1、无铅波峰焊工艺研究全球电子电气工业膨勃发展，锡铅焊接逐步向无铅焊接转化，波峰焊接越来越多的向回流焊接发展，但新的“无铅波峰焊接技术”仍是业界研究的一个焦点。在美国由几家公司组成的社团收集了很多无铅波峰焊接过程中的相关资料，幷对这些资料进行分析，研究，试图找到适用于无铅波峰焊接的工艺参数。但是对于高可靠性的电子产品，如网络设备，到目前为止还达不到实际所需的高可靠性要求，需通过大量工艺优化来实现无铅波峰焊接的高可靠性。研究工作使用了可以承受无铅焊接温度的新型 PCB 材质，厚度为 0.125 英寸，该 PCB为 18 层板，其中 8 层为接地层，10 层为信号层，PCB 焊盘镀层分别为浸银（1mm
2、-Ag）和高温防氧化有机涂层（OSP）二种，焊接材料选用 SnPb 和SAC305，PCB 为典型的通讯用线路板，布线设计复杂程度高，特制的波峰焊接夹具可以使该 PCB 在无铅波峰焊炉上实施选择性波峰焊接，焊后 2D X-RAY 和 3D X-RAY 检测系统观察焊点可靠性，焊点形状及焊接缺陷。一套可靠的，具有破坏性的试验分析工具（DPA）用来评估焊点质量，幷与共晶焊料 Sn/Pb 装配结果做质量对比分析，与此同时，详细记录焊接温度，使用的元器件，以及对应的焊点质量。与共晶 Sn/Pb 焊料焊接结果相比，首先发现镀通孔润湿性差，通孔内焊锡量不足，桥接增多，焊点内有大量空洞。无铅波峰焊接工艺窗口
3、变窄，要想获得理想的焊锡量，就要不断优化焊接曲线。试验结果发现，浸银的 PCB 在镀通孔填充率和可焊性方面均优于 OSP PCB。EU 的环境立法，如 ROHS关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令，WEEE 关于报废电子电气设备指令 ，明确指明要将铅从电子产品中去除，但 Sn/Pb 焊料在电子领域中引导潮流几十年，根深蒂固的影响很难从人们的生活中剔除。对于复杂的线路板装配（PBAS），特别是那些厚的，使用夹具过波峰焊接完成通孔器件焊接的模式在 Sn/Pb 焊接中被广泛应用，夹具的使用，可以依照设计者的思路在波峰焊接炉上实现选择性波峰焊接，而这种板型在无铅波峰焊接中实施选择性波峰焊接的确
4、对工艺人员提出了挑战。要想获得良好的焊点质量和高可靠性焊接结果，在波峰焊接参数设置时，必须考虑以下几个问题：1. 波峰焊接环境2. 焊料合金成分3. 助焊剂，施加助焊剂的方式4. 预热5. 导轨速度6. 波峰特性7. 锡缸污染度以上几个因素在 Sn/Pb 波峰焊接中已有完整的记录，不只是对无铅焊接要求。其中的几个因素是关于无铅波峰焊接工艺的优化，即本次研究的主要内容。试验要求与范围：试验范围- 厚的多层 PCB 板，无铅波峰焊接工艺（ SMT 装配不在研究范围之内）。试验板介绍：测试板由 Brocade 和 FoxConn 公司设计制作，PCB 上需要安装一系列 SMT 器件和通孔器件，是具有
5、代表性的工业电子产品，PCB 焊盘镀层为 Sn/Pb 和Pb-Free 二种，目的是通过对非功能性器件的研究优化无铅波峰焊接工艺。板材采用高 Tg（175）FR4 材料，与无铅工艺相容的层压方式制作的 PCB，尺寸为 18inch*12 inch，厚度为 0.125 inch，18 层板（其中 8 层接地层，10 层信号层），如图 1（Topside 装配面）图 1 无铅测试板测试板共 36 块，二种 PCB 镀层，其中 18 块为浸银板，18 块为 OSP 处理的测试板，每块板子上面都有相应的编号，新型 OSP 处理的 PCB 裸板可承受 6 次无铅波峰焊接温度冲击，试验中选用了 4 种通孔
6、元器件（每一个元器件上也有相应的编号），它们是：1. 钽电容2. DIMM 插座连接器3. 电源连接器4. LED为更好的模拟实际生产，器件引脚要焊接到不同的 PCB 层面上。波峰焊接工艺：助焊剂在焊接过程中对于良好焊点的形成，足够的镀通孔填充率起着至关重要的作用，因无铅焊料的润湿性较 Sn/Pb 焊料要差，相对 Sn/Pb 焊料焊接，应增加助焊剂的活性，使助焊剂能迅速润湿镀通孔，增大镀通孔填充率，减少焊接缺陷。水溶性无 VOC 助焊剂广泛用于无铅波峰焊接，助焊剂采用喷涂方式能起到更好的助焊效果，SS316 可编程的 On/Off 时间控制能让助焊剂渗透到镀通孔表面，留下薄薄一层助焊剂，使用
