无铅回流焊的特点和对策

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电子产品组装焊接工艺中，已逐步实现无铅制程。无铅回流焊的焊点外观粗糙、气孔多、润湿角大、没有半月形，与有铅焊点有较明显的不同，如果用原来有铅的检验标准衡量，甚至可以认为是不合格的，这是因为无铅焊接润湿性差造成的。但对于一般要求的民用电子产品，这些不影响使用质量。随着无铅技术的深入和发展，由于助焊剂的改进以及工艺的进步，无铅焊点的粗糙外观已经有了一些改观，相信以后会有更大的进步。

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无铅回流焊接的主要特点

1、高温、熔点比传统有铅共晶焊料高３４℃左右。
2、表面张力大、润湿性差。
3、工艺窗口小，质量控制难度大。

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无铅回流焊点的特点

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，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。
4、缺陷多，由于浸润性差，使自定位效应减弱。

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从回流焊温度曲线分析无铅焊接的特点与对策，通过对有铅和无铅温度曲线的比较分析无铅焊接的特点及对策：

１、在升温区，有铅焊接从25℃升到100℃sec只需要60-90sec；而无铅焊接从25℃升到110℃需要100-200 sec，其升温时间比有铅要延长一倍，当多层板、大板以及有大热容量元器件的复杂印制电路板时，为了使整个PCB温度均匀，减小PCB及大小元器件的温差，无铅焊接需要缓慢升温。由此可以看出无铅焊接要求焊接设备升温、预热区长度要加长。

２、在快速升温区，（助焊剂浸润区），有铅焊接从150℃升到183℃，升温33℃，可允许在30-60sec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,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。为了提高助焊剂浸润区的升温斜率，应增加回流区的数目或提高加热功率。由于高温和浸润性差，要求提高焊膏中助焊剂的活动化温度和活性。

３、再看回流区，有铅的峰值温度为210-230℃，无铅的峰值温度为235-245℃，由于FR-4基材PCB的极限温度为240℃，由此可以看出有铅焊接时，允许有30℃的波动范围，工艺窗口比较宽松；而无铅焊接时，只允许有5℃的波动范围，工艺窗口非常窄。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。这个例孖仅仅适合简单产品，对于有大热容量的复杂产品。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，在同一块PCB上，由于不同位置铜的分布面积不同，不同位置上元器件的大小、元器件密集程度不同，因此PCB表面的温度是不均匀的。回流焊时如果最小峰值温度为235℃，最大峰值温度取决于板面的温差Δt，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Δt高达20-25℃。为了减小PCB表面的Δt，满足微小的无铅工艺窗口。再流焊炉的热容量和横向温差也是保证无铅焊接质量很重要的因素。一般要求再流焊炉横向温差<2℃，为了减小炉子横向温差Δt，除了采取更好的炉体保温措施，还可采用对导轨加热的方法。因为导轨容易散热，一般在靠近导轨处的温度箭微低一些。由于无铅比有铅的熔点高34℃，因此要求无铅焊接设备耐高温，抗腐蚀。对于大尺寸的PCB要求设备的导轨增加中间支撑。

    在冷却区，由于回流区的峰值温度高，为了防止由于焊点冷却凝固时间长，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。

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无铅焊膏印刷和贴装工艺对策

１、无铅焊膏和有铅焊膏在物理特性上的区别

（1）铅焊膏的浸润性和铺展性远远低于有铅焊膏，在焊盘上没有印刷焊膏的地方，熔融的焊料是铺展不到那些地方的，那么，焊后就会使没有被焊料覆盖的裸铜焊盘长期暴露在空气中，在潮气、高温、腐蚀气体等恶劣环境下，造成焊点被腐蚀而失效。影响产品的寿命和可靠性。
（2）为了改善浸润性，无铅焊膏的助焊剂含量通常要高于有铅焊膏；
（3）由于缺少铅的润滑作用，焊膏印刷时填充性和脱膜性较差。

２、无铅模板开口设计

    针对无铅焊膏的浸润性和铺展性差等特点，无铅模板开口设计应比有铅大一些，使焊膏尽可以完全覆盖焊盘。具体可以采取以下措施。
（1）对于Pitch＞0.5mm的器件，一般采取1：1.02-1:1.1的开口。
（2）对于Pitch≤0.5mm的器件，通常采用1：1开口，原则上至少不用缩小。
（3）对于0402的Chip元件，通常采用1：1开口，为防止竖碑、回流时元件移位等现象，可将焊盘开口内侧修改成尖角形或弓形。
（4）原则上模板厚度与有铅模板相同，由于无铅焊膏中的助焊剂含量高一些，也就是说合金含量少一些，因此也可以适当增加模板厚度。
（5）无铅模板宽厚比和面积比。

    为了正确控制焊膏的印刷量和焊膏图形的质量，必须保证模板上最小的开口宽度与模板厚度的比率大于1.5，模板开口面积与开口四周内壁面积的比率大于0.66,，这是IPC7525标准，也是有铅模板开口设计最基本的要求。

    由于无铅焊膏填充和脱膜能力较差，对模板开口宽厚比，面积比的要求更高一些：
无铅宽厚比：开口宽度（W）/模板厚度（T）＞1.6
无铅面积比：开口面积（W×L）/孔壁面积[2×（L+W）×T] ＞0.71

无铅模板制造方法的选择

    对于一般密度的产品采用传统的激光、腐蚀等方法均可以。对于0201等高密度的元器件应采用激光+电抛光、或电铸，更有利于提高无铅焊膏填充和脱膜能力。

无铅对印刷精度和贴装精度的要求

    因为无铅浸润力小。回流时自校正（Selfalign）作用比较小，因此，印刷精度和贴片精度比有铅时要求更高。