无铅回流焊要求更先进的炉温监控技术

    当今世界越来越关注铅带来的环境和健康危害。尽管电子行业铅的用量只占世界总铅量中极其微小的一部分，但我们所关注的是大部分的电子垃圾最后都是掩埋在地下，污染地球和水资源。虽然每年只有一万吨的锡铅合金焊料用于这一领域，但是这些焊料几乎没有得到回收。相反，许多使用更多铅的其他产品，在全世界大部分市场都得到了严格的控制和有效的回收。

　　欧洲已经采用许多法律手段来禁止和限制电子行业铅的使用。比如说，WEEE指出：“必须拆除任何废弃的终将被埋入地下，焚烧或再生的电子或电气设备中含有以下成分[铅]的元器件。”本法令将于2006年一月一日生效，虽然其中含有很多豁免情况。这一行动将影响到那些含铅产品进入欧洲市场，不管这些产品是在哪里生产的。

　　事实上，早在1998年，日本电子工业协会就决定主动消除电子组装中的铅。他们的目标是到2004年真正作到“无铅”。

　　美国目前还没有这样的法令。有些公司推崇铅的回收利用，认为它是一种比“无铅”更好的解决办法。总之，业界已经广泛接受“无铅”趋势。

　　竞争因素

　　许多主张无铅焊接的预言家们，觉得法律手段是无实际意义的，他们相信在不久的将来，单凭市场因素足以促使电子组装业的无铅化。Iwona Turnik博士，摩托罗拉先进技术中心主任在IPC主办的Works99会议发表的市场调查报告中表明：

　　1. 20%的消费者在购买时会主动考虑环境问题。

　　2. 45%的消费者购买动机是因为产品对环境安全。

　　3. 50%的消费者更换品牌是因为发现它对环境有害。

　　4. 76%的消费者将在价格和质量相当的情况下首先选择环保产品。

　　例如，日本所有的大型消费类电子产品公司都在大量生产无铅电子产品，推销时使用“绿色产品”作为竞争卖点，特别是消费类电子市场。松下1998年推出了无铅微型CD播放机，包装上用了一片绿色的树叶，作为环保安全标志，市场份额增长显著：从4.7%增长到15%。

　　汽车行业将是“无铅”趋势的主要动力。汽车“无铅”化不仅对环保有益，而且无铅焊接也改善了焊点的耐温特性。大部分汽车电子部件都被安装在发动机室，因此要承受更高的工作温度（高达摄氏150度）和更剧烈的温度变化。竞争的压力以及担心被排挤出国际大市场的双重考虑，使全球大部分主要电子生产厂家开始为无铅产品做准备。

　　无铅合金

　　目前市场上许多种无铅合金可供使用。而其中前景最好的似乎是锡/银/铜合金和锡/银/铋合金。最终是在二者之中权衡。锡/银/铜合金的焊点比现在的锡/铅合金可靠性要高，但是其熔化温度达到217°C。例如，美国NEMI选择的是95.5锡/3.9银/0.6铜的焊膏。

　　铋合金，溶化温度是206° 到 213°C之间。尽管人们认为对于消费类电子产品来说，它的焊点有足够的可靠性，但性能还是不如现在的含铅焊料，主要是因为众所周知的焊点起皱现象。有些人选择铋合金是因为它们最接近含铅合金，深受日本人的青睐，被使用在许多无铅电子组件中。它们要比锡/银/铜合金贵，并且也有人关注是否有足够的铋资源满足整个市场需求。

