考慮到環境和健康的因素，歐盟已通過立法將在2008年停止使用含鉛釬料，美國和日本也正積極考慮通過立法來減少和禁止鉛等有害元素的使用。 鉛的毒害目前全球電子行業用釬料每年消耗的鉛約為20000t，大約占世界鉛年總產量的5%。鉛和鉛的化合物已被環境保護機構(EPA)列入前17種對人體和環境危害最大的化學物質之壹。 無鉛釬料 目前常用的含鉛合金焊料粉末有錫壹鉛（Sn-Pb）、錫壹鉛壹銀（Sn-Pb-Ag）、錫壹鉛壹鉍（Sn-Pb-Bi）等，常用的合金成分為63%Sn/37%Pb以及62%Sn/36%Pb/2%Ag。不同合金比例有不同的熔化溫度。對於標準的Sn63和Sn62焊料合金來說，回流溫度曲線的峰值溫度在203到230度之間。然而，大部分的無鉛焊膏的熔點比Sn63合金高出30至45度，因此， 無鉛釬料的基本要求目前國際上公認的無鉛釬料定義是:以Sn為基體，添加了Ag、Cu、Sb、In其它合金元素，而Pb的質量分數在0.2%以下的主要用於電子組裝的軟釬料合金。無鉛釬料不是新技術，但今天的無鉛釬料研究是要尋求年使用量為5～6萬噸的Sn-Pb釬料的替代產品。因此，替代合金應該滿足以下要求:
(1)其全球儲量足夠滿足市場需求。某些元素，如銦和鉍，儲量較小，因此只能作為無鉛釬料中的微量添加成分;
(2)無毒性。某些在考慮範圍內的替代元素，如鎘、碲是有毒的。而某些元素，如銻，如果改變毒性標準的話，也可以認為是有毒的;
(3)能被加工成需要的所有形式，包括用於手工焊和修補的焊絲;用於釬料膏的焊料粉;用於波峰焊的焊料棒等。不是所有的合金能夠被加工成所有形式，如鉍的含量增加將導致合金變脆而不能拉拔成絲狀;
(4)相變溫度(固/液相線溫度)與Sn-Pb釬料相近;
(5)合適的物理性能，特別是電導率、熱導率、熱膨脹系數;
(6)與現有元件基板/引線及PCB材料在金屬學性能上兼容;
(7)足夠的力學性能:剪切強度、蠕變抗力、等溫疲勞抗力、熱機疲勞抗力、金屬學組織的穩定性;
(8)良好的潤濕性;
(9)可接受的成本價格。
新型無鉛釬料的成本應低於 22.2/kg，因此其中In的質量分數應小於1.5%，Bi含量應小於2.0%。 早期的研發計劃集中於確定新型合金成分、多元相圖研究和潤濕性、強度等基本性能考察。後期的研發計劃主要集中於五種合金系列:SnCu、SnAg、SnAgCu、SnAgCuSb和SnAgBi。並深入探討其疲勞性能、生產行為和工藝優化。 表2.3 NCMS美國國家制造科學中心提出的無鉛釬料性能評價標準 IPC也於2000年6月發布了研究報告“A guide line for assembly of lead-free electronics”。
目前國際上關於無鉛釬料的主要結論如下:現在已經有很多種無鉛釬料面世沒有壹種能夠為SnPb釬料的直接替代提供全面的解決方案。
(1)對於某些特殊的工藝過程，某些特定的無鉛釬料可以實現直接替代;
(2)目前而言，最吸引人的無鉛釬料是Sn-Ag-Cu系列。其他有潛力的組合包括Sn-0.7Cu、Sn-3.5Ag和Sn-Ag-Bi;
(3)目前還沒有合適的高鉛高熔點釬料的無鉛替代品;
