0-SMT无铅焊接与问题分析解决 培训6-无铅焊接的特点、无铅产品设计

• c 回流区峰值温度235℃与FR-4基材PCB的极限温度 （240 0C ）差（工艺窗口）仅为5 ℃。如果PCB表面温 度是均匀的， 那么实际工艺允许有5 ℃的误差。假若 PCB表面有温度误差Δt ＞5 ℃ ，那么PCB某处已超过 FR-4基材PCB的极限温度240℃，会损坏PCB。
•
对于简单的产品，峰值温度235~240℃可以满足要
（1）无铅焊接对再流焊设备的要求
① 耐350 ℃以上高温，抗腐蚀。 ② 设备横向温度均匀，横向温差＜±2℃，必要时对导
轨加热或采用特殊材料的导轨。 ③ 升温、预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。 ④ 要求有两个回流加热区或提高加热效率。 ⑤增加冷却装置，使焊点快速降温。 ⑥对于大尺寸的PCB需要增加中间支撑。 ⑦增加助焊剂回收装置，减少对设备和环境的污染。
（3）无铅焊接对返修设备的要求
① 耐高温，抗腐蚀。 ② 提高加热效率。 ③ 增加底部预热面积和预热温度，尽量使
PCB温度均匀。 ④ 增加中间支撑，预防高温引起 PCB变形。
四．无铅产品设计及工艺控制
（1）无铅产品工艺设计 （2）无铅产品PCB设计 （3）印刷工艺 （4）贴装 （5）再流焊 （6）波峰焊 （7）检测 （8）关于无铅返修 （9）无铅清洗
双波峰焊实时温度曲线 ℃
t
在预热区末端、两个波之间插入加热元件
⑧ 要密切关注Sn-Cu焊料中Cu比例， Cu的成分改变0.2%， 液相温度改变多达6℃。这样的改变可能导致动力学的 改变以及焊接质量的改变 。过量Cu会在焊料内出现粗 化结晶物，造成熔融焊料的黏度增加，影响润湿性和焊 点机械强度。 Cu比例超过1%，必须换新焊料。由于Cu 随工作时间不断增多，因此一般选择低Cu合金，补充焊 料时添加纯锡，但很难控制合金的比例。
慢升温，使整个PCB温度均匀，减小PCB及大小元器件 △t，因此要求焊接设备升温、预热区长度要加长。
• b 150~217℃/50~70sec快速升温区（助焊剂浸润区）。 有铅焊接从150℃升到183℃，升温33℃，可允许在 30~60 sec之间完成，其升温速率为0.55~1℃/sec；而无铅 焊接从150℃升到217℃，升温67℃，只允许在50~70sec 之间完成，其升温速率为0.96~1.34℃/sec，要求升温速 率比有铅高30%左右，另外由于无铅比有铅的熔点高 34℃，温度越高升温越困难， 如果升温速率提不上去， 长时间处在高温下会使焊膏中助焊剂提前结束活化反应， 严重时会使PCB焊盘，元件引脚和焊膏中的焊料合金在 高温下重新氧化而造成焊接不良，因此要求助焊剂浸润 区有更高的升温斜率。
Sn3Ag0.5Cu双波峰焊实时温度曲线
有铅和无铅波峰焊温度曲线比较示意图
①用于波峰焊的焊料：Sn-Cu或 Sn-Cu-Ni，熔点227℃。少量 的Ni可增加流动性和延伸率，减少残渣量。
• 高可靠的产品可采用Sn/Ag/Cu焊料，但不推荐， 因为Ag 的成本高，同时也会腐蚀Sn锅。
• 对不锈钢腐蚀率：Sn3Ag0.5Cu> Sn0.7Cu> Sn0.7Cu0.05Ni • 对Cu 腐蚀率：Sn3Ag.5Cu> Sn37Pb> Sn0.7Cu0.05Ni
Standard Eutectic Solder Joint
Lead Free Solder Joint
Typical Good Wetting Visible Fillet
润湿好
Reduced Wetting No Visible Fillet
润湿减少
三．无铅焊接对焊接设备的要求
（1）无铅焊接对再流焊设备的要求 （2）无铅焊接对波峰焊设备的要求 （3）无铅焊接对返修设备的要求
焊端（球）上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘，助焊剂排不出 去，造成气孔。但气孔不影响机械强度。 • ④ 缺陷多——由于浸润性差，使自定位效应减弱。 • 浸润性差，要求助焊剂活性高。
无铅再流焊焊点
无铅波峰焊焊点
插装孔中焊料填充不充分
热撕裂或收缩孔
