无铅焊接的特点及工艺控制

1、 100200 sec焊膏类型焊膏类型铅锡焊膏铅锡焊膏（63Sn37Pb）无铅焊膏无铅焊膏（Sn -Ag -Cu）升温区升温区温度温度25100 0C25110 0C时间时间6090 sec100200 sec工艺窗口工艺窗口要求缓慢升温要求缓慢升温预热区预热区温度温度100150 0C110150 0C时间时间6090 sec4070 sec快速快速升温区升温区温度温度150183 0C150217 0C时间时间3060 sec5070 sec工艺窗口工艺窗口30 sec20 sec回流回流（焊接区）（焊接区）峰值温度峰值温度210230 0C235245 0CPCB极限温度（极限温度（FR

2、-4）240 0C240 0C工艺窗口工艺窗口240-210= 300C240-235= 5 0C回流时间回流时间6090 sec5060 sec工艺窗口工艺窗口30 sec10 sec 熔点高，要求无铅焊接设备耐高温，抗腐蚀。要求助熔点高，要求无铅焊接设备耐高温，抗腐蚀。要求助焊剂耐高温。焊剂耐高温。 从温度曲线可以看出：无铅工艺窗口小。从温度曲线可以看出：无铅工艺窗口小。 无铅焊接的工艺窗口比铅锡焊膏小，要求无铅焊接的工艺窗口比铅锡焊膏小，要求PCB表面温表面温度更均匀。要求焊接设备横向温度均匀。度更均匀。要求焊接设备横向温度均匀。 a 25110 /100200 sec，110150/4

3、070 sec，要求缓要求缓慢升温，使整个慢升温，使整个PCB温度均匀，温度均匀，减小减小PCB及大小元器件及大小元器件t，因此要求焊接设备升温、预热区长度要加长。因此要求焊接设备升温、预热区长度要加长。 b 150217/5070sec快速升温区（助焊剂浸润区）。快速升温区（助焊剂浸润区）。有铅焊接从有铅焊接从150升到升到183，升温，升温33，可允许在，可允许在3060 sec之间完成，其升温速率为之间完成，其升温速率为0.551/sec；而无；而无铅焊接从铅焊接从150升到升到217，升温，升温67，只允许在，只允许在5070sec之间完成，其升温速率为之间完成，其升温速率为0.961

4、.34/sec，要，要求升温速率比有铅高求升温速率比有铅高30%左右，另外由于无铅比有铅的左右，另外由于无铅比有铅的熔点高熔点高34，温度越高升温越困难，温度越高升温越困难， 如果升温速率提不如果升温速率提不上去，长时间处在高温下会使焊膏中助焊剂提前结束活上去，长时间处在高温下会使焊膏中助焊剂提前结束活化反应，严重时会使化反应，严重时会使PCB焊盘，元件引脚和焊膏中的焊焊盘，元件引脚和焊膏中的焊料合金在高温下重新氧化而造成焊接不良，因此要求助料合金在高温下重新氧化而造成焊接不良，因此要求助焊剂浸润区有更高的升温斜率。焊剂浸润区有更高的升温斜率。 c 回流区峰值温度回流区峰值温度235与与FR-

5、4基材基材PCB的极限温度的极限温度（240 0C ）差（工艺窗口）仅为）差（工艺窗口）仅为5 。如果。如果PCB表面温表面温度是均匀的，度是均匀的， 那么实际工艺允许有那么实际工艺允许有5 的误差。假若的误差。假若PCB表面有温度误差表面有温度误差t 5 ，那么，那么PCB某处已超过某处已超过FR-4基材基材PCB的极限温度的极限温度240，会损坏，会损坏PCB。 对于简单的产品，峰值温度对于简单的产品，峰值温度235240可以满足要可以满足要求；但是求；但是对于复杂产品，可能需要对于复杂产品，可能需要260260才能焊好才能焊好。因。因此此FR-4基材基材PCB就不能满足要求了。就不能满足

