无铅焊接技术的发展现状及未来发展趋势摘要：电子产品生产中传统的焊接材料为锡铅合金，铅属于有毒重金属，对人体健康有害，早在1999年，欧美和日本等发达国家就已经提出了电子产品无铅化工艺，我国也在2003年做出了无铅化生产的相关规定，但由于无铅焊接工艺推广会带来一系列的问题，导致国内好多企业一直没有改变传统的焊接工艺，本文就无铅焊接技术的发展现状以及未来发展趋势来阐述无铅焊接的必然性和紧迫性。

关键词：无铅焊接发展现状 Sn/Pb合金发展趋势元器件 PCB 助焊剂焊接设备引言铅是一种多亲害性、对人体有毒的物质，主要损害人的神经系统、造血系统、消化系统，铅中毒也是引发白血病、肾病、心脏病、精神异常的重要因素之一。

铅毒不仅对水污染，而且对土壤、空气均可产生污染，一旦环境产生严重铅污染，其治理的难度很大、周期甚长、经费支出巨大。

电子制造业中大量使用的锡铅合金焊料(Sn/Pb) 是污染人类生存环境的重要根源之一。

实现电子制造的全面无铅化，以减少环境污染，提升绿色制造竞争能力，以适应国内外市场对绿色电子产品的需求，是我国电子制造业以后势在必行的举措。

1、无铅焊接技术的发展现状目前，无铅焊料的成分并没有统一的标准，通常是以锡为主体，添加其他金属，近几年来有关无铅焊料的研究工作发展很迅速。

世界各大著名集团公司和研究机构都投人了相当的力量开展无铅焊料的研发。

替代Sn/Pb合金的无铅焊锡合金材料有多种。

目前已经得到应用的主要有Sn-Ag系列、Sn-Zn 系列、Sn-Bi系列焊料三大类。

国内外专家一致认为，最有可能替代锡铅合金焊料的无毒合金是锡( Sn)基合金。

无铅焊料主要以锡为主，添加Ag、Zn、Cn、Sd、Bi、In 等几种金属元素，通过焊料合金化来改善合金性能，提高可焊性。

由于Sn-ln系合金蠕变性差，In极易氧化，且成本太高，Sn—Sb 系合金润湿性差、Sb还稍带毒性，这两种合金体系的开发和应用较少。

实际上二元系合金要做成为能满足各种特性的基本材料是不完善的。

目前最常见的无铅焊料，主要是以Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi为基体，在其中添加适量的其他金属元素所组成的三元合金和多元合金。

他们与传统的Sn-Pb共晶合金焊锡比较如下表。

现在市场上主要以锡/银/铜合金为主，取代锡/铅焊料的锡/银/铜合金可有不同的配比形式。

日本倾向于96．5％锡/3．0％银/0．5％铜，北美更倾向于95．5％锡／3．9％银／0．6％铜，EU倾向于95．5％锡/3．8％银/0．7％铜。

IPC推荐的三种焊料合金是：96．5％锡/3．0％银/0．5％铜，95．5％锡/3．8％银/0．7％铜，95．5％锡/4．0％银/0．5％铜。

每种配比形式，供应商都做了大量实验分析，每一家都认为自己的焊料是取代锡/铅焊料的最佳选择。

除此之外，表中列出多种可供选择的无铅焊料(用于回流焊的焊膏，用于波峰焊的合金棒，用于手工焊接的焊锡丝)。

目前日本TUMURA、朝日、千住金属等公司的无铅焊膏、焊棒和焊丝等已经系列化。

2、无铅焊接技术未来发展趋势目前，无铅焊技术主要应用在电子元件组装领域，其存在的形态为焊条、焊丝、焊膏。

其应用范围主要在各种电子、电器产品，印制电路板(PCB)的组装。

影响无铅焊接技术的应用的因素很多。

要使无铅焊接技术得到广泛应用，还必须从电子组装焊接这个系统工程的角度来解析和研究。

2.1 元器件目前开发已用于电子产品组装的无铅焊料，熔点一般要比有铅焊料高，所以要求元器件耐高温，而且无铅化，即元器件内部连接和引出端(线)也要采用无铅焊料和无铅镀层。

