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无铅焊接技术
毕业设计（论文）中文摘要
题目：
无铅焊接技术
摘要：
在焊料的发展过程中，锡铅合金一直是最优质的、廉价的焊接材料，无论是焊接质量还是焊后的可靠性都能够达到使用要求；但是，随着人类环保意识的加强，“铅”及其化合物对人体的危害及对环境的污染，越来越被人类所重视。
随着无铅焊接的逐步应用（这是大势所趋），越来越多的用户开始寻找合适的焊接工具与密管脚芯片返修设备。
2006年7月起，进入欧盟市场的电子电气产品将禁用的有害物质包括：
镉、六价铬、铅、汞、PBB（多溴联苯）和PBDE（多溴二苯醚）。
我国也已制定了相应的法律法规，最后期限也是2006年7月。
为了使大家能够对无铅焊接有更多的了解，本文对无铅焊接做了主要的介绍。
关键词：
趋势工艺特点设备缺陷
毕业设计（论文）外文摘要
Title:
Lead-freeweldingtechnology
Abstract:
Intheprocessofthedevelopmentofsolderalloys，tinleadhasbeenthemosthigh-quality，low-cost，whetherthequalityofweldingweldingmaterialsorreliabilityofweldingisusedtoachieverequirements，But，astheenvironmentalprotectionconsciousness，strengthenhuman"and"leadcompoundsfortheharmtohumanbodyandpollutiontotheenvironment，moreandmoreattentionbyhumans.Withtheapplicationoflead-freesolderinggradually（thisisinevitable），moreandmoreusersstartlookingfortherighttoolsandpipeweldingequipmentrepairfeetchips.2006July，intotheeumarketelectricproductswilldisabletheharmfulmaterialinclude:
hexavalentchromium，cadmium，lead，mercury，PBB（br）andPBDE（morespinbrominediphenylether）.Chinahasformulatedrelevantlawsandregulations，thedeadlineisJuly2006.Inordertomakeeveryonetolead-freesolderinghavemoreunderstandingoflead-freesoldering，thispapermainlyintroducesthedoing.
keywords:
trendProcesscharacteristicsEquipmentdefect
目录
1引言
2无铅焊接技术的简介及趋势
2.1无铅焊接技术的简介
2.2无铅焊接的发展趋势
3无铅焊料
3.1物理性能
3.2机械性能
3.3润湿性能
3.4可靠性
4无铅焊接的特点及工艺
4.1无铅焊接技术的工艺特点
4.2工艺窗口
4.3鉴于无铅焊料的特性决定了新的无铅焊接工艺
4.4焊接中的工艺应用
5设备的结构及控制要求
5.1回流焊设备
5.2预热方式
5.3锡炉喷口
5.4腐蚀性
5.5氧化
5.6焊后急冷却
5.7助焊剂
5.8控制
6无铅焊接技术中常见质量缺陷分析与解决方法
6.1焊缝成型差
6.2表面气孔
6.3表面夹渣
6.4表面裂纹
6.5虚焊
结论
致谢
参考文献
1绪言
在电子产品的生产过程中，无铅化生产已经越来越多地被采用。
熟练掌握无铅焊接技术，对于电子产品质量的提升有着重要的意义。
