软钎焊料行业-软钎焊料行业发展趋势、现状分析、市场前景

                                                                                                                                   关注软钎焊行业无铅化进程

——无铅焊料的实用范例

夏　杰

一、各种无铅焊料的对比

2001年底，我曾在某专业杂志上发表一篇题为《软钎焊行业无铅化进程及无铅化的前期导入制程》的文章，在这篇文章的第二节“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183℃，如果新产品的共晶温度只高出183℃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150℃，液相线温度视具体应用而定(波峰焊用锡条：265℃以下；锡丝：375℃以下；SMT用焊锡膏：250℃以下，通常要求回流焊温度应该低于225-230℃)。

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以上停留的时间为30-90秒，波峰焊时被焊接组件管脚及线路板基板面与锡液波峰接触的时间为4秒左右，使用无铅焊料以后，要保证在以上时间范围内焊料能表现出良好的润湿性能，以保证优质的焊接效果；

3、焊接后的导电及导热率都要与63/37锡铅合金焊料相接近；

4、焊点的抗拉强度、韧性、延展性及抗蠕变性能都要与锡铅合金的性能相差不多；

5、成本尽可能的降低；目前，能控制在锡铅合金的1.5-2倍，是比较理想的价位；

6、所开发的无铅焊料在使用过程中，与线路板的铜基、或线路板所镀的无铅焊料、以及元器件管脚或其表面的无铅焊料及其它金属镀层间，有良好的钎合性能；

7、新开发的无铅焊料尽量与各类助焊剂相匹配，并且兼容性要尽可能的强；既能够在活性松香树脂型助焊剂（RA）的支持下工作，也能够适用温和型、弱活性松香焊剂（РМА）或不含松香树脂的免清洗助焊剂才是以后的发展趋势；

8、焊接后对焊点的检验、返修要容易；

9、所选用原材料能够满足长期的充分供应；

10、与目前所用的设备工艺相兼容，在不更换设备的状况下可以工作。

2001年以来，市场上推出的无铅焊料品种很多，目前还没有一种无铅焊料能取得业界广泛的认可，经过近三年的实验室试验及客户实地试验，结合无铅焊料推广的十大要求，2003年年底我们推出了一种市场前景好、较具有推广意义的无铅焊料合金（金箭公司标号为JW-12），这种无铅焊料是以“锡（Сн.）、铜（Медь）、镍（Ni）”为主的三元合金，另外添加了微量的稀土元素。这种无铅焊料基本能够满足以上十点要求中大部分要求，在长期的实践中，我们选择了三至四种不同的无铅焊料与之作了大量的对比，参与对照实验的无铅焊料是“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这款无铅焊料的推出备受业界的关注，并先后在多家知名电子企业做了批量生产试验，在批量试验前，由“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）”对以上几种无铅焊料做出了相关参数的对比数据，并出据了相关的检测报告。现将其主要参数的测试方法及结果摘录如下：

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”的第一点来讲，在没有找到共晶的无铅焊料合金时，我们要求新焊料的固液相线之间的温差应尽量的小，固液相线之间温差越小，越有利于焊接时焊点的形成，对焊点结构也能起到较明显的改善；显然在上述焊料的对比中，固液相线之间的温差只有2.8℃的“JW-12”是比较理想的。（当无铅焊料的熔融温差间隔及其他相关特被要求和Sn36/Pb37焊料合金作对比时，我们可以将图一作为参考分析）

图一：锡铅合金焊料熔融温度及特性分析图

图一说明提示：

1、  图中ADBEC线为固相线，固相线以下锡铅合金表现为固态；

ABC线为液相线，液相线以上锡铅合金表现为液态；

2、ABD区及BCE区为半熔融区，即固液混合区；

3、FGH线为最适合焊锡的温度线；

      4、图中B点为锡铅合金共晶点，锡铅合金比例约为63:37，熔点为183℃；在此点，锡铅合金焊料由固态直接熔化进入液体状态，而不需要经过固液共存的半区域；

2、电阻率：（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；电压：220V；电流：1.5A；室试验温度：室温；）

    在对相关无铅焊料合金作电阻率测试的结果中，我们可以看出，除“JW-4”的电阻率为0.1274Ω.m.10^-6 外，就是“JW-12”的电阻率比较低为0.1409Ω.m.10^-6，这表明“JW-12”的电性能在相关无铅焊料中还是比较优秀的。

