武汉电信无铅工艺技术的应用

　　03/06/2006，作者：何建波、周宇扬、赵先明，2003年2月13日欧盟第L37期《官方公报》公布了由欧洲议会和欧盟部长理事会共同批准的WEEE《报废电子电气设备指令》和RoHS《关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令》两条指令，并分别于2005年8月13日和2006年7月1日开始正式实施。
　　2003年12月,欧洲委员会就明确规定的最大浓度值（MCV）发布了一份决议草案，明确规定：“均质材料中按重量计算铅、汞、六价铬、多溴联苯和多溴二苯醚的最大浓度值不得超过0.1%，镉的最大浓度值不得超过0.01%，并且这一要求在2005年8月18日得到正式发布，于2006年7月1日正式实施。其中，均质材料是指无法机械地分为更单纯材料的单元。
　　2005年初，信息产业部根据《清洁生产促进法》、《固体废物污染环境防治法》等有关法律法规，制订了《电子信息产品污染防治管理办法》,并将于今年开始实施。该办法要求，从2006年7月1日起，列入电子信息产品污染重点防治目录的电子信息产品中不得含有铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯PBB和多溴二苯醚PBDE等6种有害物质。这6种有害物质与欧盟指令中列举的6种有害物质基本一致，而且规定的最后期限也和欧盟指令保持一致。其中所指的电子信息产品包括电子雷达产品、电子通信产品、广播电视产品、计算机产品、家用电子产品、电子测量仪器产品、电子专用产品、电子元器件产品、电子应用产品，电子材料产品。这也与欧盟对机电产品范围的界定基本相符。
　　2005年10月15日和10月25日欧盟又对原RoHS豁免条款作了修订和补充，具体详见相关指令要求。
　　虽然RoHS指令相关条款在增减，但积极推动符合RoHS要求产品加工制造技术，已是大势所趋，其中特别是无铅工艺技术的应用，更是迫在眉睫，别无选择。
　　2003年下半年，武汉电信器件有限公司（下文简称：“WTD”）就开始积极跟踪和了解全球各国（特别是欧盟）对环保产品的要求，WTD内部相关部门在积极跟踪和了解6种有害物质替代材料和替代技术的基础上，协同开展了小批量的替代技术论证和实验，取得了一些基础的工艺实验数据，并从2004年开始在每次设备引进和技术改造中，均立足于无铅工艺技术的要求。目前，WTD的两大外协贴片商，都已筹备了自己的无铅生产线，且大多数均能完全适应无铅工艺技术的要求，再加上WTD内部的5条无铅手工焊接生产线，已形成了从回流焊接到手工焊接全过程的无铅工艺设备体系。2005年初，WTD以海外市场产品为契机，完成了对6种有害物质的全面调查工作，并在多次替代材料实验和技术论证的基础上，采用较低成本的Sn96.5Ag3Cu0.5材料替代原来的Sn63Pb37，在部分产品（因另有部分产品使用到光隔离器，由于行业技术上的原因，目前还没无铅的替代品，不过相关豁免申请已提上议案；玻璃中含铅除外）上首次成功地完成了全过程的无铅工艺技术批量验证，形成了一系列的无铅工艺技术应用标准，并对无铅产品进行了各种可靠性试验，所有试验产品全部合格。受元器件的无铅化替换进展情况影响，与其他成功应用无铅工艺的企业一样，WTD的无铅替换工艺技术也采取分两步走的原则，即第一阶段实现全部焊料的无铅，第二阶段全面实现产品的无铅。无铅工艺技术在批量实际生产应用中一般需经过六个步骤的工作，即无铅焊料的选择、工艺技术实验和论证、批量试制验证、可靠性验证、检验标准修正，设备改造。
1 无铅焊料的选择
