SMT最常见的一些基本知识

SMT最常见的一些基本知识 2009-02-14 14:52一《 无铅锡膏性能基准测试步骤》理解锡膏性能是努力改善合格率和降低成本的基础。步骤一和二对锡膏的当前功能与合格率性能作基准测试，并且作为将来材料研究的一个可靠的工程基础。如果计划转换到一种替代的锡膏成分，则推荐使用下面一系列的测试事项来保证成功的实施。 步骤一，基准测试现有锡膏的当前性能。测试那些可以影响视觉与电气第一次通过合格率的主要功能特性。为了达到可重复性和产品的中性化，这个测试最好是在测试模型上离线完成。功能测试包括：可印刷性、塌落形态、粘性和粘性寿命、可焊接性、残留水平和可清洁性(如果可应用)。 步骤二，基准测试当前锡膏在可能’挑战’该材料的产品上的产品与过程合格率，该产品可能具有比传统产品设计更密的脚距或更广的元件范围；还有，选择一个已完成原型阶段但还处在寿命早期的产品。(这步将在第三步的落选材料上重复，和可能使用新锡膏的产品上重复进行)。 在一组基准测试中的所有重复事项都要详细记录，以便可以查明什么可归因于锡膏性能。这时也可记录用量和浪费。如果可能，也应记录作基准测试时的工厂情况，如温度、湿度、操作员、板的批号、锡膏，甚至元件。应该选择一个’好的’批量：制造环境中较具典型的，足够大到对统计有意义的(如大于50但小于500)。 得出一个测试合格率的详细报告。说明元件返工的特殊原因，每个事件都应找出原因，如焊锡不足、开路、锡桥、墓碑、熔湿差、引脚不共面、元件没放准和元件丢失等。由于当前材料的性能是通过主要的功能测试与其合格率损失来度量的，这是个好时候来评估该锡膏用于用户装配的主要性能类别的相对重要性。 例如，如果检查分析表明有较高百分比的丢失元件，那么粘性可能是很重要的。类似的，如果检查主要发现焊锡不足和/或开路，那么可焊接性需要增加。如果在步骤一发现塌落(短路是主要的返工项目)，则表明要寻找一种很少或没有塌落的材料。 步骤三。新材料的测试是在步骤一中对现有锡膏所标定的相同条件和方法下进行。然后评估结果，落选所有那些表现更差性能的材料。事实上，应该注意到性能上的一些平衡 - 应用从步骤二得出的性能期望的用户设定。 步骤四。当能够证实新材料合格率和/或产量的提高的时候，应该生产第二批的产品 - 尽可能地接近步骤二相同的条件。如果情况相差太大，应该用现有锡膏生产出相同数量的板。重要的是：为了精确评估材料变化的效果，必须详细记录所有的缺陷。 二，《欧盟无铅RoHS标准知识》 1.什么是RoHS？RoHS是《电气、电子设备中限制使用某些有害物质指令》（the Restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment）的英文缩写。2.有害物质是指哪些？RoHS一共列出六种有害物质，包括：铅Pb，镉Cd，汞Hg，六价铬Cr6+，多溴二苯醚PBDE，多溴联苯PBB。3.为什么要推出RoHS?首次注意到电气、电子设备中含有对人体健康有害的重金属是2000年荷兰在一批市场销售的游戏机电缆中发现镉。事实上电子产品在生产中目前大量使用的焊锡、包装箱印刷的油墨都含有铅等有害重金属。4.何时实施RoHS?欧盟将在2006年7月1日实施RoHS，届时使用或含有重金属以及多溴二苯醚PBDE，多溴联苯PBB等阻燃剂的电气电子产品将不允许进入欧盟市场。5.RoHS具体涉及那些产品？RoHS针对所有生产过程中以及原材料中可能含有上述六种有害物质的电气电子产品，主要包括：白家电，如电冰箱，洗衣机，微波炉，空调，吸尘器，热水器等，黑家电，如音频、视频产品，DVD，CD，电视接收机，IT产品，数码产品，通信产品等；电动工具、电动电子玩具、医疗电气设备等。6.目前RoHS进展情况？一些大公司已经注意到RoHS并开始采取应对措施，如SONY公司的数码照相机已经在包装盒上声明：本产品采用无铅焊接；采用无铅油墨印刷。