【正文】 無鉛焊接的特點(diǎn)及工藝控制 顧靄云 內(nèi)容 一 ． 無鉛工藝與有鉛工藝比較 二 ． 無鉛焊接的特點(diǎn) （ 1） 從再流焊溫度曲線分析無鉛焊接的特點(diǎn) （ 2） 無鉛波峰焊特點(diǎn)及對(duì)策 三．無鉛焊接對(duì)焊接設(shè)備的要求 四． 無鉛焊接工藝控制 （ 1）無鉛 PCB設(shè)計(jì)（ 2）印刷工藝（ 3）貼裝 （ 4）再流焊（ 5）波峰焊（ 6）檢測(cè)（ 7）無鉛返修 五． 過渡階段有鉛、無鉛混用應(yīng)注意的問題 問題舉例及解決措施 一．無鉛工藝與有鉛工藝比較 有鉛技術(shù) 無鉛技術(shù) 設(shè)備方面 印、貼、焊、檢 只有焊接設(shè)備有特殊要求 焊接原理 相同 工藝流程 工藝方法 元器件 有鉛 無鉛 PCB 焊接材料 溫度曲線 工藝窗口大 溫度高、工藝窗口小 焊點(diǎn) 潤(rùn)濕性好 潤(rùn)濕性差 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn) IPCA610C IPCA610D 管理 要求更嚴(yán)格 通過無鉛 、有鉛比較，正確認(rèn)識(shí)無鉛技術(shù) （ a）無鉛工藝技術(shù)并不是高不可攀的技術(shù) 因?yàn)榛驹?、工藝方法與有鉛技術(shù)是相同的 。 （ b）但由于無鉛的焊接材料、元器件、 PCB都發(fā)生了變化，因此工藝參數(shù)必須隨之改變。主要變化是溫度高、工藝窗口小、潤(rùn)濕性差、工藝難度大， 容易產(chǎn)生可靠性問題 ，因此要求比有鉛時(shí)更加重視理論學(xué)習(xí)、工藝技術(shù)研究、工藝實(shí)踐，尤其要掌握關(guān)鍵技術(shù)：印、焊。 （ c）進(jìn)行設(shè)備改造或添置必要的焊接設(shè)備 （ d）提高管理水平。 二．無鉛焊接的特點(diǎn) ? 高溫 ? 工藝窗口小 ? 潤(rùn)濕性差 1． 從再流焊溫度曲線分析無鉛焊接的特點(diǎn) 110 ℃ 130 ℃ 155 ℃ 185 ℃ 24 0 ℃ 250 ℃ 90 ℃ PCB 入口 出口 10 0 ℃ 130 ℃ 155 ℃ 175 ℃ 2 00 ℃ 210 ℃ 90 ℃ 傳送帶速度： 60cm/min 溫度℃ 焊接時(shí)間 峰值溫度 21 0 ~ 23 0 18 3 150 1 ~ 2 ℃ /s 2 ~ 4min 100 3 0 ~ 6 0s 60 ~ 90s ＜ 2 ℃ /s ~ 3 .5 ℃ /s ＜ 4 ℃ /s 升溫區(qū) 預(yù)熱區(qū) 回流區(qū) 冷卻區(qū) 時(shí)間 min 60 ~ 90s 快速升溫區(qū) （浸潤(rùn)區(qū)） 63Sn37Pb鉛錫焊膏再流焊溫度曲線 無鉛焊接再流焊溫度曲線 K e s t e r R e f l o w P r o f i l e f o r L e a d F r e e A l l o y ( S n A g C u )204060801001201401601802002202402600 50 100 150 200 250 300T i m e ( s e c . )Temperature (C)S o a k Z o n e5 0 7 0 s e c s t y p i c a lR e f l o w Z o n e5 0 6 0 s e c s t y p i c a lP e a k T e m p . ( 2 3 5 2 4 5oC)P r e h e a t Z o n e4 0 7 0 s e c s t y p i c a lP r e h e a t Z o n e = 1 1 0 1 5 0oC S o a k Z o n e = 1 5 0 2 2 0oC R e f l o w Z o n e = A b o v e 2 2 0oCR a m p R a t e 0 . 