无铅替代物在电子装配的基本要求(二)

　　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：

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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：

　　UP系列焊锡膏95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu 88-3-M13表现出良好的印刷性。

　　无铅焊锡膏能提供良好的粘力且能保持足够的时间。

　　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。

　　回流焊无需氮气也能取得很好效果。

　　焊点光亮度好，与标准Sn/Pb合金相同。

　　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。

　　润湿和扩散特性与Sn/Pb标准合金相同。

　　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。

　　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。

　　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：

　　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。

　　对波峰焊应用而言，焊锡条可使用99.3Sn/0.7Cu合金。

　　对手工/机器焊接而言，焊锡线可使用99.3Sn/0.7Cu合金。