信息产业部2004年也出台了《电子信息产品污染防治管理办法》内容与RoHS类似，并于十月份成立了“电子信息产品污染防治标准工作组”，研究和建立符合我国国情的电子信息产品污染防治标准体系；开展与电子信息产品污染防治有关的标准研究和制修订工作，特别是加快制定产业急需的材料、工艺、名词术语、测试方法和试验方法等基础标准。国家商务部推动标准出台 据悉，RoHSRoHS指令规定电子电气产品中所使用的每种单一材料都必须符合要求。而普通的电子电气产品所用的元器件极多，每种元器件可能都含有多种材料，而且目前还无法找到所有的替代材料。而RoHS指令非常严厉，一旦被查出检测不实或6种有害物质超限量，不但要被处以巨额罚款，还将被列入黑名单，并通报全欧不得进口和销售。针对国内生产企业出口欧盟所面临的困境，7月3日，中国商务部新闻发言人崇泉表示，欧盟RoHS指令的市场监管方式不明、检测方法未确定，这些不确定因素将严重影响中欧机电产品贸易的正常开展，希望欧盟有关部门尽快澄清这些问题。 从有关渠道获悉，国际电工技术委员会(IEC)第111号技术委员会第3工作小组已经着手制定《决定电子产品中法定有害物质检测程序》的草案。按照计划，该标准在去年9月底完成委员会内的讨论，并预计在2006年10月公告为国际标准。 据悉，此前为了配合WEEE环保条款的出台，为了使电子电气产品明显标示去处，欧盟已经公布EN 50419(禁止任意丢弃的标示)，并且这个标示在WEEE标准正式实施时开始实施。 三，《焊锡技术之焊料的基本特性》 锡是延展性很好的银白色金属，具有在常温下不易氧化的稳定性，且属软质低熔点金属，其变相温度为18摄氏度（a<>B），熔点232摄氏度，沸点2270摄氏度，密度7.28g/cm3。 锡具有金刚石型晶格，为灰色a锡；高于相变点温度，则变为呈体心立方晶格的白色B锡。锡在大气中和锡物质中有较好的耐腐蚀性，不失金属光泽，能抗有机酸的腐蚀，但不耐强酸和强碱的腐蚀。锡对人体无害。锡能加工成厚度为0.01mm的箔材，但不能拉成细丝。锡的软度仅次于铅，因为质软，抗拉实验时的拉伸速度不同，其强度亦不同，快速拉伸得到的强度和延伸率都大。 "锡的铸锭，抗拉强度一般为29-39MPa（3-4kgf/mm2)因其在结晶温度在常温以下，所以在室温加工不会硬化。161摄氏度以上为斜方晶格，呈脆性，因此极易加工成粉末。铅呈蓝灰色，熔点为327.4摄氏度，沸点为1525摄氏度，密度为11.34g/cm3,防X射线穿透能力强，导电导热性能差，塑性优异，不产生加工硬化，可在室温下加工成板、管和线材。但抗疲劳和蠕变性能差，长期使用易疲劳和蠕变损坏。 铅对人体有害，铅本身不会被人体吸收，但其可溶性化合物会被吸收。氧化铅、硫酸铅、碳酸铅相对毒性小一些，氯化铅、硝酸铅毒性很大。 铅为面心立方晶格，抗拉强度为9.8-29.4MPa(1-3kgf/mm2),延伸率为40-50%,耐压力为49MPa（5kgfmm2）,布氏硬度4-6%。 锡铅焊料，是由a(Pb)和B（Sn）两种有限固溶体组成。合金共晶温度为183摄氏度，共晶点含Sn61.9%。焊料中的锡，在焊接过程中因冶金反应与母才金属形成和金层，此合金层将焊料与母材连接起来，形成有一定强度的接头结构。铅的加入，可以降低焊料的熔点，改善锡的机械性能，使抗拉强度由纯锡的15MPa增至40MPa左右；同时，还降低了锡的表面张力和粘度，增加闰湿性、流动性及抗氧化能力，减少氧化量。 四，《关于铅的常识》 铅的毒性 美国环境保护署(EPA)：铅及其化合物是17种严重危害人类寿命与自然环境的化学物质之一； 工业废弃品中的铅通过渗入地下水系统而进入动物或人类的食物链； 人体中存在过量的铅将导致神经和再生系统紊乱、发育迟缓、血色素减少并引发贫血和高血压； 美国职业安全与健康管理署(OSHA)标准：成人血液中铅含量应低于50mg/dl，儿童血液中铅含量应低于30mg/dl。 ◆无铅的定义 目前为止尚没有国际通用定义； 可借鉴标准：管道焊接用焊料及助焊剂中铅含量应低于0.2wt%(美国)，0.1wt%(欧洲)； 国际标准组织(ISO)提案：电子装联用焊料合金中铅含量应低于0.1wt%。 ◆无铅焊料发展的重要进程 1991和1993年：美国参议院提出“Reid Bill”，要求将电子焊料中铅含量控制在0.1%以下，遭到美国工业界强烈反对而夭折； 1991年起NEMI, NCMS, NIST, DIT, NPL, PCIF, ITRI, JIEP等组织相继开展无铅焊料的专题研究，耗 资超过 2000万美元，目前仍在继续； 1998年：日本修订家用电子产品再生法，驱使企业界开发无铅电子产品； 1998年10月：第一款批量生产的无铅电子产品问世，Panasonic MiniDisc MJ30； 2000年1月：NEMI向工业界推荐标准化无铅焊料，Sn-3.9Ag-0.6Cu用于再流焊，Sn-0.7Cu或Sn-3.5Ag 用于波峰焊； 2000年6月：美国IPC Lead-Free Roadmap 第4版发表，建议美国企业全面无铅化； 2000年8月：日本 JEITA Lead-Free Roadmap 1.3 版发表，建议日本企业界于2003年实现标准化无铅电子组装； 2002年1月：欧盟 Lead-Free Roadmap1.0 版发表，根据问卷调查结果向业界提供关于无铅化的重要统计资料； 2003年2月13日，欧洲议会与欧盟部长会议组织，正式批准WEEE和ROHS的官方指令生效，强制要求自2006年7月1日起，在欧洲市场上销售的电子产品必须为无铅的电子产品；（个别类型电子产品暂时除外） 2003年3月，信息产业部拟定《电子信息产品生产污染防治管理办法》，提议自2006年7月1日起投放市场的国家重点监管目录内的电子信息产品不能含有Pb。五，《焊锡线(焊锡丝)使用说明》 1、烙铁头的温度管理非常重要，有温度调节的电烙铁，根据了解使用的焊锡,选择最合适的烙铁头温度设定非常重要。工作以前，用烙铁头测温计先测定烙铁头的温度很重要。使用与厂家配套的正宗烙铁头。假冒烙铁头，孔径（放入发热芯）有大有小，套管的厚度也各有差异这些都造成电烙铁的性能不能发挥，有时会造成电烙铁故障的原因。使用热回复性等热性能好的电烙铁，在使用无铅焊锡进行焊接作业时，由于对零件的耐热性，安全作业的考虑，烙铁头的设定温度一般希望在350度－370度以下。有必要选定最合适的烙铁头，根据了解电烙铁的不同焊接作业的不同，选择最合适的烙铁头是很重要的。合适的烙铁头可以降低烙铁头的温度，增加作业的效率。烙铁头的维护也非常重要。 2、工作区间的安全：▲警告：当心烫伤！即使在关断电源或者取下烙铁头及套筒后，烙铁头和套筒仍然需要一段时间冷却。在焊接结束后，焊点及被焊接元器件仍然非常热。防止被电击，不要用手接触接地部位，如焊笔套筒，发热体等。儿童及未受培训的人员不能靠近工作区间，绝对不能允许其他未受培训的人员使用或触摸电源线。只能由已经被培训的人员使用并只能用于焊接及拆焊工作，并保存在安全地方，在不使用的时候，必须储存在干燥的地方，并放置在高处或上锁，以免儿童拿到。 3、个人防护设备必须满足工作区间安全规范要求： 当心焊料烫伤，当心被飞溅的溶液状态的焊料烫伤。穿防护服避免烫伤。通过戴防护罩方式来保护眼睛。在焊接或拆焊过程中使用胶粘剂的时候，尤其要注意胶粘剂生产厂家的警告信息。 4、使用空气净化器： 如果配合空气净化器使用，必须确保空气净化器连接正常并处于正常的工作状态。 5、操作人员要求： 不整洁的工作区间会增加意外事故发生的可能性。在不使用本设备的时候，请将本设备放回安全的地方。避免所有易燃物体靠近热的焊笔，包括气体和固体。 6、避免不正确操作方式： 根据人体工学的要求，放置本设备。