无铅锡波峰浸锡培训教材.docx

一． 目 的：全面掌握无铅锡、波峰浸锡工艺和设备性能，设置正确的工艺参数，有效地保证产品质量二．适用范围：1．从事调试锡炉的组长和技术人员2．从事测试锡炉温度即打印温度曲线的组长和技术人员三．定 义：1．故 障：指设备影响了生产、品质、设备性能指标，需专业人员进行排除的设备问题2．简易故障：指一般的作业人员自己能动手排除的设备问题四．内 容：1．名词解释：① •表面张力 任何液体表面都有呈最大收缩的趋势，即表面积最小的形状（体积一定，表面积最小的形状即球状）在收缩过程中受到的聚合力即为表面张力液体表面张力事例图解（ 1）慢慢地于杯中加入水，水高出杯面小许仍不会溢出，这就是液体表面张力的缘故② •润湿 熔化成液态的焊料克服自身的表面张力在金属表面（如铜箔）扩散的现象润湿平衡实验图解（230°C，空气介质，活性助焊剂）1.5③ .润湿角一一为衡量焊料对被焊接金属表面的润湿程度，引用一个润湿角e参数,随着表面张力大小的变化，e值可以在0〜180°之间变化当e -0°时，完全润湿当e V90时，润湿0K当e >90时，不润湿当e -180°时，完全不润湿一般来说，e在20〜30之间就可以认为是良好的润湿。

④ .x元合金一一为了改善锡料的性能，现使用的锡料不是由单一元素构成的，如我们现在广泛使用的Sn Cu无铅锡料便是由Sn、Cu组成的99.15 0.8二元合金，锡料由几种元素组便称为几元合金⑤ •助焊剂——又称焊剂，其中是用来增加润湿，帮助和加速焊接进程，助焊剂一般由活性剂、树脂扩散剂、溶剂四部分构成助焊剂工作实况图解⑥ ．合金层——锡料和被反应的金属结合而生成的新物质合金层图解⑦ .偏析一一即是我们常说的半月面提升现象，主要是由焊料本身凝固收缩及焊料与引线的热收缩，会对固有方向形成一定的力，而没有引线的场合便会产生半月面提升焊料的弯月面提升现象2．无铅锡的产生背景随着人类文明的进步，人们的环境意识增强，保护自然环境、维护生态平衡渐 成时尚我们现使用的含铅锡料中的铅对人类的健康起着不良影响人们可能在铅的环 境下，通过饮食或吸入而发生铅中毒在电子产品的组装生产过程中，有足够产生含铅气体的条件（高温度处理）在 一般采取的预防措施中，如进行波峰焊炉的清洁保养和清除锡渣等工作时使用口罩； 在和含铅材料（锡膏、焊条等）有直接接触后确保饮食前有很好的清洗；工厂禁止在 有含铅物的环境中进食等等，铅中毒的可能性是非常微小的，电子制造工业界中，铅 毒的问题虽然已被意识到，但是并未十分受到重视。

然而，为什么我们在电子业中还 致力于开发无铅锡焊接技术呢？主要的考虑点来自于人们最担心电子产品废件的处 理担心如果电子废品没有得到适当的处理，比如把含铅的电路板（焊点中带大量的 铅）废弃在自然环境中，这些铅遇雨后变成易溶于水的形态，将慢慢地污染地下水， 特别是遇到含有硫酸和硝酸的酸性雨的情况下，更会促进铅的溶解（见表1）表 1 铅污染机理和对水的溶解性Pb(焊锡中)+i/2O2fPbOPbO+2HCIf PbCI +H O22酸雨PbO+H SO f PbSO +H O2 4 4 2PbO+2HNO3酸雨Pb(NO3)2+H2O1铅在水中的溶解性冷水(g/1)温水(g/1)PbSO40.00471Pb(NO3)237.65127PbCI213.5对以地下水为饮用水源的人们，如果所饮用的水中铅含量过高，随着时间的延长，铅在体内积累过多，便会引起铅中毒也就是铅被人体消化器官、呼吸器官摄取后，铅与人体内蛋白质进行结合抑制人体内蛋白质的正常合成功能侵害人体中 枢神经，造成神经混乱、生殖功能障碍、贫血和高血压等疾病儿童更容易受铅的 侵害，如果儿童血液中铅含量上升，对IQ （智能指数）会产生有害的影响。

