无铅焊接工艺技术.doc

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1、毕业设计报告（论文）报告（论文）题目：无铅焊接工艺技术 作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 电子工艺与管理 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2013年5月28日 毕业设计（论文）任务书姓 名：专 业：电子工艺与管理班 级：10252学号：指导教师：职 称：实验师完成时间：2013.05.28毕业设计（论文）题目：无铅焊接工艺技术设计目标：通过对无铅焊料及焊接工艺技术的分析，总结无铅焊接技术的工艺特点，提出无铅焊接工艺相应的解决办法。技术要求：1、无铅焊料。2、无铅焊接工艺流程。3、无铅焊接工艺技术与设备。4、无铅焊接常见缺陷。

2、5、对典型焊接缺陷能进行正确分析，并提出合理解决措施。所需仪器设备：SMT生产线、 计算机、扫描仪。成果验收形式：论文参考文献：实用表面组装技术，SMT相关论文等。时间安排15周-6周资料查阅39周-13周撰写论文27周-8周方案设计414周-16周成果验收指导教师： 教研室主任： 系主任：指 导 教 师 情 况姓 名梁万雷技术职称实验师工作单位北华航天工业学院指 导 教 师 评 语指导教师评定成绩：指导教师签字： 年 月 日答 辩 委 员 会 评 语最终评定成绩：答辩委员会主任签字： 单位（公章） 年 月 日摘 要此论文写了无铅焊接工艺技术的产生定义和内容，以及特点；写了无铅焊料，以及无铅焊

3、料的种类，包括Sn-Ag系、Sn-Zn系、Sn-Bi系、Sn-Cu系等等；写了无铅焊接工艺技术的工艺流程，即其工艺的五个步骤，并写了在此基础上产生的新的工艺与设备的应用；写了无铅焊接的常见缺陷“黑盘”现象、表面裂纹（龟裂）、焊点剥离、晶须、离子迁移、元素污染等等，重点研究了“黑盘”现象、表面裂纹（龟裂）、焊点剥离的产生现象，产生机理以及解决措施。关键词 无铅焊接工艺技术 工艺流程 设备 无铅焊料 无铅焊接常见缺陷word文档 可自由编辑目 录第1章 绪论41.1 无铅焊接工艺技术的产生41.2 无铅焊接工艺技术的定义5第2章 无铅焊料62.1无铅焊料的提出与发展阶段62.2 无铅焊料的要求72

4、.3 无铅焊料的种类72.3.1 Sn-Ag系列72.3.2 Sn-Zn系列82.3.3 Sn-Bi系列82.3.4 Sn-Cu系列92.4 无铅焊料的国内外现状92.5 无铅焊料的问题10第3章 无铅焊接工艺流程113.1 工艺流程简介113.1.1 无铅焊接的现状113.1.2无铅焊接的特点和对策123.1.3无铅工艺对助焊剂的挑战123.1.4氮气在焊接中的工艺应用143.2 无铅焊接工艺的五个步骤14第4章 无铅焊接工艺技术与设备164.1 无铅焊接工艺技术的特点164.2 新的无铅焊接工艺及设备164.2.1 元器件及PCB板的无铅化164.2.2 焊接设备的无铅化16第5章 无铅焊

5、接常见缺陷以及解决措施215.1 缺陷的种类215.2 “黑盘” 现象215.2.1 产生此现象的表现215.2.2 产生机理225.2.3 解决措施235.3 表面裂纹（龟裂）235.3.1 产生此现象的表现235.3.2 产生机理255.3.3 解决措施265.4 剥离265.4.1 产生此现象的表现265.4.2 产生机理275.4.3 解决措施28第6章 结论29致 谢30参考文献31附 录32word文档 可自由编辑无铅焊接工艺技术第1章 绪论1.1 无铅焊接工艺技术的产生现在的板卡设备上的芯片，都是通过芯片的封装下面的小焊点和PCB板连接的。这些小焊点传统上是用铅的，然而Pb是一种

