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随着无铅化的日益临近，2005年将是无铅化“爆炸”的一年，在此形势下，行业内企业将面临更大的机遇和挑战。在电子组装业中，锡和铅的组合体已经成为了占主导地位的合金。但人们对应用无铅化合金的要求不断增强，近来随着有关技术朝向采用无铅化合金方向迈进，将会给所用焊接材料以及整个工艺处理过程带来冲击，从而引发焊接技术的变革。
对于表面贴装技术（SMT）而言，占主导地位的无铅合金是由Sn95.5/Sn3.8/Ag0.7所组成的。含高成分的锡会生产焊锡氧化物，如果采用现有的适用于具有低共熔点铅锡合金的助焊剂化学物，将无法很快地将它们清除掉。为了能够实现与低共熔点铅锡合金相同的润湿效果，需要采用更多富有创新效果的化学助焊剂。助焊剂残余物的出现和程度大小，与采用常规低共熔点铅锡合金焊接工艺处理所呈现出的结果会不同。如何在装配过程中能够实现真正意义上的免清洗工艺？现有的电子装配清洗工艺技术将要进行哪些变革？为了能够实现高可靠性的装配，需要采用清洗工艺，而由于需要采用更高的回流焊接温度，所以助焊剂残余物的清除会是非常困难的一件事情。
一、无铅焊料的选择
在选用无铅焊料的过程中，所涉及到的清洗方面的第一步是尽可能多的从不同的来源处搜集、评估相关的数据和资料，而不管自身是否会采用该材料、技术、何时会采用以及产品竞争情况等等。能够提前知晓有关行业发展的情况是非常重要的。
现涉及到的主要问题有：
1. 因为要采用较高的工艺操作温度，所以要考虑材料的适应性。
2. 如何调整设备和工艺规程以适应较高的焊接温度。
3. 在实现无铅化焊接的过程中，所采用的工艺操作空间是非常窄的。
4. 如何优化波峰焊接工艺操作
5. 可以获得的无铅材料
6. 可能需要对X射线检测方法进行改善
7. 可能需要对清洗工艺规程进行修改
8. 要考虑许多不同的合金材料
9. 没有其它办法来替代高温合金（高铅）
10. 如何实现无铅化电路板的表面处理
所受到的限制因素主要有：
1. 缺少对相关设备和工艺规程进行修改的资料。
2. 对于有关无铅化技术的问题和所涉及到的相关内容知之甚少。缺少可靠的数据。
3. 对有关的问题、时间周期和所涉及到的复杂性都缺少详细的认识。
目前有多种无铅化焊接材料正在开发研制中，己经有超过100项的各种合金材料的专利在实际应用中实施。尽管说这些合金材料还没有完全可以从市场上采购到，但它们展示了一个非常宽泛的选择来源。要回答“哪一种无铅焊料是最好的？”是很困难的，因为还没有一种与铅锡合金具有完全相同的熔化温度，以及出于在成本、润湿性和强度性能方面考虑可以完全替代的材料。
区分可以获得无铅合金的最方便方式，首先是考虑它们的熔化温度。最大程度上要符合下面几种类型中的一种：较低的熔化温度(低于180°C)，熔化温度相当于铅锡共熔点合金(180°-200°C)，中等范围的熔化温度(200°-230°C)，以及较高温度的合金(230°-350°C)。通过对合金材料将要遭受到的操作温度的考虑，以及所用元器件所能够承受的最高温度限制，或者有关连接方面的限制，那么具有最佳熔化温度点的合金就可以被发现了。
为了能够满足接下来的特定的焊接操作，有时可以考虑采用低温合金材料。这些焊接材料所采用的基础材料是锡，另外还添加了相对较多的鉍或者铟。锡—鉍和锡—铟共熔合金是最常见的例子。无法指望具有较低熔化温度的共熔合金在较高的维修温度下面能够提供可靠的连接点。鉍和铟的供应商也很有限，这种共熔合金很少提供给广大的焊料市场。对于一般的焊料市场而言，铟的现行价格显得太高了。