尤其塑封器件，耐热力要达到280℃/5S，与锡/铅元器件相同，使用前按要求对元器件进行预处理，减少焊接过程中缺陷的产生，同时要求元器件端电极材料均为无铅。

2.2 在PCB板方面，无铅焊接要求PCB的基础材料耐更高温度，焊接后不变形，表面镀覆的无铅共晶合金材料与组装焊接用无铅焊料兼容，而且要考虑低成本。

为了适应更高的温度，防止板的变形和铜箔的翘起，以满足无铅焊接的温度特性的要求，制造商多在板的表面涂覆一层有机可焊性保护层OSP(organic solderabilitty preservative)，该涂层厚0.2~0.5um，与我公司使用的96.5%Sn/3.0Ag/0.5Cu焊膏和水基助焊剂兼容，它在预热区因较高温度而失去活性，在活性区被助焊剂中的酸和溶剂溶解而变成助焊剂的一部分，在回流区挥发掉。

2.3 焊接工艺与设备焊接设备要适应新的焊接温度的要求，例如需要加长预热区或更换新的加热元件。

若采用波峰焊，锡炉内壁、波峰马达等始终与无铅焊料接触的部件，其抗溶蚀能力应比锡铅焊炉中的部件要更高。

因波峰焊在工作时泵和叶轮首先出现凹点磨损现象,随着真正腐蚀-泵的叶轮被"吃掉"，泵的作用减弱，接着在锅壁上起凹点，这可能导致针孔和液体焊锡的如一家使用锡/银的公司，每个月更换锡炉中的锡/银焊料，六个月更换泵，每年更换锡锅。

以锡/银为例，当设备运行八小时后，不锈钢锡锅中出现铁的金属间化合针状结晶体。

针对以上情况，生产厂家改用无铅焊料时，要适应新的焊接温度要求：预热区加长或更新加热组件，波峰焊焊槽、机械结构和传动装置都要适应新的要求，锡槽的机构材料与焊料的一致性(兼容性)要匹配。

为提高焊接质量和减少焊料的氧化，生产厂家应考虑：1更换设备；2更换无铅焊槽等配套设施；3在现有波峰焊锡槽等配套设施上涂防护层。

采用再流焊时，为了提高焊接质量和减少焊料的氧化，有必要采用行之有效的抑制焊料氧化技术和采用惰性气体( 如N2) 保护焊技术。

加热温度能够满足无铅曲线的要求即可。

请注意：因无铅焊料流动性、润湿性较差，要求助焊剂活性强一些；另外无铅焊接要求的回流温度比较高，会加速PCB焊盘、元器件引脚／焊端的氧化。

因此焊接过程中充氮气或其他惰性气体可减少焊接缺陷，选择无铅焊接设备时应加以考虑。

同时，采用先进的再流焊炉温测控系统也是解决无铅焊工艺窗口较窄带来的工艺问题的重要途径。

2.4常用的无铅焊接技术a.手工锡焊技术随着电子封装工业的快速发展，尽管出现了一些新的焊接工艺，但是，手工锡焊技术仍不可少。

在手工焊接技术中，高质量、高可靠的焊点来源于被焊母材的可焊性、焊料、焊剂和操作技术四大因素。

操作者必须具备和掌握手工焊接技术的基础理论知识，如母材的物理化学和电气性能、锡铅焊料状态图分析、助焊剂功能、操作秘诀等，其中操作技术是核心[241。

手工操作三个要素是:第一，预热:将待焊母材(金属)加热到焊锡能融化的程度。

第二，加助焊剂:带焊剂的焊锡丝、助焊剂熔点低首先起助焊剂三大作用。

第三，加焊料:焊锡送到焊接面上，掌握润湿程度时间和锡量最b.漫焊和再流焊技术浸焊技术是在手工焊基础上为了提高焊接效率，适合PCB电路焊接发展起来的。

浸焊属二次焊接前道工序，起固定元器件作用，用波峰焊修正焊点，保证焊点质量，功率消耗和焊锡消耗大，已不属于先进工艺方法。

印刷板的浸焊工序如图1所示。

再流焊是在焊接件上预镀焊料或者用成形焊料或焊膏，经过加热熔融进行焊接。

这对于微小部分的锡焊和平面安装基板的锡焊非常有效.再流焊的优点是仅在必要的地方给予适当成分的适量焊料;没有浸焊法所不可避免的杂质污染;不需进行阻焊处理;不会发生桥接，可进行高密度组装;可进行平面的组装而不需要通孔;能够仅在焊接处加热，对组装元器件的热影响小。

c.波峰焊技术波峰焊接是将印制电路板组装件以平面直线运动方式，与熔融的呈波峰状隆起的焊料接触铅焊连接的方法。

波峰焊是一种先进的生产工艺，具有焊接质量稳定、生产一致性强、自动化程度高等2.5 助焊剂为满足无铅焊料焊接的要求，需要开发新型的氧化还原能力更强和润湿性更好的助焊剂。