不正确的操作姿势，可能造成人体畸形。根据工作要求，选择正确的设备。 7、只能由合格的技术人员维修：在使用的时候，必须符合相关的安全规定；只能由合格的技术人员维修；如果不这样，在使用本设备的时候，可能导致意外事故。 六：《线路板装配中的无铅工艺应用原则》 过去5年间，电子装配业一直在测试各种合金，希望能找到几种无铅方案替代常规63Sn/37Pb共晶系统。有很多方案虽然从技术的角度来看是可行的，但却没考虑成本、供货性和工艺性等其它方面的因素。本文旨在为业界提供一个实际可行的无铅工艺选用原则，内容包括工艺要求、根据要求得出的结论以及在实际条件下的试用情况等，今后如需对其他更为复杂的系统进行判断比较，这里提供的方法也可作为评估参考。 Chris Bastecki营销主管Cookson Semiconductor Packaging Materials电子装配对无铅焊料的基本要求 无铅焊接装配的基本工艺包括：a. 无铅PCB制造工艺；b. 在焊锡膏中应用的96.5Sn/3.5Ag和95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu共晶和近似共晶合金系统；c. 用于波峰焊应用的99.3Sn/0.7Cu共晶合金系统；d. 用于手工焊接的99.3Sn/0.7Cu合金系统。尽管这些都是可行工艺，但具体实施起来还存在几个大问题，如原料成本仍然高于标准Sn/Pb工艺、对湿润度的限制有所增加、要求在波峰焊工艺中保持惰性空气状态(要有足量氮气)以及可能将回流焊温度升到极限温度范围(235～245℃之间)而提高了对各种元件的热性要求等等。 就无铅替代物而言，现在并没有一套获得普遍认可的规范，经过与该领域众多专业人士的多次讨论，我们得出下面一些技术和应用要求： 1.    金属价格 许多装配厂商都要求无铅合金的价格不能高于63Sn/37Pb，但不幸的是现有的所有无铅替代物成本都比63Sn/37Pb高出至少35%以上。在选择无铅焊条和焊锡丝时，金属成本是其中最重要的因素；而在制作焊锡膏时，由于技术成本在总体制造成本中所占比例相对较高，所以对金属的价格还不那么敏感。 2.    熔点 大多数装配厂家(不是所有)都要求固相温度最小为150℃，以便满足电子设备的工作温度要求,最高液相温度则视具体应用而定。 波峰焊用焊条：为了成功实施波峰焊，液相温度应低于炉温260℃。 手工/机器焊接用焊锡丝：液相温度应低于烙铁头工作温度345℃。 焊锡膏：液相温度应低于回流焊温度250℃。对现有许多回流焊炉而言，该温度是实用温度的极限值。许多工程师要求最高回流焊温度应低于225～230℃，然而现在没有一种可行的方案来满足这种要求。人们普遍认为合金回流焊温度越接近220℃效果越好，能避免出现较高回流焊温度是最理想不过的，因为这样能使元件的受损程度降到最低，最大限度减小对特殊元件的要求，同时还能将电路板变色和发生翘曲的程度降到最低，并避免焊盘和导线过度氧化。 3.    导电性好 这是电子连接的基本要求。 4.    导热性好 为了能散发热能，合金必须具备快速传热能力。 5.    较小固液共存温度范围 非共晶合金会在介于液相温度和固相温度之间的某一温度范围内凝固，大多数冶金专家建议将此温度范围控制在10℃以内，以便形成良好的焊点，减少缺陷。如果合金凝固温度范围较宽，则有可能会发生焊点开裂，使设备过早损坏。 6.    低毒性 合金及其成分必须无毒，所以此项要求将镉、铊和汞排除在考虑范围之外；有些人也要求不能采用有毒物质所提炼的副产品，因而又将铋排除在外，因为铋主要来源于铅提炼的副产品。 7.    具有良好的可焊性 在现有设备和免清洗型助焊剂条件下该合金应具备充分的润湿度，能够与常规免清洗焊剂一起使用。由于对波峰进行惰性处理的成本不太高，因此可以接受波峰焊加惰性环境的使用条件要求；但就SMT回流焊而言，合金最好要具备在空气下进行回流焊的能力，因为对回流焊炉进行惰性处理成本较高。 