目前所知道的较好的无铅焊料，以及那些正在开发研制过程中的焊料一般是由复杂的四种成份所组成，它可以达到中等的温度范围。这些混合材料的绝大部分是由基础材料锡，再加上铜、银、鉍和锑所组成。它们无法作为完全的替代物，这是因为它们的熔化温度比起铅锡合金来要稍稍高一些。在这个熔化温度范围内的合金将用作满足一般目的的无铅焊料。Sn95.5/Ag3.8/Cu0.7对于用于回流焊接来说是首选的合金材料，这是因为它们在焊接实施过程中要做的变动不是太大的缘故。
最后一组合金是那些归类为熔化温度超过230°C的高温焊料。在该温度范围内以往一般采用含铅量高的焊料，在该范围内可供选择的无铅焊料数量非常有限。
锡-铜(Sn99.3/Cu0.7)是可以获取的最便宜的无铅焊料中的一种。正是由于如此，所以它受到许多公司的亲睐，特别是首先考虑采用波峰焊接进行操作的那些公司。
它的不利一面是，Sn/Cu合金具有较高的熔化温度(共熔点为227°C)，以及它所具有的机械性能较差。对共熔合金来说，它们发生共熔时最好是在一个温度点上，而不是在一个温度范围段内，这样可以在工艺操作实施期间减少元器件的位移现象出现。
锡/银(Sn96.5/Ag3.5)合金也是一种可靠的合金，作为无铅焊料的使用己经有很长的历史了。它拥有优良的机械性能，与Sn/Cu合金相比具有良好的可焊性。它也是一种共熔合金，熔化温度在221°C。对Sn/Ag合金的热疲劳测试也常常展示其可靠性方面超过Sn/Pb合金。
锡/银/铜(Sn95.5/Ag3.8/Cu0.7)三元的共熔合金产品己经开发了出来，它作为锡/银（Sn/Ag）基合金的改良产品。几年前人们才认识到Sn/Ag/Cu合金可以形成一种三元共熔合金，它的熔合温度可以做到比Sn/Ag合金低(可以为217°C)。为了能够达到这一目标需要精确的合成，这仍然是一个有争议的问题。因此Sn/Ag/Cu合金适合于作为满足常规目标的焊料，以及适用于需要较高维修温度的应用场合。
锡/银/鉍(Sn93.5/Ag3.5/Bi3)合金也拥有较低的共熔点，可以提供优良的可靠性。采用Sn/Ag/Bi为基础的合金的可焊性一般被认为是在无铅合金中是最好的。在以Sn/Ag/Bi为基础的合金中添加铜或锗，可以普遍地提高强度，也包括可湿性。
锡/锌/鉍(Sn89/Zn8/Bi3)合金也能够制造成与Sn/Pb共熔合金熔合温度非常的接近，但是因为锌的存在可能会引发许多的问题。最关键的问题是缩短了焊膏的存储时间，要求采用具有较高活化能力的助焊剂，这增加了浮渣并且引发了腐蚀的问题，为此需要将其清除干净。
焊接工艺技术中需要采用助焊剂，以去除在焊接点合金表面上的氧化物，确保表面的洁净，以实现坚固的焊点。另外助焊剂的介质和助熔的动态性能也是影响到助焊性能的重要因素。在加热期间和焊接过程中，助焊剂的活化温度和活化时间必须精心设计，以满足工艺设置的需要。
在现如今的焊接和电子行业使用着许多不同类型的助焊剂，例如采用松香为基础的、水溶型的和低残余物免清洗型的。然而，为了能够满足无铅化合金的需要，人们开发出了许多新的助焊剂，集中在无松香、无VOC环境影响的产品上面。为了满足无铅化焊膏的需要，人们特别开发了一种助焊剂，可以实现较低的残余物，从而达到免清洗的目的。新近开发的水溶性助焊剂也能够成功地用于无铅化合金和其它常规产品上面。
