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前言:
多年来，锡铅焊料在电子元器件的焊接中起到了重要的作用，然而，近十几年来，由于人们对其赖以生存的环境越来越重视，所以，对锡铅焊料的使用加以限制乃至完全取缔。因此，国际上各有关生产厂家研制出各种不同的锡铅焊料替代产品，即：无铅焊料。在实际的生产应用中这些替代产品还不能够完全与锡铅焊料蓖美，在兼容性和可靠性等方面还需进一步完善。本文主要对实施无铅焊接前应考虑到可能出现的问题，并针对无铅焊料在生产中出现的问题做一些简要的分析，以防止类似缺陷的产生或少出现这样的问题。
关键词:
无铅焊料；兼容性；焊接设备；焊接工艺；常见缺陷
在采用了无铅焊料后，一些电子组装厂家常常发现焊后的质量和外观远不如锡铅焊料的那样好，达不到用户的要求。无疑，这是由于含铅材料与无铅材料的成分差异和使用的不同工艺参数所造成的。这必然会给无铅焊接的可靠性带来了一定的影响。因此，在近几年来各电子生产厂家在采用无铅焊料的实际生产中遇到了这样、那样的问题，并对这些问题进行探讨和摸索。到目前为止，没有哪一家的无铅焊接质量达到了锡铅焊接的效果。
因此，目前解决无铅焊接工艺中存在的问题或缺陷成为一个重点课题。本文主要对无铅焊接中存在的问题进行一些初浅的分析研究，以便满足技术要求和可靠性方面的要求。
近几年来，在电子组装中使用的锡铅替代产品的种类较多，有数十种，其都是锡基的共晶焊料，不过，使用的最多的是SnAgCu，因为其在某些工艺特性方面与锡铅近似。
1．常见的缺陷
虽然，使用无铅焊料有利于环境保护，也是必由之路，但是其带来的一系列问题对质量和可靠性的影响是不可忽视的。在焊接中，常见的缺陷有：立碑（也称；墓碑或曼哈顿现象）、空洞、锡须、虚焊、短路等。这些问题都是错综复杂的问题，有可能缓解了某个问题，而使另一个问题更为严重，例如；在无铅波峰焊中，使用SnAgCu合金时，固体含量较高的助焊剂可以减少桥接，但是通常会产生更多的助焊剂残渣。所以，在研究和解决这些问题时必须进行综合考虑。此外，使用无铅焊料，还会使产品成本上升，而成本是用户关注的热点。而且还需购置一些适用于无铅焊料的焊接设备，使投资增加。
2．无铅焊料的兼容性
与锡铅共晶合金焊料比较，以SAC（96.5%锡-3%银-0.5%铜）为主流的无铅焊料在再流焊接过程中要求采用较高的温度，而且时间也长，而多数元件和PCB并不是为无铅焊料而设计的，所以，这些元件和PCB不能耐高温，这样的话，在再流焊接过程中一遇高温就会受损或变形。因此，在设计元件和PCB时应考虑到这方面的因素，在取材时尽量使用一些耐高温材料。
如上所述，无铅焊料的熔点较高，其比传统的Sn-Pb共晶焊料熔点至少高出34℃，甚至更高，这是最主要的问题，影响可靠性的诸多问题都是由于无铅焊料的熔点所造成的。其直接带来的是焊料易氧化及金属间化合物生长迅速的问题。此外，由于焊料不含Pb，使得焊料的润湿性能较差，这是导致焊点形状不一致，不美观，容易形成气泡和元件立起（墓碑或曼哈顿现象），而且一旦出现缺陷给返修也带来极大困难，而不能返修的板子则成为废品。而且无铅焊接的表面比较粗糙，这是导致外观不够好的原因，用户对此也是很注重的。
在选择工艺材料（焊膏、助焊剂、清洗剂等）时，应根据用户的具体要求和用途，选用相应的元器件、印制板，满足工艺参数的要求，以获得良好的焊点。另外，要对焊膏进行严格的管理，这一点很重要，以防止焊膏的氧化而带来的可靠性方面的问题。
经过分析和多年生产实践，IPC认为下面三种锡银铜合金最有可能取代锡铅焊料：Sn96.5Ag3.0 Cu0.5合金；Sn95.5Ag3.8Cu0.7合金；Sn95.5Ag4.0 Cu0.5合金。IPC建议使用Sn96.5Ag3.0 Cu0.5合金作为替代无铅焊接材料，因为其性能相当，材料成本最低。再流焊接温度一般高于焊接合金熔点温度25-40℃。锡铅再流温度为208-223℃（Sn63熔点为183℃）。元件对温度的变化很敏感，而无铅焊料的再流温度为235-250℃，与锡铅温度接近。
