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線路板裝配中的無鉛工藝應(yīng)用原則
過去5年間，電子裝配業(yè)一直在測(cè)試各種合金，希望能找到幾種無鉛方案替代常規(guī)63Sn/37Pb共晶系統(tǒng)。有很多方案雖然從技術(shù)的角度來看是可行的，但卻沒考慮成本、供貨性和工藝性等其它方面的因素。本文旨在為業(yè)界提供一個(gè)實(shí)際可行的無鉛工藝選用原則，內(nèi)容包括工藝要求、根據(jù)要求得出的結(jié)論以及在實(shí)際條件下的試用情況等，今后如需對(duì)其他更為復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行判斷比較，這里提供的方法也可作為評(píng)估參考。
電子裝配對(duì)無鉛焊料的基本要求
無鉛焊接裝配的基本工藝包括：a. 無鉛PCB制造工藝；b. 在焊錫膏中應(yīng)用的96.5Sn/3.g和95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu共晶和近似共晶合金系統(tǒng)；c. 用于波峰焊應(yīng)用的99.3Sn/0.7Cu共晶合金系統(tǒng)；d. 用于手工焊接的99.3Sn/0.7Cu合金系統(tǒng)。盡管這些都是可行工藝，但具體實(shí)施起來還存在幾個(gè)大問題，如原料成本仍然高于標(biāo)準(zhǔn)Sn/Pb工藝、對(duì)濕潤(rùn)度的限制有所增加、要求在波峰焊工藝中保持惰性空氣狀態(tài)(要有足量氮?dú)?以及可能將回流焊溫度升到極限溫度范圍(235～245℃之間)而提高了對(duì)各種元件的熱性要求等等。
就無鉛替代物而言，現(xiàn)在并沒有一套獲得普遍認(rèn)可的規(guī)范，經(jīng)過與該領(lǐng)域眾多專業(yè)人士的多次討論，我們得出下面一些技術(shù)和應(yīng)用要求：
金屬價(jià)格 許多裝配廠商都要求無鉛合金的價(jià)格不能高于63Sn/37Pb，但不幸的是現(xiàn)有的所有無鉛替代物成本都比63Sn/37Pb高出至少35%以上。在選擇無鉛焊條和焊錫絲時(shí)，金屬成本是其中zui重要的因素；而在制作焊錫膏時(shí)，由于技術(shù)成本在總體制造成本中所占比例相對(duì)較高，所以對(duì)金屬的價(jià)格還不那么敏感。
熔點(diǎn) 大多數(shù)裝配廠家(不是所有)都要求固相溫度zui小為150℃，以便滿足電子設(shè)備的工作溫度要求,zui高液相溫度則視具體應(yīng)用而定。
波峰焊用焊條：為了成功實(shí)施波峰焊，液相溫度應(yīng)低于爐溫260℃。
手工/機(jī)器焊接用焊錫絲：液相溫度應(yīng)低于烙鐵頭工作溫度345℃。
焊錫膏：液相溫度應(yīng)低于回流焊溫度250℃。對(duì)現(xiàn)有許多回流焊爐而言，該溫度是實(shí)用溫度的極限值。許多工程師要求zui高回流焊溫度應(yīng)低于225～230℃，然而現(xiàn)在沒有一種可行的方案來滿足這種要求。人們普遍認(rèn)為合金回流焊溫度越接近220℃效果越好，能避免出現(xiàn)較高回流焊溫度是不過的，因?yàn)檫@樣能使元件的受損程度降到zui低，zui大限度減小對(duì)特殊元件的要求，同時(shí)還能將電路板變色和發(fā)生翹曲的程度降到zui低，并避免焊盤和導(dǎo)線過度氧化。
導(dǎo)電性好 這是電子連接的基本要求。
導(dǎo)熱性好 為了能散發(fā)熱能，合金必須具備快速傳熱能力。