6、有毒的金属，对人体有害，并且对自然环境有很大的破坏性。铅的特性及对人体的危害：铅（lead Pb），灰白色金属，熔点为327.5，加热至400500时即有大量铅蒸气逸出，并在空气中迅速氧化成氧化亚铅而凝集为烟尘并四处逸散。在工业中与铅接触的行业主要有铅矿开采，铅烧绳索和精练、蓄电池制造、电子产品的焊接和电子元件的喷铅作业等等。在以上接触中铅及其化合物主要通过呼吸和消化道入侵人体造成铅中毒，对人体健康构成危害。美国环保署研究发现，铅及其化合物是17种严重危害人类寿命和自然环境的化学物质之一。通常的职业性铅中毒都是慢性中毒，其对人体的神经系统、消化系统和血液系统都将造成干扰和伤害，其临订症状表现为

7、头昏头痛、乏力、记忆力下降、恶心、烦躁、食欲不振、腹部胀痛、贫血、精神障碍等。综上所述，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；中国在2004年已进入无铅焊接。因此，在这种情况下，电子材料开始生产无铅焊料。 欧盟为了限制有害物质在电子电器产品中的使用，并透过妥善的回收及处理废弃电子电器产品达到保护人类健康的目的，于2003年颁布2002/95/EC号法令，即RoHS法令（Restriction of the use of Hazardous Substances

8、 in Electrical and Electronic Equipment Pirective）电子电机产品之危害物质限用法令。 中国政府一直在给以密切关注和研究对策，国务院专门责成信息产业部负责针对欧盟环保指令的研究和应对工作。信息产业部根据清洁生产促进法和固体废物污染环境防治法等有关法规制定的电子信息产品污染防治管理办法已经完成，并于2005年1月1日起施行。电子信息产品污染防治管理办法规定，自2006年7月1日起，列入电子信息产品污染重点防治目录中的电子信息产品中不得含有铅、汞、镉、六价铬、聚合溴化联苯乙醚和聚合溴化联苯及其他有毒有害物质。对于2006年7月1日以前的一段时间，中国政

9、府要求电子信息产品制造商们实行有毒有害物质的减量化生产措施，并积极寻找可替代品。同时，一个名为“电子信息产品污染防治标准工作组”的机构也已经开始筹备成立，该机构的主要任务是研究和建立符合中国国情的电子信息产品污染防治标准，开展与电子信息产品污染防治有关的标准研究和制定工作，特别是加快制定急需的材料、工艺、测试方法和实验方法的基础标准。无铅焊接工艺技术则是使用一种无铅的合成物来取代铅。不过，从有铅产品转到无铅产品是个复杂的过程，影响到所有的电子器件供应商，并带来许多供应链、无铅制程和可靠性方面的挑战，它要求用基于无铅的材料替代过去使用的富含铅的焊料和装配过程中用到的有铅材料。无铅焊接工艺技术带来

10、的并不全是革命性的转变，它还是属于一个“发展”技术。 1.2 无铅焊接工艺技术的定义无铅焊接工艺技术是从现有的含铅SMT技术上发展而来的。自有SMT技术时代开始，快速扩张的用户市场，使工业界已经认识到“革命”式改变的害处，具备较多的“发展性”当然是件好事，然而对于无铅技术来说，这却也非简单。在SMT的发展过程中，我们已经有经历过几次影响较大的“发展”经验，例如栅阵排列焊端技术 (BGA)、Flip-Chip等等。有些用户可能对于这些技术带来的挑战还记忆犹新。但无铅焊接工艺技术的到来，和以前的几个技术相比之下，其难度和挑战绝对是有过之而无不及。焊接技术实际上就是各种焊接方法、焊接材料、焊接工艺以

