SMT 无铅焊接对回流炉的挑战
作者:Rob Dimatteo BTU International
摘要: 随着无铅应用在电子制造行业成为现实，无铅焊接工艺已成为探讨的主要课题，同时，它也是业内一些担忧的原因。但是，迄今为止，进步是很大的，这个行业也正在探索无铅工艺各种可行且可靠的解决方案。高性能的无铅电路板正在生产中，新的无铅工艺标准也正在建立之中。本文着重讨论在回流焊接中无铅工艺所要考虑的问题。
无铅环保要求的兴起正影响着全球制造业的各个领域，其中对回流焊接工艺的影响最为突出。无铅焊料较高的熔点和较长的浸润时间要求回流工艺做相应的改变。浸润时间，峰值温度，液化点以上的时间（TAL）和升温斜率都需要在缩小了的工艺窗口下严格设定；然后还要对冷却斜率、出炉温度以及助焊剂管理系统兼顾考虑。目前，有铅、无铅的电路板和元器件品种繁多，这种“混合阶段”的状态将一直持续到所有的元件及电路板都实现无铅为止。
例如，无铅焊料与带有含铅涂层的元件和/或电路板的结合，将对回流工艺产生各种负面的影响。由于电路板及板上的元器件等各不相同，可以应用的焊料配方也很多，这些焊料配方各具特色，基于此，所谓适用于所有电路板装配和无铅焊膏唯一的标准“简单曲线”是不存在的。
关于无铅回流焊接的所有问题，都是由于一种超出规范的回流工艺导致的。比较常见的问题包括：由于液化点以上的时间（TAL）过长直接引起金属间焊料层的变厚，导致焊点可靠性下降；线路板变形；元件立碑或者冷却过程中发生元件引脚与焊盘的分离。导致短路和虚焊也是一个问题。在采用锡含量高的无铅焊料时，锡须的现象还会发生，在回流焊接过程中，这是随急剧的升温曲线而产生的热应力导致的直接结果。除了这些问题以外，还得面对各种的共晶回流焊中可能遇到的挑战，包括: 漏焊、锡球、桥连和立碑。对回流焊工艺的严格控制是防止以上缺陷的唯一办法。（见图1）
!(http://www.emchinamag.com/UpIt ... 20.jpg)
标准的锡铅共晶焊膏的熔点是183℃，且回流工艺窗口大。因此，许多制造商得以仅用一条或两条温度曲线去完成很大范围内的电路板的组装。在使用无铅焊膏的情况下，回流焊接的工艺窗口大大缩小。无铅焊膏较长的浸润时间和提高的熔点（在217℃至221℃之间）接近元件所能承受的250℃的最高温度。除了更加严格的温度和热量控制，还需要更多的温度曲线来保证在不损坏元件的情况下得到高质量的焊点。
迄今为止，无铅焊膏大多集中在锡银铜（SAC）合金焊膏上。像iNEMI和IPC这样的行业组织已经各自正式发布有些小差别的SAC版本为无铅焊膏的新标准。这两种略有不同的无铅焊膏标准下，焊膏均含有3-4%的银和0.5%的铜。从设备方面考虑，针对这两种略有不同无铅焊膏的操作差异可以忽略不计，但各种挑战确实存在。
回流炉与无铅
现今使用的许多回流炉将难以满足无铅焊接工艺的要求，另外有一些炉子有可能通过改造、翻新、升级来达到或接近无铅焊接的要求，或者不改造也能应用于一些小规模电路板的无铅生产。技术性能优越的炉子（功率充足、温控准确、温度较高）才有能力进行优质的无铅焊接。
SAC焊膏温度曲线和普通的锡铅共晶焊膏的温度曲线的主要差别在于回流过程中所需要的峰值温度。锡铅焊膏的液化温度是183℃，而SAC焊膏的液化温度是217℃。这34℃的差别直接体现在温度曲线上就是需要一个更高的峰值温度。如果锡铅焊膏正常操作峰值温度是210～220℃，那么使用SAC时至少应有一个在232～245℃之间的峰值温度。然而，这个温度也接近了对于大多数元件来说250℃的危险区域（图2）。
以前40℃的安全范围变成了13℃，缩小了近30℃。因为更高的温度需求，工艺窗口也已随之缩小。为了避免过热，尤其是针对电路板上较小元件来说，精确控制工艺窗口非常必要。
!(http://www.emchinamag.com/UpIt ... _1.jpg)
摘要: 随着无铅应用在电子制造行业成为现实，无铅焊接工艺已成为探讨的主要课题，同时，它也是业内一些担忧的原因。但是，迄今为止，进步是很大的，这个行业也正在探索无铅工艺各种可行且可靠的解决方案。高性能的无铅电路板正在生产中，新的无铅工艺标准也正在建立之中。本文着重讨论在回流焊接中无铅工艺所要考虑的问题。
无铅环保要求的兴起正影响着全球制造业的各个领域，其中对回流焊接工艺的影响最为突出。无铅焊料较高的熔点和较长的浸润时间要求回流工艺做相应的改变。浸润时间，峰值温度，液化点以上的时间（TAL）和升温斜率都需要在缩小了的工艺窗口下严格设定；然后还要对冷却斜率、出炉温度以及助焊剂管理系统兼顾考虑。目前，有铅、无铅的电路板和元器件品种繁多，这种“混合阶段”的状态将一直持续到所有的元件及电路板都实现无铅为止。
例如，无铅焊料与带有含铅涂层的元件和/或电路板的结合，将对回流工艺产生各种负面的影响。由于电路板及板上的元器件等各不相同，可以应用的焊料配方也很多，这些焊料配方各具特色，基于此，所谓适用于所有电路板装配和无铅焊膏唯一的标准“简单曲线”是不存在的。
