分析波峰焊时产生连锡（短路）的原因以及解决办法

在电子制造业的车间里，经常能听到工友们讨论这样的话题：“有铅工艺和无铅工艺到底差在哪儿？为啥价格差那么多？对咱们生产影响大不大？该选哪个才好？” 也有不少人觉得无铅工艺不如有铅工艺顺手，比如有人说无铅工艺的单波峰焊接总出问题。今天，咱们就好好聊聊这个事儿，把其中的门道捋清楚。

先说说无铅工艺的大趋势。这些年，国际上对环保的要求越来越严，电子产业往无铅工艺上靠，那是板上钉钉的事儿。虽说无铅工艺推了好些年，但还有不少企业在用有铅工艺。不过啊，无铅工艺完全替代有铅工艺，那是迟早的事。现在的问题是，无铅工艺在有些地方确实还比不上有铅工艺，所以咱们接下来要琢磨的，就是怎么让无铅工艺更给力，能稳稳当当地替代有铅工艺，这样既能响应 RoHS 环保要求，又能让企业赚钱，实现双赢。

一、工艺趋势：不可逆的环保浪潮与暂时的技术平衡

无铅工艺：就像一股挡不住的潮流，随着国际环保标准越来越高，它成了电子产业发展的必然方向。虽然推了这么多年还没完全把有铅工艺挤走，但这只是时间问题。咱们现在要做的，就是下功夫研究怎么让无铅工艺更成熟，更好地顶替有铅工艺，让环保和盈利两不误。

有铅工艺：目前还有不少企业在依赖它。虽说无铅是大方向，但在无铅工艺还没修炼到家的时候，有铅工艺在一些生产场景里，还得继续发挥作用。就像老手艺一样，虽然新方法在崛起，但暂时还离不开老方法的支撑。

再看看现在的情况。国内好多大公司，也没完全切换到无铅工艺，反而还用有铅工艺来保证产品的可靠性。就说机车行业吧，像西门子、庞巴迪这些国际大牌，也没全用无铅工艺，能豁免的就尽量豁免。

不少专业人士也觉得，无铅技术还有很多谜团没解开。比如著名的工艺专家李宁成博士就说，现在的无铅工艺技术，跟有铅技术比起来，还是嫩了点。以前无铅焊接常用的 Sn3Ag0.5Cu 焊料合金，最近就发现问题了，因为铜含量有点低，焊点的可靠性跟不上。有人建议把铜的质量分数提到 1% - 2%，但市面上压根就没这种焊料卖。而且，无铅焊接出来的电子产品，可靠性数据比有铅的差远了，积累得也不够多。

有铅工艺那可是有上百年的历史了，经过无数专家的钻研，焊接的可靠性和稳定性都没得说，生产工艺也相当成熟，这很大程度上得益于有铅焊料合金的好性子。

有铅焊料合金熔点低，焊接的时候温度不用太高，这样对电子产品的热损伤就小；它的润湿角小，焊起来特别顺，产品焊点不容易出现 “假焊”；而且韧性好，焊出来的焊点抗震动能力，比无铅焊点强多了。

二、现状剖析：成熟与待完善的技术博弈

无铅工艺：国内的大公司没全盘采用，国际上像西门子、庞巴迪这样的机车行业巨头，也在尽量避开无铅工艺。无铅技术还有不少坎儿没过去，李宁成博士就指出，它的成熟度比不上有铅技术。比如 Sn3Ag0.5Cu 焊料合金，因为铜含量偏低，焊点老出可靠性问题，就算有人建议提高铜含量，市场上也没现成的产品。另外，无铅焊接产品的可靠性数据，跟有铅的比起来，那真是差了一大截。