6、要求了。 在实际回流焊中，如果最小峰值温度为在实际回流焊中，如果最小峰值温度为235，最大峰，最大峰值温度取决于板面的温差值温度取决于板面的温差t，它取决于板的尺寸、厚，它取决于板的尺寸、厚度、层数、元件布局、度、层数、元件布局、Cu的分布以及元件尺寸和热容的分布以及元件尺寸和热容量。拥有大而复杂元件（如量。拥有大而复杂元件（如CBGA、CCGA等）的大、等）的大、厚印制板，典型厚印制板，典型t高达高达2025。 为了减小为了减小t，满足小的无铅工艺窗口。炉子的热容量，满足小的无铅工艺窗口。炉子的热容量也是很重要的因素。要求再流焊炉横向温差也是很重要的因素。要求再流焊炉横向温差2，同，同时要求

7、有两个回流加热区。时要求有两个回流加热区。 d 由于焊接温度高，为了防止由于焊点冷却凝固时间过由于焊接温度高，为了防止由于焊点冷却凝固时间过长，造成焊点结晶颗粒长大；另外，加速冷却可以防止长，造成焊点结晶颗粒长大；另外，加速冷却可以防止产生偏析，避免枝状结晶的形成，因此要求焊接设备增产生偏析，避免枝状结晶的形成，因此要求焊接设备增加冷却装置，使焊点快速降温。加冷却装置，使焊点快速降温。 e 由于高温，由于高温，PCB容易变形，特别是拼板，因此对于大容易变形，特别是拼板，因此对于大尺寸的尺寸的PCB需要增加中间支撑。需要增加中间支撑。 f 为了减小炉子横向温差为了减小炉子横向温差t，采取措施：带

8、加热器的导，采取措施：带加热器的导轨、选用散热性小的材料、定轨向炉内缩进等技术。轨、选用散热性小的材料、定轨向炉内缩进等技术。 ，减少残渣量。，减少残渣量。由于润湿性差，需要改良助焊剂，并由于润湿性差，需要改良助焊剂，并，防止，防止PCB降温。降温。，防止由于，防止由于PCB降温造成焊锡凝固，降温造成焊锡凝固，焊接时间焊接时间3 34s； 适当提高波峰高度，适当提高波峰高度，。t双波峰焊实时温度曲线双波峰焊实时温度曲线要密切关注要密切关注Sn-CuSn-Cu焊料中焊料中CuCu比例，比例， CuCu的成分改变的成分改变0.2%0.2%，液相温度改变多达液相温度改变多达66。这样的改变可能导致动

9、力学的。这样的改变可能导致动力学的改变以及焊接质量的改变改变以及焊接质量的改变 。过量过量Cu会在焊料内出现粗会在焊料内出现粗化结晶物，造成熔融焊料的黏度增加，影响润湿性和焊化结晶物，造成熔融焊料的黏度增加，影响润湿性和焊点机械强度。点机械强度。 CuCu比例超过比例超过1%1%，必须换新焊料。由于，必须换新焊料。由于CuCu随工作时间不断增多，随工作时间不断增多， 插装孔内上锡可能达不到插装孔内上锡可能达不到75%75%（传统（传统Sn/Pb 75%Sn/Pb 75%），）， 可以改善。可以改善。波峰焊后分层波峰焊后分层Lift-offLift-off（剥离、裂纹）现象较严重。（剥离、裂纹）

10、现象较严重。充充N N2 2可以减少焊渣的形成，可以不充氮气（可以减少焊渣的形成，可以不充氮气（N N2 2），），但一但一定要比有铅焊接更定要比有铅焊接更。波峰焊接设备需要对波峰焊部件、加热部件和焊剂管波峰焊接设备需要对波峰焊部件、加热部件和焊剂管理系统进行理系统进行。 浸润性差，扩展性差。浸润性差，扩展性差。 无铅焊点外观粗糙。传统的检验标准与无铅焊点外观粗糙。传统的检验标准与AOI需要升级。需要升级。 无铅焊点中气孔较多，尤其有铅焊端与无铅焊料混用时，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，助焊剂排不出焊端（球）上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘，