(4)目前看來，釬劑的化學系統不需要進行大的變動;
(5)無鉛釬料形成焊點的可靠性優於SnPb合金。
幾種無鉛釬料的對比
(1)SnCu:價格最便宜;熔點最高;力學性能最差。
(2)SnAg:力學性能良好，可焊性良好，熱疲勞可靠性良好，***晶成分時熔點為221℃。SnAg和SnAgCu組合之間的差異很小，其選擇主要取決於價格、供貨等其他因素。
(3)SnAgCu(Sb):直到最近幾年才知道Sn-Ag-Cu之間存在三元***晶，且其熔點低於Sn-Ag***晶，當然該三元***晶的準確成分還存在爭議。與Sn-Ag和Sn-Cu相比，該組合的可靠性和可焊性更好。而且加入0.5%Sb後還可以進壹步提高其高溫可靠性。
(4)SnAgBi(Cu)(Ge):熔點較低，200～210℃;可靠性良好;在所有無鉛釬料中可焊性最好，已得到Matsushita確認;加入Cu或Ge可進壹步提高強度;缺點是含Bi帶來潤濕角上升缺陷的問題。
(5)SnZnBi:熔點最接近於Sn-Pb***晶;但含Zn帶來很多問題，如釬料膏保存期限、大量活性釬劑殘渣、氧化問題、潛在腐蝕性問題。目前不推薦使用。 2.2 選擇合金 由上，本次回流工藝設計焊料合金采用Sn/Ag/Cu合金（Sn/Ag3.0/Cu0.5），因為該合金被認為是國際工業中的首選並且得到了工業和研究公會成員的推薦。因為雖然壹些公會還提議並且研究了另壹種合金Sn/0.7Cu（質量百分比），壹些企業在生產中也有采用這種合金。但是相對Sn/Cu合金的可靠性和可濕性，另外考慮到在回流焊和波峰焊中采用同種合金，Sn/Ag/Cu合金便成為工藝發展試驗最好的選擇。 Sn/Ag3.0/Cu0.5合金性能： 溶解溫度：固相線217℃/液相線220℃；成本：0.10美元/cm3 與Sn/Cu焊料價格比：2.7 機械強度：48kg/mm2 延伸率：75％ 濕潤性：良 由Sn/Ag/Cu合金性能可知：焊料合金熔融溫度比原Sn/Pb合金高出36℃，形成商品化後的價格也比原來提高。工藝焊接溫度采用日本對此合金焊料的推薦工藝曲線，見圖2.1。
日本推薦的無鉛回流焊典型工藝曲線 說明：推薦的工藝曲線上有三個重要點：
（1） 預熱區升溫速度要盡量慢壹些（選擇數值2～3℃/s），以便控制由焊膏的塌邊而造成焊點的橋接、焊錫球等。
（2） 預熱要求必須在（45～90sec、120～160℃）範圍內，以控制由PCB基板的溫差及焊劑性能變化等因素而發生回流焊時的不良。
（3） 焊接的最高溫度在230℃以上，保持20～30sec，以保證焊接的濕潤性。 冷卻速度選擇-4℃/s 6 回流焊中出現的缺陷及其解決方案 焊接缺陷可以分為主要缺陷、次要缺陷和表面缺陷。凡使SMA功能失效的缺陷稱為主要缺陷；次要缺陷是指焊點之間潤濕尚好，不會引起SMA功能喪失，但有影響產品壽命的可能的缺陷；表面缺陷是指不影響產品的功能和壽命。它受許多參數的影響，如焊膏、基板、元器件可焊性、印刷、貼裝精度以及焊接工藝等。我們在進行SMT工藝研究和生產中，深知合理的表面組裝工藝技術在控制和提高SMT生產質量中起著至關重要的作用。
