无铅技术现状及过渡阶段应注意的问题

　　概述
　　随着人类对环境保护的要求日益严格，电子装联技术向无铅化的方向发展已是必然，欧盟在2003年最终通过了《关于报废电子电气设备指令》（WEEE）、《关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令》（RoHS）两项法令，于2006年7月1日起施行。我国信息产业部于2004年2月24日通过了《电子信息产品污染防治管理办法》，其主要内容与欧盟指令类似，并于2007年3月1日起施行。
　　无铅焊接技术使用焊接材料为无铅焊料合金，这类焊料的熔点均高于共晶的锡铅焊料，就意味着焊接温度的提高带来了元器件焊装要承受过高温度的不利影响，同时，无铅焊接的可焊性及形成焊点可靠性尚存在不如有铅焊接的问题，成为制约在军事、航空航天或某些特定领域的电子产品应用的重要原因。
　　但是，我们现在和以后相当长的一段时间面临的问题是：我们选用的进口集成元器件，能采购到的大多为工业级、甚至为民用级，出现了有铅和无铅器件并存的现象，工艺性复杂了很多。单纯按照有铅工艺组装，不仅不能确保其焊接质量，有效避免焊接缺陷，而且从战略武器使用的环境条件及贮存寿命要求角度来讲，产品的焊点可靠性也无法保证。
　　现状分析
　　无铅焊料合金的现状
　　目前已知的无铅焊料多达几十种，所用的合金材料的成分包括两元系、三元系以及多元系。但概括起来，大多数都采用以锡Sn为主，适当添加银Ag、锌Zn、铜Cu、锑Sb、铋Bi、铟In等金属元素所组成，且主要通过焊料合金化来改善合金性能，得到理想的机械、电气和热性能。全球无铅焊料应用较广泛的主要有五大系列无铅合金焊料，分别是Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Bi系、Sn-In系以及Sn-Zn系。最常见的无铅焊料主要是以Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi为基体，在其中添加适量其他金属元素所组成的三元合金和多元合金。
　　无铅工艺技术的现状
　　焊料合金和元器件引线及印制板镀层的无铅化，导致无铅焊料熔点的提高带来的主要问题是缩小了焊接工艺窗口，对电子装联生产线再流焊接工序、波峰焊接工序、手工焊接提出更高要求。随着无铅焊料合金及无铅焊接关键技术的突破，目前国际上各大设备生产厂商推出了多种规格的无铅再流焊机、无铅波峰焊机及用于无铅手工焊接的PID控温烙铁。从硬件上为无铅工艺技术的广泛应用奠定了基础。
　　据了解，国内各大型生产出口产品企业在多年前就开始积极跟踪和了解全球各国（特别是欧盟）对环保产品的要求，在积极跟踪和了解铅、汞、镉六价铬、多溴联苯、多溴二苯醚等六种有害物质替代材料和替代技术的基础上，各自开展了小批量的替代技术论证和实验，取得了一些基础的工艺实验数据，并在设备引进和相关技术改造中，立足于无铅工艺技术的要求。
　　国内军工行业无铅焊接工艺现状
　　目前国内军工行业在无铅焊接工艺方面遇到的问题和我们大体相同，一方面，由于其电子产品的特殊性，重要性，对产品在不同使用状态、使用环境的可靠性有很高要求，一个焊点故障可能导致产品失效，甚至整个试验受挫，造成巨大损失。而无铅焊接工艺属于新兴的工艺技术，从目前国际上的焊接材料发展水平看、在不同环境下对材料性能的认识及工艺能力等方面还远未达到对锡铅焊接技术掌握的水平；另一方面，国内军工行业在部分新研制型号、预研及高新项目中设计人员为保证产品性能，选购了国外集成电路芯片，由于目前欧盟、美国、日本等发达国家除军品级元器件采用有铅镀层外，其工业级和民用级元器件引出端均采用无铅镀层和焊球。而国内只能采购到其工业级或民用级元器件，这就导致国内部分军工行业被迫在有铅工艺设备的条件下，在电路板组件上装联国外无铅器件，由于无铅焊料合金与锡铅焊料合金性能存在巨大差异，目前国内军工单位只是在装联工艺技术采取一些应对措施，解决无铅器件在有铅工艺条件下装联问题，对于无铅器件与有铅焊料及印制板镀层进行焊接的兼容性、产品可靠性问题，由于涉及的因素较多还没有深入研究，而且有些结论还赖以长期的实验数据。
　　有铅向无铅过渡阶段需要注意的问题
　　明确采购元器件的属性
　　我们知道，有铅焊料和无铅焊端混用效果最差。如果遇到了无铅元器件而生产前没有发现，生产中还是采用有铅焊料和有铅工艺，将会出现大量的焊接缺陷，造成产品质量不合格甚至批报废。因此，我们在备料时要注意元器件的焊端材料是否无铅，如果是无铅元器件，一定要弄清楚是什么镀层材料，特别是BGA/CSP和新型封装的器件。
　　注意PCB导电图形表面保护层种类
　　导电图形表面保护层特别是焊盘表面的保护层种类也会影响焊接的质量。生产前应明确PCB表面保护层特别是焊盘表面保护层的种类，了解其使用条件和优劣势，目前应用较多的保护层有Sn-Pb HASL、浸Ag、浸Sn、OSP和ENIG这五种。
　　再流焊接炉温曲线设置
　　再流焊接炉温曲线的设置是非常关键的，直接影响焊点的质量和可靠性，因此必须反复试验、多次测量，找出最佳的曲线设置。炉温曲线设置时主要考虑以下几点：
　　为了避免锡须的出现，降低回流焊工艺中引入的温度应力问题，炉温曲线宜采用斜坡升温模式，而不是传统的平台升温模式。
　　应考虑到部分有铅元器件、连接器以及PCB板的耐高温问题，峰值温度宜尽量低于245 ℃，最好在235 ℃～245 ℃之间。
　　考虑PCB板表面各点温度的均匀性要求、以及在较低峰值温度下实现较长的熔化时间（40 s～70 s），适当降低链条传输速度。
　　升温斜率尽量控制在2.0 ℃/s左右，减少锡球的形成。
　　波峰焊接工序
　　波峰焊接过程是基板焊接部分加热，元件的本体一般不与焊料接触或接触时间较短，对元器件来讲耐热性基本没有问题，波峰焊接工艺中应注意的问题是焊料的润湿性、PCB板变色变形以及锡杂等问题，并尽量降低热冲击的影响。