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谢健浩—ERSA亚太区办事处副总经理
随着无铅工艺的日趋成熟，目前，大多数制造商 的工作重点已经从简单地实施无铅生产转变为 如何从设备、材料、质量、工艺和能耗等各个方面整体提高无铅组装工艺水平的新阶段。
焊接是顺利实现无铅工艺转换的关键
首先，让我们从整条SMT生产线的角度，来考察一下 无铅工艺所带来的影响和变化： 通常，一条SMT生产线是由丝网印刷机、贴片机和回 流焊炉等三类设备组成（目前，将AOI和AXI结合到SMT生 产线中已成为一种趋势，但本文对此不进行讨论）。对于 贴片机而言，无铅和锡铅工艺对设备本身没有提出什么 新的要求；对于丝网印刷机而言，由于无铅与锡铅焊膏在 物理性能上存在着某些差异，因此对设备提出了一些改进 的要求，但并不存在质上的不同。因此，无铅化带来的挑 战，对设备来说，主要是在回流焊炉上。
大家知道，锡铅焊膏（Sn63Pb37）的熔点温度为 183℃，如果要形成一个合格的焊点，就必须在焊接时 有0.5～3.5um厚度的金属间化合物（IMC）生成。形成 IMC的温度为熔点以上10～15℃，对于锡铅焊接而言，也 就是195～200℃，而PCB上电子元器件的最高承受温度一 般为240℃。因此，对于锡铅焊接，理想的焊接工艺窗口为 195～240℃。
在无铅工艺中，由于无铅焊膏的熔点发生了改变， 给焊接工艺带来了很大的变化。目前常用的无铅焊膏为 Sn96Ag0.5Cu3.5（SAC305），熔点为217～221℃。合 格的无铅焊接也必须形成0.5～3.5um厚度的IMC，IMC的形成温度也必须在熔点温度之上10～ 1 5 ℃ ， 对于无铅焊接而言也就是 230～235℃。由于无铅焊接电子元器 件的最高承受温度并不会发生变化，因此，理想的无铅焊 接工艺窗口为230～240℃。
工艺窗口的大幅缩小给保证焊接质量带来了很大的 挑战，也对无铅焊接设备的稳定性和可靠性提出了更高的 要求。由于回流焊设备本身存在着横向温差，加之电子元 器件由于热容量上的差异在加热过程中也会产生温差，因 此，在无铅回流焊工艺控制中可以调整的焊接温度工艺窗 口变得更小，这是今天无铅回流焊的真正难点所在。
具体的锡铅与无铅回流焊工艺窗口比较如图1所示。
无铅回流焊的难度促使很多电子制造商在转入无铅生 产后考虑更新回流焊炉，那么选择无铅回流焊炉究竟需要考 虑哪些新的因素？日趋成熟的无铅工艺又对回流焊炉提出了 哪些新的要求呢？本文将从以下几个方面来加以分析。
对设备性能的要求
更小的横向温差
由于无铅焊接工艺窗口很小，因此，回流炉内的横向 温差控制就变得非常重要，而横向温差一般受以下四个因 素的影响：
• 热风传送方式
目前主流的无铅回流焊炉均采取100%全热风的加热方 式。虽然在回流焊炉的发展进程中也出现过红外加热的方 式，但由于红外加热存在不同颜色元器件的红外吸收反射率 不同，以及由于相邻元器件遮挡而产生“阴影效应”，而由 此产生的温差可能使无铅焊接存在跳出工艺窗口的风险，因 此，红外加热技术在无铅回流焊炉中已被逐渐淘汰。
在无铅焊接中，需要重视热传递效率，特别对于大热 容量的元器件，如果不能得到充分的热传递，就会导致升温 速度明显落后于小热容量元器件，进而导致横向温差加大。 图2和图3给出了两种不同的热风传送方式。
图2中的热风是从加热板的孔中吹出，热风的流动没有 明确的方向，因此热传递效果不佳。
图3是采用了定向多点喷嘴的热风传送方式，使热风的 流动集中且有明确的方向性，热传递效率比图2的传送方式 增加了15%左右。热传递效率的增加对减少不同热容量元 器件的横向温差会起到较大的作用。
图3的设计不仅使热风的流动具有明确的方向性，还可 以减少侧向风对线路板焊接的干扰，在最大限度地减少线 路板上0201等微小元件被吹跑的同时，还降低了不同温区之间的相互干扰。
• 链速的控制
链速的快慢也会影响线路板的横向温差。常规情况 下，降低链速会让大热容量的元器件有更多的升温时间， 从而使横向温差减小。但是，炉温曲线的设置更多地取决 于焊膏的要求，所以无限制地降低链速在实际生产中是不 现实的。
• 风速与风量的控制
我们做过这样一个实验，保持回流焊炉内的其他条件 设置不变，只将炉内的风扇转速降低30%，线路板上的温 度便会下降10℃左右（图4）。由此可见，风速与风量的控 制对炉温的控制是非常重要的。
为了实现对风速与风量的控制，需要注意两点：
1. 风扇的转速应实行变频控制，以减小电压波动对它 的影响；
2. 尽量减少设备的抽排风量，因为抽排风的中央负载 往往是不稳定的，容易对炉内热风的流动造成影响。
• 设备的稳定性
即使我们获得了一个最佳的炉温曲线设置，但要实 现它，还是需要用设备的稳定性，重复性和一致性来给予 保证；特别是无铅生产，炉温曲线如果由于设备原因稍有漂移，很容易跳出工艺窗口导致冷焊或元器件的损坏。所 以，越来越多的产品制造商开始对设备提出稳定性测试的 要求。
能够使用氮气
无铅时代的到来使回流焊是否充氮变成了一个热门的 讨论话题。
由于无铅焊料的流动性、可焊性、浸润性都不及锡铅 焊料，尤其是当电路板焊盘镀层采用OSP工艺（有机保护 膜的裸铜板）时，焊盘容易氧化，常常造成焊点的润湿角 太大和焊盘露铜等现象的发生。
为了提高焊接质量，我们有时需要在回流焊时使用氮 气。氮气是一种惰性保护气体，可以保护电路板焊盘在焊 接中不被氧化 ，对提高无铅焊料的可焊性起到明显的改善 效果（见图5）。
尽管不少电子产品制造商出于运行成本考虑目前暂时 没有使用氮气，但是，随着对无铅焊接质量要求的不断提 高，氮气的使用会越来越普遍；所以，比较好的抉择是在购置设备时留有充氮接口，以满足未来充氮生产的要求。
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