为此从 98 年初一些大电子厂如松下和新力等也以发展和开始在某些产品上采用无铅焊接的 技术现我们公司使用的无铅锡料便是由松下公司研制的Sn99i4Cu06 （SnlOOC）型 99.14 0.6无铅锡，虽然目前在无铅锡的实用过程中还有一些困难，但推行无铅锡只是时间问 题了3．无铅锡推广过程中面临的课题和解决方向从世界范围来看无铅锡料目前尚处在试用阶段，要在短时间内研制出使用性能 超过Sn-Pb共晶料的无铅锡料还很困难，要想无铅焊料实用化进程顺利进行，必须 要求锡炉制造商、焊料厂商、元器件厂商、成品制造厂商共同努力，其中只要任何 一方配合不周，即会对无铅锡推广应用产生障碍① •无铅焊料面临的课题及改进方式在各种候选无铅合金中，锡都被用作基底金属，因为它成本低、货源充足，并 且具备理想的物理特性，如导电、导热、润湿性以下是常与锡配合构成合金的候 补元素相关数据及特性材料每公斤单价（美元）密度(25 °C)年生产能力（万吨）供货能力锌(Zn)1.197.1470.76充足铜(Cu)1.438.97222.26充足锑(Sb)1.766.624.54充足铋(Bi)7.509.800.41有限锡(Sn)7.727.318.16充足银(Ag)185.6310.490.16有限铟(In)275.587.310.01稀缺A、Sn-Zn 系合金Sn-Zn系共晶焊料共熔点最靠近Sn-Pb共晶焊料，且具良好机械技性、经济性,对进入实用化有很大希望。

下图是Sn-Zn系合金状态图，及锌量发生变化时与界面反应层的厚度Sn-Zn二元系状态图 Sn-Zn界面反应层厚度由Zn量发生的变化锌价廉，几乎与铅的价格相同，货源广，同时它在降低锡合金熔点方面也具有 很高的效率，就锌而言主要缺点在于它会与氧迅速发生反应，形成稳定的氧化物在 波峰焊过程中，这种反应的结果，导致润湿性变差，晶粒粗大耐热性差，易出现短 路、尖刺B、 Sn-Bi 系合金Sn-Bi系焊料能在139°C共晶点到232°C的宽熔点范围内做成合金共晶部分Bi 在10“m以上时会出现粗化形状结晶Sn-Bi 二元合金的状态图Sn-Bi二元合金具有良好的润湿能力和较好的物理技性，其主要缺点是Bi的晶粒大、结构粗化，特别是和元件引脚上的铅反应易生成熔点低的合金脆性大，同时液固共存领域大，焊料易发生半月面提升现象C、Sn-Ag 二元合金Sn-Ag 系焊料，作为高熔点已开始以无铅焊料角色进入实用阶段，特别是其固有的微细组织，优良的机械能性和使用可靠性，下图是Sn-Ag二元系合金状态图：Sn-Ag 二元系合金状态图Sn-Ag 系无铅锡料在实用进程中最大的阻力是因其组织细化熔点高，润湿性能 差D、Sn-Cu 系合金锡料Sn-Cu系合金成本低，且具备较好的润湿能力和焊接能力，固Sn-Cu系合金已 成为波峰焊的最佳候选方案，Sn-Cu系合金中含适量的铜有助于其组织细化，抑制 元件引脚上铜的溶解，但铜量过多波峰焊中易出现短路，但其熔点高，如Sn99.4草药 Cu06系合金熔点为227°C也是波峰浸锡面临的一个课题，下图是Sn-0.7Cu二元合金 0.6图：E、多元合金从无铅锡的研制过程中发现，二元系合金要完全达到原有含铅锡料的性质比较 困难，只有通过对二元基、三元基合金中添加适量的微量元素达到改变合金性能的 目的，于是多元合金便产生了。

