蔡克新

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原 030024）

1 引言

歐盟頒布WEEE/RoHS法令后，采用無鉛組裝已成為電子封裝產(chǎn)業(yè)的世界性潮流。大多數(shù)電路板（PCB）組裝廠為了滿足無鉛化要求，基本已不再使用傳統(tǒng)的錫鉛合金焊料（SN63PB37），而改用錫銀銅合金無鉛焊料。IPC焊料評估委員會(huì)認(rèn)定錫銀銅焊料（SAC305）為電路組裝中無鉛焊料的最優(yōu)選擇，近年來已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。然而，由于SAC305焊料中含有3%的銀金屬成份，同傳統(tǒng)的錫鉛合金焊料相比價(jià)格較貴。因此大多數(shù)電路組裝中的波峰焊和選擇性焊接工藝會(huì)選擇價(jià)格較低的錫銅無鉛焊料。

近年來業(yè)界已研發(fā)出多種類型含有添加劑的錫銅合金焊料，其性能參數(shù)和操作性都得到顯著提高，添加有Ni或Ni和Bi的錫銅焊料（K100和K100LD）能有效改善潤濕性、焊點(diǎn)美觀性和焊點(diǎn)的可靠性。電路板組裝中基本不會(huì)使用無添加劑的錫銅焊料。

2 錫銅無鉛焊料特性分析

錫銅焊料的主要特性包括焊接溫度、潤濕性、焊點(diǎn)外觀、氧化性、腐蝕性、銅遷移性和成本等。

（1）焊接溫度

同SAC305焊料相比，錫銅焊料焊接峰值溫度較高，這是SAC305被作為回流焊工藝典型焊料的一個(gè)重要原因。

（2）潤濕性

當(dāng)使用弱性助焊劑時(shí)，錫銅焊料的潤濕性要比SAC305差一些。因此雖然錫銅系焊料可作為無鉛焊料使用，但為了使波峰焊和選擇性焊工藝的焊接通孔被完全填充，需要充分優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。

（3）焊點(diǎn)外觀

在焊點(diǎn)外觀方面，錫銀銅焊料形成的焊點(diǎn)表面粗糙、不光亮，即使SAC305的焊點(diǎn)也顯示出IPC-610D中描述的熱痕現(xiàn)象，在波峰焊、選擇性焊和手工焊接工藝中，SAC305焊點(diǎn)會(huì)經(jīng)常觀察到產(chǎn)生表面收縮現(xiàn)象，如圖1所示。而含有添加劑的錫銅合金焊料，它的焊點(diǎn)沒有過多的收縮效應(yīng)或熱痕，表面通常光滑、較光亮。其焊點(diǎn)能與Sn63Pb37焊點(diǎn)的外觀一樣美觀。

圖1 SAC305焊點(diǎn)的頂部和橫切面圖

（4）氧化性

波峰焊工藝的無鉛焊料氧化速度快，生成的焊料氧化物渣漬較多。為了防止在高溫焊槽中產(chǎn)生過多的氧化物，無鉛焊料應(yīng)包含一種減少渣漬的添加劑。同時(shí)也應(yīng)采用較低的焊槽溫度、焊槽中注滿焊料、提高清除渣漬的頻率等方式，對焊槽氧化物進(jìn)行控制。

（5）腐蝕性

SAC305對鐵較強(qiáng)的腐蝕性是它的一個(gè)重要缺陷，而錫銅焊料對鐵的腐蝕性較弱。所以波峰焊設(shè)備的焊槽最好使用與無鉛焊料兼容的鈦、鑄鐵、磁涂層和鋼涂層材料。

（6）銅遷移性

相對于SAC305焊料，錫銅無鉛焊料具有較小的銅遷移性，尤其是Sn-Cu-Ni-Bi合金的銅遷移性更小。這個(gè)特性非常重要，因?yàn)樵诓ǚ搴腹に囍?，焊料的銅遷移性高會(huì)增加焊槽的維護(hù)次數(shù)。在電路板的無鉛返修工藝中，由于升溫速率較高，所以焊料的銅遷移特性也相當(dāng)重要。表1是含有添加劑的錫銅焊料與SAC305的綜合性能詳細(xì)對比。

表1 無鉛焊料綜合性能對比表

（7）焊料成本

表2列出了幾種無鉛焊料與Sn63Pb37焊料的成本對比，從表2中可以看出錫銅無鉛焊料的成本比較低。在波峰焊接工藝中，焊料成本是主要支出費(fèi)用。

表2 無鉛焊料成本對比表

3 錫銅無鉛焊料的波峰焊工藝

無鉛焊料與Sn63Pb37焊料相比其潤濕速度要慢，所以在波峰焊接工藝中無鉛焊料對焊接通孔的潤濕速度也相應(yīng)變慢。因此應(yīng)正確選擇助焊劑，如果所焊接的器件容易焊接，使用免清洗助焊劑就能清除氧化物；而在電路板和器件由于存貯問題難以焊接時(shí)，采用高含量免清洗助焊劑或水清洗助焊劑效果會(huì)更好一些。

