无铅制程的实施方案.doc

深圳唯一电子设备有限公司 内部资料，版权所有，严禁复印电子产品组装中无铅制程的实施方案主要内容：1 电子产品转入无铅制程的时代迫切性2 无铅化电子组装的概念3 无铅焊料的定义4 无铅焊料及其供应元器件的选择5 无铅制程的特点与难点6 各种焊接工艺无铅制程的指导性原则7 无铅制程的导入方案8 亿铖达的专业精神如何帮助您顺利导入无铅制程一、电子产品转入无铅制程的时代迫切性1991年美国参议院提出Reid法案，要求将电子工业用焊料中铅含量控制在0.1%以下，虽然该法案当时遭到了美国工业界的强烈反对而中途夭折，但却引发了世界范围内对无铅化电子组装技术的研发热潮。同时许多国家和地区的政府也开始关注电子产品生产过程中的环保问题，无铅化电子组装也慢慢演变成一个行业政策的问题。2003年是无铅化电子组装发展进程中的一个里程碑。该年2月13日，欧盟正式公布了WEEE和RoHS指令，明确规定自2006年7月1日起，所有进入欧洲市场的电力电子产品必须不含有6种有毒有害物质，其中铅排在第一位。作为第一个强制要求无铅化的政府官方文件，这两个指令的正式出台对世界范围内的电子工业产生了巨大影响。仅以中国为例，中国现在每年向欧盟出口电子产品可创汇约2000亿美元，如果不能突破无铅化电子组装这一绿色技术壁垒，其损失是显而易见的。因此，中国信息产业部在欧盟指令出台后不久，即2003年3月，已经开始拟定电子信息产品污染防治管理办法，其核心内容是自2006年7月1日起，投放于中国市场的国家重点监管目录内的电力电子产品也必须不含有6种有毒有害物质，同样铅也是排在第一位。据我们了解，这一管理办法最晚于2005年正式出台。另一方面，绝大多数国际知名的电子公司都已经把自己的产品完全实现无铅化的日程表锁定在2005年。当然，他们也必然会要求其OEM厂家及相关供应商要保持同步。由上述阐述可见，电子产品转入无铅制程的迫切性是这个时代的要求，只有下大力气尽快尽可能好地完成这一转变，才有可能在未来的市场竞争中立于不败之地。二、无铅化电子组装的概念谈起电子组装，人们首先的印象是手工烙铁焊、浸焊、波峰焊、回流焊等组装工艺。因此，无铅化电子组装的第一个概念是，如果在这些组装工艺中采用的是无铅焊料产品（包括无铅锡丝、无铅锡条、无铅锡膏），那么所实施的就是无铅化电子组装。接下来我们需要更广泛的思考。电子组装主要是指采用某种连接材料（主要是焊料产品）将各种电子元器件的外引线或金属端子与印刷电路板上的焊盘连接在一起。因此，我们就不能只考虑连接材料，还需要考虑电子元器件和印刷电路板。通常，电子元器件的外引线或金属端子表面带有金属镀层以提高其可焊性，而这种金属镀层通常为Sn-Pb合金。另一方面，为防止印刷电路板表面敷铜线的氧化，其表面通常也要涂敷一层金属，而这种金属也一般采用Sn-Pb合金。因此，广义的无铅化电子组装，就必须也同时采用无铅化的电子元器件和印刷电路板。再进一步讲，由于无铅焊料的物理性能与有铅焊料相比有很大不同，在助焊剂、焊接工艺参数、焊接设备等方面也必须做出相应调整。只有这样，才能完成一个严格意义上的无铅化电子组装。三、无铅焊料的定义在讨论无铅制程之前，我们必须要明确的一个概念是：什么是无铅焊料？首先可以明确的是，在传统的Sn-Pb焊料中，Sn和Pb均作为基体合金元素存在。而在无铅焊料中，Sn作为基体合金元素，通过添加Cu、Ag等合金元素来达到我们所期望的性能。问题是怎样来界定无铅？众所周知，世界上没有100%的纯金属。在无铅焊料中，铅作为一种杂质元素而存在是不可避免的。