无铅回流焊-助焊剂
无铅焊接技术的现状
无铅焊料合金成分的标准化目前还没有明确的规定。ＩＰＣ等大多数商业协会的意见：铅含量<０.１－０.２ＷＴ％（倾向<０.１％，并且不含任何其它有毒元素的合金称为无铅焊料合金。
无铅焊料合金
无铅化的核心和首要任务是无铅焊料。据统计全球范围内共研制出焊膏、焊丝、波峰焊棒材１００多种无铅焊料，但真正公认能用的只有几种。
目前最有可能替代Ｓn／Ｐb焊料的合金材料
最有可能替代Ｓn／Ｐb焊料的无毒合金是Ｓn基合金。以Ｓn为主，添加Ａg、Ｃu、Ｚn、Ｂi、Ｉn、Ｓb等金属元素，构成二元、三元或多元合金，通过添加金属元素来改善合金性能，提高可焊性、可靠性。主要有：Ｓn－Ｂi系焊料合金，Ｓn－Ａg共晶合金，Ｓn－Ａg－Ｃu三元合金，Ｓn－Ｃu系焊料合金，Ｓn－Ｚn系焊料合金（仅日本开发应用），Ｓn－Ｂi系焊料合金，Ｓn－Ｉn和Ｓn－Ｐb 系合金。
目前应用最多的无铅焊料合金三元共晶形式的Ｓn９５.８\Ａg３.５\Ｃu０.７（美国）和三元近共晶形式的Ｓn９６.５\Ａg３.０\Ｃu０.５（日本）是目前应用最多的用于再流焊的无铅焊料。其熔点为２１６－
由于Ｓn９５.８\Ａg３.５\Ｃu０.７无铅焊料美国已经有了专利权，另外由于Ａg含量为３.０ＷＴ％的焊料没有专利权，价格较便宜，焊点质量较好，因此ＩＰＣ推荐采用Ａg含量为３.０ＷＴ％（重量百分比）的Ｓn－Ａg－Ｃu焊料。
Ｓn－０.７Ｃu－Ｎi焊料合金用于波峰焊。其熔点为
虽然Ｓn基无铅合金已经被较广泛应用，与Ｓn６３\Ｐb３７共晶焊料相比无铅合金焊料较仍然有以下问题：
（Ａ）熔点高
（Ｂ）表面张力大、润湿性差。
（Ｃ）价格高
２、ＰＣＢ焊盘表面镀层材料
无铅焊接要求ＰＣＢ焊盘表面镀层材料也要无铅化，ＰＣＢ焊盘表面镀层的无铅化相对于元器件焊端表面的无铅化容易一些。目前主要有用非铅金属或无铅焊料合金取代Ｐb－Ｓn热风整平（ＨＡＳＬ）、化学镀Ｎi和浸镀金（ＥＮＩＣ）、Ｃu表面涂覆ＯＳＰ、浸银（Ｉ－Ａg）和浸锡（Ｉ－Ｓn）。
目前无铅标准还没有完善，因此无铅元器件焊端表面镀层的种类很多。美国和台湾省镀纯Ｓn和Ｓn/Ａg/Ｃu的比较多，而日本的元件焊端镀层种类比较多，各家公司有所不同，除了镀纯Ｓn和/Ｓn/Ａg/Ｃu外，还有镀Ｓn/Ｃu、Ｓn/Ｂi等合金层的。由于镀Ｓn的成本比较低，因此采用镀Ｓn工艺比较多，但由于Ｓn表面容易氧化形成很薄的氧化层、加电后产生压力、有不均匀处会把Ｓn推出来，形成Ｓn须。Ｓn须在窄间距的ＱＦＰ等元件处容易造成短路，影响可靠性。对于低端产品以及寿命要求小于５年的元器件可以镀纯Ｓn，对于高可靠产品以及寿命要求大于５年的元器件采用先镀一层厚度约为１µm以上的Ｎi，然后再镀２－３µm厚的Ｓn。
目前无铅焊接工艺技术处于过渡和起步阶段
虽然国际国内都在不同程度的应用无铅技术，但目前还处于过渡和起步阶段，从理论到应用都还不成熟。没有统一的标准，对无铅焊接的焊点可靠性还没有统一的认识，因此无论国际国内无铅应用技术非常混乱，大多企业虽然焊接材料无铅化了，但元器件焊端仍然有铅。究竟哪一种无铅焊料更好？哪一种ＰＣＢ焊盘镀层对无铅焊更有利？哪一种元器件焊端材料对无铅焊接焊点可靠性更有利？什么样的温度曲线最合理？无铅焊对印刷、焊接、检测等设备究竟有什么要求。。。。都没有明确的说法。总之，对无铅焊接技术众说纷纭，各有一套说法、各有一套做法。这种状态对无铅焊接产品的可靠性非常不利。因此目前迫切需要加快对无铅焊接技术从理论到应用的研究。