焊膏一般能够适用于所有的助焊剂类型：低残余物免清洗型、水溶性型和松香型。然而，松香型助焊剂在装配过程中绝大多数用于高温合金。
波峰焊接工艺操作时所采用的温度曲线与适用于Sn/Pb的相比较，所发生的变化非常小。所以说采用无铅化合金时不要求对所采用的助焊剂类型作任何重大的变动。水熔性助焊剂将可以更好地适合于无铅化波峰焊接的浸入槽。同样氧化物（氧化锡）可以在含铅合金中形成，也可以在无铅合金中形成，所以可以采用相同的助焊剂来进行操作。对于无铅化焊料来说，仅有稍高的温度要求，这意味着在一些助焊剂的开发中必须考虑防止黑色残余物等的发生。
焊料温度曲线之间的兼容性，以及特定助焊剂或者焊膏的化学和物理特性仍然是实现理想焊接结果和最高洁净水平的关键点。针对所有类型助焊剂的众多开发工作己经实施，以求提高它们处理无铅合金的性能，焊膏目前能够适用于各种类型的助焊剂。
二、清洗工作的实施
水溶性酒精/低活性喷洒——这种方式来源于早期所称的酒精溶剂喷洒。其中关键的差异在于活化的成分。当采用温和的皂化剂的时候，具有较高活化能力的配料被提升为能够胜任的洗涤溶剂，以溶化清除掉具有低残余物的助焊剂。由于活性的降低，清洗设备对活性原素的依赖性相当小。酒精溶剂喷洒是溶化去除残余物的关键一环。
事实证明含水酒精清洗方法设计可以从采用表面贴装或者采用通孔技术的电子线路组装件上去除松香基和低残余物的助焊剂。该产品经过特别的设计采用空气并联设备进行高压喷射。采用低活性为基础的配方，可以延长浴盆曲线的寿命周期和具有优良的兼容性。
有关的研究结果指出酒精/低度活性溶剂喷洒配方，在去除那些小固体颗粒助焊剂残余物方面显的较为差劲。较高的回流焊接温度极容易引发这一现象的发生。它同样也会因为助焊剂配方自身的问题而产生。
半水酒精/中度活性——半水产品是一种基于溶剂的清洗配方，它采用水清洗技术。半水酒精/中度活性配方包括了早期所描述的含水酒精喷洒溶剂、中度活性成分和水。这种清洗剂的设计考虑能够采用足够的强度。冲击能量一般包含在浸没状态下的喷射、超声波、离心方式和兆声波。
半含水酒精清洗方法被设计成可以去除难以对付的助焊剂,例如:对付通孔、混合电路、倒装芯片组装和表面贴装装配的高温松香、水溶性和“免清洗”助焊剂。松香基和低残余物助焊剂可以用于表面贴装或者通孔电子电路的装配中。
来自于这项评估的结果是有好有坏的。因为这种产品己经长期以来一直用于去除混合电路装配中所存在的残余物上面，较高的温度应该不会是放弃的因素。这种用于无铅助焊剂配方的较低残余物的松香与基于酒精的溶剂所产生的兼容性较差。
半含水酒精/低活性——这种半含水酒精配方与半含水酒精/中度活性的配方非常的相似。其中关键的不同在于活化反应的水平和含水量的不同。在这种配方中包含有非常低的活性程度。它能够高强度地清洗掉来自于微电子、混合电路、倒装芯片和表面贴装装配中的松香和低残余物的“免清洗”残余物。它可以用各种各样的清洗工艺来实现，通常情况下不需要采用高冲击的气流喷射或者超声搅拌。
清洗剂具有溶解能力、很好的器件兼容性以及不含去垢剂。清洗的配方到目前为止都是基于含水的非直键醇（non-linear alcohol）。这样就导致了对付某一种焊残余物效果很好，而对付另外一种就很差。这种酒精对有极性的残余物有很好的效果，对无极性的残余物效果就很差。
