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1. 电子产品制造业无铅化的趋势和状况
1998年日本通过了“家用电子产品回收法”，规定必须回收家用电子设备里所用的铅。欧洲议会和欧盟理事会则在2003年2月公布了消除使用铅的法令，该法令从2006年7月1日起生效。
在环境保护方面，电子组装涉及的污染源主要来自铅和卤素。目前我们公司用到的助焊剂和锡膏已经不含卤素，所以无铅制造是我们面对的首要问题。
2. 无铅电子产品的定义
对于无铅产品的定义，目前有三种主流说法：
JEDEC（Joint Electronic Device Engineering Industry Development Association）：<0.2wt%Pb (of the solder in the component or of the solder used in manufacturing process)；
JEIDA(Japanese Electronic Industry Development Association)：<0.1wt%Pb；
EUELVD(EU End of Life Vehicles Directive)：<0.1wt%Pb。
3. 如何实现无铅化制造
要实现无铅化制造，必须实现两大变革：物资条件整改和制造工艺改进。
3.1 物资条件整改
物资条件主要包括PCB、元器件、易耗品（锡膏、焊锡丝、助焊剂）、其他电子配件（充电器等，要求供应商改进）和焊接设备（电烙铁、回流焊炉）。
u PCB的无铅化
PCB无铅化主要是去处焊接点的铅成分，同时PCB基材要适应无铅回流焊接（高温回流）。
目前我们PCB的镀层基本已经实现无铅化，主要有化镍浸金、OSP。
但是化镍浸金工艺也存在一些缺点（有些甚至是致命的）：1、讨厌的“黑盘效应”（国外有很多资料讨论Black Pad这个问题），会严重影响焊点（尤其是BGA/CSP）的可靠性和电气性能；2、金镀层（厚度和密度）的质量直接影响焊点的可靠性。金太厚，焊接后形成的焊点变脆，金镀层太稀疏，内部的镍容易氧化，导致焊接不良（焊点是SnNi金属间化合物）。OSP则成本低，不存在什么黑盘问题，唯一的缺点是它无色且不导电，不能用于按键接触表面的处理。
另一个方面就是PCB在无铅焊接环境中的耐热变形问题，这一点是不可忽视的问题。因为无铅焊接的环境温度要比现在高出许多，热变形导致的平面度问题直接影响SMT焊接的直通率。
u 元器件的无铅化
与PCB一样，去处焊接端子、引线等的铅成分，同时适应无铅回流焊接环境。
元器件焊接端子、引线等的镀层目前主要是共晶合金Sn63Pb37或Sn62Pb36Ag2，熔点183℃/179℃；部分元器件用到了Sn10Pb60（如CBGA 和TBGA 的焊球），熔点温度位304 度左右；其次是镀银和镀金。
但是很多国外资料不推荐使用银镀层，理由是银会发生电子迁移，影响电子产品的可靠性和稳定性。
同时对于国内供应商的镀金工艺必须进行严格要求，包括镀层厚度和清洗工艺等。因为镀金的目的是为了保护焊接端子的可焊性，金在回流焊接过程中并不负责焊接，而是迅速熔融到焊料中，从而露出内部的Ni，最终形成SnNi金属间化合物。所以如果镀层厚度不符合要求，或者在电镀以前没有彻底洗掉氧化物、油污等，会严重影响焊点强度，甚至导致假焊。
对于Chip类元器件，其无铅化镀层有纯Sn、SnBi（日系）、SnCu、SnAg、等；Lead frame类器件有：纯Sn、 SnBi（日系）、SnCu 、Ni/Pd、Ni/Au 、Ni/Pd/Au等；BGA类的球形管脚大部分为SnAg和SnAgCu，日系的有SnBi。
对于SnBi镀层，无疑是丢了西瓜捡了桃子，因为Bi本身也是一种有害的金属，而且全球储量很小，价格很高，更重要的是Bi与Pb不兼容，这不利于我们无铅化过程的平滑过渡，所以不建议采用SnBi合金。
同样，元器件也有耐热问题。例如电解电容、压电陶瓷振子、滤波器、模块（含铅量高的高温焊料的再熔融）、树脂及塑封外壳（主要是湿度敏感器件MSD）、粘结剂和塑料件等。目前，元器件的最高耐温值为250℃，所以在无铅过渡过程中要保证温度曲线的峰值与250℃有一个安全距离，一般认为无铅最低峰值至少要设定在235℃。
u 易耗品的无铅化
目前我们使用的含铅锡膏合金为Sn62Pb36Ag2和Sn63Pb37，熔点分别为179℃和183℃。前几年各种组织、协会和一些热心的专家在究竟采用哪种无铅合金进行热烈的争论和不懈的研究，目前主流的无铅合金是SnAgCu，熔点在217℃左右。SnAgCu合金的专利已经有300多种，其Sn-Ag-Cu比例也各不相同。
美国NEMI(National Electronics Manufacturing Initiative,Inc.)推荐的合金为SnAg3.9Cu0.6。
欧洲European Consortium-BRITE-EURAM推荐的合金为SnAg3.8Cu0.7。
日本JEIDA(Japanese Electronic Industry Development Association) 推荐的合金为SnAg3Cu0.5。
为此IPC SPVC(Solder Products Value Council，主要成员为Aim、Alpha Metals & Fry、Advanced Metals、Amtech、EFD、Henkel Loctite、Heraeus、Indium、Kester Northrup Grumman、Koki、Niho Superior、P.Kay Metals、Qualitek、Tai Solder、Senju和Cookson Electronics)对三种合金SnAg3.8Cu0.7、SnAg4Cu0.5和SnAg3Cu0.5进行了研究，旨在标准化一种最合适的无铅合金。IPC-SPVC-WP-006[3]发布的文章显示，在三种合金之间，其工艺性能没有明显的差别！目前我们还没有得到无铅合金可靠性性能的研究结果报告。
下表是一些企业所选择的焊料合金：
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公司
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焊料合金
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Nortel
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Sn99.3/Cu0.7