那么“无铅焊料的定义”这个问题就转化为“无铅焊料中铅含量的上限值应该是多少”。另一方面，欧盟指令中列出的六大有毒有害物质也包含了镉这种金属元素，因此环保型焊料的准确名称应该为“无铅无镉焊料”，同样引伸出来的问题是“环保型焊料中镉含量的上限值应该是多少”。幸运的是，上述问题其实早就已经有了答案。由于早在几十年前，作为一种高熔点的焊料，不含铅的焊料其实就在某些应用领域获得了广泛应用，只是那个时候还没有“无铅焊料”这个概念而已。而相应的国际标准中也已经明确规定出了不含铅焊料中各种杂质金属元素含量的上限值，具体请参见表1和表2。表1 ISO 9453标准中关于无铅焊料成分的规定 (wt.%)合金SnPb SbBiCd CuInAgAlAsFeZnSn-1CuRem0.10.050.10.0020.45-0.90.050.050.0010.030.020.001Sn-3CuRem0.10.050.10.0022.5-3.50.050.050.0010.030.020.001Sn-3AgRem0.10.10.10.0020.10.053.0-3.50.0010.030.020.001Sn-4AgRem0.10.10.10.0020.050.033.5-4.00.0010.030.020.001Sn-5SbRem0.14.5-5.50.10.0020.10.050.050.0010.030.020.001表2 日本JIS Z 3282标准中关于无铅焊料成分的规定 （wt.%）合金SnPbAgSbCuBiZnFeAlAsCdSn-1CuRem0.10.050.050.45-0.90.10.0020.020.0020.030.002Sn-3CuRem0.10.050.052.5-3.50.10.0020.020.0020.030.002Sn-5SbRem0.10.054.5-5.50.050.10.0020.020.0020.030.002Sn-3AgRem0.13.0-3.50.10.10.10.0020.020.0020.030.002Sn-3.5AgRem0.13.2-3.80.120.050.10.0020.020.0020.030.002Sn-4AgRem0.13.5-4.00.10.050.10.0020.020.0020.030.002上述国际标准中主要规定了具备二元合金主成分的无铅焊料中各种杂质元素含量的上限值。随着无铅焊料概念的出现和无铅电子组装技术的实际广泛应用，还有一些三元甚至更多元的无铅焊料在生产实际中得到应用，如Sn-Ag-Cu等。目前，针对这些多元合金的无铅焊料的国际标准还没有出台，但是在国际工业界中大家普遍认可的指标与表1和2中所列相同。例如，日本SONY公司的部品、材料方面环境管理物资的管理规定 SS-00259中也明确规定环保型焊料中铅含量要小于1000ppm，镉含量要小于20ppm。据我们了解，即将出台的中国无铅焊料国家标准中也将采用上述界限值。四、无铅焊料及其供应商的选择4.1 无铅焊料选择的决定性因素 - 焊料的熔点电子产品的焊接工艺是与所使用的焊料的熔点息息相关的。传统的Sn-Pb焊料中应用最为广泛的是Sn63-Pb37或Sn60-Pb40焊料，他们的熔点为183-185 oC。因此，人们期望用来替代有铅焊料的无铅焊料的熔点尽可能地接近这一温度。不幸的是，人们在选择无铅焊料的时候发现这一期望很难被实现。如表3所示，所有可能作为无铅焊料使用的合金组合中熔点最接近于Sn63-Pb37的只有Sn-9Zn合金，它的熔点为198 oC。