如何選擇無鉛焊接材料

現今無論是出于環保或者節能的要求，還是技術方面的考慮，無鉛化越來越成為眾多PCB廠家的選擇。
　　然而就無鉛替代物而言，現在并沒有一套獲得普遍認可的規范，經過與該領域眾多專業人士的多次討論，我們得出下面一些技術和應用要求：
　　金屬價格：許多裝配廠商都要求無鉛合金的價格不能高于63Sn/37Pb，但不幸的是現有的所有無鉛替代物成本都比63Sn/37Pb高出至少35%以上。在選擇無鉛焊條和焊錫絲時，金屬成本是其中最重要的因素；而在制作焊錫膏時，由于技術成本在總體制造成本中所占比例相對較高，所以對金屬的價格還不那么敏感。
　　熔點：大多數裝配廠家(不是所有)都要求固相溫度最小為150℃，以便滿足電子設備的工作溫度要求,最高液相溫度則視具體應用而定。
　　波峰焊用焊條：為了成功實施波峰焊，液相溫度應低于爐溫260℃。
　　手工/機器焊接用焊錫絲：液相溫度應低于烙鐵頭工作溫度345℃。
　　焊錫膏：液相溫度應低于回流焊溫度250℃。對現有許多回流焊爐而言，該溫度是實用溫度的極限值。許多工程師要求最高回流焊溫度應低于225～230℃，然而現在沒有一種可行的方案來滿足這種要求。人們普遍認為合金回流焊溫度越接近220℃效果越好，能避免出現較高回流焊溫度是最理想不過的，因為這樣能使元件的受損程度降到最低，最大限度減小對特殊元件的要求，同時還能將電路板變色和發生翹曲的程度降到最低，并避免焊盤和導線過度氧化。
　　導電性好：這是電子連接的基本要求。
　　導熱性好：為了能散發熱能，合金必須具備快速傳熱能力。
　　較小固液共存溫度范圍：非共晶合金會在介于液相溫度和固相溫度之間的某一溫度范圍內凝固，大多數冶金專家建議將此溫度范圍控制在10℃以內，以便形成良好的焊點，減少缺陷。如果合金凝固溫度范圍較寬，則有可能會發生焊點開裂，使設備過早損壞。
　　低毒性：合金及其成分必須無毒，所以此項要求將鎘、鉈和汞排除在考慮范圍之外；有些人也要求不能采用有毒物質所提煉的副產品，因而又將鉍排除在外，因為鉍主要來源于鉛提煉的副產品。
　　具有良好的可焊性：在現有設備和免清洗型助焊劑條件下該合金應具備充分的潤濕度，能夠與常規免清洗焊劑一起使用。由于對波峰進行惰性處理的成本不太高，因此可以接受波峰焊加惰性環境的使用條件要求；但就SMT回流焊而言，合金最好要具備在空氣下進行回流焊的能力，因為對回流焊爐進行惰性處理成本較高。
　　良好的物理特性(強度、拉伸度、疲勞度等) 合金必須能夠提供63Sn/37Pb所能達到的機械強度和可靠性，而且不會在通孔器件上出現突起的角焊縫(特別是對固液共存溫度范圍較大的合金)。
　　生產可重復性/熔點一致性：電子裝配工藝是一種大批量制造工藝，要求其重復性和一致性都保持較高的水平，如果某些合金的成分不能在大批量條件下重復制造，或者其熔點在批量生產時由于成分變化而發生較大變化，便不能給予考慮。3種以上成分構成的合金往往會發生分離或成分變化，使得熔點不能保持穩定，合金的復雜程度越高，其發生變化的可能性就越大。
　　焊點外觀：焊點的外觀應與錫/鉛焊料接近，雖然這并非技術性要求，但卻是接受和實施替代方案的實際需要。
　　供貨能力：當試圖為業界找出某種解決方案時，一定要考慮材料是否有充足的供貨能力。從技術的角度而言，銦是一種相當特別的材料，但是如果考慮全球范圍內銦的供貨能力，人們很快就會將它徹底排除在考慮范圍之外。
　　另外業界可能更青睞標準合金系統而不愿選專用系統，標準合金的獲取渠道比較寬，這樣價格會比較有競爭性，而專用合金的供應渠道則可能受到限制，因此材料價格會大幅提高。
　　與鉛的兼容性：由于短期之內不會立刻全面轉型為無鉛系統，所以鉛可能仍會用在某些元件的端子或印刷電路板焊盤上。有些含鉛合金熔點非常低，會降低連接的強度，如某種鉍/錫/鉛合金的熔點只有96℃，使得焊接強度大為降低。
