关注软钎焊行业无铅化进程

关注软钎焊行业无铅化进程

——无铅焊料的实用范例

一、各种无铅焊料的对比

2001年底，我曾在专业杂志上发表过一篇题为《软钎焊行业无铅化进程及无铅化的前期导入制程》的文章。文章第二节“软钎焊行业对无铅焊料的要求”中，结合当时的市场情况，对未来推广的无铅焊料提出了十点要求，这十点要求是：

1、无铅焊料的熔点要低，尽可能地接近63/37锡铅合金的共晶温度183⁰C，如果新产品的共晶温度只高出183⁰C几度应该不是很大问题，但目前尚没有能够真正推广的，并符合焊接要求的此类无铅焊料；另外，在开发出有较低共晶温度的无铅焊料以前，应尽量把无铅焊料的熔融间隔温差降下来，即尽量减小其固相线与液相线之间的温度区间，固相线温度最小为150⁰C，液相线温度视具体应用而定(波峰焊用锡条：265⁰C以下；锡丝：375⁰C以下；SMT用焊锡膏：250⁰C以下，通常要求回流焊温度应该低于225-230⁰C)。

2、无铅焊料要有良好的润湿性；一般情况下，再流焊时焊料在液相线温度以上的停留时间为30-90秒，波峰焊时被焊接元器件管脚与线路板基板和锡液波峰的接触时间约为4秒，采用无铅焊料后，需要保证焊料能在上述时间范围内展现出良好的润湿性能，才能保障获得优质的焊接效果；

3、焊接后的焊点导电率与导热率都需要和63/37锡铅合金焊料的性能接近；

4、焊点的抗拉强度、韧性、延展性及抗蠕变性能都需要和锡铅合金的性能相当；

5、成本尽可能降低；以当前行业情况来看，成本控制在锡铅合金的1.5-2倍，就是比较理想的价位；

6、开发的无铅焊料在使用过程中，需要与线路板铜基材、线路板表面镀覆的无铅镀层、元器件管脚及其表面的无铅镀层和其他金属镀层都具备良好的钎合性能；

7、新开发的无铅焊料需要尽量适配各类助焊剂，保证尽可能强的兼容性；既可以在活性松香树脂型助焊剂（RA）的配合下正常使用，也能够适配温和型弱活性松香助焊剂（RMA）或无松香树脂的免清洗助焊剂，这才是未来的发展方向；

8、焊接后方便进行焊点检验与返修；

9、所用原材料可以保障长期稳定充足供应；

10、可以兼容当前通用的设备与工艺，不需要更换现有设备即可正常使用。

2001年以来，市场推出了大量不同品种的无铅焊料，但截至目前仍没有哪一款无铅焊料获得业界的广泛认可。经过近三年的实验室测试与客户实地试用，结合无铅焊料的十大推广要求，我们在2003年底推出了一款市场前景良好、具备较高推广价值的无铅焊料合金（金箭公司标号为JW-12）。这款无铅焊料是以锡（Sn）、铜（Cu）、镍（Ni）为主要成分的三元合金，另外添加了微量稀土元素，基本可以满足上述十点要求中的大部分要求。在长期研发实践中，我们选取了三至四种不同的无铅焊料与其开展了大量对比实验，参与对照的无铅焊料分别为：JW-4（Sn-Cu）、JW-8（Sn-3.0Ag-0.5Cu）、JW-9（Sn-0.3Ag-0.7Cu）、JW-11（Sn-0.5Ag-0.7Cu-1.0Bi-0.07Ni）。JW-12推出后受到业界的广泛关注，先后在多家知名电子企业完成了批量生产试验。批量试验开展前，中南大学材料科学与工程学院理化实验室（教育部重点实验室/湖南省重点实验室）对上述几种无铅焊料的相关参数进行了检测，出具了正式检测报告。现将主要参数的测试方法与结果摘录如下：

1、熔融温度测定：（样品状态：挤压态；测试条件：升温速率10℃/min）

从上表中可以看出：JW-4固液相线之间的温差为6.9℃；JW-8固液相线之间的温差为4.0℃；JW-9固液相线之间的温差为6.2℃；JW-11固液相线之间的温差为6.6℃；JW-12固液相线之间的温差为2.8℃。

结合上述《无铅焊料推广的十点要求》第一点要求：在尚未找到共晶无铅焊料合金的情况下，新型焊料的固液相线温差应尽可能缩小。固液相线温差越小，越有利于焊接过程中焊点成形，也能显著改善焊点组织性能；对比上述几种焊料不难看出，固液相线温差仅为2.8℃的JW-12是更为理想的选择。