11、助焊剂排不出去，造成气孔。但气孔不影响机械强度。去，造成气孔。但气孔不影响机械强度。 缺陷多缺陷多由于浸润性差，使自定位效应减弱。由于浸润性差，使自定位效应减弱。 无铅焊点润湿性差无铅焊点润湿性差要说服客户理解。要说服客户理解。 气孔多气孔多 外观粗糙外观粗糙 润湿角大润湿角大 没有半月形没有半月形 Lead Free InspectionLead Free Solder PasteGrainy SurfaceLeaded Solder PasteSmooth & Shiny SurfaceWetting is Reduced with Lead FreeStandard Eutect

12、ic Solder JointLead Free Solder JointTypical Good Wetting Visible FilletReduced WettingNo Visible Fillet 耐耐350 以上高温，抗腐蚀。以上高温，抗腐蚀。 设备横向温度均匀，横向温差设备横向温度均匀，横向温差2，必要时对导，必要时对导轨加热或采用特殊材料的导轨。轨加热或采用特殊材料的导轨。 升温、预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。升温、预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。 要求有两个回流加热区或提高加热效率。要求有两个回流加热区或提高加热效率。增加冷却装置，使焊点快速降温。增加冷却装置

13、，使焊点快速降温。对于大尺寸的对于大尺寸的PCB需要增加中间支撑。需要增加中间支撑。增加助焊剂回收装置，减少对设备和环境的污染。增加助焊剂回收装置，减少对设备和环境的污染。 耐高温，抗腐蚀，耐高温，抗腐蚀，。并。并 预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。 预热区采用热风加热器或通风，有利于水汽挥发。预热区采用热风加热器或通风，有利于水汽挥发。 增加冷却装置，使焊点增加冷却装置，使焊点快速降温。快速降温。 充充N N2 2可以减少焊渣的形成。可以减少焊渣的形成。 增加助焊剂回收装置，减少对设备和环境的污染。增加助焊剂回收装置，减少对设备和环境的污染。 耐高温

14、，抗腐蚀耐高温，抗腐蚀 提高加热效率。提高加热效率。 增加底部预热面积和预热温度，尽量使增加底部预热面积和预热温度，尽量使PCB温度均匀。温度均匀。 。应应，对印刷性、脱膜，对印刷性、脱膜性、触变性、粘结性、润湿性以及焊点缺陷、残留物等做性、触变性、粘结性、润湿性以及焊点缺陷、残留物等做，。由于润湿性差，因此由于润湿性差，因此。 无铅焊膏的浸润性远远低于有铅无铅焊膏的浸润性远远低于有铅 焊膏；焊膏； 无铅焊膏的助焊剂含量通常要高于有铅焊膏，无铅无铅焊膏的助焊剂含量通常要高于有铅焊膏，无铅合金的比重较低；合金的比重较低； 由于缺少铅的润滑作用，焊膏印刷时填充性和脱膜由于缺少铅的润滑作用，焊膏印刷

15、时填充性和脱膜性较差。性较差。 TLW 0201等高密度的元器件采用激光等高密度的元器件采用激光+电抛光、或电抛光、或电铸更有利于提高无铅焊膏填充和脱膜能力。电铸更有利于提高无铅焊膏填充和脱膜能力。（a a）一般情况下，印刷工艺不会受到太大的影响。）一般情况下，印刷工艺不会受到太大的影响。（b b）因为无铅的低浸润力问题。回流时自校正（）因为无铅的低浸润力问题。回流时自校正（Self-Self-alignalign）作用非常小，因此印刷精度比有铅时要求更高。）作用非常小，因此印刷精度比有铅时要求更高。（c c）无铅焊膏的助焊剂含量高于有铅焊膏，合金的比重较）无铅焊膏的助焊剂含量高于有铅焊膏，合

16、金的比重较低，印刷后焊膏图形容易坍塌；另外由于无铅焊剂配方低，印刷后焊膏图形容易坍塌；另外由于无铅焊剂配方的改变，焊膏的粘性和流变性、化学稳定性、挥发性等的改变，焊膏的粘性和流变性、化学稳定性、挥发性等也会改变。因此有时需要调整印刷工艺参数。特别对于也会改变。因此有时需要调整印刷工艺参数。特别对于大尺寸大尺寸PCBPCB、开口尺寸大小悬殊大、以及高密度的产品，、开口尺寸大小悬殊大、以及高密度的产品，有可能需要重新设置印刷参数。有可能需要重新设置印刷参数。（d d）由于粘性和流变性变化，每次印刷后会有些无铅焊膏）由于粘性和流变性变化，每次印刷后会有些无铅焊膏粘附在刮刀上，因此印刷周期可能需要放慢