无铅焊接常见缺陷
• 无铅焊点润湿性差——要说服客户理解。 气孔多 外观粗糙 润湿角大 没有半月形
（c）进行设备改造或添置必要的焊接设备 （d）提高管理水平。
二．无铅焊接的特点
• 高温 • 工艺窗口小 • 润湿性差
⑴ 从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点及对策
无铅：SAC305 有铅：Sn-37Pb
峰值温度
235~245℃ 210~230℃
液相时间 50~60s 60~90s
IMC厚度 不容易控制
特别注意：（由于浸析现象） • 采用Sn3Ag0.5Cu焊料进行波峰焊时对PCB的Cu布线有
腐蚀作用，将Cu比例从0.5%提高到0.7%，使焊料中Cu 处于饱和状态，可以减轻或避免对Cu布线的腐蚀。
②根据所选合金，需要255~275℃炉温， Sn在高温 下有溶蚀Sn锅的现象，采用钛合金钢Sn锅、或在 锅内壁镀防护层。由于工艺窗口小，要求Sn锅温 度均匀，±2℃。
无铅再流焊设备是否一定要求 8温区、10温区？
• 要对现有设备进行分析， • 做工艺试验、可靠性分析或认证， • 只要温度曲线和可靠性满足无铅要求、
就可以使用。
对无铅再流焊设备的主要要求： • 缓慢升温 • 助焊剂活化区快速升温，要求回流区热效率高，
能够快速升到回流温度。 • 快速冷却
（2）无铅焊接对波峰焊设备的要求
无铅焊点评判标准
• IPC-A-610D
Lead Free Inspection
Leaded Solder Paste Smooth & Shiny Surface
表面光滑、光亮
Lead Free Solder Paste Grainy Surface
表面粗糙
Wetting is Reduced with Lead Free
焊盘暴露铜
⑵ 无铅波峰焊特点及对策
• 无铅波峰焊接的主要特点也是： 高温、润湿性差、工艺窗口小。
• 与再流焊相比，波峰焊从有铅转向无铅焊接的工艺 难度要大得多。
• 过渡阶段铅污染问题：如果混入有铅元件，引脚表 面微量的铅还会引起Lift-off（焊点剥离）现象等 焊接缺陷，将严重影响焊点可靠性。
• 高温氧化问题
• e 由于高温，PCB容易变形，特别是拼板，因此对于大 尺寸的PCB需要增加中间支撑。
• f N2保护能够改善润湿性，提高焊点质量 • g 为了减小炉子横向温差△t，采取措施：带加热器的导
轨、选用散热性小的材料、定轨向炉内缩进等技术。
③ 浸润性差
应对措施： • 改良助焊剂活性 • 修改模板开口设计 • 提高印刷、贴装精度 • N2保护
Sn-Cu焊料中Cu比例0.75wt%为共晶点，此时的
Lift-off（焊点剥离）的几率最小，离开0.75wt%
越远越容易发生。
Sn-Cu系焊料合金
最佳焊 Sn-Cu合金二元相图
接温度 线
液态
固态
Sn-Pb系焊料金相图
熔点随成分变化而变化
• Sn-Cu的液相线 斜率大 (比Sn/Pb大十几倍)，液相
1. 无铅产品工艺设计
首先要确定组装方式及工艺流程 • 组装方式与工艺流程设计合理与否，直接影响：
• 组装质量 • 生产效率 • 制造成本
组装方式与工艺流程设计原则：
• 选择最简单、质量最优秀的工艺 • 选择自动化程度最高、劳动强度最小的工艺 • 工艺流程路线最短 • 工艺材料的种类最少 • 选择加工成本最低的工艺
焊接温度，另外降温速度过快容易热区末端、两个波之间插入加热元件
• 在预热区末端与波峰之间插入加热元件，防止PCB降温。 • 两个波之间的距离要短一些，或在第一波与第二波之间插入加热元
件，防止由于PCB降温造成焊锡凝固，焊接时间3~4s； • 适当提高波峰高度，增加锡波向上的压力。
① 耐高温，抗腐蚀，采用钛合金钢Sn锅、或在锅内壁镀 防护层。并要求Sn锅温度均匀，＜±2℃。
② 预热区长度要加长，满足缓慢升温的要求。 ③ 预热区采用热风加热器或通风，有利于水汽挥发。 ④④ 增加中间支撑，预防高温引起 PCB变形。 ⑤ 增加冷却装置，使焊点快速降温。 ⑥ 充N2可以减少焊渣的形成。 ⑦ 增加助焊剂回收装置，减少对设备和环境的污染。
③由于润湿性差，需要改良助焊剂，并增加一些涂 覆量。