若

图一说明提示：

1、  1、图中ADBEC线为固相线，温度低于固相线时，锡铅合金呈固态；

   ABC线为液相线，温度高于液相线时，锡铅合金呈液态；

2、ABD区与BCE区为半熔融区，即固液混合区；

3、FGH线为最佳焊锡温度线；

4、图中B点为锡铅合金共晶点，对应锡铅比例约为63:37，熔点为183℃；在该共晶点，锡铅合金焊料可由固态直接熔化为液态，无需经过固液共存的半熔融阶段；

电阻率测试条件：（测试方法：开尔文直流双臂电桥法；样品状态：挤压态；样品标距：100mm；测试电压：220V；测试电流：1.5A；试验温度：室温；）

在对相关无铅焊料合金的电阻率测试结果中可以看出：除“JW-4”的电阻率为$0.1274 \times 10^{^-6}\ \Omega·m$外，“JW-12”的电阻率较低，为$0.1409 \times 10^{^{-6}\ \Omega·m$}，表明“JW-12”的电性能在受试无铅焊料中表现较为优秀。

3、拉伸性能实验：（测试方法及参照标准：GB228-87《金属拉伸试验方法》；样品状态：挤压态；样品标距：50mm；拉伸速度：$V=2\ \mathrm{mm/min}$）

4、钎焊接头强度试验

（试板钎焊样品及参照标准：按GB11363-89执行；测试方法：钎焊剪切强度按公式σ=P/A计算，式中P为接头破坏载荷，A为钎焊面积；拉伸速度：V=2mm/min；试验温度：室温）

5、润湿性能测定：采用焊料铺展面积测定方法，以与Sn₆₃Pb₃₇焊料的比较值作为评定参考。

在上述3至5项测试中，“JW-12”和其他无铅焊料一样，表现出了较为优异的性能，从理论层面验证了这类无铅焊料实际推广应用的可行性。

二、JW-12（Sn-Cu-Ni）无铅焊料相关焊接工艺

客户在了解无铅焊料的相关性能与实验室参数后，开始筹备实际批量试验。试验开始前，我们制定了周密的试验计划，涵盖了我们所能预想到的几乎所有情况，具体内容如下：

1、试验日期：2003年X月X日

2、客方参与试验/应知会人员：制程部经理、课长各一名；生产部副总；生产部经理一名、课长数名；台湾总公司总工程师；

3、供方参与试验人员：生产工程师；售后服务工程师；销售代表；销售部长；无铅波峰焊机工程师及技术员各一名；

4、试验设备：无铅焊料专用双波峰焊机，预热区长度约180cm，采用红外热风对流预热方式；预热区与波峰锡槽之间加设射灯保温装置，锡槽后加装强制冷风降温装置；

5、试验焊料种类及数量：客户指定“JW-12”，要求用量400公斤；

6、试验配套助焊剂：金箭公司无铅焊料专用助焊剂GA-F960

7、试验机种及数量：手提电脑电源供应器板20PCS；

8、初定试验参数：锡炉温度250℃；走板速度：1.2m/min；预热温度：140℃、160℃、170℃及180℃（该设备预热区分四段控温）；

9、试验后良品处置：选取10PCS交日本客户分析；5PCS交台湾总公司工程部确认；2PCS交中南大学材料学院理化实验室做理化分析并出具报告；3PCS留厂观察；

10、试验后不良品处置：使用与JW-12同规格锡线修补；

试验开始时，将无铅焊料加入锡槽熔化，升温至250℃左右，待测试线路板完成插件，所有试验人员到位后启动试验。

试验开始后，我们首先使用热电偶测试炉温系统，走板速度设定为1.2m/min、射灯开启条件下，实测数据如下：走完预热区进入锡槽前，线路板焊接面实际温度为107℃；锡液实际温度为245℃，未达到预定设定值，可见设备表显温度与实际温度存在偏差，经波峰焊机械工程师调整后，温度达到预定值250℃；线路板与锡液接触时间（即浸锡时间）约4.1秒；上述条件基本符合我们提供给客户的波峰焊接曲线（见图二）。

图二：无铅焊料波峰焊温度曲线

注：以上曲线为金箭公司无铅焊料JW-12产品的试验监测图，因不同客户的工艺、设备、PCB板材等条件存在差异，使用时请审慎参考！

在本次试验的总结报告中，我们对实验前后多个维度的问题进行了梳理总结，主要内容如下：

第一：有从业者提出疑问：初次试验将锡液温度设定为250℃的依据是什么？

我曾在《软钎焊行业无铅化进程及无铅化的前期导入制程》一文中针对该问题作过如下论述：“所有工艺参数的设定，不能仅从锡炉及焊料本身出发；实际生产中，电子制造厂商还需要结合自身产品特性、线路板上元器件的精密程度、可承受的热冲击强度等条件，汇总所有相关供应商的指导资料后，再完成参数设定；试验可从焊接温度高出共晶点温度或液相线温度10℃开始，根据已使用无铅焊料用户的反馈分析，该试验方法非常必要且有效。”结合“JW-12”焊料来看，从高出焊料熔点10℃左右的250℃开始试验观察是可行的，对选择最佳工作温度而言也是必要步骤。

