[转载]无铅对复杂电子组件波峰焊工艺的影响 [复制链接]

无铅化给电子组装工艺带来许多挑战。生产领域引入任何一项新技术，与其可能产生的相关问题已被先前预估及准备。但是在生产批量尚未达到足够大时，有些问题是无法清楚的，也无法为解决问题提供足够的数据与方法，因此电子组装业界必须在生产量上升过程中继续不停顿地探索。
有些人甚至并不知道无铅组装工艺不是一个新事物，无铅波峰焊工艺的应用已有许多年了，早在RoHS法规制定前，电子组装已采用银-锡合金高温焊接工艺，其合金熔点高出常规的铅锡合金很多。这些组件设计适用于低挡产品，且电路非常不复杂，所以产能是可以接受的。RoHS法规的无铅化要求成为电子组装的主流，首先采用无铅的点子产品也是比较简单，包括消费类产品，使用单面或双面印制板，在PCB焊接面安装相对无问题的SMT器件。如焊接工艺与铅锡焊接参数无明显差别，这些类型的器件的无铅化是容易做到的，甚至在不少场合，原有的铅锡相容焊剂也能成功用于无铅焊接工艺。
多年来，人们已认识到常用的1.6mm印制板在采用无铅焊接工艺时，将面对工艺窗口紧缩的问题。预热的要求没有改变太多，现有的焊接系统完全能适用。与先前铅锡焊接工艺相比，无铅合金焊接熔点温度提高25℃。
无铅合金的流动性及防桥接特性不如铅锡合金好，所以这对于精细间距器件是一问题。极其重要的是大多数不复杂印制板组件的问题可通过正确的参数设置与基本工艺控制得以解决。
然而，板基厚，层数多的多层印制板的复杂组件（如电信基站印制板），无铅波峰焊与铅锡波峰焊之间的差别就增大。这仅仅是问题的一个方面，而且在生产量未达到大批量前不可能获得所需的相关信息。现在有些复杂电路组件已达到大批量生产，许多问题也逐渐清楚；
（1）通孔填锡问题随着印制板的厚度增加呈指数增加。
（2）高层数，多接地连接孔的印制板加剧通孔填锡问题。
（3）额外的信号层与接低层的高热质量对印制板的预热要求。
（4）如使用选择性焊接掩模板，在预热段会造成印制板温度不均，恶化预热问题。
（5）无铅波峰焊组装的问题
（6）合金湿润速度降低
（7）增加漏锡缺陷机率
（8）合金流动性降低
（9）不良通孔填锡，桥接缺陷机率增加。
（10）器件/印制板——表面氧化增加，可焊性退化
（11）增加漏锡缺陷机率，不良通孔填锡。
（12）工艺参数 ——增加预热温度，接触时间
（13）增加焊剂烧尽的机率
（14）设备，化学焊剂，合金改进
对简单的印制板组件而言，可采用适当调整现有铅锡工艺参数，转换为稳定的无铅焊接工艺。采用实验设计（DOE）或试验-缺陷分析等方法能获得满足高产能生产要求的无铅波峰焊工艺。为建立适用于更复杂印制板组件稳定的焊接工艺，必须掌握焊接工艺过程各种因素间的差别。
1湿润速度降低
在不同的焊料合金，焊剂与熔融温度间，合金的湿润速度存在差别，虽然湿润天平测试结果无法预测波峰焊的合金性能，其仍能提供一个合金组分，焊剂与温度影响的相对比较与论证。
湿润速度降低会引起SMT器件较多的漏锡，液态焊锡较慢地引流铺展到通孔器件引脚及金属化通孔壁面。较慢湿润速度的解决，需要延长印制板与锡波峰的接触时间或提升熔融温度，较低的湿润速度可采用延长印制板与焊锡波峰的接触时间，或提升必须的熔融温度得以解决。但是过高的熔融温度也可能导致印制板或器件的损坏。
2液态合金流动性降低
与铅锡合金相比，无铅合金显现较低的液态流动性，这些合金需要较长时间才能引流铺展到器件引脚与金属化通孔壁，对定位不正确或间距太窄的器件的荫蔽作用更明显。与湿润速度降低相似，解决液态合金流动性必须延长印制板与波峰的接触时间。
液态合金流动性降低可能导致桥接缺陷增加，液态合金从锡波回落的速度变慢。与铅锡合金相比，无铅合金波峰焊工艺温度与其固化转变点（无铅70℃铅锡120℃）太接近，因此焊点与桥接凝固快。
较快的固化转变抑制消桥接刀片的使用，尤其对一些设计不良的印制板，无铅波峰焊工艺更缺乏宽容度。合金较慢的回落，快速的固化转变，及消桥接工具等条件，焊锡桥接集中在锡波的回落范围，有关回落的动力学受到传送速度，锡波高度，造波泵速度的影响。这些参数需要精细调整才能有效消除精细间距连接器及QFP器件的桥接缺陷。
3可焊性表面退化
氧化的成因是与可焊性表面暴露时间及温度直接相关。预热温度高，持留时间长必然加快器件引脚、引线端及印制板的氧化，焊剂具有清除表面氧化的作用，表面氧化层阻碍合金湿润功能，导致通孔填锡低，漏锡。需要接触时间长来避免问题的发生。
4波峰焊工艺参数
提高预热温度，延长预热时间，合金熔融温度及印制板与波峰接触时间，所有这些都会对焊剂提出新的要求，焊剂必须在整个工艺过程，能承受苛刻的高温环境。活性或全惰性免清洗焊剂配方设计，应在波峰焊工艺窗口中保证其化学性稳定。采用适用无铅高复杂组件波峰焊长周期与高温工艺条件的焊剂，如用于短周期，低温工艺条件，这类焊剂不能成为真正惰性。焊剂必须在宽广的温度范围具有可靠助焊性及可靠性，对焊剂配方提出新的要求，扩展焊剂的工艺窗口，对活性剂与其他组分必须严格选择。

炉温曲线的影响