但是Zn是一种氧化性和腐蚀性很强的金属元素，在电子产品焊接工艺中是一直被避免使用的。而熔点较低的Sn-Bi、Sn-In等合金只适合于特殊要求的低温焊接。因此，在无铅焊料的选择方面，事实上我们的选择余地很小，只有Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu这三个系列可供选择。而且，这三个系列的合金其熔点均高于传统的Sn63-Pb37焊料40 oC左右，这一物理特征也决定了在无铅制程中必须调整工艺参数来配合这些高熔点的无铅焊料。表3 可选用无铅焊料的熔点合金成分 (wt.%)熔点 (oC)Sn-80Au280Sn-0.7Cu227Sn-3.5Ag221Sn-9Zn198Sn-37Pb183Sn-57Bi138Sn-49In117Sn-Ag-Cu217-2214.2 不同焊接工艺条件下无铅焊料的选择首先我们介绍一下美国、日本、欧洲等国家和地区的大致情况，然后我们根据自己多年来的经验为您分析如何选择不同焊接工艺条件下的无铅焊料。2000年，美国NEMI正式向北美工业界推荐无铅焊料，即Sn-0.7Cu用于波峰焊，Sn-3.9Ag-0.6Cu用于回流焊。图1为欧洲Soldertec所作的问卷调查结果。图1 欧洲地区无铅制程中焊料的选择从以上资料可以看出，在电子工业发达国家，无铅焊料的选择主要集中于Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu这三个系列。下面我们就具体的焊接工艺向您推荐相应的无铅焊料。在选择无铅焊料的过程中，对于实际的产业应用而言，有一个不可忽略的决定因素，即焊料的价格。这一点对于电子加工企业来说更为重要。除非是产品的附加价值很高，否则尽可能地控制生产成本是每一个厂家都必须面对的课题。因此，我们首先要对比一下各种焊料的价格。由表4中的数据可见，所有可用的无铅焊料，其价格成本均高于传统的有铅焊料。这一方面是由于无铅焊料中所使用金属原材料本身价格较高；另一方面也是因为无铅焊料制造工艺的复杂。对于传统的有铅焊料，由于Sn和Pb的熔点都不高，其熔炼工艺就相对简单。而对于无铅焊料，如Sn-Cu合金，而在各种无铅焊料中，Sn-Cu系列与Sn-Ag/Sn-Ag-Cu系列相比价格又相差甚远。我们为客户算过一笔帐，如果一家客户每个月平均使用1吨焊料，考虑到价格成本以及锡渣、清炉等带来的损耗，一年下来，采用Sn-Cu系列无铅焊料会比采用Sn-Ag/Sn-Ag-Cu系列无铅焊料节约成本近100万人民币。表4 焊料价格的大致对比合金成分 (wt.%)价格对比Sn-37Pb1.0Sn-0.7Cu1.8-1.9Sn-3Cu1.8-1.9Sn-3.5Ag3.6-3.8Sn-Ag-Cu3.6-4.0注：此表中的价格对比以2004年7月的金属原材料价格为依据4.2.1 手工烙铁焊/浸焊/波峰焊工艺中无铅焊料的选择针对于手工烙铁焊/浸焊/波峰焊应用，我们推荐采用Sn-Cu系列无铅焊料。图2为Sn-Cu合金的二元相图，它们在Sn-0.7Cu这一成分点上形成熔点为227oC的共晶相。 因此，在一般应用场合下，我们推荐使用Sn-0.7Cu无铅焊料。理由如下：1） 实用性已经被国内外无数电子厂家的生产实践所证明；2） 相比于Sn-Ag/Sn-Ag-Cu合金系列，焊点更为光亮；3） 价格相对低廉，可以为用户节省大量生产成本。但是，对于变压器类产品的高温浸焊这一应用而言，我们推荐使用Sn-3Cu这种无铅焊料，理由如下：1） 变压器类产品浸焊温度较高，从380至470oC都有客户在应用。