜元件的规格。如果能将最高峰值温度限制在245℃，那么对于用户可以得到元件成本的减少，否则需要设计一种经受较高温度（如280℃）的塑料，这将会把价格提高。
6.3 钎料
表13 为无铅钎料的价格成本，但是由于有铅合金和无铅合金的密度不同，实际生产成本会比价格成本低一些，如表14 所示。
表13 无铅钎料价格成本
注：价格比会随市场供需而发生变化，上表数据仅供参考
表14 无铅钎料实际生产成本
6.4 焊剂
水基焊剂虽然更贵，但设备维护减少了，清洁机器的零部件会较容易，可以用热水而不是化学品和仪器来完成。另外可焊性得到提高，返工的数量将减少，特别是对于板上的残留物和可焊性，水基焊剂有更好的优势。在焊剂中的活性剂和化学物质在水中比在醇类中反应更有化学活性，用于焊接的量将减少，使用这些焊剂的总成本大约相同的或甚至更少。
值得注意的是，焊球数量随着无VOC 焊剂的使用而增加，其部分原因是工艺中较高的温度使得阻焊剂软化。但与SnPb 工艺比较，这些焊球更容易清除。
6.5 氮气
再流焊中，氮气可以提高湿润性，得到较好的焊接可靠性，但会增加成本，具体价格因地区和市场不同而不同，是否使用还要与劳动力价格对比。此外，对于使用氮气工艺也有其自己特有的问题与挑战。设备选择方面应该考虑具备空气和氮气中运行，但基于成本的考虑应避免氮气的使用。
波峰焊中，无铅钎料氧化迅速，最常见的氧化物是锡氧化物（SnO和SnO2）。一方面通过减少喷波高度减少氧化渣的数量，另一方面可通过氮气的使用减少氧化渣的数量。由于氧化物只是锡渣中的一小部分，锡渣应该压缩回收，从氧化渣中分离出锡金属。
6.6 能量消耗
再流焊接工艺中，升高预热温度和焊接温度，延长工艺时间和选用快速冷却系统，相关报道显示，能量消耗增加可达18%之多，具体情况取决于温度曲线工艺设定参数和设备性能。表15 为典型的有铅与无铅温度曲线特征参数。表16为Marc Apell 等人对OmniExcel 7 再流焊系统进行的不同条件下有铅和无铅再流焊系统能源消耗对比，各自的能量消耗大多都增加10%以上。
表15 温度曲线特征工艺参数
表16 有铅和无铅再流焊系统能源消耗对比
有关研究表明：波峰焊接工艺中，升高的预热温度和焊接温度，增加的预热时间和无VOC 水基免清洗焊剂的使用，能量消耗增加25%之多。
7.结论
无铅制程的导入设计众多方面的因素，包括材料、工艺和生产等，在实际操作过程中，也会出现许多产品质量问题。目前大多数技术已经相当成熟，比如生产设备的设计，工艺参数的改进等等，但是还有一些焊接质量问题没有得到很好的解决，比如黑盘和晶须现象，另外还有无铅焊料和焊盘界面化合物对可靠性的影响都没有成熟的工艺，有待进一步解决。总体来讲，只要做到生产中每一个环节的质量，无铅化生产是可行的。
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