7、PCB 跟踪器，记录使用单向 /双向喷雾喷涂到 PCB 通孔中的助焊剂量。试验用波峰焊接炉有三个预热区，在线连接、全自动，满足无铅波峰焊接锡缸温度要求。试验时将 PCB 安装在焊接夹具上，经助焊剂喷涂进入预热区，预热区总厂为1.8 米，三个预热区预热模式为底部预热，前二个预热区加热方式为强制热风对流加热，第三个区加热方法为红外辐射加热，底部预热为 PCB 进入波峰区实施焊接做好温度准备，该波峰焊接设备没有顶部加热装置，顶部加热对厚的PCB，特别是板上有大的吸热器件时很有帮助。接下来 PCB 匀速进入波峰区，实施焊接。使用不同的波峰形状达到最好的焊接效果，因无铅焊接镀通孔的填充率对波形提出更高的
8、要求，只有波形控制严格，才能有好的通孔填充。试验用无铅焊接材料：锡银铜（SAC305）无铅焊料，是业界推荐使用的焊料组合成分，在无铅波峰焊接材料中 SAC305 具有一定的代表性。装配工艺：首先在 36 块测试板上贴装 SMT 器件，其中第一组为 10PCS PCB，所用 SMT 器件镀层为 Sn/Pb 器件，焊接材料为 Sn/Pb 焊膏，采用锡铅回流焊接工艺进行焊接，这 10PCS 板用于后面基础对比分析时使用。第二组有 4PCS PCB，SMT 器件为无铅器件，采用锡铅焊接工艺；第三组 22PCS PCB，SMT 器件为无铅器件，采用无铅回流焊接工艺，回流过程完成后，36PCS PCB 进
9、入波峰焊接步骤。第一组的 10PCS PCB 仍然采用锡铅波峰焊接，这 10 块板主要用于分析比较材料的可焊性及镀通孔焊锡填充量，第二组的 4 块板仍采用锡铅波峰焊接工艺，锡缸温度设置为 260，第三组无铅波峰焊接时，锡缸温度设置为 285，幷在氮气保护环境下实施焊接。观察：下列三个因素是焊接工艺中需重点考虑优化的因素：1. 传输速度2. 锡缸温度3. 波峰形状试验是按 PCB 镀层分类进行的，根据不同的 PCB 镀层，不同的工艺条件，分类，分组地进行观察。OSP 处理的 PCB 分三组，分别按 工艺参数实施焊接：Run 1 中，锡缸设置温度为 265，传输速度为 66cm/min，OSP 处
10、理的 PCB 经焊接后，目检焊接缺陷。目检结果：PCB 的 TOP 面焊锡量不足，润湿性差，用 3D X-Ray 进一步观察镀通孔填充量（按 IPC ， 级标准，镀通孔填充率必须50%），大多数的焊点，镀通孔填充量小于 50%，RUN 2 中，锡缸温度设置为 285，传输速度为 78cm/min，接下来的5PCS PCB，焊接参数设置时主波峰锡波速度增加 10rnp,达到 315 rnp 的柔和波峰，观察焊接结果，锡缸温度达到 285时，按 IPC 标准判别，缺陷率明显减少。RUN3 LEDS：LED 安装在 PCB 边缘处，表 3 是 LED 引脚连接在 PCB 的层面位置，与 PCB上多层
11、面相连的 LED 引脚焊点，焊锡填充量小于引脚与较少层面相连的 LED 焊点填充量。DIMM 插座接插件：试验中，每块板上只用了一个 DIMM 连接器，但 DIMM 连接器四排引脚连接到 PCB 不同层面。试验结果：钽电容：安装在 PCB 中间部位的电容焊点填充量不足，在 PCB 边缘的电容填充量不足的相对少一些，很显然，PCB 设计对焊接结果有一定的影响，LEDS：只有一个 LED 显示焊料填充量不足，LED 在浸银板焊接中，润湿性，焊点填充均有很好的表现。DIMM 插座接插件： 3D X-RAY 观察，只有少量引脚焊锡量不足 (0.093inches）的 PCB 在通孔器件焊接中，器件镀通
12、孔内润湿性填充量是非常重要的，其控制也是非常严格的，实验结果表明：OSP 处理的 PCB 在润湿性和镀通孔填充量上都不如浸银处理的 PCB 表现。锡缸温度：Sn/Pb 波峰焊接，锡缸温度在 250-260之间，以前的文章中，Sn/Pb 波峰焊锡缸的温度一般在 260-270之间。在本试验前，无铅锡缸的温度设置是 265，结果是镀通孔焊料填充量不足，所以在本试验中，无铅锡缸温度设置为 285，锡缸温度升高，对焊料填充有帮助，尤其是对 OSP 处理的 PCB，效果更为明显，遗憾的是锡缸温度升高，会产生很多负面影响。第一， 太高的T 对塑封器件易造成温度损伤，到现在为止，塑封器件是否与高温波峰焊接工