而Sn-3Cu无铅焊料的熔点相对较高，为230-250oC，更适用于高温应用；2） 锡焊料对铜有很强的溶解能力，而变压器线圈一般为铜材料。如果采用Sn-0.7Cu无铅焊料，可能会出现细的裸铜线被溶断的现象。而选用Sn-3Cu这种无铅焊料，由于焊料自身已经含有较高含量的铜，外部的铜向焊料中的扩散驱动力会大大降低，上述溶断的现象也会大大降低。3） 在一些细的铜电线/电缆线浸锡工艺中我们也建议采用Sn-3Cu无铅焊料。同样，对于保险管、照明等行业需要采用较高熔点焊料的应用场合，我们也推荐使用Sn-3Cu无铅焊料。图2 Sn-Cu合金的二元相图4.2.2 回流焊工艺中无铅焊料的选择针对回流焊应用，我们推荐使用Sn-Ag/Sn-Ag-Cu系列的无铅焊料。图3为Sn-Ag合金的二元相图，它们在Sn-3.5Ag这一成分点上形成熔点为221oC的共晶相。Sn-Ag-Cu三元合金的相图目前还没有定论，其准确的共晶点成分也就没有定论。目前国际学术界的普遍看法是Sn-Ag-Cu共晶成分应该为Sn-3.54.0Ag-0.50.7Cu。因此，对于无铅回流焊而言，尽管含银焊料的成本很贵，我们还是要推荐Sn-3.5Ag或Sn-3.8Ag-0.7Cu或Sn-3.9Ag-0.6Cu或Sn-4.0Ag-0.5Cu。如果考虑到国际标准中允许焊料合金成分中含量在5%以下的金属元素其成分允许偏差为0.2%，那么后三种Sn-Ag-Cu无铅焊料事实上可以看作为同一种。图3 Sn-Ag二元合金相图推荐的理由如下：由于电子元器件耐热冲击性能的限制，回流焊的峰值温度一般不可以超过245oC，而无铅焊料的熔点又很高，这就导致无铅回流焊的工艺窗口很窄。由表3可知，Sn-Ag/Sn-Ag-Cu系列的无铅焊料的熔点要比Sn-Cu系列的低6 oC，这一点对于工艺窗口很窄的无铅回流焊而言是非常重要的。因此，在Sn-Cu焊锡膏的性能没有取得突破性进展之前，我们只能推荐使用价格较为昂贵的Sn-Ag/ Sn-Ag-Cu系列。4.2.3 无铅焊料的专利问题对于这个问题，我们已经有专文进行论述。在这里我们阐述一下结论性的东西。首先，所有的二元合金均不存在任何专利的问题。因此客户在没有必要的情况下，应该尽可能选择二元合金成分的无铅焊料以避免不必要的麻烦。其次，三元及更多元合金的确存在专利问题，而且该问题主要集中于Sn-Ag-Cu三元合金。尽管围绕Sn-Ag-Cu专利问题存在着很多争论（详见专文），我们亿铖达公司为了达到无铅焊料的完整配套供应，特别从美国购买了专利使用许可（美国Sn-Ag-Cu无铅焊料专利，美国专利号5,527,628）。值得一提的是，我们公司是迄今为止国内唯一一家获得该专利使用许可授权的焊料生产企业。因此，如果客户一定要使用Sn-Ag-Cu无铅焊料，特别是在焊锡膏方面，我们也可以合理合法地供应给客户。4.3 无铅焊料供应商的选择目前，有铅焊料仍然是市场上的主流，绝大多数客户只是刚刚开始小批量地尝试无铅制程。就焊料生产厂家而言亦是如此，有铅焊料仍然是占很大比例的主导产品，无铅焊料所占的比例虽然会不断增加，但一时之间还不能超过有铅焊料。因此，我们建议电子厂商在选择无铅焊料供应商时，必须关注以下几个问题：（1） 该供应商是否真正了解无铅焊料，是否能够为客户顺利转向无铅制程提供足够的技术支持；（2） 该供应商是否具备先进的测试仪器来监控其无铅焊料的品质。如前所述，无铅焊料产品中必须严格控制铅含量在1000ppm以下，镉含量在20ppm以下。因此无铅焊料供应商自己必须具备先进的测试设备，从而能够做到实时在线监控产品质量。