本文对无铅焊接在生产过程中遇到的一系列问题展开深入研究，讨论无铅焊接对于生产过程中各个环节的要求以及影响，分析问题产生的原因，最后根据所做的工作选择合理的解决方案，以期在无铅焊接技术方面有所成就
2无铅焊接技术的简介及发展趋势
2.1无铅焊接技术的简介
铅的特性及对人体的危害：
铅（leadPb），灰白色金属，熔点为327.5℃，加热至400～500℃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产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。
为此，世界各国已制定法律来控制铅等有毒物质的使用，欧盟于2002年10月完成的WEEE（WasteElectronicsandElectricalEquipment）废弃电子电机设备指令。
2003年2月13日公告危害物质禁用指令（RestrictofHazardousSubstance，简称RoHS），RoHS法令正式实施的日期2006年7月1日。
日本企业出于商业及市场的考虑，对电子制造的无铅化非常积极，并视之为日本产业界的一次巨大机遇。
日本已成为世界上无铅元器件、无铅材料和无铅系统产品的最大供货方，大多数电子加工商和组装厂在2001年就已经完成了无铅生产工艺的准备，从2003年到2005年，日本制造商将全面实现电子整机和相关组装件中的无铅化工作，2010年，只允许极个别的产品使用有铅工艺，到2015年，完全禁止铅的使用。
现在日本在无铅焊接技术上，已超过欧美，处于世界领先地位。
2.2无铅焊接的发展趋势
随着人类对自身健康意识的提高和全球范围内环保意识的增强，为了尽可能减少铅等重金属对环境的污染和对人类的的侵害，欧美国家在2006年7月1日起全面实行电子产品无铅化，中国也同样在2006年7月1日起要求投放市场的国家重点监管目录内的电子住处产品不能含有铅的成分。
因此电子焊接中所使用的焊料（焊锡丝、焊膏等）将逐步摒弃传统的锡铅合金而采用几乎纯净的锡。
当然不含任何杂质的锡是不存在的，目前国际上对无铅的标准尚无明确统一的定义，国际标准组织（ISO）提案：
电子装联用焊料中铅的含量应低于0.1WT％，不过在无铅焊料中通常会根据不同的产品要求，在锡料中参和一些铜和银等其他金属物质来增强锡丝的活性焊点的电气连接
3无铅焊料
在没有现成无铅工艺技术标准的前提下，将其与锡铅共晶焊料的指标一起比较
3.1物理性能
影响电子制造工艺以及其产品可靠性的焊料物理性能主要包括：
熔点温度（或液相线与固相线）、表面张力、密度、电阻率、热导率以及热膨胀系数（见表1）。
在熔点方面，低或越接近铅锡共晶焊料将越有利，可以降低高温对元器件、PCB的损伤以及减少能耗，这方面SAC合金具有一定的优势；这方面SnCu的较差，只能在波峰焊工艺上使用。
表面张力则会影响焊料的润湿性能，这方面SnAg合金较好，且由于银的抗氧化性能稍好，使得氮气保护对其无明显效果，因此使用该焊料可不必使用氮气保护，节约制造成本。
各无铅焊料在密度方面没有明显差异。
电阻率方面SnAg合金表现最好，造成传输信号的损失最小。
热导率越大焊点的散热越快，可以改善器件的可靠性，而热导率各候选者间则没有明显差别。
在CTE方面由于缺乏相关数据无法进行比较，但都比铅锡共晶焊料大，将会拉大对铜焊盘的差距，显然对疲劳寿命影响会增大。
表1部分无铅焊料的物理参数
性能参数
Sn3.5Ag
Sn0.7Cu
SnAgCu
Sn63Pb37
熔点（℃）
221
227
217
183
表面张力
（dyne/cm）
460（260℃，air）
431（271℃，air）
493（271℃，N2）
491（277℃，air）
461（277℃，N2）
51（Sn2.5Ag0.8
Cu0.5Sb）
380（260℃，air）
417（233℃，air）
464（233℃，N2）
密度（g/cm3）
7.5
7.3
7.5
8.4
电阻率
（μΩcm）
10.8
10～15
13
15
热导率
（W/cm.℃）
0.33
（85℃）
0.35
（85℃）
0.5
（30～85℃）
热膨胀系数
（CTE，ppm/K）
30
-
-
25
