原创 无铅波峰焊接PCB行之有效工艺探索和讨论

无铅波峰焊接PCB行之有效工艺探索和讨论

无铅工艺势头正猛，许多工程师正努力建立即能保持产量又能提供可靠装配的波峰焊接PCB工艺。过去五年中有关这方面内容已发表有不少文章。如今替代含铅焊料合金选择已不存在什么问题，他们正千方百计努力使其成功地变成现实。

一旦选定了无铅合金，必须在对合金理化性能透彻了解后，方能实现可靠焊接。然而这仅是问题的一个方面，还必须在构件电路板、化学材料和设备供应商之间建立牢不可破关系。这些关系之所以重要，每个供应商都应明白装配工需求，所推荐的材料设备及其在装配中发生的化学性能变化最终必须达到可靠生产无铅电子产品的目的。

本文将进一步审视建立可靠波峰焊接PCB作业程序中的关键因素，并对下列问题作具有一定深度回答。

可靠无铅波峰焊接PCB的关键工艺要求

无铅波峰焊接PCB可完全达到安全可靠，目前亚洲也大规模这样做也有了一段时间。与表面安装工艺和手工焊接作业相比，无铅工艺中实行无铅波峰焊接PCB中需求更强烈些。对波峰焊各个方面内容扎实理解还有很长路要走，除降低焊接执行时间外，还需保证可靠穿过孔眼接头和产量损失保持在规定范围内。

传统含铅波峰焊接PCB中使用的63/37焊料表面张力相对较低，构件都有锡和锡铅涂层，使用的是技术完全成熟焊剂，这样的波峰焊接PCB是不可挑战的。然而无铅焊接情况却完全不一样，需重新审视焊接中基本原则。

波峰焊接PCB设备必须能与无铅兼容。由于无铅合金锡含量较高，如锡银铜合金，这样铁的沥滤成了问题，需解决熔锅、推进叶轮、导管等材质防止化熔问题。根据熔炉大小和结构特点这笔资本投资花费1.5万至2.5万美元之间或更多。

无铅波峰焊接PCB转换过程中，合金选用是关键，它直接影响焊接接头质量、性能可靠性及产品产量。大多数装配工在含铅焊料更换中选用锡银铜合金。全球常用焊料配方锡96.5银3.0和铜0.5，即有名的SAC305合金，熔点在217至220°C，而传统63/37合金熔点为183°C。这些合金熔点高，然后表面张力也高。

有些制造商选用锡铜合金，含锡量99.3，铅含量0.7。另外还加夹微量镍、银、铋及其它元素。合金不含银，价格通常比SAC合金低。

锡铜合金熔点虽在227°C，但用不同表面诸如银1毫米，金/镍和光铜OSP证明，锡铜合金能降低浸湿力，波峰焊接PCB生产中这种力转化为较长接触时间的焊接填孔。由于熔点高要求熔炉也就略高些。SAC合金熔化温度在255至260°C；锡铜合金需在260至270°C。在某些条件下，有些装配工使用锡铜焊料时温度达到275°C。由于温度高在电路板和底侧应力也就大，从而提高了构件可靠性。

当温度升高时焊锡炉温度在孔填中
起到重要作用。上面右图3张照片使用
SAC焊料时焊接温度从240、250°C
升至260°C时孔填情况。

能与锡含量较高焊料兼容材料有渗氮钢、钛钢、铸铁或陶瓷涂层。提醒采用波峰焊接PCB机制造商，在考虑部件设备兼容同时，同时也必须考虑部件可更换性。较老的设备容易发生这样情况。铸铁一般用于较小的浸渍熔炉，基本不会受含锡较高焊料合金影响。

不锈钢焊锡炉中锛铁典型腐蚀情况。铸铁已溶蚀进入在无铅焊料，并形成铁锡晶体，造成粘度增加对焊接流产生干扰。

不锈钢熔炉材料铁腐蚀 波峰炉装置腐蚀

焊剂选择是无铅波峰焊接PCB中关键一步。通过焊剂制造商可对焊剂活性和热稳定性进行优化，从而使孔填时缺陷达到最低。由于无铅焊料与63/37传统比较具有较大表面张力，浸润性能较慢，因此焊剂起到重要作用。多数在63/37焊接中使用的焊剂在无铅时孔填都不适用，因为没有考虑增加焊剂量或使用较长的接触时间。为63/37系统设计的焊剂虽然也能工作，但传送带速度应不得不完全下降，从而对产量产生影响。

