无铅焊接和含铅焊接在原理上是一样的；但是，无铅焊料和含铅焊料的物理性质却完全不同。无铅焊料的湿润速度比较慢，它的外观有时候也不同于含铅焊料。要想用无铅合金做出好的焊点，要求生产厂商重新检验每一道工艺，并且针对无铅焊料进行优化。无铅焊料需要用更高的温度来熔化，还必需使用完全不同的助焊剂来降低表面张力，促使焊膏在焊盘上铺展和充分地流动。无铅焊点的外观与含铅焊点略有不同，需要经过专门训练才能够辨别出合格的和不合格的焊点之间的差别。

       在上世纪八十年代末免清洗助焊剂出现时，人们再次检验了焊接技术，免清洗助焊剂要求使用更窄的工艺控制窗口来实现全面湿润。对无铅焊接技术来说，设备、材料、组件和电路板都必须符合无铅工艺的要求。这会影响到所有的工艺，包括手工焊接、再流焊、波峰焊、选择性焊接和镀锡。

金属和氧化物
      在焊接之前，必须把氧化物彻底清除干净。在金属表面会形成各种氧化物，所有的氧化物都会阻碍焊料的湿润。有一些金属很容易氧化；有一些氧化物比较顽固，不易清除。不易氧化的组件，焊接起来比较容易。我们可以用不同的办法来保证组装件的可焊性：
    ● 用镀锡的方法形成可焊性较好的表面，例如用纯锡；
    ● 使用有机表面保护剂（OSP），例如铜有机表面保护剂；
    ● 镀上可焊性的保护剂，例如在镍的表面镀金；
    ● 在搬运电路板和组件时只接触它的边缘，并且使用手套或者指套；
    ● 把电路板和组件存放在干燥、湿度较低和无硫的地方。
    就无铅而言，因为许多无铅焊料的铺展速度比低熔点锡铅合金（Sn63Pb37）慢，所以防止氧化就显得非常重要。

助焊剂
       助焊剂是实现良好湿润的关键。在一些情况下，用氢气作为还原剂；但是，对大部分组装工艺而言，这不现实。在多数情况下，使用一种化学材料或者由多种化学材料组成的混合物来清除或者恢复表面，使要焊接的表面恢复到金属状态。只有在表面没有被氧化的情况下才能够完成焊接。如果是在与助焊剂发生反应后仍有氧化物，那幺不仅焊料无法流动，而且接触角度还会很大，无法保证得到好的焊接效果。对无铅焊料来说，由于在一些表面上湿润差一点，会形成较大的接触角度（图1）。

图1焊料的湿润情况和没有湿润的情况

       助焊剂是各种化学材料组成的混合物，它的作用是除去需要焊接的组件上的氧化物。活性剂和酸是会和氧发生反应的活性材料。他们可能是较弱的有机酸或者有机卤化物。正如IPC规定的，助焊剂必需达到助焊剂的一定类别；必需控制这些活性剂的总量，避免造成腐蚀，如果是可以用水清洗的，还要保证把它们彻底清洗干净。对于焊膏，助焊剂与焊料粉末混合在一起，焊料占的比重很高。下面是焊膏助焊剂的典型配方：
● 树脂占60%
● 活性剂和酸占5%
● 溶剂占25%
● 胶凝剂占5%
● 湿润剂占5%
      在液料助焊剂中，活性剂溶解在酒精里或者溶解在水中形成无VOC助焊剂。在带芯焊料中，活性剂溶解在树脂的化学混合物中，从松香到合成树脂。在胶粘助焊剂或者凝胶助焊剂中，我们把活性剂混入高粘度的液态烃中。

焊料
      焊料包含几种不同的金属，形成合金，它能湿润金属表面。合金的熔点往往比组成合金的金属的熔点低。当在某种干净的金属上熔化时，焊料铺开，形成金属互化物连接。这个连接是由要焊接的金属和焊料合金熔合而成。图2是典型的金属互化物连接的显微图。

图2 金属互化物连接。

      金属互化物连接的厚度会随着要焊接的金属而变化。只需要薄薄的一层金属互化物连接，焊点就很可靠了。由于过度加热而形成的更厚的金属互化物连接可能会使焊点变脆，这是因为焊缝的抗拉强度高于焊料。一旦形成焊点，最重要的是焊点不需要返工。反复熔化会增加焊缝的厚度，而且可能会造成脆性破裂。

       从传统意义上讲，Sn63Pb37主要用于含铅焊接工艺，但是已经出现了几种无铅合金。最常见的就是Sn96.5Ag3.0Cu0.5（SAC305），它的熔点大约在217℃-220℃。对手工焊接、波峰焊和选择性焊接工艺来说，可以用锡铜基焊料。它们的熔点大约为227℃。SAC305形成的表面往往没有光泽，而一些添加了镍、铋或者锗的锡铜基焊料能够得到较明亮、有光泽的焊点（图3）。