3.2机械性能
焊点的机械强度性能除了工艺的影响以外，主要由材料的性能来决定，材料性能中与焊点性能密切相关的主要包括抗拉强度、剪切强度与延展率，前二者主要影响焊点的强度以及PCBA互连的可靠性，而延展率则决定焊材在使用或加工时的适应性，各焊料的延展率均无明显差异，都可以满足制造与使用的要求。
但是机械性能或强度这方面，各研究报告给出的结果差别明显，可能是受工艺的影响的缘故。
表2可以看出，在强度方面，除了SnCu的抗拉强度较低外，其余无铅焊料差别不大，但基本都比铅锡共晶焊料的强，其实也就满足了替代锡铅共晶焊料的要求。
表2各无铅材料的机械性能（SourceFrom：
NPL）
性能参数
Sn3.5Ag
Sn0.7Cu
SnAgCu
Sn63Pb37
抗拉强度）Mpa）
35
23
48.5
46
剪切强度）Mpa）
*）1mm/min，reflow）
27
39*
20～23
28.6*
*
23
34.5*）60/40）
焊点）N/mm2，20℃）
27
23
27
23
焊点）N/mm2，100℃）
17
16
17
14
杨氏模量）GPa）
26～56
/
/
15.7～35
豫变强度
N/mm2
20℃
13.7
8.6
13
8.0
100℃
5
2.1
5
1.8
延展率）％）
39
45
36.5
31
3.3润湿性能
焊料润湿性能直接影响到焊点的可靠性，润湿性能通常用润湿力天平来测量并用润湿时间以及最大润湿力来表示。
IPC－SPVC用此方法评估了不同组成的SAC合金的润湿性，结果发现其中并无差异，见图1。
各候选合金与锡铅共晶合金的润湿性比较见图1，同样条件下其润湿能力按如下顺序增加：
SnCu。
同时也可以看出SnAg与SnAgCu相差甚微，高温时各合金的润湿性差异更小，特别是在波峰焊的温度条件下SnCu的劣势就更小，这就是该焊料在波峰焊工艺上得到广泛应用的主要原因。
图1不同组成的SAC的润湿性评估结果
3.4可靠性
焊点的可靠性一直是各电子制造商最关注的指标，焊料本身除了基本的性能指标外，本身无所谓可靠性问题，因此，都是通过相同的工艺制造成焊点后来比较其可靠性的。
焊点的可靠性一般是通过温度循环考察其疲劳寿命来表示，当然还有跌落以及震动的方式来评价。
由于影响焊点可靠性的因素非常多，且可靠性评估非常耗时，目前很难给出具体统一的数据来，IPC-SPVC第二阶段的研究结果也没有出来，因此根据对已有数据的分析，一般认为，焊点的疲劳寿命按如下顺序增加：
SnPb
4无铅焊接的特点及工艺
4.1无铅焊接技术的工艺特点
⑴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.
⑵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-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工艺窗口
简单来说，无铅的工艺挑战或工艺难处，在于其工艺窗口相对锡铅技术来说是缩小了。
例如器件的耐热性，在锡铅技术中一般为240℃，到了无铅技术，IPC和JEDEC标准中建议必须能够承受260℃的峰值温度。
这提高只是20℃。
但在合金熔点上，从锡铅（Sn37Pb）的183℃到SAC305的217℃却是提高了34℃！
这就使工艺窗口明显缩小。
使工艺的设置、调整和控制都更加困难。
如果不采用较高成本的低温无铅合金，你的最低温度（约235℃），几乎已经是锡铅技术中的最高焊接温度了。
而如果你采用美国NEMI的建议，也就是使用SAC305和焊接温度在245到255℃时，你的热-冷点温度窗口只有10℃，而在锡铅技术中这温度窗口有30℃之多。
无铅器件的耐热标准，目前多认同确保在260℃最高温度上，这距离推荐的SAC305合金的最高焊接温度只有5℃。
如果我们考虑测量设置的系统误差的需要保留6℃，以及业界许多回流的波动性时，我们根本无法使用高达255℃的温度。
4.3鉴于无铅焊料的特性决定了新的无铅焊接工艺
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