    在无铅工艺技术的开发和应用中，无铅焊料的选择是最基本、最关键，也是最具挑战性的工作，它直接关系到后续工作中工艺设备的选择（改造）、工艺路线和工艺方法的确定、检验标准的修改、产品可靠性以及产品的成本等问题。因此，需要杜绝随意性和盲目性。实际上，国内大多数企业都不具备无铅焊料研发的能力和技术，在了解无铅焊料研究技术的基础上，WTD紧紧依靠国内和国际大型的焊料供应商，充分利用现有的无铅焊料研究成果，可能是目前大多数企业的最佳选择。近几年来有关无铅焊料的研究工作发展很快，世界上各大著名公司、国家实验室和研究院所都投入了相当的力量开展无铅焊料的研究，有大量的研究成果发表并投入实际应用。目前已知的无铅焊料多达几十种，所用的合金材料也是千变万化，金成分包括两元系、三元系以及多元系。但概括起来，大多数都采用以锡Sn为主，适当添加银Ag、锌Zn、铜Cu、锑Sb、铋Bi、铟In等金属元素所组成，且主要通过焊料合金化来改善合金性能，得到理想的机械，电气和热性能。目前全球无铅焊料的实际应用较广泛的主要有五大系列无铅合金焊料，分别是Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Bi系、Sn-In系以及Sn-Zn系。实际上二元系合金要做成为能满足各种特性的基本材料是不完善的,目前最常见的无铅焊料主要是以Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi为基体，在其中添加适量其他金属元素所组成的三元合金和多元合金。该五大系列无铅合金焊料各有优缺点，各有成功应用的案例。比较有代表性的无铅焊料见表1。
表1 有代表性的无铅焊料


  根据已有的研究成果和文献，面对纷繁的无铅焊料种类和成分，无铅焊料的选择主要考虑以下九个方面。
（1）金属的价格和金属的资源考虑，尽量选择低成本和全球供应充分的金属。
（2）熔点选择。大多数电子设备都要求固相温度最小为150℃，以满足电子设备的工作温度要求，因此最高液相温度应视具体应用而定。一般情况下，受现有回流焊设备的最高温度限制，以及元器件的受损和PCB板的变色变形影响，回流焊工序要求液相温度低于250℃，普遍认为越接近220℃越好；手工焊和返修工序则要求液相温度应低于烙铁头的工作温度350℃。
（3）导电、导热性能好。具有良好的物理特性，如强度、拉伸度、疲劳度等，合金必须能够提供锡铅合金所能达到的机械强度和可靠性，而且不会在通孔器件上出现突起的角焊缝（特别是对固液共存温度范围较大的合金）。
（4）较小的固液共存温度范围，一般要求固相和液相温度范围控制在10℃以内。
（5）低毒或无毒性，合金成分中要求无铅、无镉、无汞以及无六价铬（禁止使用6种有害物质的要求）。
（6）具有良好的可焊性，在现有的设备和免洗助焊剂条件下，应具备良好的润湿度，具备空气条件下焊接的能力。
（7）生产重复性和熔点的一致性考虑。如果某些合金的成分不能在大批量下重复制造，或者其熔点在批量生产时由于成份的变化而发生较大变化，则不予考虑。
（8）所选择的无铅焊料应该是在自己的研究中证明了的，或是权威机构或文献所推荐的，或是已有成功应用经验的。
（9）尽量与现有的焊接设备和工艺兼容,，可在不更新设备、不改变现行工艺的条件下进行可靠焊接。在现有的条件下，要选择同时满足上述九大条件的无铅焊料还比较困难，因此需要结合各企业的产品情况、设备状况以及工艺技术应用情况，进行综合考虑。WTD基于上述9大原则的综合考虑，回流焊工艺选用Sn96.5Ag3Cu0.5（熔点217℃~220℃）无铅合金焊锡膏和返修用焊锡丝。
2 工艺技术实验和论证
    为便于实验结果跟踪，小批量实验中选择各工序比较有代表性的985、109和SFP三款产品作为实验对象。基板装有1.00mm 微间距BGA 和0402型CHIP元件，PCB板采用浸银工艺；SMT线选用DEK印刷机、JUKI（东京重机）贴片机、九温区HELLER回流焊炉构成；烙铁选用WELLER恒温烙铁；焊料为美国公司提供的OM338 （Sn96.5Ag3Cu0.5）焊膏以及日本公司的M705（Sn96.5Ag3Cu0.5）焊锡丝。试验产品中都为无铅（玻璃中铅除外）的元器件。
2.1回流焊工序
回流焊工序中炉温曲线的设置是非常关键的，直接影响试验结果的成败与否，必须反复试验、多次测量，找出最佳的曲线设置。此外无铅焊膏的印刷性、脱模性、触变性、坍塌性、湿强度、润湿性以及焊锡球情况等，也必须在试验中重点关注。炉温曲线设置时主要考虑以下几点。
（1）为了避免锡须的出现，降低回流焊工艺中引入的温度应力问题，炉温曲线采用斜坡升温模式，而不是传统的平台升温模式。