17、。粘附在刮刀上，因此印刷周期可能需要放慢。 虚焊、气孔、立碑等缺陷，还虚焊、气孔、立碑等缺陷，还特点特点对策对策高高温温设备耐高温，加长升温预热区，设备耐高温，加长升温预热区， 炉温均匀，增加冷却区炉温均匀，增加冷却区助焊剂耐高温；助焊剂耐高温；PCB耐高温；元器件耐高温；耐高温；元器件耐高温；增加中间支撑；增加中间支撑；工工艺艺窗窗口口小小预热区缓慢升温，预热区缓慢升温，给导轨加热，给导轨加热，减小减小PCB及大小元器及大小元器t；提高浸润区升温斜率，避免助焊剂提前结束活化反应；提高浸润区升温斜率，避免助焊剂提前结束活化反应；尽量降低峰值温度，避免损害尽量降低峰值温度，避免损害PCB及元器件

18、；及元器件；加速冷却，防止焊点结晶颗粒长大，避免枝状结晶的形成；加速冷却，防止焊点结晶颗粒长大，避免枝状结晶的形成；对湿敏器件进行去潮处理。对湿敏器件进行去潮处理。润润湿湿性性差差提高助焊剂活性；增加焊膏中助焊剂含量；提高助焊剂活性；增加焊膏中助焊剂含量；增大模板开口尺寸，焊膏尽可能完全覆盖焊盘；增大模板开口尺寸，焊膏尽可能完全覆盖焊盘；提高印刷与贴装精度；提高印刷与贴装精度； 充充N2可以减少高温氧化，提高润湿性。可以减少高温氧化，提高润湿性。 a a 不同金属含量的焊膏有不同的温度曲线，应按照焊膏加不同金属含量的焊膏有不同的温度曲线，应按照焊膏加工厂提供的温度曲线进行设置（工厂提供的温度曲

19、线进行设置（主要控制各温区的升温速主要控制各温区的升温速率、峰值温度和回流时间率、峰值温度和回流时间）。）。 b b 根据根据PCBPCB板的材料、厚度、是否多层板、尺寸大小。板的材料、厚度、是否多层板、尺寸大小。 c c 根据表面组装板搭载元器件的密度、元器件的大小以及根据表面组装板搭载元器件的密度、元器件的大小以及有无有无BGABGA、CSPCSP等特殊元器件进行设置。等特殊元器件进行设置。d d 还要根据设备的具体情况，例如加热区长度、加热源材还要根据设备的具体情况，例如加热区长度、加热源材料、再流焊炉构造和热传导方式等因素进行设置。料、再流焊炉构造和热传导方式等因素进行设置。 热风炉和

20、红外炉有很大区别，红外炉主要是辐射传导，热风炉和红外炉有很大区别，红外炉主要是辐射传导，其优点是热效率高，温度陡度大，易控制温度曲线，双其优点是热效率高，温度陡度大，易控制温度曲线，双面焊时面焊时PCBPCB上、下温度易控制。其缺点是温度不均匀。在上、下温度易控制。其缺点是温度不均匀。在同一块同一块PCBPCB上由于器件的颜色和大小不同、其温度就不同。上由于器件的颜色和大小不同、其温度就不同。为了使深颜色器件周围的焊点和大体积元器件达到焊接为了使深颜色器件周围的焊点和大体积元器件达到焊接温度，必须提高焊接温度。温度，必须提高焊接温度。 热风炉主要是对流传导。其优点是温度均匀、焊接质量热风炉主要