无铅波峰焊中典型波峰焊接PCB应具下列特性

在较高熔炉温度条件下具有较高稳定性
预热达130°C以上仍有稳定活性
具有持久活性使焊料有较长接触时间
较高温度下树脂不变色
使用中如含有水清洗成份，高温后应仍保持不变
在厚电路板装配中酸度值和固含量较高
据证明，具有较高活性和固含量的液态焊剂与无铅焊料一起使用表现较好性能。准备焊接后清洗残剩焊剂具有水洗性焊剂包含有较高程度活性因子和具有更多侵蚀性成分，并已证实在无铅中具有最佳孔填效果，包括如光铜OSP比较困难的表面。活性因子含不明显的腐蚀，即使接触时间较长和在无铅焊接温度较高条件下，也能较好清除全部氧化物。因为在这些焊剂活动因子通常超量的，具有足够的活性成份，使表面氧化保持最小，无铅表面张力达最低值，从而保证充分浸润和孔填。

新型配方无铅专用无清洁液体焊剂也具有同样好的效果。这些新型无清洁可提高活化因子组合能力，在较高温度预热和熔炉温度条件下显示热稳定性。在焊接中保持较长接触时间，电路板在波峰中显现时仍具活性，从而降低桥结发生促进较好孔填，焊剂这种性能称为持久活性。

无铅焊料波峰焊接PCB时，全球趋势采用无VOC焊剂。它可提供完全的"绿色"波峰焊接PCB作业。无VOC焊剂无铅或固含量在4%范围内，或更高仍表现最佳性能。当然焊剂喷雾器和对流加热器对水基焊剂再理想不过了。这些材料合适预热条件下，在波峰进入前去除水分是关键吗？你自问一下这个问题十分重要：那么请回答我预热工作做得是否充分？

电路板和构件表面处理选择是另一个选择参数，它直接影响性能的可靠性和产品产量。含铅或钛部件表面处理可能引起角焊缝上提，在纯锡设计中覆盖铜上镍阻挡层上仍可发现构件中铅存在。这样可以防止晶须生长。这是一种非常简单需焊接的金属表面处理方法，在一定控制条件下具有理想的搁置时间。

根据欧洲绿色电子产品规定，焊接接头中含最大允许含量为0.1%。含铅轴承终端在焊料熔炉中增加铅的承载，造成不符合绿色规定结果。如果铅超过0.1%标准后，唯一办法只有增添新焊料进行稀释，这是即费事又非常危险的。

锡层表面处理电路板具有最好焊接效果。在镍表面处理层上覆盖金层或银浸渍同样具有良好焊接效果。如用光铜OSP配用无清洁焊剂，在浸润平衡测试中润浸值最低。现已证实厚度超过0.093英寸光铜电路板用无铅焊料焊接很困难。尽管困难较大，但较厚电路板也不是完全不可能的，只要调整波峰程序参数或焊剂化学性能即可取得理想孔填效果。

用无铅合金如：锡银铜或锡/铜，焊接裸铜OSP时，可按下列要求来提高孔焊缝性能。
降低输送速度，以增加焊料接触时间
增加应用的焊剂量，减少气刀压力
采用更灵活的焊剂系统，比如可水洗的或固体含量更高的、无需清洗的焊剂
提高焊料泵的转速，以更快地把焊料推进桶里。
把焊锡炉温度提高5-10°C
采用固体含量更高的、酸值（毫克 KOH/焊剂的克数）更高的焊剂
上述许多要点适用于孔焊接不充分的情况，也适用于无铅的和含铅的波纹焊接系统。

无铅波峰焊接PCB的主要问题是增加了焊接缺陷的可能性。在欠优化的波峰焊接PCB工艺下会出现下列缺陷。

没有润湿
焊料不足够
反润湿
产生锥状焊缝
虚焊
粒状焊缝
砂眼
焊球
焊脚过高
孔焊接不充分 SMD底部铜溢出

最常出现的缺陷有：焊料不足、漏焊、孔焊接不充分、出现粒状焊缝。这些缺陷是由各种问题引起的，然而，如果采用无铅合金、较低润湿程度的焊料并提高焊锡炉温度，对降低这些缺陷会起到很大作用。如果问题仍然存在，应降低输送速度来增加焊料接触时间，从而提高孔焊缝性能。

在焊锡炉上采用氮会减少氧化物的形成，同时会提高焊料润湿程度。氮减少了板上和部件上氧化物的形成，降低了无铅焊料的润湿程度，这是有利的。如果采用无需清洗的焊料，这一点会更突出。

左图表明了在波峰焊接PCB上采用氮气防护时氮对部件（与上面见到的部件一样）的影响。在上图中可看到铜在焊接铅周围溢出，采用氮时铜就不会溢出了。

氮对裸露的铜组件特别有益，波峰焊接PCB前的多步加热循环可证明这一点。氮会减少跨接未焊透、产生锥状焊缝的缺陷。对较厚的板件，采用氮也会得到性能较好的孔焊缝。

氮用在焊锡炉上

下图显示了SMD底部较好的焊接，另一副图显示了采用无铅焊料焊接时所产生的锥状焊缝。由于无铅焊料的表面能更高，比如SAC 基和 锡铜基的合金，产生锥状焊缝的可能性更大。为了避免这种状况，应确保焊剂有较好的可持续的活性，因而焊剂仍留在板的出口点，以便焊料更容易剥离。采用低残渣无清洁的焊剂时这种缺陷更常见。