　　将来不可能有一种所谓“标准”的无铅焊料，而是会有几种不同的焊料共存，他们各有利弊。选择哪一种将很可能取决于产品的具体要求。

　　对制造工艺的冲击

　　丝网印刷：最低限度的影响（如果有的话）。

　　贴片：最低限度的影响。有人辩论说需要提高贴片精度，是因为无铅焊膏回流时自对位能力较差。

　　回流：由于熔化温度高出20° 到 50°C，对制造工艺有重要影响。

　　波峰焊：有一定的影响。助焊剂和合金成分的选择变得很重要。工艺上将面临包括“锡须”和“焊点起皱”等问题。可能需要充氮。

　　检测：与无铅焊接相关的最大变化是焊点表面暗淡，自动光学检测系统可能需要重新编程。还需要额外的操作员培训。

　　最后一个较为感性的因素是无铅焊点不如含铅焊点光亮好看。当然这不影响组装质量。

　　返工：耗时且难度大。与锡/铅组装相比，返工时涉及到更高温度和更长时间的加热。不过实验证明无铅组件良好的返工是可以实现的。

　　无铅回流工艺

　　无铅焊接给电子组装带来的首要挑战就是更高的工艺温度。普通含铅焊膏的工艺窗口很宽，典型的峰值温度范围介于208° ~235°C。但是锡/银/铜焊膏推荐的峰值温度在242° ~262°C。印制板上最敏感的元件可能只能承受240°C，因此对这些元件来说，这种工艺是不可行的。（参见西门子的研究报告）。还有许多其他元件所能承受的最高温度都在262°C以下。对于这样的组件，与含铅生产相比，可用的工艺窗口大大地缩小了。另外，无铅焊膏的润湿性很差，需要更好地控制从预热到回流的整个制程温度。这个工艺窗口不可能在近期内拓宽。更多地可能要依赖元件制造商花费数年时间发明一代新的抗高温元件。而这种元件也许将因高价格而告终。

　　较高的温度以及在较高温度下滞留更长的时间，将带来更大的潜在氧化和对可焊性的负面影响。惰性气体将极大的减小这种影响，许多工艺专家和公司极力推荐这种方法。但是，有必要指出的是，不是每个人都相信无铅工艺中使用惰性气体的必要性。由于氮气成本高，再加上有些无铅产品使用正常气体成功的例子，人们仍在讨论是否需要使用惰性气体。

　　随着元件密度增加组件日趋复杂，工艺窗口狭窄的问题将变得越来越突出。寻求一个工艺曲线可以适应这样的组件和工艺，特别是尺寸较大、横向温差也较大的线路板，从来都不是一件容易的事。在较为狭窄的无铅工艺窗口进行这项工作需要使用更先进的工艺优化工具。

　　有些公司在转向无铅产品过程中犹豫不决的原因，除了质量问题，另一个原因是产品成本更高。一个最大的担心是生产线的生产量和生产率将下降。在生产线上回流炉显然不是最慢的机器。但是在为无铅生产设置回流炉时，由于狭窄的工艺窗口，可能需要大大降低传送带的速度。这样，回流炉可能成为整个生产线的瓶颈，并且拖低产量。对于生产多种产品的生产线，使炉子的转换时间最小化是关键，在整个生产线上，炉子往往是准备进入新产品生产的最慢环节。在含铅工艺中，由于工艺窗口宽，一台很普通的炉子就能容易地完成多品种生产。这在将来显然会很困难。

　　好的方面就是上述质量和生产率的问题都可以解决，并且已有证据显示，甚至提高了现有的水准。为了实现这一点，需要采用全新的思维和工艺规范，同时还需要借助更先进的工艺手段。生产者需要着重于开发更好的工艺，并在生产中不断地加以控制。

　　工艺开发

　　含铅组装生产中较宽的温度工艺窗口，使生产者根本没体验过工艺上的难处。很多组装者几乎不知道确切的工艺范围，很少调节回流炉和波峰炉的温度曲线。更糟糕的是，在设定工艺参数时，许多工艺工程师更多地依赖于对工艺数据的主观解释，而不是客观科学的方法。