3．无铅焊料工艺设备的兼容性
再流焊接设备的性能问题。采用无铅焊料将提高焊接温度，也使再流过程中产品上各点的温度要求高出许多。这意味着焊接机的加热效率将会面临很大的挑战，除了以红外线加热为主的焊接机器可能会面临淘汰。这其实也意味着工厂中现有的某些机器可能不适合于使用在无铅焊接上，用户在推行此技术前应对此方面的问题予以考虑和评估。
在选择再流焊机时，应根据各公司对产品的要求和公司的经济实力，选择至少有8个温区的再流焊机，保证焊接温度能够达到250-280℃。如果产品要求高，可选择有氮气保护的再流焊机，这样会使焊接质量更好，但制做成本有所提高。为了节约资金，可以对现有的设备进行改造，这也是一种可取的方法。
对于使用的焊接设备，即使具有较好的设备，如果不掌握工艺技术，也得不到良好的焊接效果。俗话说，巧妇难为无米之炊，就是这个道理，很好地掌握焊接工艺要比具有良好的焊接设备更为重要。
值得注意的是，SnAgCu合金对材料有腐蚀作用。如果要用SnAgCu合金进行波峰焊接的话，就应购置新的波峰焊机。若使用老设备就需要较多的维护。
4．焊接工艺的优化
SMT技术是以工艺为中心的技术，因此，我们要严格控制工艺，确保产品质量的一致性，这样就需对工艺进行量化，即；设置工艺参数。所谓优化工艺参数，就是应根据采用的不同元件和基板以及工艺材料对工艺参数进行即时的调整，以便获得润湿性好、结合力强、美观的焊点。例如；在再流焊接过程中，工艺参数有“升温速度”、“预热温度和时间”、“峰值温度”、“焊锡的液化时间”等等。要使无铅焊接达到可靠性的要求，必须考虑到几个方面的因素。这些因素包括合金的熔化温度、合金的润湿性和表面张力的特性等。影响焊点可靠性的另一个潜在缺陷是，随着时间的推移，焊点变脆。这是因为焊点里没有铅，使得焊点中的合金变硬，时间一长，变硬的合金会出现裂缝或微细的裂纹，所以，在优化工艺时，还应考虑到长期可靠性的要求。
在设置温度曲线时，应特别注意焊接温度的稳定性，而且不能使温度超过元件和基板所能承受的温度。不同厂家提供的无铅焊膏都推荐有温度曲线，应参照其温度曲线进行操作。另外，在更换焊接设备时，应对温度曲线进行重新设置，这样才能保证焊接质量。
5．其它方面的因素
使用无铅焊接工艺，不仅要考虑到焊接材料、工艺和设备诸方面的因素，还要考虑成本方面的因素。因为大多数用户在使用无铅焊料时，首先考虑的是成本，所以，材料成本和生产成本对于他们来说是很重要的，其与公司的效益紧密相关。
无铅焊料一般比较昂贵，其价格一般是含铅焊料的2倍以上，促使许多以成本为重点的工厂不愿意使用这门技术。除了焊料本身的材料成本外，无铅焊料技术所带来的其它材料方面（如元件和基板）因要求的不同（主要在耐高温方面）也将会提高这些材料的成本，且进一步提高总成本。不过，这方面的问题不会像一般想像的那样严重，因为在许多情况下，材料成本只是整个生产成本中的一部分，因采用无铅焊接技术而使得成本增加，对整个生产成本的影响可能还是相当小的一个比重。此外，由于焊接缺陷的产生，就会进行返修，所以，返修也会使成本增加。
结论
采用无铅焊料会使焊接质量受到一些影响，这是毫无疑问的。对于某些焊料对产品焊点的可靠性（寿命）的影响还缺乏足够的科学依据，用户也不能确认。在电子组装业内也没有达成共识。目前一些国际大机构和电子公司的联合研究项目中，似乎都注重于Sn-Ag-Cu方面的研究验证，有关数据的出现，可能是将来工业界决定采用哪类焊料的重要因素。
尽管无铅焊料存在着许多函待解决的问题，但是，其仍将作为一种重要的电子组装业的工艺材料，并将长期应用下去，因此，其前景是广阔的。不过，对其目前存在的问题或缺陷必须以积极地态度去解决，在应用无铅焊料之前，应该对焊料本身、元件和PCB以及焊接工艺进行全面的分析，全盘考虑，以满足无铅焊接要求，达到锡铅焊料合金那样的效果。 |