8.    良好的物理特性(强度、拉伸度、疲劳度等) 合金必须能够提供63Sn/37Pb所能达到的机械强度和可靠性，而且不会在通孔器件上出现突起的角焊缝(特别是对固液共存温度范围较大的合金)。 9.    生产可重复性/熔点一致性 电子装配工艺是一种大批量制造工艺，要求其重复性和一致性都保持较高的水平，如果某些合金的成分不能在大批量条件下重复制造，或者其熔点在批量生产时由于成分变化而发生较大变化，便不能给予考虑。3种以上成分构成的合金往往会发生分离或成分变化，使得熔点不能保持稳定，合金的复杂程度越高，其发生变化的可能性就越大。 10.  焊点外观 焊点的外观应与锡/铅焊料接近，虽然这并非技术性要求，但却是接受和实施替代方案的实际需要。 11.  供货能力 当试图为业界找出某种解决方案时，一定要考虑材料是否有充足的供货能力。从技术的角度而言，铟是一种相当特别的材料，但是如果考虑全球范围内铟的供货能力，人们很快就会将它彻底排除在考虑范围之外。 另外业界可能更青睐标准合金系统而不愿选专用系统，标准合金的获取渠道比较宽，这样价格会比较有竞争性，而专用合金的供应渠道则可能受到限制，因此材料价格会大幅提高。 12.  与铅的兼容性 由于短期之内不会立刻全面转型为无铅系统，所以铅可能仍会用在某些元件的端子或印刷电路板焊盘上。有些含铅合金熔点非常低，会降低连接的强度，如某种铋/锡/铅合金的熔点只有96℃，使得焊接强度大为降低。 金属及合金选择 在各种候选无铅合金中，锡(Sn)都被用作基底金属，因为它成本很低，货源充足，并具备理想的物理特性，如导电/导热性和润湿性，同时它也是63Sn/37Pb合金的基底金属。通常与锡配合使用的其它金属包括银(Ag)、铟(In)、锌(Zn)、锑(Sb)、铜(Cu)以及铋(Bi)。 之所以选择这些材料是因为它们与锡组成合金时一般会降低熔点，得到理想的机械、电气和热性能。表1列出了各种金属的成本、密度、年生产能力和供货方面的情况，另外在考察材料的供货能力时，将用量因素加在一起作综合考虑得出的结果会更加清晰，例如现在电子业界每年63Sn/37Pb的消耗量在4.5万吨左右，其中北美地区用量约为1.6万吨，此时只要北美有3%的装配工厂采用含铟20%的锡/铟无铅合金，其铟消耗量就将超过该金属的全球生产能力。 近5年来业界推出了一系列合金成分建议，幷且对这些无铅替代方案进行了评估。备选方案总数超过75个，但是主要方案则可以归纳为不到15个。面对所有候选合金，我们采用一些技术规范将选择缩到一个较小的范围内便于进行挑选。 铟 铟可能是降低锡合金熔点的最有效成分，同时它还具有非常良好的物理和润湿性质，但是铟非常稀有，因此大规模应用太过昂贵。基于这些原因，含铟合金将被排除在进一步考虑范围之外。虽然铟合金可能在某些特定场合是一个比较好的选择，但就整个业界范围而言则不太合适，另外差分扫描热量测定也显示77.2Sn/20In/2.8Ag合金的熔点很低，只有114℃，所以也不太适合某些应用。 锌 锌非常便宜，几乎与铅的价格相同，并且随时可以得到，同时它在降低锡合金的熔点方面也具有非常高的效率。就锌而言，其主要缺点在于它会与氧气迅速发生反应，形成稳定的氧化物，在波峰焊过程中，这种反应的结果是产生大量锡渣，而更严重的是所形成的稳定氧化物将导致润湿性变得非常差。也许通过惰性化或特种焊剂配方可以克服这些技术障碍，但现在人们要求在更大的工艺范围内对含锌方案进行论证，因此锌合金在今后考虑过程中也会被排除在外。 铋 铋在降低锡合金固相温度方面作用比较明显，但对液相温度却没有这样的效果，因此可能会造成较大的固液共存温度范围，而凝固温度范围太大将导致焊脚提升。