虽然目前很多供应商都可以提供SGS检测报告，但是这种报告不过是半年甚至一年才作一次，完全不能证明焊料厂家是否有能力在每一天的生产过程中都在严格控制产品质量。（3） 该供应商是否具备独立的无铅焊料生产车间。如上所述，目前有铅焊料仍然是市场上和焊料厂家的主导产品。因此，合格的无铅焊料供应商必须具备独立的无铅焊料生产车间，从而有效地将有铅焊料和无铅焊料的生产隔离开来。否则的话，很容易造成无铅焊料产品中铅含量超标的问题。五、无铅制程的特点与难点5.1 更高的焊接温度如前所述，可选择的无铅焊料的熔点要高于传统的Sn63-Pb37焊料的熔点约40oC，因此这必然导致在无铅制程中要采用更高的焊接温度。而这一点又对设备的热传导性能、耐热变形性能、电子元器件的耐热性能等提出了新的要求。5.2 无铅焊料较差的润湿铺展能力所有试验数据均表明可选择的无铅焊料，其润湿铺展性能要弱于传统的Sn63-Pb37焊料50%甚至以上。为达到理想的焊接效果，就必须开发和使用新型助焊剂以弥补无铅焊料润湿能力的不足。5.3 无铅焊料的强腐蚀性可选择的无铅焊料均为高锡焊料，而如图4所示，实践经验已经证明高锡焊料对不锈钢等材料具有较强的腐蚀性。因此相应的无铅焊接设备，如浸焊和波峰焊用锡炉中经常与熔融焊料相接触的部件必须采用耐腐蚀的材料，如钛合金。 图4 无铅焊料腐蚀不锈钢示例5.4 无铅焊料具有更强的氧化倾向图5为不同温度下锡氧化物与铅氧化物生成自由能的对比。基于热力学基本原理，负数生成自由能的绝对值越大表明该氧化物越容易形成，可见锡比铅更容易氧化。因此锡含量很高的无铅焊料比传统的有铅焊料更容易氧化，即生成更多的锡渣。图5 不同温度下SnO2和PbO生成自由能对比5.5 无铅回流焊的工艺窗口很窄如图6所示，由于电子元器件的耐热性能的限制，回流焊的峰值温度一般不能超过245oC，在有铅焊料的情况下，焊料熔点仅为183 oC，因此有一个57-62 oC的较宽的工艺窗口。但是在无铅焊料的情况下，如Sn-Ag-Cu合金，焊料的熔点为221 oC，此时仅有一个23-25 oC的很窄的工艺窗口。这一点也是整个无铅制程中最为困难的一部分。图6 回流焊工艺窗口示意图六、各种焊接工艺无铅制程的指导性原则6.1 手工烙铁焊1） 高锡含量的无铅锡线对烙铁头的腐蚀相对严重，建议使用质量优良的电烙铁，特别是烙铁头表面带有有效防护镀层的。这样的烙铁头单价会贵一些，但更换频率会小，总体来说应该会降低生产成本；2） 电烙铁的功率必须为60W以上，70W/75W是最为合适的；一般而言，烙铁头的温度要高于焊料熔点150 oC，因此无铅手工烙铁焊中烙铁头的温度要在370 oC左右；3） 建议使用恒温烙铁，这样既能够保证足够的焊接温度，又不会因烙铁头过热损伤烙铁。同时，烙铁头过热会导致严重的飞溅问题；4） 用于无铅焊接的电烙铁必须具有很好的回温性能，这一点对于IC引脚的拖焊非常重要。这是因为焊接过程中烙铁头的热量会传递到印刷电路板上而导致烙铁头温度降低。如果烙铁的回温性能不好，在拖焊后面的焊点时，烙铁头的温度已经下降严重，这将造成明显的拉尖现象。而回温性能好的电烙铁，在烙铁头温度下降的时候，会马上补充热量，使烙铁头的温度维持稳定；烙铁头保养方面的基本知识：1） 不要使用太高温度进行焊接。高温会使烙铁头加速氧化，从而降低烙铁头的寿命。如烙铁头温度超过470 oC，其氧化速度是380 oC时的两倍。2） 不要长期在高电压条件下使用烙铁。高电压将导致烙铁头过热，同时亦会缩短发热芯的寿命；3） 使用浸湿后又挤干的海绵清洁烙铁头。