陈伟 ERSA（埃莎）亚太区上海办事处总经理
根据欧盟的RoHS指令（欧洲议会和欧盟理事会关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质的指令法案），要求自2006年7月1日起在欧盟市场上禁止销售含有铅等6种有害物质的电子电气设备，称之为“绿色制造”的无铅化工艺已是不可逆转的发展潮流。目前，中国的很多电子产品的制造商都在积极进行从有铅焊接向无铅焊接转换的大量试验工作。实践经验明，要提高无铅波峰焊接的质量应从设备、材料、工艺等多方面加以考虑。
无铅波峰焊接的成本因素
波峰焊接中广泛采用的无铅焊料合金是SnAgCu焊料，它与传统的SnPb焊料相比，焊料的熔点和焊接温度要高得多，见表1。
表1 无铅焊料与有铅焊料焊接温度的比较
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焊料合金 |
熔点 |
焊接温度 |
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Sn63Pb37 |
183℃ |
240-250℃ |
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Sn96.5Ag3.0Cu0.5 |
217℃ |
250-260℃ |
无铅焊料中Sn的含量比有铅焊料高很多，因此无铅焊料更容易氧化，产生更多的锡（SnO2），大量的锡渣不仅影响无铅波峰焊接的质量，而且产生了大量的浪费。通常，无铅焊料是有铅焊料成本的3-4倍。假定工厂一天三班产生15-30公斤的无铅焊料锡渣，这个成本可能达到人民币3600-7200元/天，一年就是100-200万人民币。如何减少今后无铅波峰焊接中的大量昂贵的锡渣呢？其中一个有效的方法就是在波峰焊接技术中引入一个“隧道式全程充氮保护技术”，见图1。即在波峰焊工艺中，包括长长的预热区和波峰焊区都用封闭的隧道保护起来充氮。在含氧浓度很低的环境下进行焊接。图2表明在隧道式充氮环境下，锡渣的产生率下降了约80％左右，这样一年的节省可最多达到80-160万人民币。
图1 隧道式全程充氮保护
图2 氮气环境下无铅焊料的锡渣量大为降低 图3 氮气环境下电路板金属化通孔中无铅焊料爬升率大为提高
全程充氮技术可提高焊接质量
全程充氮技术不仅降低了运行成本，对焊接质量也有很大的提高。由于无铅波峰焊中液态焊料的表面张力比锡铅焊料大，流动性较差，浸润能力较低，因此在通孔元件的波峰焊中，多层印制电路板的金属化孔中无铅焊料的填充及爬升能力很差，直接影响焊点的强度及可靠性。大量试验证明，在全程充氮气环境下，可以降低无铅液态焊料的表面张力，提高流动性及浸润能力，因此可提高多层印制板金属化孔中无铅焊料的爬升能力。（图3为金属化孔的金相剖面，试验说明了在全程充氮环境下金属化孔的焊料爬升高度比大气环境下高得多）同上理由，无铅波峰焊接中相邻焊点之间焊料桥连的缺陷比有铅波峰焊接中要高得多，而在全程充氮环境下焊接，可以大大减少焊点桥连缺陷。见图4、图5。
图4 大气环境下无铅波峰焊焊点 图5 全程充氮环境下无铅波峰焊焊点
桥连缺陷率很高 桥连缺陷大大减少
波峰焊工艺除了用于通孔元件的焊接外，还广泛用于表面贴装元件的焊接。典型的工艺流程为点胶→贴片→胶固化→板子翻转（元件朝下）→波峰焊接。使用的印制板是OSP板，也称裸铜板，在裸铜的焊盘上涂覆一层薄薄的透明有机保护层。这种板子与热风整平的印制板相比具有良好的焊盘平面度，十分适合细间距表面贴装元器件的组装，与镍金板相比较价格便宜经济。但这种板子的焊盘容易氧化，可焊性不佳。大多数电子产品的制造商为取消繁琐的清洗工艺及昂贵的清洗设备，普遍采用免清洗工艺，即选用免清洗的助焊剂。因免清洗助焊剂活性较低，一旦印制板焊盘氧化，可焊性降低时将无法焊接。因而要获得免清洗助焊剂和裸铜板的无铅波峰焊接的高质量是十分困难的。经常出现的焊点缺陷是焊盘露铜，见图6。实践经验表明，为消除焊盘露铜缺陷，不仅波峰焊机的锡槽要充氮，而且在预热区也要充氮，隧道式全程充氮波峰焊接技术解决了这个难题。焊接后焊盘上不露铜，见图7。
图6 裸铜板的焊盘露铜 图7 全程充氮露铜缺陷消除
全程充氮技术隧道中的残氧量PPM值是可以人为设定，并进行闭环控制，这比仅在锡槽上方加装氮气罩的方法要好得多；这是因为后者残氧量PPM值不受控，只能调节氮气排放流量，而且氮气消耗量也比前者大。隧道式全程充氮技术已在高端电子产品和批量焊接生产的制造中广泛使用。
动态强力短波红外预热技术
在新型的无铅波峰焊机中，预热有多种模式，对他们进行组合使用，效果较好。预热方式有：中波红外、短波红外和热风对流三种方式。ERSA公司最新还推出了一种称为“动态强力预热”技术。该系统的预热模块是由多根石英加热管组成，使用中不必全部同时通电，而是根据电路板的大小和位置，只对其中的几组石英加热管动态分时通电。对于中小尺寸的电路板而言，该模块的耗电量可减少约50％。那么，在多预热模式中我们应该如何来组合，每种预热的效果有何不同呢？答案是，中波是基本的，一般是常开的，短波就好像是快速反应部队，通电则立刻发热，断电立刻降温，它通常是安装在预热区尾段，最靠近焊接区。短波预热是板子进入焊接前进行的最后一道冲刺型加热，在板过来时才开启，比较省电。对于热风预热，要看选用的助焊剂类型。假如你选用了水基助焊剂，在预热最前段，选用热风对流预热有利于加快助焊剂中水分的挥发，避免细小的水珠带入高温锡锅中，引起溅锡。假如选用的是有机溶剂型助焊剂，那么，中波预热则比较妥当。一般好的设备，预热模块应设计成可互换式的，不管是哪种预热模块，宽度应该一样，这样可以随时根据需要更换不同的预热模块。
“积铜”问题的对策
无铅波峰焊还会给我们带来一个新的问题——“积铜”现象。无铅焊料具有很强的侵蚀性，在高温焊接的环境下，它会不断地剥离焊盘上的铜原子，锡锅中铜的含量随着时间的推移（例如三个月）不断地上升。铜会与焊料中的锡产生化学反应产生过多的金属间化合物Cu6Sn5，它会以针状的形式出现，见图8和图9。这样焊料的流动性会大大地减弱，造成更多的焊点桥连。研究表明，“积铜”不能突破1%的极限。解决的方法是，在锡锅中定时加入SnAg合金。
图8 锡锅中的“积铜”情形 图9 锡锅“积铜”后的焊点表面
结论
对于无铅波峰焊接来说，要保证好的焊接质量不容易；而想要以较低的成本保证焊接质量则更难。对于客户来说，在选择设备时，需要根据各自工厂的质量标准、线路板焊接的难易程度、生产批量、焊料单价，以及初期投资成本和运行成本等，计算出总的运行成本来综合加以考量。