11、及焊接设备等及其基础理论的总称。其中讲到了焊接 ，母材，焊丝，SMT等.第2章 无铅焊料2.1无铅焊料的提出与发展阶段铅锡焊料的应用已有悠久的历史。由于它具有较低的熔点、良好的性价比以及易获得性，铅锡焊料成为低温焊料中最主要的焊料系列，被广泛用于食品容器、有色金属、建筑金属构件、运行机械、输水系统管道以及其它流体和气体管道装置的焊接等领域。电子技术的发展，铅锡焊料扮演了重要的角色，使其应用领域和需求量得到大幅度增加。进入20世纪后期，随着现代工业和科学技术的发展，人们对环境的保护意识越来越强，铅锡合金带来的负面影响日渐突出，引起全球范围内的高度重视。欧美一些发达国家均以立法的形式禁止和限制使用

12、含铅制品，美国环保局将铅列入对人类自身最有危害的17种化学物质之一。1994年，北欧环境部长会议提出逐步取缔铅的使用，以减少铅对人类健康和生存环境的危害。欧洲国家相继提出有关法律草案，规定从2002年1月1日起在汽车上取消铅、汞、镉等有毒金属(铅蓄电池除外)的使用。从2008年起在电子工业中禁止使用含铅焊料材料。日本贸易部也作出类似的法律规定。在中国，提出了废旧电池统一回收的试行方案，其目的也是减少铅对环境的污染。在世界范围内保护环境的大趋势下，对含铅产品的限制或禁止使用，终将以法律形式加以确定。这导致了“无铅焊料”成为全球性的研究热点。无铅焊料的发展是由于人们认识到生态环境的重要性以及人的身

13、体健康而发展起来的，其大致可以分为以下几个阶段:(1)无铅焊料的提出阶段1991年和1993年，美国参议院提出“Reid Bill”，要求将电子焊料中铅含量控制在0.1%以下。由于当时所有的电子产品都离不开有铅焊料， 有铅焊料发展得也相当成熟，而在那时人们对生态环境的保护意识还不够，对铅对人体损伤的认识不足，因而没有受到重视。(2)无铅焊料的发起阶段从1991年起NEMI、NCMS、NIST、NPL、PCIF、ITRI、JIEP等组织相继开展无铅焊料的专题研究，耗资超过2000万美元，目前仍在继续。(3)无铅焊料的运用阶段在1998 年10 月，第一款批量生产的无铅电子产品PanasonicM

14、iniDiscMJ30问世。20世纪90年代中期，日本和欧盟作出了相应的立法:日本规定2001年在电子工业中淘汰铅焊料，在2004年禁止生产或销售使用有铅焊料焊接的电子生产设备；而欧美在2006 年禁止生产或销售使用有铅材料焊接的电子生产设备，但是由于无铅焊料还存在技术上的原因，在2008年才能实现电子产品无铅化。2.2 无铅焊料的要求（1）使用产品时的材料消耗情况。（2）产品制造过程中使用的能量情况。（3）产品处理后的重复使用性。（4）材料从制造到再生利用这期间的辐射情况。经过大量的比较后筛选出几种好的锡合金，它们为铜(Cu)、银(Ag)、钢(In)、锌(Zn)、铋(Bi)、锑(Sb)。选择

15、这些金属材料可在和锡组成合金时降低焊料的熔点，使其得到理想的物理特性。2.3 无铅焊料的种类现在各种系别组成的无铅焊料合金有很多种，其中主要有：SnAg、SnZn、SnBi、SnCu等二元合金以及在此基础上添加其他合金元素形成的三元、四元乃至五元合金。下面就对现今主要的无铅焊料合金组织结构及性能进行介绍。2.3.1 Sn-Ag系列SnAg系焊料作为锡铅替代品已在电子工业使用了多年。典型的组成比例是Sn96.5-Ag3.5，其熔点为221。这种焊料所形成的合金组织是由不含银的纯Sn和微细的Ag3Sn相组成的二元共晶组织。添加Ag所形成的Ag3Sn因为晶粒细小，对改善机械性能有很大的贡献。随着Ag