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。
无铅焊接要求的温度曲线分析见图2：
图2无铅焊接要求的温度曲线
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250±20℃（比有铅锡的温度要求更严），一般有高可靠要求的军用产品，△T＜30℃，对于普通民用产品，建议温差可放宽到△T2＜50℃（根据日本松下的要求）；预热温度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℃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℃）降至温度T4（100～150℃），建议按7～11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3～5S之间。
4.4氮气在焊接中的工艺应用
4.4.1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
4.4.2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
5设备的结构及控制要求
5.1回流焊设备的应用
⑴回流焊技术是应用回流焊对无铅锡膏进行回流的焊接技术。
传统锡膏的共晶成份是锡和铅，锡铅比为Sn63/Pb37的锡膏回流共晶温度为183℃，锡比为Sn62/Pb36加2％的锡膏回流共晶温度为179℃。
对于无铅锡膏，在合金成份中去掉了铅，接近共晶的合金是锡/银/铜合金。
多数无铅合金，包括Sn-Ag-Cu其熔点都超过200℃，高于传统的锡/铅合金的共晶温度。
这使回流焊接温度升高。
这是无铅回流焊的一个主要特点。
⑵传统的锡/铅合金回流时，共晶温度为179℃～183℃，焊接时小元器件上引脚的峰值温度达到240℃，而大元器件上温度210℃左右，大/小元器件温度差近30℃。
这个差别不会影响元器件寿命。
当使用无铅锡膏时，由于无铅锡膏的熔点温度高于锡/铅的共晶温度。
例如：
Sn/Ag成份的锡膏熔点范围是216℃～221℃。
这就使得被加垫的大元器件引脚温度要高于230℃以保证溶温，而小元器件引脚的峰值温度要保持在240℃左右，大小元器件的温度差小于10℃。
这是无铅回流焊的另一个主要特点。
⑶于无铅回流焊的主要特点，技术上要解决的主要问题是回流溶融温度范围内，尽可能小地减小被焊元器件之间的温度差，确保热冲击不影响元器件的寿命。
解决办法是先用多温区、高控温精度的氮气保护回流焊炉、精确调试回流焊曲线。
因此，在无铅回流焊的设计中，在各独立温区尺寸减小的同时增加温区数目，增加助焊剂分离及回收装置，设计新型中心支撑.
⑷流焊曲线调试应注意
①提高预热温度
无铅回流焊接时，回流焊炉的预热区温度应比锡/铅合金回流的预热温度要高一些。
通常高30℃左右，在170～190℃（传统的预热温度一般在140～160℃）提高预热区温度的目的是为了减少峰值温度以减少元器件间的温度差。
②延长预热时间
适当延长预热的预热时间，预热太快一方面会引起热冲击，不利于减少在形成峰值回流温度之衫，元器件之间的温度差。
因此，适当延长预热的预热时间，使被焊元器件温度平滑升到预定的预热温度。
③延长回流区梯形温度曲线
延长回流区梯形温度曲线。
在控制最高回流温度的同时，增加回流区温度曲线宽度，延长小热容量元器件的峰值时间，使大小热容量的元器件均达到的要求的回流温度，并避免小元器件的过热。
④调整温度曲线的一致性
测试调整温度曲线时，虽然各测试点的温度曲线有一定的离散性，不可能完全一致，但要认真调整，使其各测试点温度曲线尽量趋向一致。
5.2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.我公司特别是针对无铅波峰焊又开发一种新的控制方式：
自适应PID控温方式，解决传统固定PID及ON-OFF控制方式对温度的冲击，达到较佳的预热曲线，保证预热区与焊接取的温度下降值在30℃以内（如图3示）。