13、艺兼容还没有明确；第二，高温冲击是否会造成 PCB 分层，虽然多数无铅 PCB 碾压工艺能够抵挡高温冲击；第三，为满足高温波峰需要，预热温度也要相应提高，同时要求 PCBTOP 面和 BOTTOM 面同时预热。前面的试验中 TOP 面没有预热器，如果试验能够采用双面预热，或许会得到更好一些的焊接结果。助焊剂：助焊剂是焊接过程中必不可少的，但必须严格控制助焊材料，助焊剂用量小，润湿效果差，用量大，会引起锡珠，且留下过量的助焊剂残留，会导致污染，甚至会腐蚀产品，引起产品的性能问题，此次试验，只选用了一种助焊剂，所以不同类型助焊剂的助焊效果没有评估。考虑到该助焊剂与无铅焊料的兼容性，我们选用了一种高
14、活性的助焊剂，但这种助焊剂因预热温度要求升高，也可能导致波峰焊前助焊剂已全部挥发，焊接过程中没起到助焊作用，引起焊锡不足，基于这点，我们试验了手工施加助焊剂，仍是焊锡量不足，改变助焊剂喷嘴类型，增加助焊剂流速，都不能提高润湿性及焊料填充量。预热：PCB 和元器件预热，可提高焊点质量及产品可靠性，该试验中没有 TOP 面预热装置也是一种遗憾，更高的锡缸温度使预热区和波峰区的T 增大，预热温度不够高会引起焊料填充不足，如果是厚度0.093inches 的 PCB，即此次试验用的 PCB 类型，TOP 面预热是非常重要的，但是，TOP 面预热温度过高会引起 SMT 器件的移动，另一负面影响就是器件温
15、度过高会因热冲击导致器件热损伤。波峰焊接材料：OSP 处理的 PCB 采用无铅工艺与锡铅工艺焊接结果做比较，图 9 是锡铅工艺焊接的引脚，其填充量几乎满足 IPC 目标要求。无铅焊接材料，熔点温度升高，工艺控制窗口缩小，OSP 处理的 PCB 使用无铅焊料时，润湿性很明显要比锡铅焊料润湿性差。PCB 表面镀层：本次试验的二种 PCB 镀层处理方法： OSP，浸银。在润湿性和焊料填充量方面浸银处理的 PCB 优于 OSP 处理的 PCB，对于较厚的 PCB，其工艺窗口正如我们试验所示，非常窄，需要优化工艺参数以达到良好焊点要求。最终结论：该试验目的是针对多层，厚 PCB 用夹具实施选择性无铅波峰
16、焊接工艺窗口窄等问题进行分析，优化工艺参数，控制焊接过程。试验表明，通过优化工艺参数，可以实现可接受的镀通孔填充量及通孔件的可靠性焊接，在填充量方面，浸银板表现优于 OSP 处理的 PCB，更多的 DOE 矩阵分析可以帮助我们确定适合的波峰焊接参数，此次试验的遗憾是没有足够满足工艺要求的设备，选择性无铅波峰焊接的可行性仍需进一步试验分析。电源连接器：非常有趣，电源连接器在 Run1，2 ，3 试验中都得到了良好的焊点填充量，只有几个在 TOP 面的焊点外形不太完整，分析原因是因为器件太靠 PCB 边缘，或者是因为镀通孔内径的公差差异。B Imm-Ag 浸银板：试验中有 2 块 PCB 是浸银处
17、理的，表 7 是 2 块浸银板过波峰的工艺参数，一块 PCB 在 Run1 中，锡缸温度为 265，传输速度为 66cm/min, 波峰焊后目检结果：润湿性不好，镀通孔焊料填充量不足，尤其在电源连接器上，很明显的显示镀通孔焊料填充不足。另一块 PCB 在 Run2 中，锡缸温度为 285，传输速度为 85 cm/min，目检结果显示在 PCB TOP 面焊点状态很好，X-RAY 和 3D X-RAY 同样观察到镀通孔填充量很好。分析 11 块板，7 块板是 Run 2 的设置，用 3D X-RAY 分析，分析结果按照器件类型分类，总结：中，锡缸设置温度保持再 285，传输速度为 85cm/mi
18、n,主波峰采用振动幅度最大的冲击波，观察焊接结果，焊点好于 RUN 1，2 的结果，很明显振动幅度大的冲击波要明显好于振动幅度小的柔和波。分析观察结果时，特别注意器件连接到 PCB 不同层面的引脚焊点填充情况。试验结果显示，与地线或信号线连接的器件引脚，其镀通孔填充量小于没有任何和布线层相连的器件焊料不足引脚镀通孔填充量，就是说，和地线或信号层相连的器件引脚，焊接时部分热量传到地线或信号线上，过波峰时焊点处因热量散失温度下降较快，焊料很快在焊点处固化，而未能浸入到镀通孔内壁，引起填充量不足，不同器件引脚形状不同，形成焊点的镀通孔填充量也有一定的差异，在不同的器件上也能观察到焊点填充量的差异。钽电容用 3D X-RAY 检测，分析该器件镀通孔填充量不足，与其连接到 PCB 上的位置有直接关系，另外，器件在 PCB 中间位置比在周边位置焊接时对热量的要求更多一些。