新开发的助焊剂要与焊接预热温度和焊接温度相匹配，而且要满足环保的要求。

迄今为止，实际测试证明，免清洗助焊剂用于无铅焊料焊接效果更好。

2.6 工艺流程在SMT工艺流程中，无铅焊料的涂敷印刷、元件贴装、焊接和住焊接残留物清洗以及焊接质量检验都是新的课题。

2.7 废料回收从含Ag的Sn基无铅无毒的绿色焊料中分离Bi 和Cu将是非常困难的，如何回收Sn-Ag合金又是一新课题。

2.8无铅焊接的质量管理。

只要满足无铅焊料的温度特性，采用与传统锡铅焊的相同的质量控制方法，那么，无铅焊接的质量和Sn-Pb共晶并没有太大的区别。

回路焊接的不良率也没有增加。

以感应式充电器为例，其充电性能、温度试验、冷热循环冲击试验、附着力测试、振动试验、吸附试验、潮态试验等效果均十分理想。

焊接缺陷统计显示也没有明显差别。

唯一要指出一点的手工修理时要注意对焊工进行培训，因为焊接温度翘起和损坏元件，同时，铁烙头更容易氧化，必须定期更换。

3、影响SMT无铅焊技术的几个因素3.1 工艺温度在无铅回流焊接中，无铅焊锡影响工艺温度，因此影响到加热温度曲线。

为了以较低的维护停机时间保持机器的清洁，需要一个适当的助焊剂流动管理系统。

3.2 冷却系统无铅焊接中推荐一个受控的冷却系统，因为一旦炉子具有适当的冷却能力，液化以上的时间，晶粒结构和板子出来的温度都可以界定自然需要更多的室温风扇。

而推荐使用的是一个高级的直接空气、完全集成的、排热系统。

这个系统设计用于以较低的氮气消耗提供良好的冷却。

3.3 助焊剂的选择由于较高的工艺温度，无铅焊接要求与含铅焊锡不同的助焊剂。

助焊剂类型决定哪一种预热配置最适合干该工艺。

选择一种具有快速变换配置灵活性的波峰焊接机器。

预热模块应该容易交换，以找到对每个个别工艺的最佳安排。

3.4 焊脚和空洞在无铅焊接中，会发生一些特别的缺陷，诸如焊脚提起和焊须。

但其他缺陷，如焊点中的空洞，也似乎比Sn/Pb 中发生的多。

焊脚开起是在冷却阶段，它是焊接元脚从电镀通孔周围铜焊盘的一种分离。

焊脚开起的主要原因是合金化合物、铜焊盘、板厚度与材料的温度膨胀系数的不匹配。

焊脚开起主要发生在含秘合金与铅污染结合的时候空洞形成的原因很多。

空洞可能是固化期间电镀孔的排气可能会在焊锡中产生空洞，空洞也可能是焊接点润湿不够的结果。

3.5 回流工艺回流工艺中的变量包括机器和数据记录参数。

机器参数包括传带速度、参考温度以上的时间、平均温度、最低温度、最高温度和达到最高温度的时间。

特征是指焊接缺陷，如空洞、跳焊、焊球，焊桥和元件竖立。

提高合格率和降低机器停机时间是无铅焊接引人之后必须达到的目标。

在开始无铅工艺之后，要努力建立一个可以重复测量的工艺，一个合理计算工艺的能力，一个合理计算工艺能力值的方法和一个使用该数据校准机器的方法。

4 结束语综上所述无铅焊技术研究和发展还处于刚开始阶段。

我国是世界上电子工业大国，特别是家电产品出口大国，加人WTO 后，我国的电子产品(如彩电、冰箱等)要成功地占领世界发达国家的市场，就必须逐步适应全世界范围发展无铅焊料的要求。