16、含量的增加，其屈服强度和拉伸强度也相应增加。从强度方面来说，添加1-2以上的Ag就能与Sn-Pb共晶焊锡相同或者超过它。添加3以上的Ag，强度值显著比Sn-Pb共晶焊锡要高，但超过3.5以后，拉伸强度相对降低。这是因为除了微细的Ag3Sn结晶以外，还形成了最大可达数十微米的板状Ag3Sn初晶。形成粗大的金属间化合物不仅使强度降低，而且对疲劳和冲击性能也有不良影响，因此对Ag的含量和金属界面的金属间化合物要进行认真的考究。在Sn-Ag合金里添加Cu，能够在维持Sn-Ag合金良好性能的同时稍微降低熔点，而且添加Cu以后，能够减少所焊材料中铜的浸析。SnAgCu无铅焊料是目前被认为最接近实用化的Sn

17、Pb焊料替代品，也是目前无铅焊料得首选。典型的组成比例是Sn3.0Ag0.5Cu，熔点为216217。Sn与次要元素Ag和Cu之间的冶金反应是决定应用温度、同化机制及机械性能的主要因素。在这三元素之间有三种可能的二元共晶反应。在温度动力学上Sn更适合与Ag或Cu反应，来形成Ag3Sn或Cu6Sn5金属间化合物。Ag3Sn细微结晶具有相当长的纤维状组织。Ag与Cu一样也是几乎不能固溶于-Sn的元素。较硬的Ag3Sn和Cu6Sn5粒子在锡基质的锡银铜三重合金中，可通过建立一个长期的内部应力，有效地强化合金。这些硬粒子也可有效地阻挡疲劳裂纹的蔓延。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子的形成可分隔较细小的锡基

18、质颗粒。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子越细小，越可以有效地分隔锡基质颗粒，结果是得到整体更细小的微组织。这有助于颗粒边界的滑动机制，因此延长了提升温度下的疲劳寿命。Sn3.0Ag0.5Cu焊点中Sn先结晶，以枝晶状（树状）出现，中间夹Cu6Sn5和Ag3Sn。当Cu含量在0.51.3，Ag含量在3.03.5时可以得到比较好的合金性能。2.3.2 Sn-Zn系列SnZn系无铅合金的典型组成比例为Sn9Zn，熔点是199，被认为是最有发展潜力的无铅焊料。Sn、Zn元素以固溶体的形式构成合金，说明了SnZn有较好的互熔性。Zn能均匀致密的分散在Sn中。但由于存在润湿性和抗氧化性差等问题曾被认为是一种并

19、不理想的无铅焊料。近年来对SnZn系合金润湿的研究取得了明显进展，在SnZn中添加Bi焊料是目前研究较为广泛的无铅合金材料。Bi是一种表面活性元素，在熔融状态下，Bi元素能够向溶体表面富集，导致合金的表面张力减小。因此，Bi的加入提高了合金的润湿性能，研究表明在Sn9Zn为共晶合金的基础上加入Bi虽然提高了合金的润湿性，但往往伴随着焊料力学性能的下降，通过调节合金中Zn的含量，能够减少初生Zn相的生成，在提高润湿性（缩短润湿时间）的条件下降低由于Bi的加入带来的力学性能恶化效果。Sn8Zn3Bi合金是一种典型的SnZn系无铅焊料，其润湿性、热学特性、力学性能等性能匹配良好。对于防止SnZn系焊