手工焊接
      在转向无铅时，手工焊接工艺需要重点关注。操作人员已经习惯了锡铅的手工焊接，他们常常会抱怨无铅焊料缺乏湿润性或者会出现冷焊点，这部分地是因为无铅合金流动的速度比较慢，而且表面光泽度比较差。出现这些问题的主要原因往往是由于使用了这些焊料而需要改变工艺。就拿无铅手工焊接来说，只要把握好几个因素就可以做出可靠的焊点。进 手工焊接时要把握好的因素有选择形状适当的烙铁头，把烙铁头的温度加热到700oF以上，使用助焊剂含量正确的焊锡丝，略微延长接触时间，使用经过适当镀锡的烙铁头，避免使用过多的液态助焊剂，并且定期更换烙铁头。无铅焊接的要求比锡铅焊接更严格；如果这些因素把握不当，会出现不良的焊接，会造成成品率下降。


图3Sn63Pb37、拥有专利权的无铅焊料A*，拥有专利权的无铅焊料B*和SAC305的焊料
表面光泽度。
      由于无铅焊料的锡含量比较高，铬铁头腐蚀的速度比较快，可能会缩短铬铁头的使用寿命。为了延长烙铁头的使用寿命，在不用时要关掉铬铁头的电源或者降低铬铁头的温度，在结束焊接之前给铬铁头镀上锡，而且不要使用有磨蚀性的清洗工具。

再流
       再流焊工艺涉及许多环节，所有环节都要做到最好，才能保障一次性成品率。模板印刷、焊膏的选择、组件贴装和再流焊炉工艺都必需优化。再流焊曲线必需与所选择的焊膏相对应。无铅焊接要求组件和电路板都必需符合无铅焊接工艺的要求。对湿度的敏感程度可能会改变；对所有需要焊接的密封表面安装器件（SMD），复习一下IPC-020C是值得的。


图4 用于无铅再流焊接的温度曲线。

       焊膏的选择流程很重要，这是因为焊膏的各种特性，例如，适印性、塌落、助焊剂的活性、存在残渣时的探测能力和外观都会影响到工艺的成败。

       焊粉的直径一般都用第三类（25-45μm）；不过，随着线条的间隔变得越来越小，趋向于用更细的焊粉。较细的粉末在使用过程中氧化的风险较高，保质期也会随之缩短。正确的存储和搬运方法能够提高所有焊膏的保质期。

       再流焊的典型缺陷是：短路、湿润不充分、焊球、在片状组件之间出现锡珠、残渣清除不易、空洞、通气孔、实际上没有湿润。如果在焊膏的选择、印刷、贴装和再流焊等环节中慎重地选择所有工艺参数，就能够有效地避免出现这些缺陷。

       用适当的温度曲线能够减少缺陷，而且最关键的是要充分了解保温区和最高温度的重要性。液相线时间（TAL）和冷却温区都可能会产生焊接缺陷。图4是适合SAC305焊膏使用的最常见的无铅温度曲线。预热区的作用是使电路板和组件的温度达到一致，并且让挥发性溶剂挥发掉。液相线温度保证了焊粉充分熔化，让焊料充分流动和铺展。液相线温度至少需要40秒才能达到这个要求。一旦超过75秒，就会形成一层更厚的金属互化物，使焊点变脆。

波峰焊
     波峰焊的原理没有多少改变。下面将会讨论几个重要的因素。对无铅波峰焊而言，这些因素在确认工艺过程中变得更重要：
● 焊料合金：SAC或锡铜合金；
● 助焊剂类型：免清洗或者耐水洗助焊剂；
● 助焊剂体积：与喷雾或者泡沫一起使用；
● 组装件和助焊剂的预热：使用或者不使用对流预热；
● 焊料与电路板的接触深度：通常是电路板厚度的二分之一或四分之三；
● 焊料接触时间：对于无铅焊料需要更长的时间；
● 焊料接触宽度：对于无铅焊料需要更宽。
      波峰焊工艺经过妥善优化后不会引起焊接缺陷。使用无铅焊料时，由于它们物理特性，某些类型的缺陷会增加。控制可焊性，谨慎选择焊接材料，就可以避免这些问题出现。助焊剂的选择很重要，这是因为助焊剂不仅要满足无铅波峰焊的要求，而且还需要更长的驻留时间，同时还要促进焊料把孔填满，与锡铅焊料相比，无铅焊料的流动性比较差。
随着适合波峰焊的无VOC的液态助焊剂的出现，使用对流加热的办法能够达到比较理想的效果。需要对组装件妥善地预热，以便在焊接之前把溶剂清除掉。预热不充分可能会导致气孔和焊锡不能把孔填满。如果使用的是可以用水清洗的助焊剂，助焊剂更有活性，但是在焊接之后一定要把电路板清洗干净，这也很重要。留在电路板上的所有助焊剂也会降低电路板的表面绝缘性能，会引起腐蚀或者生长树枝状结晶。这可能会引起电气故障。建议用离子污染测试来检验电路板的清洁度。常见的波峰焊缺陷是没有把孔填满、湿润很差、桥接短路、毛剌、气孔、没有湿润和阻焊膜起泡。

结论
      焊接是一门金相焊接技术。使用助焊剂清除氧化层，加热要连接的组件，熔化焊料，以及在所要焊接的金属上湿润，这样将得到好的金属化合连接。对任何一种焊接工艺来说，都有独特要求才能做到这一点。如果每一道工艺都经过了细心优化，焊接缺陷就会减少，成品率也会提高，从而保证焊点的长期可靠性。

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