無鉛技術(shù)現(xiàn)狀及過渡階段應(yīng)注意的問題
摘要: 本文簡要簡紹了無鉛技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀、國內(nèi)軍工企業(yè)面臨的有鉛無鉛混裝的問題以及在無鉛向有鉛工藝過渡階段應(yīng)注意的問題
關(guān)鍵詞：無鉛；混裝；焊接工藝
1概述
隨著人類對環(huán)境保護的要求日益嚴格，電子裝聯(lián)技術(shù)向無鉛化的方向發(fā)展已是必然，歐盟在2003年最終通過了《關(guān)于報廢電子電氣設(shè)備指令》（WEEE）、《關(guān)于在電子電氣設(shè)備中禁止使用某些有害物質(zhì)指令》（RoHS）兩項法令，于2006年7月1日起施行。我國信息產(chǎn)業(yè)部于2004年2月24日通過了《電子信息產(chǎn)品污染防治管理辦法》，其主要內(nèi)容與歐盟指令類似，并于2007年3月1日起施行。
無鉛焊接技術(shù)使用焊接材料為無鉛焊料合金，這類焊料的熔點均高于共晶的錫鉛焊料，就意味著焊接溫度的提高帶來了元器件焊裝要承受過高溫度的不利影響，同時，無鉛焊接的可焊性及形成焊點可靠性尚存在不如有鉛焊接的問題，成為制約在軍事、航空航天或某些特定領(lǐng)域的電子產(chǎn)品應(yīng)用的重要原因。
但是，我們現(xiàn)在和以后相當長的一段時間面臨的問題是：我們選用的進口集成元器件，能采購到的大多為工業(yè)級、甚至為民用級，出現(xiàn)了有鉛和無鉛器件并存的現(xiàn)象，工藝性復(fù)雜了很多。單純按照有鉛工藝組裝，不僅不能確保其焊接質(zhì)量，有效避免焊接缺陷，而且從戰(zhàn)略武器使用的環(huán)境條件及貯存壽命要求角度來講，產(chǎn)品的焊點可靠性也無法保證。
2現(xiàn)狀分析
2.1? 無鉛焊料合金的現(xiàn)狀
目前已知的無鉛焊料多達幾十種，所用的合金材料的成分包括兩元系、三元系以及多元系。但概括起來，大多數(shù)都采用以錫Sn為主，適當添加銀Ag、鋅Zn、銅Cu、銻Sb、鉍Bi、銦In等金屬元素所組成，且主要通過焊料合金化來改善合金性能，得到理想的機械、電氣和熱性能。全球無鉛焊料應(yīng)用較廣泛的主要有五大系列無鉛合金焊料，分別是Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Bi系、Sn-In系以及Sn-Zn系。最常見的無鉛焊料主要是以Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi為基體，在其中添加適量其他金屬元素所組成的三元合金和多元合金。
2.2? 無鉛工藝技術(shù)的現(xiàn)狀
焊料合金和元器件引線及印制板鍍層的無鉛化，導(dǎo)致無鉛焊料熔點的提高帶來的主要問題是縮小了焊接工藝窗口，對電子裝聯(lián)生產(chǎn)線再流焊接工序、波峰焊接工序、手工焊接提出更高要求。隨著無鉛焊料合金及無鉛焊接關(guān)鍵技術(shù)的突破，目前國際上各大設(shè)備生產(chǎn)廠商推出了多種規(guī)格的無鉛再流焊機、無鉛波峰焊機及用于無鉛手工焊接的PID控溫烙鐵。從硬件上為無鉛工藝技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
據(jù)了解，國內(nèi)各大型生產(chǎn)出口產(chǎn)品企業(yè)在多年前就開始積極跟蹤和了解全球各國（特別是歐盟）對環(huán)保產(chǎn)品的要求，在積極跟蹤和了解鉛、汞、鎘六價鉻、多溴聯(lián)苯、多溴二苯醚等六種有害物質(zhì)替代材料和替代技術(shù)的基礎(chǔ)上，各自開展了小批量的替代技術(shù)論證和實驗，取得了一些基礎(chǔ)的工藝實驗數(shù)據(jù)，并在設(shè)備引進和相關(guān)技術(shù)改造中，立足于無鉛工藝技術(shù)的要求。