5 100~200 sec 有鉛、無鉛再流焊溫度曲線比較 焊膏類型 鉛錫焊膏（ 63Sn37Pb） 無鉛焊膏 （ Sn Ag Cu） 升溫區(qū) 溫度 25~100 0C 25~110 0C 時(shí)間 60~90 sec 100~200 sec 工藝窗口 要求緩慢升溫 預(yù)熱區(qū) 溫度 100~150 0C 110~150 0C 時(shí)間 60~90 sec 40~70 sec 快速 升溫區(qū) 溫度 150~183 0C 150~217 0C 時(shí)間 30~60 sec 50~70 sec 工藝窗口 30 sec 20 sec 升溫斜率 ~1℃ /sec ~℃ /sec 回流 （焊接區(qū)） 峰值溫度 210~230 0C 235~245 0C PCB極限溫度（ FR4） 240 0C 240 0C 工藝窗口 240210= 300C 240235= 5 0C 回流時(shí)間 60~90 sec 50~60 sec 工藝窗口 30 sec 10 sec 從再流焊溫度曲線分析無鉛焊接的特點(diǎn)及對(duì)策 ? ① 熔點(diǎn)高，要求無鉛焊接設(shè)備耐高溫，抗腐蝕。要求助焊劑耐高溫。 ? ② 從溫度曲線可以看出：無鉛工藝窗口小。 無鉛焊接的工藝窗口比鉛錫焊膏小，要求 PCB表面溫度更均勻。要求焊接設(shè)備橫向溫度均勻。 ? a 25~110 ℃/ 100~200 sec， 110~150℃/ 40~70 sec， 要求緩慢升溫，使整個(gè) PCB溫度均勻， 減小 PCB及大小元器件△ t， 因此要求焊接設(shè)備升溫、預(yù)熱區(qū)長(zhǎng)度要加長(zhǎng)。 ? b 150~217℃/ 50~70sec快速升溫區(qū)（助焊劑浸潤(rùn)區(qū)）。有鉛焊接從 150℃ 升到 183℃ ，升溫 33℃ ，可允許在30~60 sec之間完成，其升溫速率為 ~1℃ /sec；而無鉛焊接從 150℃ 升到 217℃ ，升溫 67℃ ，只允許在 50~70sec之間完成，其升溫速率為 ~℃ /sec，要求升溫速率比有鉛高 30%左右，另外由于無鉛比有鉛的熔點(diǎn)高34℃ ，溫度越高升溫越困難， 如果 升溫速率提不上去，長(zhǎng)時(shí)間處在高溫下會(huì)使焊膏中助焊劑提前結(jié)束活化反應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使 PCB焊盤，元件引腳和焊膏中的焊料合金在高溫下重新氧化而造成焊接不良，因此要求助焊劑浸潤(rùn)區(qū)有更高的升溫斜率。 ? c 回流區(qū)峰值溫度 235℃ 與 FR4基材 PCB的極限溫度（ 240 0C ）差（工藝窗口）僅為 5 ℃ 。如果 PCB表面溫度是均勻的， 那么實(shí)際工藝允許有 5 ℃ 的誤差。假若PCB表面有溫度誤差 Δt ＞ 5 ℃ ，那么 PCB某處已超過FR4基材 PCB的極限溫度 240℃ ，會(huì)損壞 PCB。 ? 對(duì)于簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，峰值溫度 235~240℃ 可以滿足要求；但是 對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品，可能需要 260℃ 才能焊好 。因此 FR4基材 PCB就不能滿足要求了。 ? 在實(shí)際回流焊中，如果最小峰值溫度為 235℃ ，最大峰值溫度取決于板面的溫差△ t，它取決于板的尺寸、厚度、層數(shù)、元件布局、 Cu的分布以及元件尺寸和熱容量。擁有大而復(fù)雜元件（如 CBGA、 CCGA等）的大、厚印制板，典型△ t高達(dá) 20~25℃ 。 ? 為了減小△ t，滿足小的無鉛工藝窗口。爐子的熱容量也是很重要的因素。要求再流焊爐橫向溫差＜ 2℃ ，同時(shí)要求有兩個(gè)回流加熱區(qū)。 ? d 由于焊接溫度高，為了防止由于焊點(diǎn)冷卻凝固時(shí)間過長(zhǎng)，造成焊點(diǎn)結(jié)晶顆粒長(zhǎng)大；另外，加速冷卻可以防止產(chǎn)生偏析，避免枝狀結(jié)晶的形成，因此要求 焊接設(shè)備增加冷卻裝置，使焊點(diǎn) 快速降溫。 ? e 由于高溫， PCB容易變形，特別是拼板，因此對(duì)于大尺寸的 PCB需要增加中間支撐。 ? f 為了減小爐子橫向 溫差△ t，采取措施：帶加熱器的導(dǎo)軌、選用散熱性小的材料、定軌向爐內(nèi)縮進(jìn)等技術(shù)。 ③ 浸潤(rùn)性差 應(yīng)對(duì)措施： ? 改良助焊劑活性 ? 修改模板開口設(shè)計(jì) ? 提高印刷、貼裝精度 焊盤暴露銅 （ 2） 無鉛波峰焊特點(diǎn)及對(duì)策 ① 用于波峰焊的 焊料： SnCu或 SnCuNi，熔點(diǎn) 227℃ 。少量的 Ni可增加流動(dòng)性和延伸率 ，減少殘?jiān)俊? ? 高 可靠的產(chǎn)品可采用 Sn/Ag/Cu焊料，但 不推薦 ， 因?yàn)?Ag的成本高，同時(shí)也會(huì)