回流焊中的錫珠
(1) 回流焊中錫珠形成的機理 回流焊中出現的錫珠（或稱焊料球），常常藏於矩形片式元件兩焊端之間的側面或細間距引腳之間，如圖6.1、6.2。在元件貼裝過程中，焊膏被置於片式元件的引腳與焊盤之間，隨著印制板穿過回流焊爐，焊膏熔化變成液體，如果與焊盤和器件引腳等潤濕不良，液態焊料會因收縮而使焊縫填充不充分，所有焊料顆粒不能聚合成壹個焊點。部分液態焊料會從焊縫流出，形成錫珠。因此，焊料與焊盤和器件引腳的潤濕性差是導致錫珠形成的根本原因。 圖6.1 片式元件壹例有粒度稍大的錫球 圖6.2 比引腳四周有分散的錫球 錫膏在印刷工藝中，由於模板與焊盤對中偏移，若偏移過大則會導致鍋膏漫流到焊盤外，加熱後容易出現錫珠。貼片過程中Z軸的壓力是引起錫珠的壹項重要原因，往往不被人們歷註意，部分貼片機由於Z鈾頭是依據元件的厚度來定位．故會引起元件貼到PCB上壹瞬間將錫蕾擠壓到焊盤外的現象，這部分組喜明顯會引起錫珠。這種情況下產生的錫珠尺寸稍大，通常只要重新調節Z鈾高度，就能防止錫珠的產生。
(2) 原因分析與控制方法 造成焊料潤濕性差的原因很多，以下主要分析與相關工藝有關的原因及解決措施:
(1) 回流溫度曲線設置不當。焊膏的回流與溫度和時間有關，如果未到達足夠的溫度或時間，焊膏就不會回流。預熱區溫度上升速度過快，時間過短，使焊膏內部的水分和溶劑未完全揮發出來，到達回流焊溫區時，引起水分、溶劑沸騰，濺出錫珠。實踐證明，將預熱區溫度的上升速度控制在1～4℃/s是較理想的。
(2) 如果總在同壹位置上出現錫珠，就有必要檢查金屬模板設計結構。模板開口尺寸腐蝕精度達不到要求，焊盤尺寸偏大，以及表面材質較軟(如銅模板)，會造成印刷焊膏的外形輪廓不清晰，互相橋接，這種情況多出現在對細間距器件的焊盤印刷時，回流焊後必然造成引腳間大量錫珠的產生。因此，應針對焊盤圖形的不同形狀和中心距，選擇適宜的模板材料及模板制作工藝來保證焊膏印刷質量。
(3) 如果從貼片至回流焊的時間過長，則因焊膏中焊料粒子的氧化，焊劑變質、活性降低，會導致焊膏不回流，產生錫珠。選用工作壽命長壹些的焊膏(我們認為至少4h)，則會減輕這種影響。
(4) 另外，焊膏錯印的印制板清洗不充分，會使焊膏殘留於印制板表面及通孔中。回流焊之前，貼放元器件時，使印刷焊膏變形。這些也是造成錫珠的原因。因此應加強操作者和工藝人員在生產過程中的責任心，嚴格遵照工藝要求和操作規程進行生產，加強工藝過程的質量控制。 6.2 立片問題(曼哈頓現象) 形片式元件的壹端焊接在焊盤上，而另壹端則翹立，這種現象就稱為曼哈頓現象，見圖6.5。引起這種現象的主要原因是元件兩端受熱不均勻，焊膏熔化有先後所致。在以下情況會造成元件兩端受熱不均勻: 圖6.5 立片現象 圖6.6 元件偏離焊盤故兩側受力不平衡產生立片現象 。
(1)元件排列方向設計不正確。我們設想在回流焊爐中有壹條橫跨爐子寬度的回流焊限線，壹旦焊膏通過它就會立即熔化，如圖6.7所示。片式矩形元件的壹個端頭先通過回流焊限線，焊膏先熔化，完全浸潤元件端頭的金屬表面，具有液態表面張力;而另壹端未達到183℃液相溫度，焊膏未熔化，只有焊劑的粘接力，該力遠小於回流焊焊膏的表面張力，因而，使未熔化端的元件端頭向上直立。因此，應保持元件兩端同時進入回流焊限線，使兩端焊盤上的焊膏同時熔化，形成均衡的液態表面張力，保持元件位置不變。 圖6.7 焊盤壹側錫青末熔化．兩焊盤張力不平衡就會出現立碑。