铋具有非常好的润湿性质和较好的物理性质，但铋的主要问题是锡/铋合金遇到铅以后其形成的合金熔点会比较低，而在元件引脚或印刷电路板的焊盘上都会有铅存在，锡/铅/铋的熔点只有96℃，很容易造成焊点断裂。另外铋的供货能力可能会因铅产量受到限制而下降，因为现在铋主要还是从铅的副产品中提炼出来，如果限制使用铅，则铋的产量将会大大减少。尽管我们也能通过直接开采获取铋，但这样成本会比较高。基于这些原因，铋合金也被排除在外。 四种和五种成分合金 由四种或五种金属构成的合金为我们提供了一系列合金成分组合形式，各种可能性不胜枚举。与双金属合金系统相比，大多数四或五金属合金可以大幅降低固相温度，但对降低液相温度却可能无所作为，因为大部分四或五金属合金都不是共晶材料，这意味着在不同的温度下会形成不同的金相形式，其结果就是回流焊温度不可能比简单双金属系统所需的低。 另外一个问题是合金成分时常会发生变动，因此熔点也会变，这在四或五金属合金中会经常遇到。由三种金属组成的合金很难在焊锡膏内的锡粉中实现“同批”和“逐批”一致，在四种和五种金属组成的合金中实现同样的一致性其复杂和困难程度更大。 所以多元合金将被排除在进一步考虑范围之外，除非某种多元合金成分具有比二元系统更好的特性。但就目前来看，业界还没有找到哪种四或五金属合金比二元或三元替代方案更好(无论在成本上还是性能上)。 表2列出一些主要无铅替代方案，以及最终选用或不选用的原因，表中包括了单位重量价格、单位体积价格(对焊锡膏而言单位体积价格更具成本意义)以及熔点等信息，这些合金按照其液相温度递增顺序排列。现根据每种焊接应用的特殊要求分别选出合适的合金。 先考虑焊条(波峰焊)和焊线(手工和机器焊接)。 对波峰焊用焊条的要求包括：a. 能在最高260℃锡炉温度下进行连续焊接；b. 焊接缺陷(漏焊、桥接等)少；c. 成本尽可能低；d. 不会产生过多焊渣。 结果所有选中的合金都符合波峰焊要求，但99.3Sn/0.7Cu和95Sn/5Sb合金与其它替代方案相比能够节省更多成本。比较而言，99.3Sn/0.7Cu的液相温度比Sn/Sb合金低13℃，因此99.3Sn/0.7Cu成为波峰焊最佳候选方案。 手工焊用锡线的要求与上面焊条应用非常相似，成本考虑仍然居于优先地位，同时也要求能够提供较好的润湿和焊接能力。焊线用合金必须能够很容易地拉成丝线，而且能用345～370℃的烙铁头进行焊接，99.3Sn/0.7Cu合金可以满足这些要求。 与焊条和焊线相比，焊锡膏较少考虑合金成本，因为金属成本在使用焊锡膏的制造流程总成本中所占比重较少，选择焊锡膏合金的主要要求是尽量降低回流焊温度。考察表中所列合金，可以发现液相温度最低的是95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu(熔点217～218℃)和96.5Sn/3.5Ag(熔点221℃)。 这两种合金都是较为合适的选择并各具特点，相比之下Sn/Ag/Cu合金的液相温度更低(虽然只有4℃)，而Sn/Ag合金则表现出更强的一致性和可重复制造性，并已在电子业界应用多年，一直保持很好的可靠性。有些主要跨国公司已经选择共晶Sn/Ag合金进行评估作为无铅替代方案，大多数大型跨国公司也开始对Sn/Ag/Cu合金作初步高级测试。 实测评估结果 波峰焊评测 将99.3Sn/0.7Cu合金装入标准Electrovert Econopak Plus波峰焊机进行测试，这种波峰焊机配备有USI超声波助焊剂喷涂系统、Vectaheat对流式预热和“A”波CoN2tour惰性系统。测试在两种无铅印刷电路板上进行：带OSP涂层的裸铜板和采用浸银抛光的裸铜板(Alpha标准)，两种电路板都采用固态含量2%且不含VOC的免清洗助焊剂(NR300A2)。另外作为对照，将同样的电路板在相同设备上采用相同条件进行焊接，只是焊料用传统63Sn/37Pb合金。 通过实验可得出以下结论： 1.    