图3预热曲线
5.3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℃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。
5.4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。
5.5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质，而且使焊料成本浪费，尤其是对现在昂贵的无铅焊料。
多数设备厂家采用改善锡炉喷口结构来减少氧化物，当然最好的对策是加氮气保护，氮气保护系统设备前期投入较大，如果从长远利益考虑是合理的。
国内外佷多设备厂家都已推出氮气保护的波峰焊，技术已成熟。
5.6焊后急冷却
在无铅焊接工艺应用，通孔基板的波峰焊接时常常会发生“剥离”缺陷（Lift-off，或Filletlifting），产生的原因在于冷却过程中，焊料合金的冷却速率与印刷电路板的冷却速率不同所致。
无铅化推广前期，无铅焊料与镀有Sn-Pb的元器件会有一段时间共存，如果采用的是含Bi无铅焊料此种现象更为突出，解决对策是在波峰焊出出口处加冷却系统，至于冷却方式及冷却速率的要求要根据具体情况而定，因为冷却速率超过6℃/SEC.设备冷却系统要采用冷源方式，大多数采用冷水机或冷风机，国外的研究有提到用冷液方式，可达到20℃/SEC.以上的冷却效果，成本非常高，对于大规模电子产品生产厂家是无法承受的，属于早期实验，真正被推广应用的，在日本大多数厂家采用全无铅化方案（焊料/元器件/基板等全部无铅化），设备冷却结构采用强制自然风冷却，对于国内电子产品生产厂家，建议采用Sn-Ag-Cu合金或Sn-Cu合金的焊料，快速冷却速率控制在6～80℃/SEC.或8～120℃/SEC，冷却方式采用自然风强制冷却或带冷水机冷源的方式。
5.7助焊剂
无铅焊料的特殊性，在焊接工艺中必须是对应的助焊剂相匹配，基于环保的考虑，醇类溶剂的降低使用，逐步推广VOC-FREE环保助焊剂。
由于无铅焊料润湿性差，克服焊接缺陷在佷大程度上要通过助焊剂成分及喷雾方式来改变，传统的发泡是喷雾结构已不适应现在的工艺，喷雾结构一些设备厂家经过改良，一些厂家喷雾移动采用步进马达方式，助焊剂供给采用衡压系统，强力抽风过滤系统，目的是使喷雾效果均匀，降低挥发性物质的排放量。
5.8控制
控制系统发展的方向主要是数字化控制及管理。
控制系统除了要求对运输速度、助焊剂涂敷均匀度、预热温度，锡炉温度、冷却速度等精确控制外，还应该对生产过程中所有的工艺参数（运输速度；助焊剂涂敷厚度、浓度、宽度、角度；预热温度；锡炉温度；冷却速度；氮气浓度等）均实现数字化控制，便于参数的重复利用。
我公司推出的WS系列无铅波峰焊均以数字化控制为核心目标，采用人机界面或工业控制计算机对生产过程进行监控，不但能监控、PCB参数、机器参数、PID参数、温度参数，还支持参数设定、打开、保存，方便参数的重复利用，最大限度的减少机种更换时调整参数的时间。
在全电脑控制的机型上，随机自带了无铅焊接非常关心的温度曲线测试及分析功能，能测试并分析3条温度曲线的预热时间，预热斜率，预热温度，波峰1时间，波峰2时间，波峰1温度，波峰2温度，跌落时间，跌落温度，冷却时间，冷却斜率，超出时间等，并支持温度曲线测试、打印功能，无铅焊接所关心的所有参数都能一目了然。
控制系统发展的另一个方向是客户成本概念。
客户成本是指客户在生产过程中生产一定数量的产品所消耗的材料，时间，能源等。
我公司的产品一直遵循最大限度降低客户成本原则，从助焊剂消耗，焊锡氧化量减少，电量损耗，氮气损耗等方面进行综合控制，达到节约客户成本的目的。
无论生产焊料的厂家，还是生产设备的厂家，推出的产品既要符合焊接工艺又要兼顾最终用户的成本投入，随着技术的发展，无铅焊接工艺
6铅焊接技术中常见质量缺陷分析与解决方
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