(2)在進行汽相焊接時印制電路組件預熱不充分。汽相焊是利用惰性液體蒸汽冷凝在元件引腳和PCB焊盤上時，釋放出熱量而熔化焊膏。汽相焊分平衡區和飽和蒸汽區，在飽和蒸汽區焊接溫度高達217℃，在生產過程中我們發現，如果被焊組件預熱不充分，經受100℃以上的溫差變化，汽相焊的汽化力很容易將小於1206封裝尺寸的片式元件浮起，從而產生立片現象。我們通過將被焊組件在高低溫箱內145～150℃的溫度下預熱1～2min，然後在汽相焊的平衡區內再預熱1min左右，最後緩慢進入飽和蒸汽區焊接，消除了立片現象。
(3)焊盤設計質量的影響。若片式元件的壹對焊盤尺寸不同或不對稱，也會引起印刷的焊膏量不壹致，小焊盤對溫度響應快，其上的焊膏易熔化，大焊盤則相反，所以，當小焊盤上的焊膏熔化後，在焊膏表面張力作用下，將元件拉直豎起。焊盤的寬度或間隙過大，也都可能出現立片現象。嚴格按標準規範進行焊盤設計是解決該缺陷的先決條件。 6.3 橋接 橋接也是SMT生產中常見的缺陷之壹，它會引起元件之間的短路，遇到橋接必須返修。橋接這發生的過程。
(1)焊膏質量問題 錫膏中金屬含量偏高，特別是印刷時間過久後．易出現金屬含量增高；焊膏黏度低，預熱後漫流到焊盤外；焊膏塌落度差，預熱後漢漫到焊盤外，均會導致IC引腳橋接。 解決辦法是調整錫膏。
(2)印刷系統 印刷機重復精度差，對位不齊，錫膏印刷到銀條外，這種情況多見於細間距QFP生產；鋼板對位不好和PCB對位不好以及鋼板窗口尺寸／厚度設計不對與PCB焊盤設計合金鍍層不均勻，導致的錫膏量偏多，均會造成橋接。 解決方法是調整印刷機，改善PCB焊盤塗覆層。
(3)貼放 貼放壓力過大，錫膏受壓後浸沈是生產中多見的原因，應調整Z軸高度。若有貼片精度不夠，元件出現移位及IC引腳變形，則應針對原因改進。
(4)預熱 升溫速度過快，錫膏中溶劑來不及揮發。 6.4 吸料／芯吸現象 芯吸現象又稱抽芯現象是常見焊接缺陷之壹如圖6.8，多見於汽相回流焊中。芯吸現象是焊料脫離焊盤沿引腳上行到引腳與芯片本體之間，會形成嚴重的虛焊現象。 圖6.8 芯吸現象 產生的原因通常認為是元件引腳的導熱率大．升溫迅速，以致焊料優先潤濕引腳，焊料與引腳之間的潤濕力遠大於焊料與焊盤之間的潤濕力，引腳的上翹更會加劇芯吸現象的發生。在紅外回流焊中，PCB基材與焊料中的有機助焊劑是紅外線的優良吸收介質，而引腳卻能部分反射紅外線，相比而言，焊料優先熔化，它與焊盤的潤濕力大於它與引腳之間的潤濕力，故焊料不會沿引腳上升，發生芯吸現象的概率就小很多。 解決辦法是：在汽相回流焊時應首先將SMA充分預熱後再放入汽相爐中；應認真檢查和保證PCB板焊盤的可焊性，可焊性不好的PCB不應用於生產；元件的***面性不可忽視，對***面性不良的器件不應用於生產。 