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Motorola
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Sn95.5/Ag3.8/Cu0.7
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Sn96.5/Ag3.5
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Ford
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Sn96.5/Ag3.5
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Nokia
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Sn95.5/Ag3.8/Cu0.7
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Ericsson
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Sn95.5/Ag3.8/Cu0.7
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Hitachi
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Sn91.75/Ag3.5/Bi5/Cu0.7
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NEC
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Sn94.25/Ag2/Bi3/Cu0.75
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Sn97.25/Ag2/Cu0.75
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Matsushita
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Sn90.5/Ag3.5/Bi6
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Fujitsu
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Sn42.9/Bi57/Ag0.1
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Sony
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Sn93.4/Ag2/Bi4/Cu0.5/Ge0.1
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显然SnAgCu是众望所归，而且Motorola 、Nokia 和Ericsson 都选用了SnAg3.8Cu0.7合金，建议我们也暂时选择这种合金。
助焊剂（锡膏中Flux和补焊、返修中用到的助焊笔）在焊接中起着不可忽视的作用，它主要用来去处焊接表面的氧化层，为焊接过程提供一个干净的金属表面，并防止金属合金和焊接表面在高温下进一步氧化；在融化状态的焊膏合金和焊接点之间作为导热介质，使基材达到足够高的湿润温度；降低焊膏合金和基材之间的表面张力，从而使焊膏均匀覆盖焊接表面，使焊接表面得到充分湿润；同时考虑到CSP，残留要尽可能少。随着无铅化材料的运用，助焊剂的工作温度范围从140℃～230℃升高到了170℃～250℃，为此，新的助焊剂必须具有合适的活性和较大的份量，在高温下不易挥发、爆溅，能够弥补无铅合金湿润性差的缺点；同时新的FLUX在高温工作环境下的残留物必须满足相应的要求。
u 焊接设备的无铅化
我们的回流焊炉都已经基本具备无铅焊接的能力（Bravo 8105还需要进一步验证），需要进一步准备的就是氮气的使用（包括为回流焊炉增加气帘，以防止氮气流失和浪费），届时我们可以让厂家前来作技术支持。同时需要注意的是炉后PCB和夹具的冷却问题，是否需要加装冷干机还需要试验验证。
目前的焊接电烙铁和热风枪要进行改进或淘汰。因为无铅的返工需要更高的烙铁头温度，这方面需要和烙铁厂商进一步沟通讨论现有设备的改装或者新设备的引进问题。
其次还包括SMT用到的PCB夹具，它的热变形特性对SMT的直通率同样有着举足轻重的作用，它究竟会有怎样的表现，还需要试验来验证。
3.2 工艺无铅化
面对无铅制造，我们的工艺人员必须重新考虑两个问题：无铅制造的直通率和无铅产品的可靠性。
u 如何提高和稳定无铅制造的直通率
在完成物资条件整改的同时，逐步探索和改进无铅制造工艺，提高和稳定无铅制造直通率是工艺人员不可回避的课题！
其实，提高和稳定无铅制造的直通率可以归结到无铅镀层和焊料的可焊性上。
人们普遍认为无铅合金的湿润性和可焊性不抵锡铅共晶合金，其实这是不争的事实，因为锡铅共晶合金的湿润性和可焊性在目前是不可替代的。无铅焊料的润湿温度为225度左右，如此高温焊接环境本身就对焊接不利。至于如何在回流焊和返工中获得优良的焊接效果，除了选择优秀的锡膏和助焊剂外，不断的在实践中摸索、总结并调整工艺措施是不可逾越的过程。
采用氮气回流是提高可焊性的一个有力措施。
u 如何保证无铅产品的可靠性
我们首先关心的就是无铅焊点的可靠性，业界对SnAgCu材料的焊接可靠性已经做了很多的研究。可以说，在很多的典型工作环境下，SnAgCu比共晶焊料可靠性更好，但对于不同的ATC条件，结果也可能是相反的（当然由于材料的不同，二者的ATC结果并不可比）。SnAgCu的蠕变和疲劳特性也与传统共晶焊料有差别，就是说对于较大的封装、较大的CTE失配和恶劣的工作环境下，SnAgCu的可靠性不一定都比共晶焊料好（这要看我们产品的设计性能了）。当然还有一些特殊的情况需要注意：如过渡阶段的铅污染问题。SnAgCu焊料对不同镀层的机械震动和冲击的敏感性可能不同。这些方面我们也可以简单的用系统试验暂时来进行评价。
关于可靠性的另一个问题，就是新型FLUX残留对迁移和SIR的影响需要评估，可以通过系统试验验证。
4. 无铅制造试验计划