組裝中較慢的鏈條速度、較長的焊料接觸時(shí)間也有助于確保較好的孔填充效果，錫銅焊料通常需設(shè)定稍高的焊槽溫度。

為了達(dá)到較好的焊接效果，焊料對電路板的接觸高度是一個(gè)重要參數(shù)。最小的接觸高度是電路板厚度的1/2，在潤濕能力較差的組裝中，使用電路板厚度的3/4更能保證充足的孔填充。3s～5s的接觸時(shí)間能達(dá)到無空洞的孔填充效果。

電路板用錫銅焊料完成焊接，對無鉛焊接使用噴霧式水清洗助焊劑，電路板的頂部預(yù)熱溫度設(shè)定在焊料制造商的推薦應(yīng)用范圍內(nèi)。表3所示為典型波峰焊工藝參數(shù)。

表3 錫銅焊料的典型波峰焊工藝參數(shù)

采用錫銅焊料完成厚度2.4mm的電路板的焊接，焊接參數(shù)為表3所示值，焊料型號為表2中的K100LD錫銅焊料，顯示出極好的孔填充效果且沒有焊接缺陷。圖2所示為典型的焊接效果圖。通常較厚的電路板其孔填充不完全，但此圖中充分的孔填充是采用焊料浸濕到電路板厚度3/4的方法。

圖2 錫銅焊料的波峰焊接效果

電路板底部SMD的焊接組裝效果也同樣良好。圖3可以看出采用表3的參數(shù)，SMD元件的焊接角自然、潤濕完全。焊點(diǎn)外觀同Sn63Pb37焊接的一樣好。此電路板厚度為1.6mm。

圖3 SMD錫銅焊料的波峰焊接效果

波峰焊工藝的優(yōu)化非常重要，鏈條速度、接觸時(shí)間和焊料波峰對電路板的浸潤深度是關(guān)鍵工藝參數(shù)，對無鉛焊料比Sn63Pb37焊料的潤濕速度慢的特性了解，有助于使焊孔填充良好。

當(dāng)焊接不同類型、不同厚度的電路板時(shí)，一旦選定一種特性較好的焊料合金，便需考慮助焊劑的作用。無鉛焊接工藝中要承受較長的焊料接觸時(shí)間和較高的焊接溫度，選取液體助焊劑非常必要。離開焊料波峰后，助焊劑還能保持活性，減少橋聯(lián)和立碑缺陷的產(chǎn)生。

錫銅焊料可應(yīng)用于所有常規(guī)的電路板，厚度超過2.4mm的電路板在進(jìn)行通孔波峰焊時(shí)，使用固體含量低的免清洗助焊劑存在問題?？滋畛涔に囍校?dāng)可焊性差或電路板厚度大于2.4mm時(shí)，需要考慮使用固體含量高的助焊劑。雖然水清洗助焊劑由于其活性較強(qiáng)，焊接效果要好一些，但焊后需要清洗。

4 錫銅無鉛焊料的手工焊接工藝

為了保持焊接效果的一致性，在手工焊接中通常使用和波峰焊、選擇性焊接工藝同類型的錫銅無鉛焊料。

錫銅焊絲同SAC焊絲的焊接參數(shù)設(shè)置相同，焊頭溫度需要達(dá)到371℃～427℃。同SAC手工焊接工藝一樣，錫銅焊絲為了滿足充分的熱傳遞需求，需要選擇合適的焊頭類型。

含有添加劑的錫銅焊料沒有發(fā)現(xiàn)SAC焊絲所出現(xiàn)的收縮效應(yīng)，焊點(diǎn)外形一致性好且很光亮。圖4是用焊芯為水清洗助焊劑的錫銅焊絲的焊點(diǎn)圖。

操作人員把焊接鉻鐵溫度設(shè)定為399℃、稍微增加焊接時(shí)間，在厚度為1.6mm的電路板上能形成極好的焊料流，可觀察到環(huán)形焊盤頂部周圍焊料流動(dòng)性良好。用錫銅K100焊料棒和焊絲組裝的電路板，同傳統(tǒng)的Sn63Pb37工藝相比缺陷率極低。

圖4 錫銅焊料的手工焊接效果

5 小結(jié)

目前，大多數(shù)電路組裝廠使用SAC焊料或錫銅無鉛焊料。在多種應(yīng)用場合，錫銅無鉛焊料比SAC焊料有更多的優(yōu)越性，在未來幾年錫銅無鉛焊料的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。

不是所有的錫銅無鉛焊料的焊接性能都好，添加劑能使它們的性能發(fā)生變化，從而增強(qiáng)焊點(diǎn)美觀性、具有更少的焊料渣漬、更低的銅遷移和更好的焊料流動(dòng)性。一些無鉛焊料也能減少SAC無鉛焊料在波峰焊、選擇性焊和手工焊接中所觀察到的裂紋現(xiàn)象，且在波峰焊接工藝中具有一定的成本優(yōu)勢。

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