6.5 焊接後印制板阻焊膜起泡 印制板組件在焊接後，會在個別焊點周圍出現淺綠色的小泡，嚴重時還會出現指甲蓋大小的泡狀物，不僅影響外觀質量，嚴重時還會影響性能，是焊接工藝中經常出現的問題之壹。 阻焊膜起泡的根本原因，在於阻焊膜與陽基材之間存在氣體/水蒸氣。微量的氣體/水蒸氣會夾帶到不同的工藝過程，當遇到高溫時，氣體膨脹，導致阻焊膜與陽基材的分層。焊接，焊盤溫度相對較高，故氣泡首先出現在焊盤周圍。 現在加工過程經常需要清洗，幹燥後再做下道工序，如腐刻後，應幹燥後再貼阻焊膜，此時若幹燥溫度不夠，就會夾帶水汽進入下道工序。PCB加工前存放環境不好，濕度過高，焊接時又沒有及時幹燥處理；在波峰焊工藝中，經常使用含水的助焊劑，若PCB預熱溫度不夠，助焊劑中的水汽會沿通孔的孔壁進入到PCB基板的內部，焊盤周圍首先進入水汽，遇到焊接高溫後這些情況都會產生氣泡。 解決辦法是； (1)應嚴格控制各個環節，購進的PCB應檢驗後入庫．通常標準情況下，不應出現起泡現象； (2)PCB應存放在通風幹燥環境下，存放期不超過6個月； (3)PCB在焊接前應放在烘箱中預烘105℃／4h～6h； 6.6 PCB扭曲 PCB扭曲問題是SMT大生產中經常出現的問題，它會對裝配及測試帶來相當大的影響，因此在生產中應盡量避免這個問題的出現，PCB扭曲的原因有如下幾種： (1) PCB本身原材料選用不當，PCB的Tg低，特別是紙基PCB，其加工溫度過高，會使PCB變彎曲。 (2) PCB設計不合理，元件分布不均會造成PCB熱應力過大，外形較大的連接器和插座也會影響PCB的膨脹和收縮，乃至出現永久性的扭曲。 (3)雙面PCB，若壹面的銅箔保留過大(如地線)，而另壹面銅箔過少，會造成兩面收縮不均勻而出現變形。 (4)回流焊中溫度過高也會造成PCB的扭曲。 針對上述原因，其解決辦法如下：在價格和空間容許的情況下，選用Tg高的PCB或增加PCB的厚度，以取得最佳長寬比；合理設計PCB，雙面的鋼箔面積應均衡，在沒有電路的地方布滿鋼層，並以網絡形式出現，以增加PCB的剛度，在貼片前對PCB進行預熱，其條件是105℃／4h；調整夾具或夾持距離，保證PCB受熱膨脹的空間；焊接工藝溫度盡可能調低；已經出現輕度扭曲時，可以放在定位夾具中，升溫復位，以釋放應力，壹般會取得滿意的效果。 6.7 IC引腳焊接後引腳開路/虛焊 IC引腳焊接後出現部分引腳虛焊，是常見的焊接缺陷，產生的原因很多，主要原因，壹是***面性差，特別是QFP器件．由於保管不當，造成引腳變形，有時不易被發現(部分貼片機沒有檢查***面性的功能)，產生的過程如圖6.9所示。 圖6.9 ***面性差的元件焊接後出現需焊 因此應註意器件的保管，不要隨便拿取元件或打開包裝。二是引腳可焊性不好。IC存放時間長，引腳發黃，可焊性不好也會引起虛焊，生產中應檢查元器件的可焊性，特別註意比存放期不應過長(制造日期起壹年內)，保管時應不受高溫、高濕，不隨便打開包裝袋。三是錫膏質量差，金屬含量低，可焊性差，通常用於QFP器件的焊接用錫膏，金屬含量應不低於90％。四是預熱溫度過高，易引起IC引腳氧化，使可焊性變差。五是模板窗口尺寸小，以致錫膏量不夠。