焊接较好的SMD底部 用无清洁ROLO焊剂时SMD上产生的锥状焊缝

在IPC-610D第5部分里列出了各种优良的无铅焊缝图，也列出了一些不规则的焊接例子。值得一提的是热撕裂/缩孔。在波峰焊接PCB的焊缝上会看到这种收缩效应，有时在手工焊接的焊缝上也可看到。表面收缩效应不是一种缺陷。

 左图显示了波峰焊接PCB后在锡-银-铜焊料上出现的热撕裂效应。这种撕裂效应不会出现在所有焊缝上，但采用锡含量较高的焊料时会出现。这是由于焊料进入焊缝时快速冷却引起的。在63/37焊缝上没有这种效应。
为了判断大范围热循环条件下这些裂缝的影响，目前正进行进一步的研究工作。那时它们对可靠性来说不再是个问题。波峰焊接PCB项目目前处于施工阶段，该项目会通过iNEMi进一步检查该效应，且在今年会对此做出报道。

无铅波峰焊接PCB的优化

工程师必须考虑到各种因素，如何优化波峰焊接PCB呢？采取哪些步骤来实现可靠的无铅通孔焊缝呢？

具体过程可归纳如下:

与供应商协调，以保证设备不含铅
对无铅部件和无铅板做好标记，与供应商紧密合作
选择无铅焊料，比如SAC305、锡/铜或其它相应的焊料
选择化学性质满足无铅要求的焊剂，首选无VOC的焊剂
进行试验设计
决定最佳的参数设置，以便实现最佳的润湿和孔焊缝
建立一台无铅波峰焊接PCB，规划工艺和统计上的限制
确保无铅材料与含铅材料完全隔离
建立一套与手工焊接兼容的工艺和再加工工艺
培训所有波峰焊接PCB工人，培训内容包括新工艺和质量合格准则
这些过程当中，无铅部件的判定以及在装配线上对这些部件进行标记需要最多时间。大多数部件具有无铅表面，比如电路板，但有时它们含铅。与部件供应商合作，以便获取到无铅零件，这可能需要几个月的时间。

所选的合金及其温度对各种涂层的焊接性能有影响，这是要确定的最重要的参数。应避免温度过高，除了前面提及的原因外，还可避免金属间过度成长以及终端贱金属的分解。

较低焊锡炉温度 较高的焊锡炉温度（275°C）

如果设备已是无铅的，下一步要选择焊剂类型，与化学品供应商紧密合作，获取焊剂的焊接性能、焊剂与不同表面上的特定合金如何作用的有关资料。各种金属表面上无铅焊料的分布情况有助于工程师得出不同板表面的焊接工艺中要考虑的问题。

在试验的初步设计阶段，应决定下列工艺参数:

焊料合金
焊料温度
焊剂类型
焊剂量;是否采用气刀
预热要求
焊锡炉是否采用氮防护
输送速度和接触时间
孔焊透最低要求
如果采用无需清洗的焊料，残渣与ICT的兼容性，
如果需用水清洗，清洗工艺参数，
有时焊剂残渣会聚合成较硬的晶体材料，这会对探测器测试和残渣清洗造成影响。然而，较高的焊料温度和较长的接触时间起到了很重要的作用，这是比较独立的化学性质。如果有时在水清洗系统中采用了清洁剂，那需要选择满足无铅清洗的清洁剂。许多焊料公司与清洁剂的制造商对他们新焊剂的清洗效果进行了评估，所以首先要征求他们的意见。

在无铅波峰焊接PCB初始安装阶段，可进行含铅、无铅波峰焊接PCB操作。

应避免交叉污染，这是很重要的，无铅焊料在颜色上与63/37含铅焊料相似。理想无铅焊料棒的形状和标记应是独特的，且应采用标签独特的盒子来包装，以免造成重大差错。

目前对铅含量的协议是保持焊锡炉里的铅含量不超过0.3％，以免出现可靠性问题。

另外，无铅焊缝的铅含量不能超过0.1％，这值得我们引起注意。这就不允许波峰焊接PCB的焊锡炉里含有太多的含铅杂质。

无铅波峰焊料棒包装

应采用积极措施来隔离焊锡炉里的残渣或氧化物。有时候一些公司采用红色的或黑色的桶来容纳含铅氧化物，采用绿色的或白色的桶来容纳无铅氧化物。

无铅氧化物的价值比63/37高不少，应保持对它们进行隔离，这可确保卖掉它们以循环使用时获得最高的回报。建议对波峰焊接PCB贴上"无铅"的标签，以免混淆。同样需要对焊接板进行标记，以便判定哪些板是无铅的还是含铅的。这对再加工和现场维修非常重要。

通过适当的注意和系统的方法，无铅波峰焊接PCB很容易实现。通过各种出版物和网站，可获取到大量的关于"如何实现无铅波峰焊接PCB"的资料。