　　事实证明以下三个步骤，对于建立一个适合于无铅产品的热制程开发途径，是非常有效的。

　　确定范围（工艺窗口）

　　限定工艺窗口在这个过程中，是一个非常重要的部分。产品的质量基本取决于制造中的板子通过一个恰当的工艺窗口。而这又是由具体的焊膏特性决定的，当然还有许多其他的因素要考虑。敏感元件需要的工艺窗口可能与普通的焊膏特性不同。板的底面温度可能需要与顶面的温度有一个温差。元件可能要求放置在某一指定的、即要求温度足够高以回流那些元件密集区时，可能会烧焦的区域。

　　考量工艺

　　通过测量曲线的结果，确定上述设置的工艺窗口是否适合于所生产的产品。我们必须确定各个元件上放置的热电偶的测量结果是否都落在所确立的工艺窗口内。这一过程比较耗时，是一种自觉行为，而且还需要具备有关回流焊的工艺知识储备。进行这项工作，一个非常有用的概念叫做工艺窗口指数（PWI）。它能算出相对于先前确定的范围（工艺窗口），设定的曲线占用了可用窗口多大的范围。PWI高于100%，表明超出了确定的范围，PWI等于100%表示设定曲线占用了整个工艺窗口。这是一个不稳定的工艺，任何波动都将导致曲线超出它的限度。任何低于100%的曲线都在这个范围内，数字越小，设置越好，曲线越靠近工艺窗口的中间。

　　改善提高（优化工艺）

　　一旦确定了这种设置的优劣，下面就面临必须改善或优化工艺。在任何一台具体的回流炉上，可能有无数种可供选择的参数配置。现代的曲线调制工具和专用软件能够在几秒钟内在所有的参数配置中搜索并选择出最合适的。“最合适的”可能是工艺窗口中间的那条曲线，或者可能是窗口内产量最高的曲线，或者是二者兼顾。这极大地影响到无铅产品的质量和生产率。

　　工艺控制（CPK）

　　完成了无铅工艺的开发，接下来就是开始生产。由于无铅工艺范围狭窄，留给那些由于无可避免的温度、导轨速度、对流速率等变化带来的工艺波动的空间就很小了。统计过程控制(SPC)数据可能有助于工艺控制，但数据采集难度较大。所幸目前市场上可以买到几种连续控制系统。这种系统提供实时工艺数据(每块PCB板上真实曲线的数据,而不是来自炉子的数据)。当超出曲线范围时，这种连续控制系统就会即时报警。它还可以监测每个制程参数的CPK水平。这样在超出曲线范围之前就对失控工艺实时报警，可以保证零缺陷生产的实现。

结论

　　今天已有许多公司，特别是日本的一些消费类电子产品制造商，正在大量生产无铅产品，并且成效卓著。另外，国际上不同的实验室和生产线，已经进行了大量关于产量，抗力强度和使用寿命的无铅实验。也许这些测试会出乎意料地证明：在正确的工艺操作下，无铅焊点比普通的含铅焊点更牢固，有更长期的可靠性。

　　西门子Dematic电子公司对锡/银/铜焊料进行的一个突破性的研究结论说，峰值温度为232°C焊点的润湿性和焊点强度与峰值温度为242°C和257°C时一样。这一发现意义重大，因为它说明对于目前那些温度不能超过240°C的敏感元件，只要工艺开发适当并采取控制，就可以用于无铅工艺。当然我们还需要对无铅焊接峰值温度低于240°C作进一步研究，但是如果这一发现得到证实，就不需再等待新的耐高温元件了。

可喜的是，尽管无铅生产的工艺窗口较窄，却不会带来什么额外的成本。除了那些已经陈旧，温区短，而且设计很差的炉子，现今的回流炉都能进行无铅工艺操作。但是可能需要更好的工艺开发和控制的工具。那些正积极准备进入无铅领域的OEM公司，很快将不仅受益于焊点更牢固，而且在市场上也更有竞争力。同样，CMS公司也将为他们的客户在这个竞争极其激烈的行业赢得市场提供新的能力.