較小固液共存溫度范圍 非共晶合金會(huì)在介于液相溫度和固相溫度之間的某一溫度范圍內(nèi)凝固，大多數(shù)冶金專家建議將此溫度范圍控制在10℃以內(nèi)，以便形成良好的焊點(diǎn)，減少缺陷。如果合金凝固溫度范圍較寬，則有可能會(huì)發(fā)生焊點(diǎn)開裂，使設(shè)備過早損壞。
低毒性 合金及其成分必須無毒，所以此項(xiàng)要求將鎘、鉈和汞排除在考慮范圍之外；有些人也要求不能采用有毒物質(zhì)所提煉的副產(chǎn)品，因而又將鉍排除在外，因?yàn)殂G主要來源于鉛提煉的副產(chǎn)品。
具有良好的可焊性 在現(xiàn)有設(shè)備和免清洗型助焊劑條件下該合金應(yīng)具備充分的潤(rùn)濕度，能夠與常規(guī)免清洗焊劑一起使用。由于對(duì)波峰進(jìn)行惰性處理的成本不太高，因此可以接受波峰焊加惰性環(huán)境的使用條件要求；但就SMT回流焊而言，合金要具備在空氣下進(jìn)行回流焊的能力，因?yàn)閷?duì)回流焊爐進(jìn)行惰性處理成本較高。
良好的物理特性(強(qiáng)度、拉伸度、疲勞度等) 合金必須能夠提供63Sn/37Pb所能達(dá)到的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性，而且不會(huì)在通孔器件上出現(xiàn)突起的角焊縫(特別是對(duì)固液共存溫度范圍較大的合金)。
生產(chǎn)可重復(fù)性/熔點(diǎn)一致性 電子裝配工藝是一種大批量制造工藝，要求其重復(fù)性和一致性都保持較高的水平，如果某些合金的成分不能在大批量條件下重復(fù)制造，或者其熔點(diǎn)在批量生產(chǎn)時(shí)由于成分變化而發(fā)生較大變化，便不能給予考慮。3種以上成分構(gòu)成的合金往往會(huì)發(fā)生分離或成分變化，使得熔點(diǎn)不能保持穩(wěn)定，合金的復(fù)雜程度越高，其發(fā)生變化的可能性就越大。
焊點(diǎn)外觀 焊點(diǎn)的外觀應(yīng)與錫/鉛焊料接近，雖然這并非技術(shù)性要求，但卻是接受和實(shí)施替代方案的實(shí)際需要。
供貨能力 當(dāng)試圖為業(yè)界找出某種解決方案時(shí)，一定要考慮材料是否有充足的供貨能力。從技術(shù)的角度而言，銦是一種相當(dāng)特別的材料，但是如果考慮范圍內(nèi)銦的供貨能力，人們很快就會(huì)將它*排除在考慮范圍之外。
另外業(yè)界可能更青睞標(biāo)準(zhǔn)合金系統(tǒng)而不愿選系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)合金的獲取渠道比較寬，這樣價(jià)格會(huì)比較有競(jìng)爭(zhēng)性，而合金的供應(yīng)渠道則可能受到限制，因此材料價(jià)格會(huì)大幅提高。
與鉛的兼容性 由于短期之內(nèi)不會(huì)立刻全面轉(zhuǎn)型為無鉛系統(tǒng)，所以鉛可能仍會(huì)用在某些元件的端子或印刷電路板焊盤上。有些含鉛合金熔點(diǎn)非常低，會(huì)降低連接的強(qiáng)度，如某種鉍/錫/鉛合金的熔點(diǎn)只有96℃，使得焊接強(qiáng)度大為降低。
金屬及合金選擇
在各種候選無鉛合金中，錫(Sn)都被用作基底金屬，因?yàn)樗杀竞艿?，貨源充足，并具備理想的物理特性，如?dǎo)電/導(dǎo)熱性和潤(rùn)濕性，同時(shí)它也是63Sn/37Pb合金的基底金屬。通常與錫配合使用的其它金屬包括銀(Ag)、銦(In)、鋅(Zn)、銻(Sb)、