用未经润湿的干净海绵清洁烙铁头，容易使烙铁头表面的镀锡层剥落而导致烙铁头不上锡。所以海绵必须先浸湿再挤干，方可使用；4） 焊接过程中不要施压过大。在焊接过程中，如果过分施压或磨擦会使烙铁头容易变形，严重降低烙铁头的耐用程度。焊接时应采用接触式方法，不需要用力，只需要跟电子元器件引脚和印刷电路板接触便可顺利焊接；5） 尽可能选用线径较大的锡线，因为较粗的锡线对烙铁头有较好的保护。一般而言，尽可能选用线径0.8mm以上的锡线；6） 经常在烙铁头表面涂上一层焊锡，这样可以减小烙铁头的氧化机率，使烙铁头更为耐用。使用后，应待烙铁头温度稍为降低后才涂上新的焊锡层，使镀锡层达到最佳的防氧化效果；7） 把烙铁摆放在支架上。不需要使用时，应该小心地把烙铁摆放在合适的支架上，以免烙铁头受到碰撞而损坏；8） 及时清理表面氧化物。当烙铁头表面镀锡层部分含有黑色氧化物或生锈时，有可能令烙铁头上不了锡而不能进行焊接工作，因此必须及时清理。清理时最好把烙铁头温度调整至250 oC左右，再用清洁海绵清洁烙铁头，然后在镀锡层上加焊锡。不断重复这一动作，直到将烙铁头上面的氧化物清洁干净为止；9） 选择合适的烙铁头。选择正确的烙铁头尺寸和形状是非常重要的。选择合适的烙铁头能够使工作更有效率及增加烙铁头的耐用程度，选择错误的烙铁头则会影响到烙铁不能发挥最高效率，焊接质量也会因此而降低。烙铁头大小与其热容量有直接关系，烙铁头越大，热容量也相对越大，反之亦然。进行连续焊接时，使用越大的烙铁头，温度跌幅就越小。此外，因为大烙铁头的热容量高，焊接的时候可以使用较低的温度，烙铁头的氧化程度也会降低。短而粗的烙铁头比长而细的传热快，而且比较耐用。同样，扁而钝的烙铁头比尖锐的烙铁头能传递更多的热量。一般来说，烙铁头尺寸以不影响邻近元器件为标准。选择能够与焊点充分接触的几何尺寸能提高焊接效率。6.2 浸焊1） 无铅浸焊时锡炉的温度一般应设定为260-280oC。当然变压器浸锡等应用条件下，依据客户工艺要求的不同，锡炉温度应设定为380-470oC。2） 无铅浸焊的最大问题在于Cu-Sn金属间化合物的清除问题，这一方面与Sn-Pb焊料相比会带来意想不到的困难。无论是铜线、印刷电路板还是变压器等浸锡工艺，其上面的铜都会不同程度地向锡炉中的熔融焊料中溶解。而Cu与Sn之间很容易形成金属间化合物，一般为Cu6Sn5，该化合物的熔点在500oC以上，因此它以固态形式存在。传统的Sn63-Pb37合金其密度为8.80g/cm3，而Cu6Sn5的密度为8.28g/cm3。因此在有铅制程中该化合物会浮于熔融焊料表面，比较容易清除。但是在无铅制程中，由于无铅焊料的密度一般为7.40g/cm3左右，它的密度比Cu-Sn金属间化合物的密度要小，因此Cu-Sn金属间化合物会沉于锡炉底部而无法清除。这些沉于锡炉底部的Cu-Sn金属间化合物会附着于设备底部的附件下，造成传热不良等问题。因此，对于无铅浸焊工艺而言，定期清炉是一个迫不得已的工作。依据客户的生产密度，我们建议平均1个月清炉1次。3） 浸焊工艺的另一个问题就是助焊剂的挥发问题。液体助焊剂的载体为有机醇类物质，易于挥发并导致助焊剂比重增加，即助焊剂中作为活性成分物质的相对百分比增加。这将带来焊后表面残留物增加等诸多问题。因此，浸焊工艺中一定要严格控制助焊剂的比重，建议每天使用前都要用比重计检测一次。如发现其比重超过助焊剂供应商的数据指标，则通过添加稀释剂的方法将比重调整为标准值。6.3 波峰焊1） 无铅波峰焊工艺中时刻要注意到两个基本特点：由于无铅焊料熔点较高，因此需要较高的焊接温度；由于无铅焊料的润湿性较差，因此需要与之相配套的无铅专用助焊剂。