无铅焊接的特点和对策
无铅焊接和焊点的主要特点
无铅焊接的主要特点
（Ａ）高温、熔点比传统有铅共晶焊料高
（Ｂ）表面张力大、润湿性差。
（Ｃ）工艺窗口小，质量控制难度大。
无铅焊点的特点
（Ａ）浸润性差，扩展性差。
（Ｂ）无铅焊点外观粗糙。传统的检验标准与ＡＯＩ需要升级。
（Ｃ）无铅焊点中气孔较多，尤其有铅焊端与无铅焊料混用时，焊端（球）上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘，助焊剂排不出去，造成气孔。但气孔不影响机械强度。
（Ｄ）缺陷多－由于浸润性差，使自定位效应减弱。
无铅焊点外观粗糙、气孔多、润湿角大、没有半月形，由于无铅焊点外观与有铅焊点有较明显的不同，如果有原来有铅的检验标准衡量，甚至可以认为是不合格的，但对于一般要求的民用电子产品这些不影响使用质量。因此要说服客户理解，这是因为无铅焊接润湿性差造成的。随着无铅技术的深入和发展，由于助焊剂的改进以及工艺的进步，无铅焊点的粗糙外观已经有了一些改观，相信以后会有更好的进步。
从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点与对策，通过对有铅和无铅温度曲线的比较分析无铅焊接的特点及对策：
在升温区，有铅焊接从
在快速升温区，（助焊剂浸润区），有铅焊接从
再看回流区，有铅的峰值温度为210
在实际回流焊中，在同一块PCB上，由于不同位置铜的分布面积不同，不同位置上元器件的大小、元器件密集程度不同，因此PCB表面的温度是不均匀的。回流焊时如果最小峰值温度为
在冷却区，由于回流区的峰值温度高，为了防止由于焊点冷却凝固时间长，造成焊点结晶颗粒长大；另外，加速冷却可以防止产生偏析，避免枝状结晶的形成，因此要求焊接设备增加冷却装置，使焊点快速降温。
无铅焊膏印刷和贴装工艺对策
无铅焊膏和有铅焊膏在物理特性上的区别
铅焊膏的浸润性和铺展性远远低于有铅焊膏，在焊盘上没有印刷焊膏的地方，熔融的焊料是铺展不到那些地方的，那么，焊后就会使没有被焊料覆盖的裸铜焊盘长期暴露在空气中，在潮气、高温、腐蚀气体等恶劣环境下，造成焊点被腐蚀而失效。影响产品的寿命和可靠性。
为了改善浸润性，无铅焊膏的助焊剂含量通常要高于有铅焊膏；
由于缺少铅的润滑作用，焊膏印刷时填充性和脱膜性较差。
无铅模板开口设计
针对无铅焊膏的浸润性和铺展性差等特点，无铅模板开口设计应比有铅大一些，使焊膏尽可以完全覆盖焊盘。具体可以采取以下措施。
对于Pitch＞
对于Pitch≤
对于0402的Chip元件，通常采用1：1开口，为防止竖碑、回流时元件移位等现象，可将焊盘开口内侧修改成尖角形或弓形。
原则上模板厚度与有铅模板相同，由于无铅焊膏中的助焊剂含量高一些，也就是说合金含量少一些，因此也可以适当增加模板厚度。
无铅模板宽厚比和面积比。
为了正确控制焊膏的印刷量和焊膏图形的质量，必须保证模板上最小的开口宽度与模板厚度的比率大于1.5，模板开口面积与开口四周内壁面积的比率大于0.66,，这是IPC7525标准，也是有铅模板开口设计最基本的要求。