多元合金的缺点便是合金成分难控制共晶点易变化理想中的无铅焊料最好是与原来Sn-Pb共晶焊料特性相同的靠近低熔点外的类 似型焊料，共晶焊料的主要特性，除具备低熔点外能够像纯金属那样在第一温度下 熔融、凝固，作为Sn-Pb共晶替代物的无铅焊料，也希望具有与Sn-Pb相同的熔融 温度范围，良好的接合性能、润湿性等，在开发研制过程中，要完全达到原有焊料 相同的性质是困难的，只有通过对Sn基合金添加Ag、Bi、In、Cu等元素组成性能最接近于原来使用焊料的替代物，下图是理想无铅锡料的组织结构：无铅锡料熔点温度是重要的焊锡特性之一：无铅锡料化学成份熔点范围说明48Sn/52In118 C共熔低熔点、昂贵、强度低42Sn/58Bi138 C共熔Bi的可利用资源少91Sn/9Zn199 C共熔渣多、潜在腐蚀性93.5Sn/3Sb/2Bi/1.5Cu218 C共熔咼强度、很好的温度疲劳特性95.5Sn/3.5Ag/1Zn218〜221 C咼强度、好的温度疲劳特性99.3Sn/0.7Cu227 C共熔高熔点、高强度95Sn/5Sb232〜240 C好的剪切强度和温度疲劳特性65Sn/25Ag/10Sn233 C高强度（摩托罗拉专利）97Sn/2Cu/0.8Sb/0.2Ag226〜228 C高熔点96.5Sn/3.5Ag221 C共熔高强度、高熔点②•部品元件基板面临的课题及改进方向A、部品元件的耐热性改进方向电子元件的耐热性在原本的焊接工艺中，Sn-Pb共晶焊料的熔点是183°C，在波峰焊接温度为240°C左右，回流焊接为230C，对于焊接峰值温度来说，电子元件的耐热性温度应 达到210C左右，而无铅焊料（高温系）熔点220C左右，考虑到基板内的温度偏差（250C以上），电子元件的耐热要求最好能达到270C程度。

实际上焊接温度的上升对元件来说是不利的，首先因热负荷关系元件的特性将发生变动，或者说在其结构上会因高温使特性劣化，譬如说铝电解电容，遇到高温其内部的电解液将会沸腾， 经改进后的电解液虽说可随250°C的温度，但对于使用无铅焊料时更高的温度，就 会吃不消了使用压电陶瓷的振子和滤波器等电子元件，由于压电陶瓷的居里点（耐 热温度界限）在300C前后，如果经受的焊接温度过高，不仅会使这类元件特性恶 化，严重的会使压电特性消失，因此在各类贴装元件组装时，必须使用对温度能够 精密控制的回流焊设备，组装基板经过炉腔之际，所设定的升温工艺最好让各元件 间不产生热负荷的偏差B、 基板耐热性较高的熔点急剧地缩小了工艺窗口熔点最低的铅锡焊料的熔点183C，其完 全液化温度为205C至215C，而印刷电路板（PCB）的极限温度为230C至240C 真正现存的工艺余量为15C至35C可是，最常用的无铅焊料的熔点为216C至 220C，其完全液化温度为225C至235C由于PCB的极限温度仍然不变，工艺余 量就缩小至5C到15C如此狭窄的工艺余量要求回流焊炉子既具有很高的重复精 度，以及具有非常严密的电路板表面温差例如，如果工艺余量是10C，并且 PCB表面的温差AT也是10C，工艺操作的误差边界就为零。

C、 部品元件镀层的无铅化进程为了配合无铅工艺的彻底执行，部品元件镀层的无铅化也势在必行，对于车载 电子产品为中心的材料，以改善焊锡接合部位的特性为主，一般选择耐热疲劳优良 的 Sn-Ag 系合金、 Sn-Ag 二元合金，作为日用电器制品 Sn-Bi 系合金比较合适，但 电镀工艺的稳定性有待提高，在这一领域，如果想进一步降低成本，可选择 Sn-Zn 系合金③•波峰浸锡炉面临的课题及改进方向应用历史悠久的波峰焊最能体现大批量、低成本进行生产的适用元件，但推行 无铅工艺后，与原Sn-37Pb相比，无铅焊料的熔点比原来要高出600,特别是基板在一次。