（2）由于事先考虑到部分无铅元器件（仅为引脚无铅）和PCB板的耐高温问题，峰值温度尽量考虑低于245℃，最好在235℃~245℃之间。
（3）考虑板PCB表面各点温度的均匀性要求、以及在较低峰值温度下实现较长的熔化时间（40~70s），适当降低链条传输速度。
（4）升温斜率尽量控制在3.0℃/s以内，减少锡球的形成。
2.2手工焊工序
手工焊接用的烙铁和焊锡的线径以及参数设置比较关键，主要要求如下。
（1）电烙铁前端形状：优先选用扁平状或舌装烙铁头，因为铅笔装烙铁接触点较细，传热不完全，稍一接触都会使接触面的温度明显上升，温度均匀性差。
（2）电烙铁的功率：选用瓦数应为焊接需要使用瓦数的2倍左右，这样才可以迅速的进行热补偿，不会造成温度的下降而带来焊接不良。恒温的电烙铁，高品质的烙铁头，优良的回温性能（热补偿），否则容易出现拉尖现象。
（3）焊锡丝线径选择：无铅焊接操作过程中，依焊料线径规格的不同，焊接温度的平衡性也会有所差异。一般情况下焊料线径越粗，烙铁的热量越容易被夺取，应尽量选用细丝。
（4）峰值温度：至少峰值温度为350℃，建议使用350~400℃。
（5）焊接时间：焊接前应对焊丝进行3~4s的预热处理，焊接时间为1.5s较为适宜，最多不超过2s，否则高温易损伤被焊件，且会在焊接中产生过热现象，造成焊点表面粗糙、发黑、不亮和扩展性不好等缺陷。
（6）注意事项：温度过高，导致通孔铜箔开裂，加快氧化速率；操作前注意清理表面氧化膜，防止不上锡；操作后注意保养，在表面涂一层焊锡。
试验结果如下：
（1）回流焊工序
    焊锡膏印刷工艺焊锡膏滚动印刷性和脱模性良好，未见明显坍塌现象；贴装工序焊膏湿强度良好；回流焊后板外观未见明显发黄和变形情况，10倍放大镜目视检查和AOI自动光学检查，焊接疵点率增加不明显，总疵点率控制在工艺要求的范围内。但出现一些新的问题，即焊点光洁度下降、个别元件有位置上的偏移，但偏移量符合检验规程要求，此外对比有铅焊料焊点，元件焊点弯月面形成不佳且焊锡爬升高度略低。
电性能测试结果，未见有器件失效情况出现，即参与实验的所有器件均经受了220℃以上40s，且峰值温度为245℃的考验。
（2）手工焊接工序
    由于无铅（Sn96.5Ag3Cu0.5）焊锡丝熔点温度较普通有铅（Sn63Pb37）焊锡丝温度高约34℃以上，再加上焊锡丝本身的湿润性等原因，导致无铅产品单只工作时间较有铅增长了2%。
3 工艺改进和批量制程验证
    虽然，事前已预知无铅替换中可能会出现的一系列问题和缺陷,并在工艺参数中进行了适当的提前修改，但实际试验时，仍然出现一些偏移、半焊等缺陷。众所周知，Sn96.5Ag3Cu0.5(熔点217℃~220℃)无铅焊料的润湿性和扩展性均较锡铅合金低。经反复试验，作如下工艺项目改进。
（1）贴装工序精确地修正贴装坐标值，克服因无铅焊料自修正能力较差所带来的缺陷。
（2）回流焊炉采用缓慢升温的炉温设置，确保板上各点温度均匀。
（3）修改目视检查和检测标准，并培训操作员工。通过以上的工艺改进，在相同产品上进行批量验证，上述各缺陷情况除焊点光洁度改善效果不明显外，其余焊接缺陷都得到了有效的控制。各项工艺改进实施完毕并得到有效验证后，则可投入批量生产。由于高温(回流焊峰值温度高达245℃)和较窄的工艺窗口（回流焊15℃~25℃），批量生产需要密切关注工艺失控情况。有必要实施更加严格的工艺监控手段，并改进工艺监控计划，例如：缩短炉温曲线测量的间隔等。
4 可靠性实验验证
    已有大量的资料和文献证明Sn96.5Ag3Cu0.5无铅焊料，用于板的焊点可靠性问题，焊接点，在热力学负载（如热循环）以及动态机械负载（如跌落、冲击、振动、剪切、抗拉、弯曲等）下的机械可靠性。作为终端产品制造商，最关注的是整机产品的可靠性问题，而WTD作为终端产品零件的供应商，更是关注产品的可靠性。为验证无铅焊料替换后产品的可靠性问题，从批量生产的产品中随机抽取3种产品各22只，按全新产品的要求进行可靠性试验见表2。
表2 可靠性试验

155Mb/sBi-directional Single Fiber Transceiver
Module （Lead Free） RTXM109-53-SC