有铅工艺：一百多年的发展历史，就像老中医看病一样，经验丰富得很。经过无数专家的研究打磨，焊接的可靠性和稳定性有保障，生产工艺也熟透了。

从目前的研究来看，无铅焊接能用的替代合金，熔点都比现有的锡铅合金高。就拿业界比较认可的 “锡 - 银 - 铜” 合金来说，熔点是 217℃，这一下就把焊接的工艺窗口缩得很小。理论上，工艺窗口从锡铅焊料的 37℃变成了 23℃，可实际上，缩小得更厉害。因为咱们实际测温的时候，难免有误差，再加上 DFM（可制造性设计）的限制，还得考虑焊点的 “颜值”，回流焊接的工艺窗口实际上也就 14℃左右，对工艺人员来说，那真是个大挑战。

不光工艺窗口缩小了，焊接温度一提高，活儿就更难干了。高温下，氧化现象特别严重。大家都知道，氧化层一出现，焊接就费劲，容易润湿不良，还会产生虚焊。氧化程度怎么样，除了要看器件本身的质量，咱们库存的条件和时间、加工前的处理（比如除湿烘烤），还有焊接时预热（或恒温）阶段的温度和时间，这些都说了算。

因为无铅焊接的工艺窗口比有铅的小太多，业内有些人觉得，用氮气焊接环境可能是个办法。氮气能降低熔锡的表面张力，让它更好地润湿，还能防止预热时氧化。但氮气也不是万能的，之前就存在的问题，它可解决不了。

现在的回流焊接设备，大多是强制热风对流的设计。这种技术在升温速度的控制和恒温能力上还行，但加热效率、均匀性和重复性就差点意思。在有铅技术里，这些毛病不算太显眼，很多时候能将就。可到了无铅技术这儿，工艺窗口一缩小，对重复性要求又高，热风对流技术就有点扛不住了。

三、技术特点大比拼：细节里的工艺差异

焊料合金：

无铅工艺：成分上慢慢往 Sn96.5Ag3Cu0.5（SAC305）上靠，但波峰焊接为了省钱，可能会选 Sn99.3Cu0.7 焊料，这样一来，车间里的焊料就乱七八糟的。还有人提议用铜质量分数 1% - 2% 的合金，可市场上根本没货。

有铅工艺：不管用啥焊接方式，焊料合金一直是 Sn63Pb37，车间里不会因为焊料种类多而乱套。

焊料成本：

无铅工艺：波峰焊接用的锡条和手工焊接用的锡线，成本比有铅的高 2.7 倍；回流焊接用的锡膏，成本也高了约 1.5 倍。

有铅工艺：焊料成本低，能帮企业省不少钱。

焊料合金熔点温度：

无铅工艺：温度高，比如 “锡 - 银 - 铜” 合金熔点是 217℃。

有铅工艺：温度低，才 183℃。

焊料可焊性：

无铅工艺：可焊性差，焊的时候费劲。

有铅工艺：可焊性好，操作起来顺手。

焊点特点：

无铅工艺：焊点比较脆，那些需要手持或者经常震动的产品，用它就不合适。

有铅工艺：焊点韧性好，抗造。

焊料 / 焊端兼容性：

无铅工艺：焊端里不能有铅。

有铅工艺：焊端里可以有铅，兼容性更强。

能耗：

无铅工艺：不管是波峰焊、回流焊还是手工焊接，能耗都比有铅的多 10% - 15%。

有铅工艺：能耗低，更省电。

设备需求：

波峰焊：无铅工艺得换新的波峰焊机；有铅工艺不用换，除非要提高产能。

回流焊：无铅工艺需要多温区、长炉体的设备，这样调整回流温度曲线更灵活；有铅工艺也能用多温区设备，但不是必须。

手工焊接：无铅工艺得换烙铁头；有铅工艺不用换。

印刷 / 贴片机：无铅工艺不用换设备，但对印刷和贴片的精度要求更高；有铅工艺不用换，精度要求也没那么严。

焊接工艺：

水清洗工艺：无铅工艺不建议用；有铅工艺可以用。

回流焊接：无铅工艺的工艺窗口小，温度曲线难调，焊点容易有空洞，上锡效果也不好；有铅工艺的工艺窗口大，温度曲线好调，焊点空洞容易处理，上锡效果不错。

波峰焊接：无铅工艺的焊点上锡效果差，需要加快冷却，锡槽里合金杂质的检测也得更频繁，可能还得在生产现场放检测仪器；有铅工艺的焊点上锡效果好，锡槽杂质检测不用那么勤，现场也不用放检测仪器。