关于无铅回流焊接的所有问题，都是由于一种超出规范的回流工艺导致的。比较常见的问题包括：由于液化点以上的时间（TAL）过长直接引起金属间焊料层的变厚，导致焊点可靠性下降；线路板变形；元件立碑或者冷却过程中发生元件引脚与焊盘的分离。导致短路和虚焊也是一个问题。在采用锡含量高的无铅焊料时，锡须的现象还会发生，在回流焊接过程中，这是随急剧的升温曲线而产生的热应力导致的直接结果。除了这些问题以外，还得面对各种的共晶回流焊中可能遇到的挑战，包括: 漏焊、锡球、桥连和立碑。对回流焊工艺的严格控制是防止以上缺陷的唯一办法。（见图1）
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标准的锡铅共晶焊膏的熔点是183℃，且回流工艺窗口大。因此，许多制造商得以仅用一条或两条温度曲线去完成很大范围内的电路板的组装。在使用无铅焊膏的情况下，回流焊接的工艺窗口大大缩小。无铅焊膏较长的浸润时间和提高的熔点（在217℃至221℃之间）接近元件所能承受的250℃的最高温度。除了更加严格的温度和热量控制，还需要更多的温度曲线来保证在不损坏元件的情况下得到高质量的焊点。
迄今为止，无铅焊膏大多集中在锡银铜（SAC）合金焊膏上。像iNEMI和IPC这样的行业组织已经各自正式发布有些小差别的SAC版本为无铅焊膏的新标准。这两种略有不同的无铅焊膏标准下，焊膏均含有3-4%的银和0.5%的铜。从设备方面考虑，针对这两种略有不同无铅焊膏的操作差异可以忽略不计，但各种挑战确实存在。
回流炉与无铅
现今使用的许多回流炉将难以满足无铅焊接工艺的要求，另外有一些炉子有可能通过改造、翻新、升级来达到或接近无铅焊接的要求，或者不改造也能应用于一些小规模电路板的无铅生产。技术性能优越的炉子（功率充足、温控准确、温度较高）才有能力进行优质的无铅焊接。
SAC焊膏温度曲线和普通的锡铅共晶焊膏的温度曲线的主要差别在于回流过程中所需要的峰值温度。锡铅焊膏的液化温度是183℃，而SAC焊膏的液化温度是217℃。这34℃的差别直接体现在温度曲线上就是需要一个更高的峰值温度。如果锡铅焊膏正常操作峰值温度是210～220℃，那么使用SAC时至少应有一个在232～245℃之间的峰值温度。然而，这个温度也接近了对于大多数元件来说250℃的危险区域（图2）。
以前40℃的安全范围变成了13℃，缩小了近30℃。因为更高的温度需求，工艺窗口也已随之缩小。为了避免过热，尤其是针对电路板上较小元件来说，精确控制工艺窗口非常必要。
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一年 (威望:2) - 天和海相戀但是他們始終無法把手相牽所以他們不能在...
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随着在无铅应用中焊膏的预热时间的减少，为了获得对工艺窗口精确控制，回流焊炉采用强制对流使热均匀性达到最大化至关重要。已经缩小的工艺窗口要求快速升温（到液化点以上），时间一定不能长，因为时间一长，温度再升就会进入危及元器件的危险区了！通过静压控制对流速率就能够做到这一点。较高的静压值，即使在较小的工艺窗口下，也能增加峰值温度与熔锡时间（图3）。
虽然一块电路板（特别是大板子）上不同点间的温差常常很大，但是通过静压控制对流速率能减少大件间温差，使电路板上的温度均匀性得到保证，使电路板上的所有点都能适合较小工艺窗口的要求，回流也能在不损伤元件和微小元件不移位的情况下顺利进行。
精密的回流炉有先进的闭环或开环静压控制系统，能够无级连续地对加热气流进行控制。回流炉能通过这些自控系统提供的反馈信息调整炉子设定，从而确保炉子在工艺窗口之内运行。技术成熟的数学运算法则随时调整以使参数保持在目标以内。这一点对无铅回流焊炉来说是至关重要的特性，重复性必须优秀。
回流炉气氛
助焊剂是无铅工艺中的另一个重要问题。更高的回流温度意味着助焊剂需要承受更高温度，它必须更长时间地待在元件上。许多焊料供应商已经推出了在更高的无铅工艺温度下性能良好的助焊剂。从炉子的角度来说，助焊剂收集系统必须能够应付增高的温度和更大量的助焊剂。
氮气保护金属表面在加热过程中不被氧化,还保证了适当的助焊剂活性。对比不同的助焊剂在空气和氮气氛下的润湿力。实践表明，在氮气覆盖下能改进工艺。氮气也能降低助焊剂的残留,使电路测试失败的机率降至最低。许多无铅焊接的研究表明，氮气能提高焊接质量。为了尽可能降低制造商的使用成本，在使用氮气之前，应先分析炉内回流区含氧量的上、下限，考虑氮气中实际能允许的氧含量。在采用氮气之前，也应先评估使用氮气的成本和使用氮气带来的收益。
多年来，一些SMT制造商为了降低设备投入，一直期望回流炉供应商能将空气炉升级为氮气炉，但由于两者在炉体结构、管路安排、排气口位置、冷却系统、进出口通道，以及炉内密封等诸多方面的差异，致使这种“升级”难达到预期效果，结果是耗氮量很高，助焊剂回收效果不理想，导致运行费用可能很高，故建议用户对此认真考虑。
结论
无铅焊膏标准制订以后，成功、可靠的无铅焊接工艺着重考虑回流炉的适应能力，特别是在控温精度、温度均匀性、重复性和灵活性，以及使用成本等各个方面应慎重进行考虑。