如果采用99.3Sn/0.7Cu合金，则有必要对波峰焊机进行惰性处理以确保得到适当的润湿度，但不需要对波峰焊机或风道进行完全惰性处理，用CoN2tour公司的边界惰性焊接系统即已足够。 2.    使用99.3Sn/0.7Cu焊接的电路板外观与用63Sn/37Pb合金焊接的电路板没有区别，焊点的光亮程度、焊点成型、焊盘润湿和通孔上端上锡情况也基本一样。 3.    与Sn/Pb合金相比，Sn/Cu合金的桥接现象较少，但由于测试的条件有限，因此对这一点还需要作更进一步的研究。 4.    99.3Sn/0.7Cu合金在260℃温度条件下焊接非常成功，在245℃条件下也没有问题。 5.    采用Sn/Cu合金的几个星期内铜的含量没有发生变化，之所以关注这一问题，是因为铜在锡中的溶解度很低，而且与温度有很大关系。在大批量生产中，电路板的铜吸收情况与用Sn/Pb合金时相同。 印制和回流焊评测 针对Sn/Ag和Sn/Ag/Cu合金开发了一种新的助焊剂，以便在更高回流焊温度下得到较好的润湿效果，因为回流焊温度较高时(比常规回流焊温度高20℃)要求助焊剂中的活性剂应具备更高的热稳定性。另外如果在空气中工作，回流焊温度较高还可能使普通免清洗助焊剂变色，所以这种助焊剂对高温要有很强的承受能力。在95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金中使用UP系列焊锡膏时，即使空气温度达到240℃，它也不会变为棕色或琥珀色。 UP系列焊锡膏在印刷测试中表现非常好，测试时采用的是MPM UP2000印刷机，印刷条件包括6mil厚激光切割网板、印刷速度25mm/秒、网板开口间距16～50mil以及接触式印刷，焊膏印出的轮廓非常清晰且表现出良好的脱模性能。另外这种焊锡膏在中止印刷后(停放超过一小时)再开始使用时无需进行搅拌，其网板使用寿命在8小时以上，粘性也可保持8小时。 回流焊采用Electrovert Omniflo七温区回焊炉，在空气环境下进行焊接。回焊曲线如图1，从图中可看出温度在200秒时间里以近似线性的速率上升到240℃，温度高于熔点(221℃)的时间为45秒。 得出结论如下： 1.    UP系列焊锡膏95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu 88-3-M13表现出良好的印刷性。 2.    无铅焊锡膏能提供良好的粘力且能保持足够的时间。 3.    对测试板而言，95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金所需的240℃最高温度是可以接受的。 4.    回流焊无需氮气也能取得很好效果。 5.    焊点光亮度好，与标准Sn/Pb合金相同。 6.    助焊剂残留物外观(颜色及透明度)比采用Sn/Pb合金及普通助焊剂在标准热风回流焊(峰值温度220℃，高于183℃的时间为45秒)后的情形好得多。 7.    润湿和扩散特性与Sn/Pb标准合金相同。 8.    当使用没有阻焊膜的裸FR-4板子时，过高的回流焊温度会使线路板出现严重变色(变深)，浅绿色阻焊膜会使变色看起来较轻，中/深绿色阻焊膜则使变色基本上看不出来。 9.    有些元件经高温回流焊后会出现变色和氧化迹象，将这种无铅焊料用于两面都有表面安装器件的电路板上时，建议在回流焊后再安装需作波峰焊接的底面SMD器件，以免过度受热影响可焊性。 10.  用UP系列96.5Sn/3.5Ag合金进行的测试所获结果相似，只是回流温度提高了3～5℃。 其它特性 选择一种简单普通二元合金的最大好处在于它已经完成了大量测试且已被广泛接受，如96.5Sn/3.5Ag合金已在某些电子领域应用了很长的时间。95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu现正接受同样严格的测试，并在一些地方显示出非常相似的性能和优点。 