　　金屬及合金選擇
　　在各種候選無鉛合金中，錫(Sn)都被用作基底金屬，因為它成本很低，貨源充足，并具備理想的物理特性，如導電/導熱性和潤濕性，同時它也是63Sn/37Pb合金的基底金屬。通常與錫配合使用的其它金屬包括銀(Ag)、銦(In)、鋅(Zn)、銻(Sb)、銅(Cu)以及鉍(Bi)。
　　之所以選擇這些材料是因為它們與錫組成合金時一般會降低熔點，得到理想的機械、電氣和熱性能。另外在考察材料的供貨能力時，將用量因素加在一起作綜合考慮得出的結果會更加清晰，例如現在電子業界每年63Sn/37Pb的消耗量在4.5萬噸左右，其中北美地區用量約為1.6萬噸，此時只要北美有3%的裝配工廠采用含銦20%的錫/銦無鉛合金，其銦消耗量就將超過該金屬的全球生產能力。
　　近5年來業界推出了一系列合金成分建議，幷且對這些無鉛替代方案進行了評估。備選方案總數超過75個，但是主要方案則可以歸納為不到15個。面對所有候選合金，我們采用一些技術規范將選擇縮到一個較小的范圍內便于進行挑選。
　　銦：銦可能是降低錫合金熔點的最有效成分，同時它還具有非常良好的物理和潤濕性質，但是銦非常稀有，因此大規模應用太過昂貴。基于這些原因，含銦合金將被排除在進一步考慮范圍之外。雖然銦合金可能在某些特定場合是一個比較好的選擇，但就整個業界范圍而言則不太合適，另外差分掃描熱量測定也顯示77.2Sn/20In/2.8Ag合金的熔點很低，只有114℃，所以也不太適合某些應用。
　　鋅：鋅非常便宜，幾乎與鉛的價格相同，并且隨時可以得到，同時它在降低錫合金的熔點方面也具有非常高的效率。就鋅而言，其主要缺點在于它會與氧氣迅速發生反應，形成穩定的氧化物，在波峰焊過程中，這種反應的結果是產生大量錫渣，而更嚴重的是所形成的穩定氧化物將導致潤濕性變得非常差。也許通過惰性化或特種焊劑配方可以克服這些技術障礙，但現在人們要求在更大的工藝范圍內對含鋅方案進行論證，因此鋅合金在今后考慮過程中也會被排除在外。
　　鉍：鉍在降低錫合金固相溫度方面作用比較明顯，但對液相溫度卻沒有這樣的效果，因此可能會造成較大的固液共存溫度范圍，而凝固溫度范圍太大將導致焊腳提升。鉍具有非常好的潤濕性質和較好的物理性質，但鉍的主要問題是錫/鉍合金遇到鉛以后其形成的合金熔點會比較低，而在元件引腳或印刷電路板的焊盤上都會有鉛存在，錫/鉛/鉍的熔點只有96℃，很容易造成焊點斷裂。另外鉍的供貨能力可能會因鉛產量受到限制而下降，因為現在鉍主要還是從鉛的副產品中提煉出來，如果限制使用鉛，則鉍的產量將會大大減少。盡管我們也能通過直接開采獲取鉍，但這樣成本會比較高。基于這些原因，鉍合金也被排除在外。
　　四種和五種成分合金
　　由四種或五種金屬構成的合金為我們提供了一系列合金成分組合形式，各種可能性不勝枚舉。與雙金屬合金系統相比，大多數四或五金屬合金可以大幅降低固相溫度，但對降低液相溫度卻可能無所作為，因為大部分四或五金屬合金都不是共晶材料，這意味著在不同的溫度下會形成不同的金相形式，其結果就是回流焊溫度不可能比簡單雙金屬系統所需的低。
　　另外一個問題是合金成分時常會發生變動，因此熔點也會變，這在四或五金屬合金中會經常遇到。由三種金屬組成的合金很難在焊錫膏內的錫粉中實現“同批”和“逐批”一致，在四種和五種金屬組成的合金中實現同樣的一致性其復雜和困難程度更大。
　　所以多元合金將被排除在進一步考慮范圍之外，除非某種多元合金成分具有比二元系統更好的特性。但就目前來看，業界還沒有找到哪種四或五金屬合金比二元或三元替代方案更好(無論在成本上還是性能上)。
　　先考慮焊條(波峰焊)和焊線(手工和機器焊接)