由于无铅焊膏填充和脱膜能力较差，对模板开口宽厚比，面积比的要求更高一些：
无铅宽厚比：开口宽度（W）/模板厚度（T）＞1.6
无铅面积比：开口面积（W×L）/孔壁面积[2×（L+W）×T] ＞0.71
（F）无铅模板制造方法的选择
对于一般密度的产品采用传统的激光、腐蚀等方法均可以。对于0201等高密度的元器件应采用激光+电抛光、或电铸，更有利于提高无铅焊膏填充和脱膜能力。
无铅对印刷精度和贴装精度的要求
因为无铅浸润力小。回流时自校正（Selfalign）作用比较小，因此，印刷精度和贴片精度比有铅时要求更高。
三、从有铅向无铅焊接过渡的特殊阶段存在的问题
无铅工艺对元器件的挑战
耐高温
要考虑高温对元器件封装的影响。由于传统表面贴装元器件的封装材料只要能够耐
另外还要考虑高温对器件内部连接的影响。ＩＣ的内部连接方法有金丝球焊、超声压焊，还有倒装焊等方法，特别是ＢＧＡ、ＣＳＰ和组合式复合元器件、模块等新型的元器件，它们的内部连接用的材料也是与表面组装用的相同的焊料，也是用的再流焊工艺。因此无铅元器件的内连接材料也要符合无铅焊接的要求。
焊端无铅化
有铅元器件的焊端绝大多数是Ｓn／Ｐb镀层，而无铅元器件焊端表面镀层的种类很多。究竟哪一种镀层最好，目前还没有结论，因此还有待无铅元器件标准的完善。
无铅工艺对ＰＣＢ的挑战
无铅工艺要求ＰＣＢ耐热性好，较高的玻璃化转变温度Ｔg，低热膨胀系数，低成本。
无铅工艺要求较高的玻璃化转变温度Ｔg
Ｔg是聚合物特有的性能，是决定材料性能的临界温度。在ＳＭＴ焊接过程中，焊接温度远远高于ＰＣＢ基板的Ｔg，无铅焊接温度比有铅高
要求低热膨胀系数（ＣＴＥ）
当焊接温度增加时，多层结构ＰＣＢ的Ｚ轴与ＸＹ方向的层压材料、玻璃纤维、以及Ｃu之间的ＣＴＥ不匹配，将在Ｃu上产生很大的应力，严重时会造成金属化孔镀层断裂而失效。这是一个相当复杂的问题，因为它取决于很多变量，如ＰＣＢ层数、厚度、层压材料、焊接曲线、以及Ｃu的分布、过孔的几何形状（如纵横比）等。
克服多层板金属化孔断裂的措施：
凹蚀工艺一-电镀前在孔内侧除掉树脂／玻璃纤维。
以强金属化孔壁与多层板的结合力。
凹蚀深度为１３－２０µm。
高耐热性
ＦＲ－４基材ＰＣＢ的极限温度为
低成本
由于ＦＲ－５的成本比较高，对于一般消费类产品可以采用复合基ＣＥＭn来替代ＦＲ－４基材，ＣＥＭn是表面和芯部由不同材料构成的刚性复合基覆铜箔层压板，简称ＣＥＭn代表不同型号。
（２）锡须问题
SN在压缩状态会生长晶须（ＷＨＩＳＫＥＲ），严重时会造成短路，要特别关注窄间距ＱＦＰ封装元件。晶须是直径为１－１０µm，长度为数µm－数＋µm的针状形单晶体，易发生在Ｓn、Ｚn、Ｃd、Ｑg等低熔点金属表面。
Ｓn须增长的根本原因是在Ｓn镀层上产生应力，室温下１.５个月晶须长度达１.５µm。
在Ｓn中加一些杂质可避免生长Ｓn须。
（３）分层ＬＩＦＴ－ＯＦＦ（剥离、裂纹）现象
无铅和有铅混用时，如果焊接中混入的铅超过标准>５％时，焊接后在焊占与焊端交界处会加剧公层ＬＩＦＴ－ＯＦＦ（剥离、裂纹）现象。ＬＩＦＴ－ＯＦＦ现象在有铅元件采用无铅波峰焊的工艺中比较多，严重时甚至会把ＰＣＢ焊盘一起剥离开。因此过渡阶段波峰焊的焊盘设计可采用ＳＭＤ（阻焊定义焊盘）方式，用阻焊膜压住焊盘四周，这样可以减轻或避免ＰＣＢ焊盘剥离现象。