通常在模板制造後，應仔細檢查模板窗口尺寸，不應太大也不應太小，並且註意與PCB焊盤尺寸相配套。 6.8片式元器件開裂 在SMC生產中，片式元件的開裂常見於多層片式電容器(MLCC)，其原因主要是效應力與機械應力所致。 (1)對於MLCC類電容來講，其結構上存在著很大的脆弱性，通常MLCC是由多層陶瓷電容疊加而成，強度低，極不耐受熱與機械力的沖擊。 (2)貼片過程中，貼片機z軸的吸放高度，特別是壹些不具備z軸軟著陸功能的貼片機，吸放高度由片式元件的厚度而不是由壓力傳感器來決定，故元件厚度的公差會造成開裂。 (3)PCB的曲翹應力，特別是焊接後，曲翹應力容易造成元件的開裂。 (4)壹些拼板的PCB在分割時，會損壞元件。 預防辦法是：認真調節焊接工藝曲線，特別是預熱區溫度不能過低；貼片時應認真調節貼片機z軸的吸放高度；應註意拼板的刮刀形狀；PCB的曲翹度．特別是焊接後的曲翹度，應有針對性的校正，如是PCB板材質量問題，需另重點考慮。 6.9其他常見焊接缺陷 （1）差的潤濕性 差的潤濕性，表現在PCB焊盤吃錫不好或元件引腳吃錫不好。 產生的原因：元件引腳PCB焊盤已氧化/汙染；過高的回流焊溫度；錫膏的質量差。均會導致潤濕性差，嚴重時會出現虛焊。 （2）錫量很少 錫量很少，表現在焊點不飽滿，IC引腳根彎月面小。 產生原因：印刷模板窗口小；燈芯現象(溫度曲線差)；錫膏金屬含量低。這些均會導致錫量小，焊點強度不夠。 （3）引腳受損 引腳受損，表現在器件引腳***面性不好或彎曲，直接影響焊接質量。 產生原因：運輸／取放時碰壞。為此應小心地保管元器件，特別是FQFP。 （4）汙染物覆蓋了焊盤 汙染物覆蓋了焊盤，生產中時有發生。 產生原因：來自現場的紙片；來自卷帶的異物；人手觸摸PCB焊盤或元器件；字符圖位置不對。因而生產時應註意生產現場的清潔，工藝應規範。 （5）錫膏量不足 錫膏量不足，生產中經常發生的現象。 產生原因：第壹塊PCB印刷/機器停止後的印刷；印刷工藝參數改變；鋼板窗口堵塞；錫膏品質變壞。上述原因之壹，均會引起錫音量不足，應針對性解決問題。 （6）錫膏呈角狀 錫膏呈角狀，生產中經常發生，且不易發現、嚴重時會連焊。 產生原因：印刷機的擡網速度過快；模板孔壁不光滑，易使錫膏呈元寶狀。 7 總結 目前國內外已經對無鉛焊接技術進行了大量的研究，對提出的多種無鉛焊料包括Sn-Cu系列、Sn-Ag-Cu系列、Sn-Ag-Bi-Cu系列、Sn-Bi系列、Sn-Sb系列等都有較為深入的研究。國際工業研究會等電子行業協會對典型的合金材料例如Sn-Ag-Cu系列的幾種合金比例也有推薦的工藝參數；壹些有實力的企業更是在此研究成果的基礎上進行反復試驗研究對工藝參數不斷優化，盡可能取得最大程度上的效益。本課題參照國內外文獻資料和有關期刊，選擇適當參數；並選定SMT相關網站中登出市場上符合工藝要求的回流焊設備組成無鉛回流焊的工藝過程。最後對焊接過程中可能出現的焊接缺陷作出理論分析，並提出相對的解決方案。 本課題是工藝的理論研究，由於設備欠缺、更因為本人SMT方面知識的淺薄不全面，出現謬誤在所難免。望各位批評指正，不勝感激。