2.3? 國內(nèi)軍工行業(yè)無鉛焊接工藝現(xiàn)狀
目前國內(nèi)軍工行業(yè)在無鉛焊接工藝方面遇到的問題和我們大體相同，一方面，由于其電子產(chǎn)品的特殊性，重要性，對產(chǎn)品在不同使用狀態(tài)、使用環(huán)境的可靠性有很高要求，一個焊點故障可能導(dǎo)致產(chǎn)品失效，甚至整個試驗受挫，造成巨大損失。而無鉛焊接工藝屬于新興的工藝技術(shù)，從目前國際上的焊接材料發(fā)展水平看、在不同環(huán)境下對材料性能的認識及工藝能力等方面還遠未達到對錫鉛焊接技術(shù)掌握的水平；另一方面，國內(nèi)軍工行業(yè)在部分新研制型號、預(yù)研及高新項目中設(shè)計人員為保證產(chǎn)品性能，選購了國外集成電路芯片，由于目前歐盟、美國、日本等發(fā)達國家除軍品級元器件采用有鉛鍍層外，其工業(yè)級和民用級元器件引出端均采用無鉛鍍層和焊球。而國內(nèi)只能采購到其工業(yè)級或民用級元器件，這就導(dǎo)致國內(nèi)部分軍工行業(yè)被迫在有鉛工藝設(shè)備的條件下，在電路板組件上裝聯(lián)國外無鉛器件，由于無鉛焊料合金與錫鉛焊料合金性能存在巨大差異，目前國內(nèi)軍工單位只是在裝聯(lián)工藝技術(shù)采取一些應(yīng)對措施，解決無鉛器件在有鉛工藝條件下裝聯(lián)問題，對于無鉛器件與有鉛焊料及印制板鍍層進行焊接的兼容性、產(chǎn)品可靠性問題，由于涉及的因素較多還沒有深入研究，而且有些結(jié)論還賴以長期的實驗數(shù)據(jù)。
3???????? 有鉛向無鉛過渡階段需要注意的問題
3.1? 明確采購元器件的屬性
我們知道，有鉛焊料和無鉛焊端混用效果最差。如果遇到了無鉛元器件而生產(chǎn)前沒有發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)中還是采用有鉛焊料和有鉛工藝，將會出現(xiàn)大量的焊接缺陷，造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格甚至批報廢。因此，我們在備料時要注意元器件的焊端材料是否無鉛，如果是無鉛元器件，一定要弄清楚是什么鍍層材料，特別是BGA/CSP和新型封裝的器件。
3.2? 注意PCB導(dǎo)電圖形表面保護層種類
PCB導(dǎo)電圖形表面保護層特別是焊盤表面的保護層種類也會影響焊接的質(zhì)量。生產(chǎn)前應(yīng)明確PCB表面保護層特別是焊盤表面保護層的種類，了解其使用條件和優(yōu)劣勢，目前應(yīng)用較多的保護層有Sn-Pb HASL、浸Ag、浸Sn、OSP和ENIG這五種。
3.3? 再流焊接爐溫曲線設(shè)置
再流焊接爐溫曲線的設(shè)置是非常關(guān)鍵的，直接影響焊點的質(zhì)量和可靠性，因此必須反復(fù)試驗、多次測量，找出最佳的曲線設(shè)置。爐溫曲線設(shè)置時主要考慮以下幾點：
為了避免錫須的出現(xiàn)，降低回流焊工藝中引入的溫度應(yīng)力問題，爐溫曲線宜采用斜坡升溫模式，而不是傳統(tǒng)的平臺升溫模式。
應(yīng)考慮到部分有鉛元器件、連接器以及PCB板的耐高溫問題，峰值溫度宜盡量低于245 ℃，最好在235 ℃～245 ℃之間。
考慮PCB板表面各點溫度的均勻性要求、以及在較低峰值溫度下實現(xiàn)較長的熔化時間（40 s～70 s），適當降低鏈條傳輸速度。
升溫斜率盡量控制在2.0 ℃/s左右，減少錫球的形成。
3.4?? 波峰焊接工序
波峰焊接過程是基板焊接部分加熱，元件的本體一般不與焊料接觸或接觸時間較短，對元器件來講耐熱性基本沒有問題，波峰焊接工藝中應(yīng)注意的問題是焊料的潤濕性、PCB板變色變形以及錫雜等問題，并盡量降低熱沖擊的影響。