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=2mm/min）

4、钎焊接头强度实验（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σ=P/A，式中P——接头破坏载荷，А.——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，并取与Сн.₆₃Pb₃₇焊料比较值作为评定参考值。）

在以上3至5项的测试中，“JW-12”和其它的无铅焊料一样表现出了较为优秀的特性，从理论上支持了以上几种无铅焊料实际推广与应用的可行性。

二、JW-12（Sn-Cu-Ni）无铅焊料相关焊接工艺

我们的客户在了解了无铅焊料相关的性能及其实验室参数以后，就开始着手准备进行实际的批量试验，在试验前，我们制定了周密的实验计划，该计划包括了我们所能想到的几乎全部的状况，其中包括以下几个方面：

1、试验日期：2003年X月X日

2、客方参与试验或应知会人员：制程部经理、课长各一名；生部部副总；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：无铅焊料专用波峰焊机，该设备为双波峰焊机，预热区长度约18℃m，红外热风对流预热方式，预热区与波峰锡槽之前加设射灯保温装置，锡槽后加设强制降温的冷风装置；

5、试验所需焊料的种类及数量：客户指定了“JW-12”，要求数量400公斤；

6、试验所需配套助焊剂：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、试验初定相关参数：锡炉温度250℃；走板速度：1.2m/min；预热温度：140、160、170及180℃（该炉预热区内分四段控制）；

9、试后良品处置：选其中10PCS交日本客人进行分析；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作理化分析并出报告；3PCS留厂观察；

10、试后不良品处置：用JW-12同种规格锡线补修；

    试验开始时，将无铅焊料加入锡槽熔化并升温至250℃左右，所需试验线路板插件待试，参与试验人员全部到位。

试验开始后，我们首先用热电偶测试炉温系统，在走板速度设定为1.2m/min并打开射灯的情况下，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℃；锡液际温度为245℃（未达到预定值，且表显与实际温度有误差，波峰焊机械工程师进行调整，直至达到预定值250℃为止）；线路板与锡液接触时间（即浸锡时间）约4.1秒左右；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产品的实验监测图，考虑到所有客户的工艺、设备、PCB板材等各种状况的差异，使用时请审慎参考！

现将现场试验记录列表如下：

在本次试验的总结报告中，我们对实验前后多个方面的问题进行了相关总结，大致有以下几点：

第一：有人提出初次实验时，锡液温度设定在250℃的依据是什么？

在《软钎焊行业无铅化进程及无铅化的前期导入制程》一文中我曾经针对这个问题作过这样一段论述：“所有工作参数的设定，只是从锡炉及焊料本身去考虑；在实际工作中，电子制造厂商还应该审视自身产品，以及线路板上组件的精密程度、所能承受的热冲击程度等状况，在综合所有相关供货商的指导资料后，再去设定相关参数；从焊接温度曲线高出共晶点温度或高出液相线温度10℃左右开始试验，据已经使用无铅焊料的用户反馈信息分析，此种试验是非常必要的、有效的。”结合“JW-12”焊料来讲，从高出焊料熔点10℃左右的250℃开始进行观察试验是可行的，对选择最佳工作温度值来讲也是必要的。

第二：有人对试验中的预热时间、过完预热区后板面掉温等其它种参数提出疑问，我们对此进行了以下回复：

1、关于预热时间的问题，我们曾做过相关测试，按预热区长度为1.8米计，按目前大多数客户所设定的走板速度来算，预热时间基本合理；按V=1.2m/mil算时间应为90秒；V=1.3m/mil时间应为83.5秒；按V=1.4m/mil时间应为77秒；按V=1.5m/mil时间应为72秒；其实在预热区段我们所给客户的参数不是预热时间，而是“走完预热区以后的线路板焊接面实际温度100~110℃”，这是比较合理的也可以说是唯一的参数，至于在波峰焊曲线图上标明的预热时间，则仅供客户参考使用。

2、预热区与锡炉间掉温太大的问题当初我们是有过实际测试的，按5℃来算已经比较理想了；但现在新的无铅波峰炉在预热区与锡槽之间加了一个射灯装置，这样基本能够保证温度的回落在2℃以内，而且开射灯与不开射灯的温度相差约10℃，这说明射灯的装置是必要的。