无铅化制造无异是对设计和工艺的一次革命性挑战！无铅设计和工艺技术已经成为品牌竞争和持续发展的一个砝码，目前基本上找不到与设计和工艺相关的免费的技术资料和经验，所以很有必要对工艺技术人员进行系统的无铅工艺技术培训，同时把无铅生产技术作为一个重要课题进行试验和研究，在实践中摸索和总结。
对于无铅的实施，我认为应该循序渐进，走渐进式道路。在时间轴上大致可以分两步走：
第一步：改装SMT设备，实现锡膏、助焊剂和工艺无铅化；
第二步：元器件无铅化（完全无铅化）。
因为在无铅化过程中搞一刀切、180度大转弯是不合理的，我们应该给设计和工艺人员一定的时间进行试验、探索，保证不间断生产、无铅制造平滑过渡。
无铅试验流程图：
î 第一步：改装SMT设备，实现锡膏、助焊剂和工艺无铅化；
ê 第一次试验准备：
1、 试验地点：S1
2、 试验机型：
2.1 机型：
2.2 物料情况描述：
3、 试验数量
4、 物资准备：
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物资名称
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技术要求
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负责人
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数量
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期限
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备注
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氮气及技术准备
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钱文武
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用于回流焊
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Paramax98改装
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有效利用氮气
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钱文武
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电烙铁
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用于SnAgCu（SAC）焊料手工焊接，适于细间距（0201）手工焊接
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钱文武
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显微镜
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20倍以上，可以多角度观察和记录图像
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钱文武
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用于试验分析
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锡膏
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SnAg3.8Cu0.7
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王建国
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焊锡丝
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SnAg3.8Cu0.7
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王建国
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助焊剂
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适于SnAg3.8Cu0.7手工焊
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王建国
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网板
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适于SAC无铅工艺
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黄辉
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5、 试验时间：
ê 进行第一次试验（空气回流焊），并总结、评估
ê 进行第二次试验（氮气回流焊），并总结、评估
ê 确定一种合适的回流焊模式（空气或氮气）
ê 加大试验数量，提高和稳定直通率
ê 改装、更新所有必要的SMT设备
ê 实现所有产品工艺无铅化。
î 第二步：元器件无铅化（完全无铅化）。
ê 试验准备：
1、 试验地点：S1
2、 试验机型：
3、 试验数量：
4、 物资准备：
SQM、设控、采购和生产部门共同确认元器件无铅化标准、物料清单等。
5、 试验时间：
ê 进行试验，并总结、评估
ê 加大试验数量，提高和稳定直通率
ê 实现所有元器件无铅化（完全无铅）
[align=right][color=#000066][此贴子已经被作者于2005-1-6 10:55:30编辑过][/color][/align]
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王建国<|||>
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SMT工艺组<|||>
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2005-1-6 |