20、料的抗氧化一般可以通过在焊料中添加微量金属的办法来解决。但是还在进一步的研究中。2.3.3 Sn-Bi系列SnBi系合金是典型的低熔点无铅焊料，Sn-58Bi熔点为139。Bi是除Pb以外离Sn较近元素，Bi是元素周期中排在第主族（氮族）元素的末位，Bi的非金属性明显比Pb强，Bi是菱状晶体（类似金属晶体），具有脆性，在Sn合金里添加Bi的焊锡，可以形成从共晶点的139到232的熔化温度范围非常宽的合金。该合金形成化合物，并且共晶成分形成单纯的共晶组织。然而基体中固溶大量的Bi是别的合金所没有得特色。Sn-58Bi共晶合金应用于主板封装已经超过20年。SnBi合金的导电/导热性能不及SnPb合

21、金，Bi与Sn有较好的互熔性，但Sn-Bi合金硬度高，延伸性低，不能拉成丝，一句话SnBi合金焊料不及 SnPb合金焊料那样好 。所以考虑在Sn-58Bi中添加Ag具有改善该合金塑性的效果，其延伸率的变化非常明显。随Ag量的增加，在0.5wtAg出现延伸率的峰值。但是含Bi焊料在遇到含铅合金包括元器件端焊头重的铅以及PCB焊盘中的含铅涂层时，其焊点强度会明显下降，产生这种现象的原因之一是Sn、Pb、三元素混熔后会形成Sn-Pb-Bi三元共晶析出，该合金的熔点仅为97左右。因此含Bi的焊料一定要杜绝Pb的存在。2.3.4 Sn-Cu系列SnCu系合金中的合金化合物比较复杂，在共晶点处可以看作Sn

22、-Cu6Sn5的二元合金，熔点为227。该合金不含Ag、价格低，现在主要在重视经济的单面基板波峰焊方面广泛使用。由于Cu6Sn5不像Ag3Sn那样稳定，所以在微细共晶组织在100保持数十小时就会消失，变成分散的Cu6Sn5颗粒的粗大组织同时在Cu和 Cu6Sn5之间会生成Cu3Sn。因此Sn-Cu系焊锡的高温保持性能和热疲劳等可靠性比Sn-Ag系合金差。为了细化该合金中的Cu6Sn5相，曾经尝试添加微量的Ag、Ni、等元素。仅仅添加0.1的Ag，即可使塑性提高50。另外，添加Ni具有减少焊锡渣量的效果，已经逐渐稳定地用作波峰焊生产使用的焊锡。2.4 无铅焊料的国内外现状在20世纪80年代后期，

23、美国首次颁布了限制铅使用的法律减少铅暴露条律(S1729)、铅税法(H1R12479，S11347)。“无铅电子产品”的理念，由美国传到欧洲、日本和全世界发达国家。在这种情况下，世界上用量最大的铅锡焊料，从生产到使用都受到了强烈的冲击，“无铅锡基环保焊料”成为最热门的研究课题。美国TMS (The Minerals ，Metals&Materials Society) 春、秋季年会均有论文报告无铅焊料的研究成果。欧共体的奥地利、德国、法国、英国等16国联合制定了COST531(无铅焊料材料) 研究计划。对无铅焊料的研究，基本上是从以下三个方面进行的:(1)新型无铅焊料合金的研制与设计；(2)焊

24、接头疲劳研究及可靠性设计；(3)无铅焊料工艺性能研究。通过20多年的研究开发，各国材料工作者都取得了一定的研究成果，一些性能较好的无铅焊料已经商业化。在有限度的改变焊接工艺的前提下， 无铅焊料可以部分取代铅锡焊料。近七、八年以来，日本、美国、澳大利亚、韩国等国家的一些公司，如日本铝钎料株式社、日立制作，美国国际机械公司，澳大利亚伊科索尔德国际股份有限公司，韩国三星等企业都在中国境内申请并获得专利，且产品获得商业应用价值和市场份额。我国无铅焊料发展的历史不长，起步较晚，但发展速度很快。研究工作主要集中在大专院校和科研院所，有一些焊料生产单位也在进行开发研制。但国内还未形成无铅焊料的批量生产，这是