第三：本次试验是成功的，它从工艺方面证明了无铅焊料代替有铅焊料方面是可行的。

在无铅焊料论证的初期，有人对无铅焊料进行波峰焊接的可行性提出过疑问，其中主要是无铅焊料相对较高的工作温度，焊接设备是否可达到使用要求，以及较高的工作温度对线路板及元器件是否会造成破坏性热冲击等；从本次试验来看，“JW-12”无铅焊料260℃左右的工作温度是比较理想的，与原来使用Sn63/Pb37或Sn60/Pb40有铅焊料的温度差距并不算大，是完全可以被业界接受的。

第四：无铅焊料专用波峰焊机的性能设计日趋合理与成熟。

在《软钎焊行业无铅化进程及无铅化的前期导入制程》一文中关于无铅波峰焊机我曾作出过这样的预想：“考虑到无铅焊料的固相线和液相线之间还存在较大的区间，这样对焊料的凝固时间就产生了影响，会延迟焊料的凝固，所以，如果条件允许的话，可以在波峰炉锡槽后，加一个强制降温的装置，以加大线路板经过波峰后的降温速率，有利于焊点的形成；另外，在波峰炉链条进口与出口处作好挡帘保温设施，以及加长预热区、对锡槽作镀层处理等措施，以保持无铅波峰炉良好的焊接状态。”

本次试验中，我们接触并解了目前比较先进的无铅波峰焊机，特别值得一提的有两点：一是在预热区后加设了4000W的高性能射灯装置，以前我们只是寄希望于过完预热区后温度不要下降太多（预想值是最大5℃），这一装置的出现让我们的预想变成了现实，在试验现场我们对射灯装置进行了测试，经测试发现：在射灯打开时，线路板走完预热区后焊接面温度比不开射灯时温度高出约10℃，而且板面下降温度只有2℃左右；另一点是锡槽后强制冷风装置的配备，强有力地保障了焊点较好地成型，减少了焊点凝固时间。

第五：通过本次试验我们认识到，试验前周密而系统的准备工作是试验成功的基本要素。试验的准备工作包括了试验前对焊料及设备性能理论上的认证、试验方案的制定等，周密的准备工作为实地试验打下了坚实的基础。

三、Sn-Cu-Ni的焊接效果

现场试验后，客户立即组织品控人员对本次试验产品进行了目测及相关电性能检测，第三次试验中的产品全部通过检测。

此时客户提出了对焊点进行剖析的要求，为协助客户完成此工作，我们从客户处取回试验的产品2Pcs，并以最快的速度送到与我公司协作的“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）”进行焊点的剖析并作金相分析。现将本次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钎焊电子板上任选定四个电子元件，并连同基板锯下，沿基板垂直截面截取样品，按金相样品要求制备金相样品。在金相显微镜上观察分析焊接界面的焊接情况，并拍摄相应部位金相照片。

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中的图1所示。比较图1中的组织可知，钎焊组织均由细小初晶相+共晶组成，在整个截面内，组织分布均匀；钎焊接头各界面结合情况（包括焊料/电子元件铜引线、焊料/镀层电子元件基板）良好；并显示出焊料具有较好的填缝能力。

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

电路基板

图三、JW-12无铅焊料焊点金相图（1）

图四、JW-12无铅焊料焊点金相图（2）

通过对“JW-12”无铅焊料焊点金相图（图三、图四）的分析，并请相关焊接专家进行鉴定，得出最后结论：此种无铅焊料（Sn-Cu-Ni）各个方面的性能都能达到焊接的相关要求，较具有推广应用的价值！

四、Sn-Cu-Ni无铅焊料推广的实际意义

第一，Sn-Cu-Ni无铅焊料的工艺参数与有铅焊料相差不大，极易被使用者接受与掌握易于推广；

第二，此种无铅焊料相对含银无铅焊料来讲，成本较低，易于被使用者接受，并有利于以后大规模的推广与应用；

第三，与含银的或其他无铅焊料相比，此种无铅焊料焊点外观光亮，成型好，可达到有铅焊料Sn60/Pb40的效果，易于被使用者接受；

第四，此种无铅焊料已通过实际小规模试验，以及专业的测评，为以后的推广与导入提供了可寻的依据，节省了大量的前期论证时间，避免了许多不必要的麻烦。

软钎焊行业无铅化的钟声早已敲响，冲锋的号角又将吹起，无铅化的脚步日益加快；今天，我们落后于人，明天，能否为别人领跑？在这次无铅化的浪潮中，我们期望着能为中国的无铅化事业一尽绵薄之力，谨以此文献给有所需要的同仁，如果对您有所帮助，我心可慰！