21、是对流传导。其优点是温度均匀、焊接质量好。缺点是好。缺点是PCBPCB上、下温差以及沿焊接炉长度方向温度梯上、下温差以及沿焊接炉长度方向温度梯度不易控制。度不易控制。e e 还要根据温度传感器的实际位置来确定各温区的设还要根据温度传感器的实际位置来确定各温区的设置温度。置温度。f f 还要根据排风量的大小进行设置。还要根据排风量的大小进行设置。g g 环境温度对炉温也有影响，特别是加热温区短、炉环境温度对炉温也有影响，特别是加热温区短、炉体宽度窄的再流焊炉，在炉子进出口处要避免对流体宽度窄的再流焊炉，在炉子进出口处要避免对流风。风。（ 根据再流焊技术规范对再流焊炉进行参数设置（包括各温区的温度

22、设置、传送速度、风量等），但这些一般的参数设置对于许多产品的焊接要求是远远不够的。例如较复杂的印制板要使最大和最小元件都能达到0.54m界面合金层厚度，当PCB进炉的数量发生变化时、当环境温度或排风量发生变化时、当电源电压和风机转速发生波动时，都可能不同程度的影响每个焊点的实际温度。因此。由于，即使出现很小的工艺偏移，也可能会发生不符合技术规范的现象。由此可见，。 ，如元件偏移的测量等 ，可通过直接报告缺陷信息来决定全部装配过程的品质。该信息可用于决定制造过程的系统缺陷。 左图是一个总结Pareto图分类的缺陷的报告。在本例中，最重要的缺陷是，。如果这些缺陷被消除，那么可得到重大的过程改进。

23、左图显示通过逐个位置的检查特殊缺陷的发生，工程师可更好地分析缺陷的根源。在本例中，。由于这个至关重要，缺陷的根源将要求进一步的调查。 特点特点对策对策高高温温设备耐高温，抗腐蚀，加长预热区，设备耐高温，抗腐蚀，加长预热区， Sn锅温度均匀，增加冷锅温度均匀，增加冷却装置却装置助焊剂耐高温；助焊剂耐高温；PCB耐高温；元器件耐高温耐高温；元器件耐高温工工艺艺窗窗口口小小选择低选择低Cu合金，在合金中添加少量合金，在合金中添加少量Ni可增加流动性和延伸率可增加流动性和延伸率监测监测Sn-Cu焊料中焊料中Cu的比例，应的比例，应1%；监测焊料中监测焊料中Pb的比例，要控制焊点中的比例，要控制焊点中P

24、b含量含量0.05%；PCB充分预热（充分预热（100130），减小），减小PCB及大小元器件及大小元器件t；加速冷却，防止焊点结晶颗粒长大，避免枝状结晶的形成。加速冷却，防止焊点结晶颗粒长大，避免枝状结晶的形成。润润湿湿性性差差提高助焊剂活性；提高助焊剂的活化温度提高助焊剂活性；提高助焊剂的活化温度增加一些助焊剂涂覆量；增加一些助焊剂涂覆量；注意注意PCB与元器件的防潮、防氧化保存。与元器件的防潮、防氧化保存。充充N2可以减少焊渣的形成。可以减少焊渣的形成。 。 。AB 无铅返修相当困难，主要原因：无铅返修相当困难，主要原因：无铅焊料合金润湿性差。无铅焊料合金润湿性差。温度高温度高(熔点从熔

25、点从183 上升到上升到 217) （简单（简单PCB235，复杂，复杂PCB260）（由于手工焊接暴露在空气中焊接，散热快，因此无铅（由于手工焊接暴露在空气中焊接，散热快，因此无铅焊接烙铁头温度需要在焊接烙铁头温度需要在280360 左右）左右）工艺窗口小。工艺窗口小。 造成造成PCB和元件损坏的最高温度没有变化和元件损坏的最高温度没有变化 ( 290) 选择适当的返修设备和工具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使用返修设备和工具 正确选择焊膏、焊剂、焊锡丝等材料正确选择焊膏、焊剂、焊锡丝等材料 正确设置焊接参数正确设置焊接参数() 适应无铅焊料的高熔点和低润湿性。同时返修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，过程中一定要小心，。 Sn-Pb 温度温度 ( ()0 2 4 6 80 2 4 6 8( (时间时间sec)sec) 焊接温度焊接温度 不得高于焊锡