关于分层ＬＩＦＴ－ＯＦＦ（剥离、裂纹）现象的机理还要继续研究。当焊料、元件、ＰＣＢ全部无铅化后是否不会产生ＬＩＦＴ－ＯＦＦ会现象了，也要继续研究。
元件的Ｓn－Ｐb镀层发生的ＬＩＦＴ－ＯＦＦ
铅和有铅混用时可靠性讨论
无铅焊料中的铅对长期可靠性的影响是一个课题，需要更进一步研究。初步的研究显示；焊点中铅含量的不同对可靠性的影响是不同的，当含量在某一个中间范围时，影响最大，这是因为在最后凝固形成结晶时，在Ｓn权界面处，有偏析金相形成，这些偏析金相在循环负载下开始形成裂纹并不断扩大。例如：２％－５％的铅可以决定无铅焊料的疲劳寿命，但与Ｓn－Ｐb焊料相比，可靠性相差不大。无铅焊料与有铅焊端混有时要控制焊点中铅含量<０.０５％。
目前正处在无铅和有铅焊接的过度转变时期，大部分无铅工艺是无铅焊料与有铅引脚的元件混用。在“无铅”焊点中，铅的含量可能来源于元件的焊端、引脚或ＢＧＡ的焊球。
无铅焊料与有铅焊端混用时气孔多，这是因为有铅焊端与无铅焊料混用时，焊端（球）上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘，当无铅焊料合金熔化时，焊膏中的助焊剂排不出去造成气孔。对于波峰焊，由于元件引脚脖子Ｓn－Ｐb电镀层不断融解，焊点中铅的含量需要进行监测。
有铅焊接与无铅焊端混用的质量最差
有铅焊料与无铅焊端混用时如果采用有铅焊料的温度曲线，有铅焊料先熔，而无铅焊端（球）不能完全熔化，使元件一侧的界面不能生成金属间合金层，ＢＧＡ、ＣＳＰ－侧原来的结构被破坏而造成失效，因此有铅焊料与无铅焊端混用时质量最差。ＢＧＡ、ＣＳＰ无铅焊球是不能用到有铅工艺中的。
高温对元件的不利影响
陶瓷电阻和特殊的电容对温度曲线的斜率(温度的变化速率)非常敏感,由于陶瓷体与ＰＣＢ的热膨胀系数ＣＴＥ相差大（陶瓷：３－５，ＰＣＢ：１７左右），在焊点冷却时容易造成元件体和焊点裂纹，元件开裂现象与ＣＴＥ的差异、温度、元件的尺寸大小成正比。０２０１、０４０２、０６０３小元件一般很少开裂，而以上的大元件发生开裂失效的机会较多。
铝电解电容对清晰度极其敏感。
连接器和其他塑料封装元件（如ＱＦＰ、PBＧＡ）在高温时失效明显增加。主要是分层、爆米花、变形等、粗略统计，温度每提高
高温对ＰＣＢ的不利影响
高温对ＰＣＢ的不利影响在第三节中已经做了分析，高温容易ＰＣＢ的热变形、因树脂老化变质而降低强度和绝缘电阻值，由于ＰＣＢ的Ｚ轴与ＸＹ方向的ＣＴＥ不匹配造成金属化孔镀层断裂而失效等可靠性问题。
解决措施是尽量降低峰值温度，一般简单的消费类产品可以采用ＦＲ－４基材，厚板和复杂产品需要采用耐高温的ＦＲ－５或ＣＥＭn来替代ＦＲ－４基材。
电气可靠性
回流焊、波峰焊、返修形成的助焊剂残留物，在潮湿环境和一定电压下，导电体之间可能会发生电化学反应，导致表面绝缘电阻（ＳＩＲ）的下降。如果有电迁移和枝状结晶（锡须）生长的出现，将发生导线间的短路，造成电迁移（俗称“漏电”）的风险。为了保证电气可靠性，需要对不同免清洗助焊剂的性能进行评估。
关于无铅返修
无铅焊料的返修相当困难，主要原因：