1.25Gb/s 1310nmSFP Transceiver Module （Lead Free）
RTXM191D3-B-G 

    目前，批量试验产品已投放市场，从最近的跟踪反馈情况看，使用效果良好。
5 检验标准修正
    试验和批量生产证明，由于受无铅焊料的润湿性和扩展性的影响，以及合金焊点的晶体生长情况影响，修改目视检查标准和检验标准是非常必要的（无铅的外观检验标准，WTD参照IPC-A-610D 2005版重新修订检验标准）。此外，加强对操作员工的无铅工艺技术培训也不容忽视。
6 设备的改造和必要设备的添置
    设备的改造与所选用的无铅焊料合金直接相关，大多数工艺工程师认为无铅合金焊膏选用5温区以上的回流焊炉是必须的，最好7温区或以上（目前WTD外协商采用的是9温区的回温炉）。虽然上述批量生产验证，在空气情况下也能实现良好的焊接，但是有研究表明氮气保护可增强无铅焊料的润湿和扩展性，特别是对高可靠要求的产品。因此，有条件最好选择氮气炉。为了提高焊接质量和减少焊料的氧化，采用新的行之有效的抑制焊料氧化技术，必要时可以采用氮气气体保护焊接技术。
7 实施无铅工艺过程中必须注意的几个问题
    根据现有的无铅工艺技术研究和应用成果表明，无铅工艺的推广应用并不是单纯的替换无铅焊料的过程，除必须采用更加严格的工艺技术控制手段外，还必须选择与其相匹配的无铅元器件、PCB板、相关的工艺设备以及配套的检验标准。一般认为，实施无铅必须重点考虑以下几方面。
（1）由于预热、焊接温度以及峰值温度的升高，与传统Sn63Pb37的183℃共晶熔点相比，熔点提高了34℃~37℃。回流焊接时炉温曲线峰值温度也相应从225℃~230℃上升到240℃~245℃，按照焊接技术要求，所有元器件高于熔点的时间应保持在40~70s之间，因此必须充分考虑所选用元器件的耐高温特性。由于元器件在生产制造中，经常不可避免地采用焊料进行焊接，因此必须选用采用无铅焊料加工制造的元器件。
（2）焊接温度的提高要求板的基础材料必须耐更高温度，且在焊接中和焊接后不变形，同时还要求表面镀覆的无铅共晶合金材料与组装焊接用无铅焊料兼容，而且要考虑低成本。无铅工艺技术中，板表面处理可供选择的工艺方法主要有有机可焊性防氧化膜工艺、浸银工艺、浸锡工艺、电镀镍金工艺以及热风整平工艺。上述板表面处理工艺中以工艺最常用、成本最低。据了解，部分企业习惯采用工艺的板，需要建议的是在采用的板时，应确保所选用的表面镀层焊料与所选用无铅焊料的一致性或兼容性。
（3）由于更窄的工艺窗口，因此必须采取更加严格的工艺控制，必要的过程控制手段，如SPC等是必须的，避免工艺失控情况出现。
（4）关注实施过程中铅的污染。由于铅的水平限制在0.1%，即1000ppm，因此实施无铅时必须确保所有的有铅焊料都清理干净，不小心带入的铅可能会导致无铅失败。
（5）由于已知无铅焊料的特性，与Sn63Pb37相比其液态温度高，且润湿性和扩展性较差，因此必须选择新型的氧化还原能力更强和润湿性更好的助焊剂，以满足无铅焊料焊接的要求。助焊剂要与焊接预热温度和焊接温度相匹配，而且要满足环保的要求。
（6）关注锡须的生长，这些锡须可有0.1um~5.0um的直径，可增长到几毫米长，锡须可以在电镀之后或甚至在几年之后开始增长。由于其尺寸和不同的形状，锡须可能造成短路。
（7）试验和批量生产证实，无铅工艺中焊盘可不作特殊的设计，IPC-782《表面贴装设计与焊盘布局标准》仍然适应无铅工艺。
8 结束语
    首先，无铅工艺技术并不是单纯的用无铅焊料替换传统的锡铅焊料的技术。无铅焊接技术是一项系统工程，影响无铅工艺成功应用的因素很多，其涉及的内容包括元器件、PCB板、焊接设备、焊料、工艺技术、检测标准、产品成本等等。完全依靠一个部门的力量来实现无铅替换是不太现实的，它需要公司管理层的高度重视，需要设计、采购、制造以及质量管理等部门的通力协助。其次，无铅工艺技术的应用并不神秘，关于无铅工艺技术已有大量的研究成果和文献资料，已有大量成功应用的案例。因此，在充分了解无铅焊料和无铅工艺技术的前提下，采取循序渐进的方法，实施更加严格的工艺控制手段，一定能取得更大的成功。