手工焊接：无铅工艺的烙铁头损耗得快；有铅工艺的烙铁头损耗小，更耐用。

PCB 要求：

板材：无铅工艺可以用有铅工艺时的板材，但最好用高 Tg 板材，这样成本会上升 10% - 15%；有铅工艺不用换板材。

焊盘处理方式：无铅工艺常用有机可焊性保护（OSP）和化学镍金。用 OSP 的话，焊盘平整，但对印刷工序要求高，PCB 保存时间短，对生产计划要求严，还会影响 ICT 测试；用化学镍金的话，焊盘也平整，对印刷要求不高，PCB 能存很久，对计划要求松，不影响 ICT 测试，但有可能出现 “黑盘”。有铅工艺除了能用 OSP 和化学镍金，还能用热风整平。

元器件：

耐热性：无铅工艺对元器件的耐热性要求高；有铅工艺要求没那么高。

焊端可焊性：无铅工艺要求高；有铅工艺要求一般。

焊点检查：

外观：无铅工艺的焊点粗糙，检验起来费劲；有铅工艺的焊点光亮，检验容易。

“爆米花” 现象：无铅工艺因为温度高，很多 IC 的防潮敏感性提高了一到两个等级，对小批量生产的企业影响特别大。必须加强防潮控制，要是库存条件不好，组装前得烘烤除湿，可烘烤又会让器件焊端氧化得更厉害，增加焊接难度。用惰性环境烘烤能解决，但设备、惰性气耗材和管理成本会大大增加。有铅工艺里，IC 的防潮敏感性只要多注意、好好管理，就容易控制。

“立碑” 现象：无铅工艺里这个问题更严重，因为无铅合金的表面张力大。解决办法和有铅技术一样，但无铅工艺窗口小，得保证炉子加热效率高、气流稳定。有铅工艺里也有这个问题，但工艺窗口宽，容易解决。

“气孔” 现象：在有铅技术里就不好解决，到了无铅技术，因为合金表面张力提高，问题更严重。控制方法和有铅技术一样，但工艺窗口更小了。有铅工艺里，“气孔” 问题也挺棘手，不容易彻底解决。

业界可靠性数据：

无铅工艺：可靠性数据少，还有很多未知的优缺点没被发现。

有铅工艺：可靠性数据多，用了这么多年，家底厚。

四、成本与设备：切换工艺的现实考量

绝大多数有铅设备都能用于无铅工艺，像印刷机、贴片机、回流炉、BGA返修台、分板机和测试设备都行，唯独波峰焊机是个例外，无铅和有铅的波峰焊机得严格分开用。

成本飙升：从有铅工艺换成无铅工艺，成本会大大增加，主要是因为无铅辅助材料和无铅印制电极板贵了不少，不过无铅器件的成本和有铅的差不多。

设备通用性：除了波峰焊机和锡锅必须严格区分（用了有铅工艺后就再也回不去无铅工艺了），其他设备大多通用。但无铅工艺在一些方面得调整设备，比如回流焊要调整温度曲线和材料，AOI 程序得针对无铅焊点重新设计，助焊剂得换，焊接温度有变化，工艺路线、夹具设计也不一样，手工焊接得评估风险，补焊工艺得确认焊盘设计等。

总的来说，在无铅工艺技术还没完全成熟的时候，企业要不要用无铅工艺，得好好看看自己的生产设备情况，也得关注无铅工艺技术的发展。各厂家在做决定的时候，一定要慎重再慎重。