25、由于我国没有立法限制铅的使用，国内一些大的电子产品生产企业，其产品主要是针对国内市场，使用无铅焊料的要求还远不是那么强烈。而我国一些技术含量较高的机电产品，由于使用了铅锡焊料，在出口时受到阻碍，已严重影响了这类产品在国际市场上的竞争力。受世界大环境的影响，随着我国对环境和生态的高度重视， 使用无铅焊料替代铅锡焊料已提到议事日程。我国是锡的生产和出口大国，也是消耗焊料的各种电器生产的大国，如无铅焊料的研究没有实质性的突破，将会严重影响我国的机电、微电子行业的发展，产品将失去市场竞争力。因此，大力发展无铅环保焊料是当前一项迫切和亟待解决的问题。2.5 无铅焊料的问题对于无铅焊料，主要的问题在以下几

26、方面：1.替代合金应是无毒性的。一些考虑中的替代金属，如镉和锑，是毒性的；其它金属，如锑、铟，由于改变法规的结果可能落入毒性种类。2.熔点应同锡铅体系焊料的熔点(183)接近，不应超过200。3.供应材料必须在世界范围内容易得到，数量上满足全球的需求。某些金属如铟和铋数量比较稀少，只够用作无铅焊锡合金的添加成分。4.替代合金还应该是可循环再生的，如将三四种金属加入到无铅替代焊锡配方中可能使循环再生过程复杂化，并且增加其成本。5.机械强度和耐热疲劳性要与锡铅体系焊料大体相同。6.焊料的保存稳定性要好。7.替代合金必须能够具有电子工业使用的所有形式，包括返工与修理用的锡线、锡膏用的粉末、波峰焊用的

27、锡条、以及预成型。不是所有建议的合金都可制成所有的形式，例如铋含量高将使合金太脆而不能拉成锡线。8.合金相图应具有较窄的固液两相区。能确保有良好的润湿性和安装后的机械可靠性。9.焊接后对各种焊接点检修容易。10.导电性好，导热性好。第3章 无铅焊接工艺流程3.1 工艺流程简介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，危害人类的健康。据统计，某些地区地下水的含铅量已超标30倍，施行无铅焊接工艺技术是大势所趋。3.1.1 无铅焊接的

28、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Sn95.8Ag3.5Cu0.7(美国)和三元近共晶形式的Sn96.5Ag3.0Cu0.5(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

29、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。3.1.2无铅焊接的特点和对策(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。(

30、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。3.1.3无铅工艺对助焊剂的挑战(1)

31、 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

32、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

33、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

34、。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 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。 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

35、，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

36、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。3.1.4氮气在焊接中的工艺应用(1)氮气具有如下的七大优点氮气的物理性能佳；在大多数液体中的等低溶性；高顺时流量；正常条件下的化学惰性；膨胀性能好，安全，适用于高压工艺；储存及使用方便。(2)氮气应用的优点扩大工艺窗口，提高工艺适应性；提高焊接质量(防止氧化，浸润性良好，高质量焊点)；做到免清洗，适应环保要求；达到细间距芯片高密度装配要求；简化操作。无铅焊接的工艺过程，实际上是液态锡合金对被焊金属表面的润湿过程，其润湿力的提高、润湿时间变短、润湿角的提高，均说明可焊性的提高。实践证明，

37、在氮气保护下，润湿力可提高50-70%，润湿时间可降低15-30%，润湿角平均提高40%。另外，助焊剂的残留量可以减少5%。.3.2 无铅焊接工艺的五个步骤1、选择适当的材料和方法在无铅焊接工艺中，焊接材料的选择是最具挑战性的。因为对于无铅焊接工艺来说，无铅焊料、焊膏、助焊剂等材料的选择是最关键的，也是最困难的。在选择这些材料时还要考虑到焊接元件的类型、线路板的类型，以及它们的表面涂敷状况。选择的这些材料应该是在自己的研究中证明了的，或是权威机构或文献推荐的，或是已有使用的经验。把这些材料列成表以备在工艺试验中进行试验，以对它们进行深入的研究，了解其对工艺的各方面的影响。对于焊接方法，要根据自