　　對波峰焊用焊條的要求包括：能在最高260℃錫爐溫度下進行連續焊接；焊接缺陷(漏焊、橋接等)少；成本盡可能低；不會產生過多焊渣。
　　結果所有選中的合金都符合波峰焊要求，但99.3Sn/0.7Cu和95Sn/5Sb合金與其它替代方案相比能夠節省更多成本。比較而言，99.3Sn/0.7Cu的液相溫度比Sn/Sb合金低13℃，因此99.3Sn/0.7Cu成為波峰焊最佳候選方案。
　　手工焊用錫線的要求與上面焊條應用非常相似，成本考慮仍然居于優先地位，同時也要求能夠提供較好的潤濕和焊接能力。焊線用合金必須能夠很容易地拉成絲線，而且能用345～370℃的烙鐵頭進行焊接，99.3Sn/0.7Cu合金可以滿足這些要求。
　　與焊條和焊線相比，焊錫膏較少考慮合金成本，因為金屬成本在使用焊錫膏的制造流程總成本中所占比重較少，選擇焊錫膏合金的主要要求是盡量降低回流焊溫度。考察表中所列合金，可以發現液相溫度最低的是95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu(熔點217～218℃)和96.5Sn/3.5Ag(熔點221℃)。
　　這兩種合金都是較為合適的選擇并各具特點，相比之下Sn/Ag/Cu合金的液相溫度更低(雖然只有4℃)，而Sn/Ag合金則表現出更強的一致性和可重復制造性，并已在電子業界應用多年，一直保持很好的可靠性。有些主要跨國公司已經選擇共晶Sn/Ag合金進行評估作為無鉛替代方案，大多數大型跨國公司也開始對Sn/Ag/Cu合金作初步高級測試。
　　實測評估結果
　　波峰焊評測 將99.3Sn/0.7Cu合金裝入標準Electrovert Econopak Plus波峰焊機進行測試，這種波峰焊機配備有USI超聲波助焊劑噴涂系統、Vectaheat對流式預熱和“A”波CoN2tour惰性系統。測試在兩種無鉛印刷電路板上進行：帶OSP涂層的裸銅板和采用浸銀拋光的裸銅板(Alpha標準)，兩種電路板都采用固態含量2%且不含VOC的免清洗助焊劑(NR300A2)。另外作為對照，將同樣的電路板在相同設備上采用相同條件進行焊接，只是焊料用傳統63Sn/37Pb合金。
　　通過實驗可得出以下結論：
　　如果采用99.3Sn/0.7Cu合金，則有必要對波峰焊機進行惰性處理以確保得到適當的潤濕度，但不需要對波峰焊機或風道進行完全惰性處理，用CoN2tour公司的邊界惰性焊接系統即已足夠。
　　使用99.3Sn/0.7Cu焊接的電路板外觀與用63Sn/37Pb合金焊接的電路板沒有區別，焊點的光亮程度、焊點成型、焊盤潤濕和通孔上端上錫情況也基本一樣。
　　與Sn/Pb合金相比，Sn/Cu合金的橋接現象較少，但由于測試的條件有限，因此對這一點還需要作更進一步的研究。
　　99.3Sn/0.7Cu合金在260℃溫度條件下焊接非常成功，在245℃條件下也沒有問題。
　　采用Sn/Cu合金的幾個星期內銅的含量沒有發生變化，之所以關注這一問題，是因為銅在錫中的溶解度很低，而且與溫度有很大關系。在大批量生產中，電路板的銅吸收情況與用Sn/Pb合金時相同。
　　印制和回流焊評測：針對Sn/Ag和Sn/Ag/Cu合金開發了一種新的助焊劑，以便在更高回流焊溫度下得到較好的潤濕效果，因為回流焊溫度較高時(比常規回流焊溫度高20℃)要求助焊劑中的活性劑應具備更高的熱穩定性。另外如果在空氣中工作，回流焊溫度較高還可能使普通免清洗助焊劑變色，所以這種助焊劑對高溫要有很強的承受能力。在95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金中使用UP系列焊錫膏時，即使空氣溫度達到240℃，它也不會變為棕色或琥珀色。
