关于无铅工艺的分析和应用

在传统的印刷电路板组装的焊锡工艺中，一般采用锡铅焊料（Sn-Pb），其中铅是作为合金焊料的一种基本元素存在并发挥作用。

无铅工艺的基本概念就是在焊锡过程中，无论是手工烙铁焊、浸焊、波峰焊和回流焊，所使用的焊料都是无铅焊料（Pb-Feer  Soder）,但无铅焊料并不是代表100%不含铅。

在有铅焊料中，铅是作为一种基本元素而存在的。在无铅焊料中，基本元素不含铅。但作为一种杂质元素，铅的存在是不可避免的。因为世界上不存在100%的纯金属。实质上无铅焊料的定义就是无铅焊料中铅的上限值的问题。

欧盟出台的ROHS指令明确要求将铅的含量控制在0.1wt%以下。

无铅工艺趋势

随着国际环保要求逐步提高，无铅工艺成为电子产业发展的一个必然过程。尽管无铅工艺已经推行这么多年，仍有部分企业使用有铅工艺，但无铅工艺完全代替有铅这是一个必然的结果。但是无铅工艺在使用方面有些地方也许还不如有铅工艺，所以我们以后要研究的是如何让无铅工艺更好地替代有铅工艺。让ROHS环保更广泛的普及，达到既盈利又环保的双赢目标。

无铅工艺的现状

当前国内许多大公司也没有完全采用无铅工艺而是采取有铅工艺技术来提高可靠性，在机车行业中西门子和庞巴迪等国际知名公司也没有完 全采用无铅工艺进行生产，而是尽量豁免。

当前有许多专业也认为无铅技术还有许多问题有待于进一步认识，如著名工艺专家李宁成博士也认为当前的无铅工艺技术的发展还没有有铅技术成熟，如先前的无铅焊接采用的最多的Sn3Ag0.5Cu焊料合金，最近发现由于Cu的含量稍低，焊点可靠性有些问题，有人建议将Cu的质量分数提高到1%~2%，但是现在时常上还没有这种焊料合金的产品。同时无铅焊接的电子产品的可靠性数据远远没有有铅焊接生产的电子产品丰富。

有铅工艺和无铅工艺的比较

有铅工艺技术有上百年的发展历史，经过一大批有铅工艺专家研究，具有交好的焊接可靠性和稳定性，拥有成熟的生产工艺技术，这主要取决于有铅焊料合金的特点。

有铅焊料合金熔点低，焊接温度低，对电子产品的热损坏少；有铅焊料合金润湿角小，可焊性好，产品焊点“假焊”的可能性小；焊料合金的韧性好，形成的焊点抗震动性能好于无铅焊点。

无铅焊接工艺从目前的研究结果中摸索有可替代合金的熔点温度都高于现有的锡铅合金。例如从目前较可能被业界广泛接受的“锡——银——铜”合金看来，起熔点是217℃，这将在焊接工艺中造成工艺窗口的大大缩小。理论上工艺窗口的缩小为从锡铅焊料的37℃降到23℃。实际上，工艺窗口的缩小远比理论值大。因为在实际工作中我们的测温法喊有一定的不准确性，加上DFM的限制，以及要很好地照顾到焊点“外观”等，回流焊接工艺窗口其实只有约14℃。

不只是工艺窗口的缩小给工艺人员带来巨大的挑战，焊接温度的提高也使得焊接工艺更加困难。其中一项就是高温焊接过程中的氧化现象。我们都知道，氧化层会使焊接困难、润湿不良以及造成虚焊。氧化程度除了器件来料本身要有足够的控制外，拥护的库存条件和时间、加工前的处理(例如除湿烘烤)以及焊接中预热(或恒温)阶段所承受的热能(温度和时间)等都是决定因素。

由于无铅焊接工艺窗口比起含铅焊接工艺窗口有着显著的缩小，业界有些人认为氮气焊接环境的使用也许有必要。氮气焊接能够减少熔锡的表面张力，增加其湿润性。也能防止预热期间造成的氧化。但氮气非万能，它不能解决所有无铅带来的问题。尤其是不可能解决焊接工艺前已经造成的问题。

在目前的回流焊接设备中，使用强制热风对流原理的炉子设计是主流。热风对流技术在升温速度的可控性以及恒温能力方面较强。在加热效率和加热均匀性以重复性等方面较弱。这些弱点，在含铅技术中体现的并不严重，许多情况下还可以被接受。随着无铅技术工艺窗口的缩小和对重复性的更高要求，热风对流技术将受到挑战。