38、己的实际情况进行选择，如元件类型：表面安装元件、通孔插装元件;线路板的情况;板上元件的多少及分布情况等。对于表面安装元件的焊接，需采用回流焊的方法;对于通孔插装元件，可根据情况选择波峰焊、浸焊或喷焊法来进行焊接。波峰焊更适合于整块板(大型)上通孔插装元件的焊接;浸焊更适合于整块板(小型)上或板上局部区域通孔插装元件的焊接;局喷焊剂更适合于板上个别元件或少量通孔插装元件的焊接。另外，还要注意的是，无铅焊接的整个过程比含铅焊料的要长，而且所需的焊接温度要高，这是由于无铅焊料的熔点比含铅焊料的高，而它的浸润性又要差一些的缘故。在焊接方法选择好后，其焊接工艺的类型就确定了。这时就要根据焊接工艺要求选择

39、设备及相关的工艺控制和工艺检查仪器，或进行升级。焊接设备及相关仪器的选择跟焊接材料的选择一样，也是相当关键的。2、确定工艺路线和工艺条件在第一步完成后，就可以对所选的焊接材料进行焊接工艺试验。通过试验确定工艺路线和工艺条件。在试验中，需要对列表选出的焊接材料进行充分的试验，以了解其特性及对工艺的影响。这一步的目的是开发出无铅焊接的样品。3、开发健全焊接工艺这一步是第二步的继续。它是对第二步在工艺试验中收集到的试验数据进行分析，进而改进材料、设备或改变工艺，以便获得在实验室条件下的健全工艺。在这一步还要弄清无铅合金焊接工艺可能产生的沾染知道如何预防、测定各种焊接特性的工序能力(CPK)值，以及与

40、原有的锡/铅工艺进行比较。通过这些研究，就可开发出焊接工艺的检查和测试程序，同时也可找出一些工艺失控的处理方法。4、还需要对焊接样品进行可靠性试验，以鉴定产品的质量是否达到要求。如果达不到要求，需找出原因并进行解决，直到达到要求为止。一旦焊接产品的可靠性达到要求，无铅焊接工艺的开发就获得成功，这个工艺就为规模生产做好了准准备就绪后的操作一切准备就绪，现在就可以从样品生产转变到工业化生产。在这时，仍需要对工艺进行处理以维持工艺处于受控状态。5、控制和改进工艺无铅焊接工艺是一个动态变化的舞台。工厂必须警惕可能出现的各种问题以避免出现工艺失控，同时也还需要不断地改进工艺，以使产品的质量和合格晶率不断

41、得到提高。对于任何无铅焊接工艺来说，改进焊接材料，以及更新设备都可改进产品的焊接性能。第4章 无铅焊接工艺技术与设备4.1 无铅焊接工艺技术的特点电子产品制造业实施无铅化制程需面临以下问题：1)焊料的无铅化;2)元器件及PCB板的无铅化;3)焊接设备的无铅化、焊料的无铅化。到目前为止，全世界已报道的无铅焊料成分有近百种，但真正被行业认可并被普遍采用是Sn-Ag-Cu三元合金，也有采用多元合金，添加In,Bi,Zn等成分。现阶段国际上是多种无铅合金焊料共存的局面，给电子产品制造业带来成本的增加，出现不同的客户要求不同的焊料及不同的工艺，未来的发展趋势将趋向于统一的合金焊料。(1) 熔点高，比Sn