半水合成酒精/低活性——可溶性喷雾酒精是一种直键有机醇的分支，它拥有另外一种乙醚连结。氧化分子被合成后可以去除有极性和无极性的残余物的综合体。它是一种对生态环境无害的材料，它的气味非常小，毒性数据也显示很令人放心。它拥有非常低的汽化压力（在 70°F的时候，大约为0.8毫米汞柱）和表面张力（大约为20达因/cm），它能很有效地去除掉合成树脂助焊剂。该项技术已用于清除在印刷线路装配中所采用的各种配置的助焊剂残余物。
该清洗配方对于去除掉令人头痛的助焊剂，例如对付通孔、混合电路、倒装芯片和表面贴装装配中的白色粘合剂和合成树脂、松香以及水溶性助焊剂，具有超强的清洗能力。在串联和批次生产时可以采用增强能量源的办法，例如：采用沉浸方式进行喷射、超声波、离心式和兆声波。
对这项工作的评价结果表明是优异的。在这些无铅焊膏中绝大多数所采用的助焊剂液料是合成树脂。这是一种无极性的化合物。这种酒精化合物远优于非直键醇，可以去除掉直链化合物（linear compounds）。
N-丙基溴(N-Propyl Bromide 简称NPB)酒精共沸混合物——NPB酒精共沸混合物的配方拥有的特性与1,1,1-trichloroethane三氯乙烷非常相似。这种溶剂的清洗能力符合或者说超过那些加氯的溶剂。该溶剂在大气中具有非常短的寿命，对臭氧层的损耗小于0.002。
NPB酒精共沸混合物能够从电子组件和元器件上面去除具有广泛性的有极性的和无极性的污染物的能力。它可以很好地去除掉令人头痛的助焊剂，例如合成树脂、有机酸、免清洗助焊剂和松香。该酒精混合物可以去除掉电子元器件上面的离子残余物。
据有关资料介绍，对清洗效果进行的评测结果是令人满意的。由于早先的约定，在绝大多数无铅焊膏配方中的助焊剂媒介物是合成树脂。NPB是一种线性的分子，它能够非常好地溶化线性合成树脂。
低VOC无机水——该配方结合了非VOC材料从而形成有效的“低固体颗粒”清洗方法。该产品可用于从通孔和表面贴装组件中去除掉松香基助焊剂。VOC产品可以作为一种清洁空气的溶剂(Clean Air Solvent简称CAS)，它符合1999严格的规定。它们能够与OSP涂层相兼容。最关键的一个好处是可以与工作环境相兼容，不会起氧化皮、气味很小，能够与所采用的蒸发器相适应。
这种无机非VOC合成物所产生的效果是非常差的。它们基本上对于回流后的无铅焊膏助焊剂的残余物没有什么效果。它们的好处也是因为这个结果。测试表明在去除掉没有固化的焊膏时具有良好的效果。如果在不对回流残余物产生影响的情况下去除掉没有固化的无铅焊膏，这将对清洗配准不良的电路板具有很大的好处。OSP电路板将大量采用无铅装配。对涂层不产生影响的好处在于对从组件上面去除配准不良的焊膏是一种额外的优势。
三、结束语
目前人们的研究目标仍然是认识在回流工艺中去除无铅助焊剂残余物的清洗方法和效果。在这项研究中利用一些己经可以获得的无铅焊膏和清洗剂来测试清洗的效果。对清洗剂的选择是那些在电子装配生产工艺中所采用的主导产品。
对在无铅焊膏中所采用的助焊剂媒介物与那些在低共熔点Sn/Pb焊膏中所采用的有很大的不同。在现有的技术中产品预期非常好并不能说明对无铅焊料残余物也同样有效。另外的研究工作是助焊剂的类型和工艺参数，它将提供给业界在选择去除无铅助焊剂残余物的清洗化学物时一些必要的信息。 <|||>
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拓普达资讯<|||>
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2005-10-21 |