④由于助焊剂涂覆量多，同时由于水基溶剂助焊剂需要充 分地将水分挥发掉，另外由于高熔点，为了使PCB内外 温度均匀，促进润湿和通孔内的爬升高度，主要措施：
• 预热区要加长，提高PCB预热温度到100~130℃。但提 高预热温度会加快氧化；
⑤增加中间支撑，预防高温引起 PCB变形。 ⑥增加冷却装置，使焊点快速降温。但对Sn锅吹风会影响
⑾ 波峰焊后分层Lift-off（剥离、裂纹）现象较严重。
⑿ 充N2可以减少焊渣的形成，可以不充氮气（N2），但 一定要比有铅焊接更注意每天的清理和日常维护。
⒀ 波峰焊接设备需要对波峰焊部件、加热部件和焊剂管 理系统进行特殊维护。
⑶ 无铅焊点的特点
• ① 浸润性差，扩展性差。
• ② 无铅焊点外观粗糙。传统的检验标准与AOI需要升级。 • ③ 无铅焊点中气孔较多，尤其有铅焊端与无铅焊料混用时，
• 为了减小△t，满足小的无铅工艺窗口。炉子的热容量 也是很重要的因素。要求再流焊炉横向温差＜2℃，同 时要求有两个回流加热区。
• d 由于焊接温度高，为了防止由于焊点冷却凝固时间过 长，造成焊点结晶颗粒长大；另外，加速冷却可以防止 产生偏析，避免枝状结晶的形成，因此要求焊接设备增 加冷却装置，使焊点快速降温。
求；但是对于复杂产品，可能需要260℃才能焊好。因
此FR-4基材PCB就不能满足要求了。
• 在实际回流焊中，如果最小峰值温度为235℃，最大峰 值温度取决于板面的温差△t，它取决于板的尺寸、厚 度、层数、元件布局、Cu的分布以及元件尺寸和热容 量。拥有大而复杂元件（如CBGA、CCGA等）的大、 厚印制板，典型△t高达20~25℃。
温度对成分很敏感。 • 因此少量成分变化，就
会使熔点偏移，造成焊 接温度的变化。
波峰焊时随着Cu不断增加， 熔点也不断提高。
⑨ 无铅波峰焊中的Pb是有害的杂质，经常监测焊料中Pb 的比例，要控制焊点中Pb含量＜0.05%。
⑩ 插装孔内上锡可能达不到75%（传统Sn/Pb 75%）， PCB设计适当增加孔径比，减慢速度和充N2 可以改善。
一．无铅工艺与有铅工艺比较
有铅技术
无铅技术
设备方面 印、贴、焊、检 只有焊接设备有特殊要求
焊接原理
工艺流程
相同
工艺方法
元器件
PCB
有铅
无铅
焊接材料
温度曲线 工艺窗口大
温度高、工艺窗口小
焊点
润湿性好
润湿性差
检测标准 IPC-A-610C
IPC-A-610D
管理
要求更严格
通过无铅、有铅比较，正确认识无铅技术
2-4 无铅焊接的特点、无铅产品设计、 模板设计及工艺控制
（参考： [工艺] 第18章； [基础与DFM]第5章）
顾霭云
内容
一．无铅工艺与有铅工艺比较 二．无铅焊接的特点
⑴ 从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点 ⑵ 无铅波峰焊特点及对策 三．无铅焊接对焊接设备的要求 四．无铅产品设计及工艺控制 ⑴无铅工艺设计 ⑵无铅PCB设计 ⑶印刷及模板设计 ⑷贴装 ⑸再流焊 ⑹波峰焊 ⑺检测 ⑻无铅返修 ⑼清洗
无铅工艺流程设计
• 尽量采用再流焊方式 （不采用或少采用波峰焊、手工焊工艺）
• 通孔元件再流焊工艺 （适用于少量通孔插装元件（THC）时）
• 选择性波峰焊机是无铅波峰焊的良好选择 （适用于高可靠、及无铅）
（a）无铅工艺技术并不是高不可攀的技术 因为基本原理、工艺方法与有铅技术是相同的。
（b）但由于无铅的焊接材料、元器件、PCB都发生了变化， 因此工艺参数必须随之改变。主要变化是温度高、工艺 窗口小、润湿性差、工艺难度大，容易产生可靠性问题， 因此要求比有铅时更加重视理论学习、工艺技术研究、 工艺实践，尤其要掌握关键技术：印、焊。
容易控制
从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点及对策
• ① 熔点高，要求无铅焊接设备耐高温，抗腐蚀。要求助 焊剂耐高温。
• ② 从温度曲线可以看出：无铅工艺窗口小。 无铅焊接的工艺窗口比铅锡焊膏小，要求PCB表面温
度更均匀。要求焊接设备横向温度均匀。 • a 25~110 ℃/100~200 sec，110~150℃/40~70 sec，要求缓