2） 目前无铅波峰焊设备一般采用喷雾方式来涂敷助焊剂。喷雾参数的调整以助焊剂能够均匀分布在印刷电路板表面且不会有垂滴为目标。在满足这一要求的前提下，喷雾气压不宜过大。与此同时，设计良好的波峰焊设备一般会将液体助焊剂中溶剂的挥发降到很小，但是还应该提醒自己定期检测液体助焊剂的比重。如果偏高，则及时添加稀释剂予以调整。3） 无铅波峰焊时锡炉温度应设定为255-270oC，一般为260oC。同时鉴于5.3中所述的高锡焊料的腐蚀性问题，锡炉中经常与熔融焊料相接触的部件应该采用钛合金。4） 无铅波峰焊时预热温度要调高，我们建议两组数据，一是150oC的预热温度，二是120oC的预热温度。一般情况下，我们推荐前者。同时无铅波峰焊设备应该有2个及2个以上的预热温区，温度可设定为相同值。5） 由于无铅波峰焊时焊接温度较高，因此印刷电路板需要经过充分的预热以避免突然接触高温焊料带来的热冲击。基于此，无铅波峰焊设备的预热区长度应在1.2米以上。6） 无铅波峰焊设备好与坏的一个重要特征是温度持久性，特别是工厂的生产密度较高时。也就是说，当生产线上印刷电路板一片接一片地过波峰焊设备时，有可能导致设备的实际加热效果下降。这主要会表现在两个方面：一是预热温度不足，即预热温区的设定温度与实际板面的加热温度存在较大偏差；二是过双波峰时，两个波峰之间存在的温度下降过大。这些问题会导致最终的焊接缺陷增加。7） 无铅波峰焊时传送带速度一般设定为1.2-1.4米/分钟。8） 如5.4中所述，无铅焊料更容易氧化。因此在实际工艺过程中推荐使用无铅专用抗氧化油。这样可以减少锡渣的形成，节约焊料成本。当然要消耗抗氧化油方面的生产成本。9） 关于无铅波峰焊中可能出现的Fillet-Lifting缺陷的问题。图7 Fillet-Lifting缺陷示例Fillet-Lifting缺陷，又称焊盘剥离，是在无铅波峰焊工艺的实践中被发现的一种新型缺陷。其表现为焊点与印刷电路板的焊盘脱离。这种缺陷的产生原因是由于构成焊点的焊料合金非同步凝固。具体解释如下：如果无铅焊料中含有Bi或In这些金属元素，由于无铅焊料的基体元素Sn与这些元素之间能够熔点很低的相（见表3），因此在焊点凝固过程中熔点高的无铅焊料主体首先凝固并产生收缩张力，而熔点低的Sn-Bi/Sn-In相此时聚集在焊盘界面处且呈现为液态，上述收缩张力将带动焊点整体与焊盘脱离，从而形成如图8所示的缺陷。目前在无铅波峰焊时已经很少使用含有Bi或In的无铅焊料，这类缺陷的发生机率也大大降低。但是如果电子产品制造商没有充分实现电子元器件和印刷电路板的无铅化，这类缺陷也还有可能发生。这是因为尽管焊料是无铅的，但是电子元器件外引线和印刷电路板上都还含有铅，而Sn-Pb之间能够形成熔点只有183 oC的共晶相，基于上述同样的道理，焊盘剥离还是可能会发生。因此我们说无铅化电子组装不仅仅是无铅焊接工艺的问题，整个电子产品的各个部分都要考虑到其无铅化的问题。10）关于氮气保护的问题。首先可以明确的是，带有氮气保护功能的设备肯定成本/价格更高，同时生产过程中氮气的使用也会增加成本。但是另一方面，氮气保护会带来如下优点：A） 无铅焊料的氧化程度降低，锡渣减少，这可以节省焊料成本；B） 氮气保护条件下焊点缺陷率降低，这可以节省修补成本；C） 氮气保护条件下可减少助焊剂的使用量，这可以节省助焊剂成本。因此，是否使用氮气保护是一个见仁见智的问题，各个电子厂商可以根据自己的实际情况予以判断。