第二：有从业者对试验中的预热时间、过完预热区后的板面掉温等参数提出疑问，我们的回复如下：

1、关于预热时间的问题，我们曾开展过相关测试：若预热区长度为1.8米，按照目前多数客户设定的走板速度计算，预热时间基本处于合理范围；具体对应为：走板速度V=1.2m/min时，预热时间为90秒；V=1.3m/min时，预热时间为83.5秒；V=1.4m/min时，预热时间为77秒；V=1.5m/min时，预热时间为72秒。实际上，我们给到客户的核心参数不是预热时间，而是“走完预热区后线路板焊接面的实际温度为100~110℃”，这是更为合理，也可以说是唯一可控的核心参数，波峰焊温度曲线上标注的预热时间仅作参考。

2、关于预热区与锡炉间掉温过大的问题，我们最初开展过实测，掉温控制在5℃以内就已经比较理想；目前新型无铅波峰炉在预热区与锡槽之间加装了射灯装置，基本可以将掉温控制在2℃以内，且开启射灯与关闭射灯的温度差约为10℃，足以证明该装置的必要性。

第三：本次试验取得成功，从工艺层面证明了无铅焊料替代有铅焊料的可行性。

在无铅焊料论证初期，业内曾对无铅焊料应用于波峰焊接的可行性存在疑问，核心关注点包括：无铅焊料工作温度相对较高，现有焊接设备能否满足使用要求；较高的工作温度是否会对线路板和元器件造成破坏性热冲击等。从本次试验结果来看，“JW-12”无铅焊料的理想工作温度在260℃左右，和原用Sn63/Pb37或Sn60/Pb40有铅焊料的工作温度差距不大，完全可以被行业接受。

第四：无铅焊料专用波峰焊机的性能设计日趋合理成熟。

我曾在《软钎焊行业无铅化进程及无铅化的前期导入制程》一文中，对无铅波峰焊机作出过如下预判：“无铅焊料的固相线和液相线区间较宽，会延长焊料凝固时间，因此条件允许时，可在波峰炉锡槽后加装强制降温装置，提升线路板过波峰后的降温速率，促进焊点成型；此外，在波峰炉链条进出口加装挡帘保温、加长预热区、对锡槽做镀层处理等，都有助于维持无铅波峰炉良好的焊接状态。”

本次试验中，我们体验了目前先进的无铅波峰焊机，有两点特别值得一提：一是在预热区后加装了4000W高性能射灯装置，此前我们仅能期望过完预热区后温度下降不超过5℃，这一装置让我们的预判成为了现实。试验现场测试结果显示：开启射灯时，线路板走完预热区后焊接面温度比关闭射灯时高约10℃，板面掉温仅为2℃左右；二是锡槽后配备了强制冷风装置，有效保障了焊点成型，缩短了焊点凝固时间。

第五：通过本次试验我们认识到，试验前周密系统的准备工作是试验成功的基础。准备工作包括试验前对焊料及设备性能的理论论证、试验方案的制定等，充分的准备为现场试验打下了坚实基础。

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三、Sn-Cu-Ni的焊接效果

现场试验结束后，客户立即组织品控人员对试验产品进行了外观目测和电性能检测，第三次试验的产品全部通过检测。

随后客户提出了剖析焊点的要求，为配合客户完成该项工作，我们从客户处取回2件试验样品，第一时间送达与我司合作的中南大学材料科学与工程学院理化实验室（教育部重点实验室/湖南省重点实验室）开展焊点剖析和金相分析，现将分析报告及金相图片摘录如下：

1、送样单位: 湖南郴州金箭焊料有限公司

2、样品名称: JW-12PCB钎焊电子板

3、检测项目: PCB电子板焊点质量分析

4、检测方法: 金相分析法          

5、取样及样品制备方法（Cutting and preparation of samples）

从PCB钎焊电子板上任意选取四个电子元件，连同基板一同锯下，沿基板垂直截面截取样品，按照金相样品要求制备试样，在金相显微镜下观察分析焊接界面结合状态，并拍摄对应部位的金相照片。

6、分析结果（Analysis results）

显示钎焊界面结合状态的典型金相组织照片见副页图1。对比图中组织可知，钎焊组织由细小初晶相+共晶组织组成，组织在整个截面内分布均匀；钎焊接头各界面（包括焊料/电子元件铜引线、焊料/镀层电子元件基板）结合良好，同时证明焊料具备较好的填缝能力。

7、结论（Conclusion）：钎焊接头各界面结合状态和焊料填缝性能良好。