　　UP系列焊錫膏在印刷測試中表現非常好，測試時采用的是MPM UP2000印刷機，印刷條件包括6mil厚激光切割網板、印刷速度25mm/秒、網板開口間距16～50mil以及接觸式印刷，焊膏印出的輪廓非常清晰且表現出良好的脫模性能。另外這種焊錫膏在中止印刷后(停放超過一小時)再開始使用時無需進行攪拌，其網板使用壽命在8小時以上，粘性也可保持8小時。
　　回流焊采用Electrovert Omniflo七溫區回焊爐，在空氣環境下進行焊接。溫度在200秒時間里以近似線性的速率上升到240℃，溫度高于熔點(221℃)的時間為45秒。
　　得出結論如下：
　　UP系列焊錫膏95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu 88-3-M13表現出良好的印刷性。
　　無鉛焊錫膏能提供良好的粘力且能保持足夠的時間。
　　對測試板而言，95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金所需的240℃最高溫度是可以接受的。
　　回流焊無需氮氣也能取得很好效果。
　　焊點光亮度好，與標準Sn/Pb合金相同。
　　助焊劑殘留物外觀(顏色及透明度)比采用Sn/Pb合金及普通助焊劑在標準熱風回流焊(峰值溫度220℃，高于183℃的時間為45秒)后的情形好得多。
　　潤濕和擴散特性與Sn/Pb標準合金相同。
　　當使用沒有阻焊膜的裸FR-4板子時，過高的回流焊溫度會使線路板出現嚴重變色(變深)，淺綠色阻焊膜會使變色看起來較輕，中/深綠色阻焊膜則使變色基本上看不出來。
　　有些元件經高溫回流焊后會出現變色和氧化跡象，將這種無鉛焊料用于兩面都有表面安裝器件的電路板上時，建議在回流焊后再安裝需作波峰焊接的底面SMD器件，以免過度受熱影響可焊性。
　　用UP系列96.5Sn/3.5Ag合金進行的測試所獲結果相似，只是回流溫度提高了3～5℃。
　　其它特性
　　選擇一種簡單普通二元合金的最大好處在于它已經完成了大量測試且已被廣泛接受，如96.5Sn/3.5Ag合金已在某些電子領域應用了很長的時間。95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu現正接受同樣嚴格的測試，并在一些地方顯示出非常相似的性能和優點。
　　福特汽車公司對使用Sn/Ag合金的測試板和實際電子組件進行了熱循環試驗(-40℃～140℃)，已完成全面熱疲勞測試研究，另外他們還將無鉛組件用于整車中，測試結果顯示Sn/Ag合金的可靠性與Sn/Pb合金相差無幾甚至更好。摩托羅拉公司也已經完成了Sn/Ag和Sn/Pb合金的熱循環和振動研究，測試表明Sn/Ag合金完全合格，其它OEM廠商在各自的Sn/Ag和Sn/Ag/Cu合金研究中也得到了類似的結論。
　　根據研究結果，Sn/Ag和Sn/Pb在導電性、表面張力、導熱性和熱膨脹系數等各方面所取得結果大致相當。
　　本文結論
　　通過上述討論，我們可以得到一個實際可行的標準無鉛焊接工藝，其基本內容包括：
　　對焊錫膏應用而言，可將95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu或96.5Sn/3.5Ag合金與UP系列助焊劑配合使用。
　　對波峰焊應用而言，焊錫條可使用99.3Sn/0.7Cu合金。
　　對手工/機器焊接而言，焊錫線可使用99.3Sn/0.7Cu合金。
　　雖然上述方案還未能達到研究無鉛替代方案工程師們所確定的每項目標，但基本上能令人滿意，該方案最大限制在于96.5Sn/3.5Ag合金所要求的回流焊溫度比Sn/Pb合金的要高20～30℃，因此回流焊對元件的要求也有所提高。元器件供應商應與電子裝配廠密切合作以解決高溫回流焊帶來的種種問題。