（Ａ）无铅焊料合金润湿性差。
（Ｂ）温度高（简单ＰＣＢ
（Ｃ）工艺窗口小。
无铅返修注意事项：
（Ａ）选择适当的返修设备和工具。
（Ｂ）正确作用返修设备和工具。
（Ｃ）正确选择焊膏、焊剂、焊锡丝等材料。
（Ｄ）正确设置焊接参数。
除了要适应无铅焊料的高熔点和低润湿性。同时返修过程中一定要小心，将任何潜在的对元件和ＰＣＢ的可靠性产生不利影响的因素降至最低。
关于过度时期无铅和有铅混用情况总结。
（Ａ）无铅焊料和无铅焊端――效果最好。
（Ｂ）无铅焊料和有铅焊端――目前普通使用，可以应用，但必须控制Ｐb，Cu等的含量，要配制相应的助焊剂，还要严格控制温度曲线等工艺参数，否则会造成可靠性问题。
（Ｃ）有铅焊料和无铅焊端――效果最差，ＢＧＡ、ＣＳＰ无铅焊球是不能用到有铅工艺中的，不建议采用。
四 有铅、无铅混用应注意的问题
问题举例
有铅工艺也遇到了无铅元器件有的ＳＭＴ加工厂，虽然还没有启动无铅工艺，但是也遇到了无铅元器件，特别是ＢＧＡ／ＣＳＰ和ＬＬＰ。有的元件厂已经不生产有铅的器件了，因此采购不到有铅器件了，这种知道采购的器件是无铅的情况还不可怕，因为可以通过提高焊接温度，一般提高到２３０－
有铅工艺也遇到纯Ｓn热风整平的ＰＣＢ。
这种情况也是在无意中发生过，结果由于焊接温度不够造成质量问题。
波峰焊问题
波峰焊问题比较多，例如目前有铅工艺遇到无铅元器件；无铅工艺的插装孔，导通孔不上锡；分层ＬＩＦＴ－ＯＦＦ现象较严重；桥接、漏焊等缺陷多；锡锅表面氧化物多。。。。。
解决措施
备料
备料要注意元器件的焊端材料是否无铅，如果是无铅元器件，一定要弄清楚是什么镀层材料，特别是ＢＧＡ／ＣＳＰ和新型封装的器件，例如ＬＬＰ等（有铅工艺也要注意）。
目前无铅标准还没有完善，因此无铅无器件焊端表面镀层的种类很多，例如日本的元件焊端镀Ｓn／Ｂi层，如果焊料中含有铅，当铅含量<４ＷＴ％，Ｂi会与Pb形成
物料管理
对于有铅、无铅两种工艺并存的企业，务必注意制造严格的物料管理制度，千万不能把有铅、无铅的焊膏和元器件混淆。
无铅印刷要提高印刷精度
加大模板开口尺寸：宽厚比>１.６，面积比>０.７１
提高贴片精度
严格控制温度曲线，尽量降低峰值温度；
对潮湿敏感元件进行去潮烘烤。
复杂和高可靠产品采用耐高温的ＰＣＢ材料（ＦＲ５或其它）
在Ｎ２中焊接比在空气中焊接的质量好，尤其波峰焊采用Ｎ２可以减少高温焊料氧化，减少残渣，节省焊料。或者加入无铅锡渣还原粉，将产生大量的残渣还原后重复利用，但一定要比有铅焊接更注意每天的清理和日常维护。
助焊剂--辛达狼焊接科技有限公司http://xindalang.com
杭州辛达狼焊接科技有限公司是一家专业研发、生产和销售低、中、高温钎焊用助焊剂的科技型企业。产品主要有不锈钢无铅助焊剂，普通型不锈钢锡焊助焊剂，无铅烙铁头专用高效助焊剂，低温液体铝助焊剂，铝/铜异种材料钎焊助焊剂，铜合金用中温膏状助焊剂，中温膏状铝助焊剂和焊膏等系列产品，广泛应用于电子、电器、制冷和汽车等领域。
公司建有助焊剂研发中心，拥有2名博士和多名助焊剂专家，并与哈尔滨工业大学在助焊剂领域建立了密切的科研合作。
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