可以肯定的是，不用氮气保护也可以得到很好的无铅焊接效果。但是如果印刷电路板的组装密度很高，或者要求波峰焊焊后缺陷率很低，那么我们建议使用氮气保护。6.4 回流焊1） 如5.5中所述，无铅回流焊的最难点在于其工艺窗口很窄。因此无铅回流焊设备的温度均匀性是至关重要的。首先无铅回流焊设备应该采用强制热风对流或者强制热风对流配合红外辐射的加热方式。因为实践证明强制热风对流的加热方式更利于温度均匀性的实现。2） 无铅回流焊设备应该具备6个及6个以上温区。无铅回流焊设备的加热均匀性应该能够保证板上温差在5 oC之内。其测试方法如下：在测试板同一径向方向上选取3-6个测试点（尽可能取自不同元器件，因为元器件不同其热容也不同，对热量的吸收和反射也不同）。一般采用专用的测温仪器测量上述测试点所经历的温度曲线并进行对比，要求是在加热历史的每一个时刻上述测试点的最大温差应在5 oC之内。3） 根据J-STD-020B的最新版本要求，如果印刷电路板的组装体积小于350mm3，则回流温度曲线的峰值温度应为250+0/-5 oC；如果印刷电路板的组装体积大于350mm3，则回流温度曲线的峰值温度应为245+0/-5 oC。图8 无铅回流焊温度曲线示例4）氮气保护的问题。关于这一问题的讨论基本与无铅波峰焊中的论述相同。需要强调的是，针对无铅回流焊而言，我们推荐采用氮气保护，因为这有助于在很窄的工艺窗口条件下取得较好的焊接效果。七、无铅制程的导入方案接下来我们阐述一下一家电子生产厂在导入无铅制程时应该做的工作。1） 详细学习欧盟WEEE和RoHS指令，首先从公司高层开始认识到导入无铅制程的必要性和紧迫性；2） 认真学习SONY公司的SS-00259规范，并以此为蓝本制定自己公司的环境管理物资管理规范，并以此作为各种供应商的评价规范；3） 充分了解无铅制程不仅仅是自己在印刷电路板组装时采用无铅焊料这么简单，而是一个广义的内容，请参见第二部分内容；4） 制定公司内部的无铅制程导入时间表，该计划表至少应包含以下内容：公司相关人员的培训制定本公司的环境管理物资管理规定及完成时间以上述规定为基准，进行现有各供应商的调查评估及完成时间评估现有生产设备是否需要更换，如需要，明确完成时间选定1-2种型号产品，进行无铅制程的试生产，关键是明确各项工艺参数进行产品的相关性能测试，明确无铅产品的可靠性在有铅产品和无铅产品共存的情况下，改进工厂的生产管理，保证严格区分根据试生产情况，修改各种产品或相关工位的作业指导书根据以上结果，评估导入无铅制程所带来的生产成本的增加并制定相应对策根据客户的实际需求，有计划地导入无铅制程5） 在无铅制程的导入过程中，应该与各材料/部件供应商和生产设备供应商密切配合，特别是在试生产阶段；6） 可以的话，公司应该成立一个专案小组来负责无铅制程导入的推进工作八、亿铖达的专业精神如何帮助您顺利导入无铅制程我们亿铖达公司作为国内焊料产品的龙头企业，近年来一直致力于无铅焊料产品的研发和推广，在实践过程中我们已经积累了丰富的专业知识和经验，我们也一直致力于为客户提供最为专业的无铅制程方案和最值得信赖的无铅焊料产品。1） 无铅焊料产品的品质保证首先我们的无铅焊料产品都拥有SGS检验报告。其次，我们更为注重的是在生产过程中掌控无铅焊料产品的品质。为此，我们特别从德国SpectroLab公司引进了直读光谱仪设备，该设备可以快速检测合金中微量金属元素的含量。基于此，我们就可以严格控制我们的无铅焊料产品中铅含量在1000ppm以下，镉含量在20ppm以下。图9 德国进口的直读光谱仪设备另一方面，借助于这