福特汽车公司对使用Sn/Ag合金的测试板和实际电子组件进行了热循环试验(-40℃～140℃)，已完成全面热疲劳测试研究，另外他们还将无铅组件用于整车中，测试结果显示Sn/Ag合金的可靠性与Sn/Pb合金相差无几甚至更好。摩托罗拉公司也已经完成了Sn/Ag和Sn/Pb合金的热循环和振动研究，测试表明Sn/Ag合金完全合格，其它OEM厂商在各自的Sn/Ag和Sn/Ag/Cu合金研究中也得到了类似的结论。 根据研究结果，Sn/Ag和Sn/Pb在导电性、表面张力、导热性和热膨胀系数等各方面所取得结果大致相当(见表3)。 本文结论 通过上述讨论，我们可以得到一个实际可行的标准无铅焊接工艺，其基本内容包括： 1.    对焊锡膏应用而言，可将95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu或96.5Sn/3.5Ag合金与UP系列助焊剂配合使用。 2.    对波峰焊应用而言，焊锡条可使用99.3Sn/0.7Cu合金。 3.    对手工/机器焊接而言，焊锡线可使用99.3Sn/0.7Cu合金。 虽然上述方案还未能达到研究无铅替代方案工程师们所确定的每项目标，但基本上能令人满意，该方案最大限制在于96.5Sn/3.5Ag合金所要求的回流焊温度比Sn/Pb合金的要高20～30℃，因此回流焊对元件的要求也有所提高。元器件供应商应与电子装配厂密切合作以解决高温回流焊带来的种种问题。 随着新技术的发展，将来还会有更多更好的替代方案推出，这里讨论的系统最大价值在于其它复杂系统可以根据它提供的标准进行参照比较。在考察更加复杂的系统之前，应多问下面一些可以定量回答的问题： 焊锡膏 1. 新的合金系统是否能将回流焊温度降至与Sn/Ag合金差不多的程度(Sn/Ag合金最低回流焊温度为240℃，而95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金的最低回流焊温度则为235℃)？ 2. 与Sn/Ag或Sn/Ag/Cu合金相比，金属和焊锡膏的成本如何？ 3. 合金中各材料有没有技术参数限制？各材料在技术参数范围内变化时其固相和液相温度的变化情况如何？ 焊条 1. 合金的成本如何？与Sn/Cu合金比较哪一个更贵？ 2. 合金是否具有Sn/Cu合金所没有的优点？ 为什么要采用无铅方案？ 在谈论健康和安全问题时，人们一般考虑两个因素——危害和危险。危害是指某物质存在毒性以及食入、吸入或吸收后对人体的影响，危险更多是指采取正确预防措施后材料的安全性或者危害发生的可能性。 铅是一种有毒物质，人体吸收了过量的铅会引起铅中毒，摄入低剂量的铅则可能对人的智力、神经系统和生殖系统造成影响。在评定铅的危险性时，通常是通过调查饮食或呼吸摄入的可能性。就电子业而言，一般正常条件下铅不会达到使其气化的温度，因此这方面的危险无法定量测出，只能通过监测确定。 可以采用一些简单的预防措施，包括在保养波峰焊锡炉和清理残渣时戴上面罩，在有铅区域禁止抽烟，尽可能减少在工作区摄入铅的可能性。另外当接触焊锡膏、焊条、焊线等含铅物体后，务必在吃饭、饮水和抽烟之前清洗双手，彻底消除摄入铅的可能途径。 一般地说，从铅吸收来源来看食入铅的危险要高于呼吸吸入，所以应强调养成良好卫生习惯的重要性，在含铅的区域严禁饮食和抽烟以将危险降到最低。事实证明，只要采取了正确的预防措施，在工作场所使用铅还是相对较为安全的。 既然在电子工业中使用铅的危险如此之小，那么人们为什么还在考虑彻底消除铅的使用呢？其实主要的担心是含铅材料的处置问题，如印刷线路板等。之所以有这种担心，是因为那些被作为垃圾处理的废印刷电路板在埋入地下后，其中所含的铅可能会从电路板渗出进入地下水，继而流入我们的饮用水之中。 目前存在一些技术争论，主要