SMT 无铅工艺

为什么要推行无铅工艺？
当今世界越来越关注铅带来的环境和健康的危害，欧盟已通过立法将在2008年停止使用含铅钎料，美国和日本也正积极考虑通过立法来减少和禁止铅等有害元素使用。铅的毒害目前全球电子行业用钎料每年消耗的铅约为20000ｔ，大约占世界铅年总产量的5%。铅和铅的化合物已被环境保护机构(ＥＰＡ)列入前17种对人体和环境危害最大的化学物质之一。许多主张无铅焊接的预言家们，觉得法律手段是无实际意义的，他们相信在不久的将来，单凭市场因素足以促使电子组装业的无铅化。Iwona Turnik博士，摩托罗拉先进技术中心主任在IPC主办的Works99会议发表的市场调查报告中表明：1. 20%的消费者在购买时会主动考虑环境问题。2. 45%的消费者购买动机是因为产品对环境安全。3. 50%的消费者更换品牌是因为发现它对环境有害。4. 76%的消费者将在价格和质量相当的情况下首先选择环保产品。目前全世界已经广泛接受“无铅”趋势。因此，在市场的趋势下，华翔科技有限公司于2003年进入无铅工艺。
无铅锡膏的合金成份
无铅钎料的基本要求目前国际上公认的无铅钎料定义是：以Sn为基体，添加了Ag、Cu、Sb、In其它合金元素。而Pb的质量分数在0.2%以下的主要用于电子组装的软钎料合金。无铅钎料不是新技术，但今天的无铅钎料研究是要寻求年使用量为5～6万吨的Sn-Pb钎料的替代产品。因此，替代合金应该满足以下要求:
    (1)其全球储量足够满足市场需求。某些元素，如铟和铋，储量较小，因此只能作为无铅钎料中的微量添加成分；
    (2)无毒性。某些在考虑范围内的替代元素，如镉、碲是有毒的；而某些元素，如锑，如果改变毒性标准的话，也可以认为是有毒的；
    (3)能被加工成需要的所有形式，包括用于手工焊和修补的焊丝；用于钎料膏的焊料粉；用于波峰焊的焊料棒等。不是所有的合金能够被加工成所有形式，如铋的含量增加将导致合金变脆而不能拉拔成丝状；
    (4)相变温度(固、液相线温度)与Sn-Pb钎料相近；
    (5)合适的物理性能，特别是电导率、热导率、热膨胀系数；
    (6)与现有元件基板、引线及PCB材料在金属学性能上兼容；
    (7)足够的力学性能:剪切强度、蠕变抗力、等温疲劳抗力、热机疲劳抗力、金属学组织的稳定性；
    (8)良好的润湿性；
(9)可接受的成本价格。新型无铅钎料的成本应低于22.2/Kg，因此其中In的质量分数应小于1.5%，Bi含量应小于2.0%。
因此比较满足上述要求的，目前市场上前景最好的似乎只有Sn/Ag/Cu合金和Sn/Ag/Bi合金，最终是在二者之中权衡。①、Sn/Ag/Cu合金的焊点比现在的Sn/Pb合金可靠性要高，但是其熔点达到217℃（直到最近几年才知道Sn-Ag-Cu之间存在三元共晶）；②、Sn/Ag/Bi合金，溶点是206℃ 到213℃之间。将来不可能有一种所谓“标准”的无铅焊料，而是会有几种不同的焊料共存，他们各有利弊。选择哪一种将很可能取决于产品的具体要求。目前华翔科技有限公司使用的无铅锡膏，其合金成份为Sn/Ag/Cu。
无铅锡膏的使用
1.   购回的无铅锡膏必须贴上标签卡，写好冷藏日期及时间。
2.   放入冰箱中的无铅温度以5±3℃为宜，品质保证期的贮存时间为：生产后3个月，并且每天应对温度进行检验。
3.   使用时必须按“先进先出”原则进行领取，并且应有领取记录及检验记录。
4.   取出的无铅锡膏应置于温度为：25±5℃；湿度为：40～70%RH的环境下回温4个小时以上方可开封。
5.   无铅锡膏在每次从锡膏盒刮出来之前应搅拌1～5分钟，必须使其充分搅匀方可使用，使用完后，立即密封好。
6.   丝印要求：
①、刮    刀：肖氏硬度80∽90度；
②、刮刀角度：50∽70度；
③、刮刀速度：20∽80mm/S；
④、刮刀压力：100 ∽200kpa；
⑤、一次性成形，应无漏印、少锡、连锡、堆锡、塌落等常规缺陷，边缘应整齐、厚度应均匀；
⑥、丝印好PCBA必须在4小时内过完回流。
7.   贴片：需要提高贴片精度，是因为无铅焊膏回流时自对位能力较差。
PCB、元器件及相应的辅料所耐高温性必须与之相匹配。
无铅回流工艺
对于标准的Sn63和Sn62焊料合金来说，回流温度曲线的峰值温度在203到230度之间。然而，大部分的无铅焊膏的熔点比Sn63合金高出30至45度。因此，需深入探讨其工艺优化。
回流焊：由于熔化温度高出有铅30至45度，对制造工艺有重要影响。
无铅回流工艺曲线上的四个重要点（如图1）：
   （1）预热区升温速度要尽量慢一些（选择数值2～3℃/s），以便控制由焊膏的塌边而造成焊点的桥接、焊锡球等；
   （2）预热要求必须在（45～90sec或120～160℃）范围内，以控制由PCB基板的温差及焊剂性能变化等因素而发生回流焊时的不良；
   （3）焊接的最高温度在220℃以上，保持20～40sec，以保证焊接的湿润性；
(4) 冷却速度选择-4℃/S；
波峰焊：有一定的影响。助焊剂和合金成分的选择变得很重要。工艺上将面临包括“锡须”和“焊点起皱”等问题，可能需要充氮。
结论：①、无铅焊接与含铅焊接相比
a)、最大的变化是：焊点表面暗淡，无铅焊点不如含铅焊点光泽好看。当然这不影响组装质量及电性能。
b)、无铅焊点比普通的含铅焊点更牢固，有更长期的可靠性。
c)、维修耗时且难度大，涉及到更高温度和更长时间的加热。
②、生产工艺、生产设备（工具）、生产材料及其他辅料都需改变并与之相匹配。