42、-Pb高约30度;(2) 延展性有所下降，但不存在长期劣化问题;(3) 焊接时间一般为4秒左右;(4) 拉伸强度初期强度和后期强度都比Sn-Pb共晶优越；(5) 耐疲劳性强；(6) 对助焊剂的热稳定性要求更高；(7) 高Sn含量，高温下对Fe有很强的溶解性。4.2 新的无铅焊接工艺及设备4.2.1 元器件及PCB板的无铅化在无铅焊接工艺流程中，元器件及PCB板镀层的无铅化技术相对要复杂，涉及领域较广，这也是国际环保组织推迟无铅化制程的原因之一，在相当时间内，无铅焊料与Sn-Pb的PCB镀层共存，而带来 剥离(Lift-Off)等焊接缺陷,设备厂商不得不从设备上克服这种现象。另外对PCB板制作工

43、艺的要求也相对提高，PCB板及元器件的材质要求耐热性更好。4.2.2 焊接设备的无铅化1波峰焊设备:由于无铅焊料的特殊性，无铅焊接工艺进行要求无铅焊接设备必须解决无铅焊料带来的焊接缺陷及焊料对设备的影响，预热/锡炉温度升高，喷口结构，氧化物，腐蚀性，焊后急冷，助焊剂涂敷，氮气保护等。A 无铅焊接要求的温度曲线分析：通过上述曲线图和金属材料学知识，我们了解到为了获得可靠、最佳的焊点，温度T2最佳值应大于无铅锡的共晶温度，锡液焊接温度控制在2500C20度(比有铅锡的温度要求更严)，一般有高可靠要求的军用产品，T300C，对于普通民用产品，建议温差可放宽到T250度(根据日本松下的要求);预热温度

44、T1比有铅焊要稍高，具体数值根据助焊剂和PCB板工艺等方面来定，但T1必须控制在50度以内，以确保助焊剂的活化性能的充分发挥和提高焊锡的浸润性;焊接后的冷却从温度T3(250度)降至温度T4(100150度)，建议按711度/S的降幅梯度控制;温度曲线在时间上的要求主要是预热时间t1、浸锡时间t2、t3及冷却时间t4，这些时间的具体数值的确定要考虑元器件、PCB板的耐热性及焊锡的具体成份等多方面因素，通常t1在1.5分钟左右，t2+t3在35S之间。B 从以上温度曲线分析可确定设备的结构及控制要求：预热方式预热时间t1在1.5分钟左右输送PCB板的速度1.2m/min,预热长度要保障1.8M以

45、上;为保障预热的热稳定性预热结构必须采用封闭式的结构，预热方式建议采用热风预热方式。从国内外设备厂研制的波峰焊及客户使用分析，采用热风预热方式比较理想，因为采用全热风加热，可提高热效率，提高PCB板的温度均匀性. 运用远红外预热和远红外加热风预热的PCB板的时间和温度的变化曲线如下图所示：锡炉喷口要克服无铅焊料润湿性(铺展能力)差给焊接带来的缺陷，需要4秒以上的浸锡时间，如果采用双波峰焊接，两波峰之间的最低温度要在220度以上锡炉喷口结构必须能达到符合以上的温度曲线，设备厂家通过减小两喷口之间距离的设计，来达到这个要求。由于高Sn含量的无铅焊料更易氧化，另外无铅焊料的成本较高，控制锡氧化物生成量是焊接设备厂家必须考虑的问题，一些国内外的厂家已推出新的波峰喷口结构，氧化物生成量同过去相比减少一倍.腐蚀性无铅焊料的高Sn含量,在高温下对Fe有佷强的溶解能力，传统的波峰焊焊料槽及喷口大多数采用不锈钢材料，从而发生溶解反应，随着时间的推移，最终导致部件的溶蚀损坏，特别是喷口及叶轮部件。现在国外大多数厂家的焊锡槽采用铸铁并镀防护层，国内大多数厂家采用钛合金材料。氧 化同Sn-Pb合金焊料相比，高Sn含量的无铅焊料在高温焊接中更容易氧化，从而在锡炉液面形成氧化物残渣(SnO2)，过多的氧化物不但影响焊接品