|摘 要|当PCB组件转换到采用无铅化的波峰焊接时会遭遇到许多方面的挑战。就像任何一项新颖的生产制造技术进入到产品制造生产之中一样，人们应该对所面临的挑战有个清晰的认识和了解。复杂PCB组件在面对无铅化焊接技术时所面临的挑战更为严峻，本文试图就存在的主要问题作简单的介绍。
铅在电子工业中有着非常广泛的应用需求，这是因为它的价格比较低廉，同时具有良好的导电性和相对较低的熔点。然而，根据有关的国际公约，特别是欧盟的规定，许多国家和电子产品用户的技术标准都规定，在提供销售的商品中要消除有害材料的使用。因此尽管它的应用非常普及，但在电子行业中人们还是在不断地寻找铅的替代品。
丢弃铅－这条信息是在90年代后期从日本发出的，目前己经在欧盟(European Union 简称EU)通过了严格的立法。与此同时铅所带来的毒性冲击己经被越来越多的人所知晓，但是人们依然在对电子产品中是否能含有铅进行激烈的争论，它对人类和环境构成了威胁。人们所关心的事是对来自于垃圾填埋场所丢弃掉的电子元器件中的铅及铅矿和铅的加工处理过程中铅是否能被过滤掉。另外，在对含铅元器件进行回收的过程中有毒物体的散发也是一项人们所关心的问题。用来替代铅的绝大多数产品可以消除人们对铅毒性的关注，但是也可能会引发其它的环境问题。举例来说，熔化点的提高就意味着更多的能源消耗。但是从另外一个方面来说，在一些实际操作过程中，通过采用先进的设备和新的回流焊接加工曲线，可以在较高的熔化温度下，减少能源的消耗。作为含有SnPb替换物的银对生态所产生的破坏作用是在开矿和处理矿石中所含有的贵金属时，需要消耗巨大的能源。
一、无铅化对PCB组件带来的影响
无铅化焊接技术会对PCB组件带来哪些影响呢？一般来说载有各种各样电子元器件的PCB组件在电子装配过程中必须经历焊接工艺，波峰焊接就是一项人们熟知的常用焊接方式。当PCB组件转换到采用无铅化的波峰焊接时会遭遇到许多方面的挑战。就像任何一项新颖的生产制造技术进入到产品制造生产之中一样，人们可能对许多相关的挑战作了预先的估计，并且做了提前的应对准备。然而，有一些挑战不能够提前知晓，往往要等到产品大规模的生产以后，才会将有关的问题暴露出来，才能提供充分的数据，为解决这些问题提供依据。所以工程师们往往会在生产工艺的实施过程中不断的学习，并吸取教训和经验。
其实无铅化装配工艺并不是一项非常新颖的工艺技术，无铅化波峰焊接己经被实际采用了好多年了。在RoHS法规制定出来以前的很长一段时间内，电子装配工程师己经遭遇了由于所使用的银锡焊条具有较高的熔化温度，所以需要采用较高的焊接操作温度。这些电子组件被设计是用来满足恶劣环境的要求，由于其相对而言并不显得很复杂，所以产量是能够被接受的。当RoHS法规被引入到电子组装的主流领域的时候，作为过渡的先期产品也是相对简单的，其中包括了消费类电子产品。通过利用单面或者双面的PCB组件，人们在PCB的焊接面上采用了相对麻烦较少的SMT器件。对这类电子组件的无铅化过渡转换基本上是一帆风顺的，不需要对原来自于锡铅合金的工艺参数设置作重大的改动。在许多情况下面，甚至于最原始的适用于锡铅合金的焊剂也能够被成功地用于无铅化工艺操作之中。
人们通过多年的研究，一般来说当采用无铅化焊接的时候，1.6mm厚的PCB会遭遇到略微偏紧的工艺口。对预热的要求变化不是太大，绝大多数现行的焊接设备完全能够适应。焊接温度可能会有所增加，这主要取决于在以前锡铅合金工艺操作中所采用的熔化温度。用无铅化焊料将孔洞完全填没可能会遭遇到很大的挑战，尤其是一些采用了OSP表面涂覆的产品。在波峰焊接中的停顿时间可能会有一秒或者两秒以上。排水、或者在降低桥接现象方面，无铅化合金没有锡铅合金那样好处理，所以对细微间距的器件来说可能会呈现出问题。所有这一切，对于复杂程度较小的组件来说，绝大多数的挑战都可以通过制定正确的参数和使用基本的工艺过程控制测量技术来予以解决。
随着较厚的、具有较多层数的PCB和较为复杂的电子组件(例如程控交换机的电路板)进入到从锡铅合金到无铅化焊接的过渡期，锡铅合金与无铅化合金之间在工艺操作方面的差异就增大了。在这些领域中的一部分问题己经通过实际操作反映了出来，但人们还来不及对它们开展深入的研究工作，这需要由大量的产品生产作基础，只有这样才能够提供所需要的信息。现在一些具有较高复杂程度的组件己经被实施了大量的生产，所形成的挑战主要来自于下面几点：
1.随着电路板的厚度增加，孔洞填充方面的挑战呈指数级增长。
2.大量的布线层数量和众多的接地连接使孔洞的填充问题更进一步的恶化。
3.由于信号和接地层的不断增加，使得热物质增多，对预先加热工作带来了挑战。
4.如果选择焊料刮板的话，它们会对PCB的预热暴露区域形成屏蔽，这更进一步加重了预先加热方面的问题。
对于简单的PCB组件来说，坚固耐用的无铅化焊接工艺可以通过现有的锡铅合金焊接工艺中所用的方法来进行操控。在开发高产量的应用操作过程中，基本的出错试验方法将能够满足使用要求。但这不适用于具有较高复杂程度的PCB组件。为了开发出能够满足具有相当复杂程度的电路板的可靠的工艺操作需要，我们需要对在该操作工艺中各个单个因素之间的差异，有很深入的了解，下面分别对此予以介绍。
二、润湿速度的降低
在不同的合金、焊剂和溶化温度下面，合金材料的润湿速度差异是非常大的。尽管润湿平衡测试结果不能够预示出波峰焊接的性能情况，它们可以提供在不同的合金配方、焊剂和温度影响下所形成的相对比照方面的证明。较低的润湿速度会转换为在SMT器件上面更多的遗漏，以及较缓慢的移动到PTH器件的引脚针和柱体的上面。为了能够克服较低的润湿速度的产生，人们可以采用在波峰上面较长的接触时间或者较高的溶化温度。但因为它可能会对元器件或者PCB 产生有害的影响，采用后者是不合理的。
三、流动性的降低
无铅化合金与锡铅合金相比较，流动性显得要差。这类焊料升上引脚针和柱体上的润湿时间要长，更易于受到非标准的定位或者间隙太窄对元器件所形成的遮蔽影响。像减少润湿速度所形成的影响那样，降低流动性所产生的问题，会导致需要更长的波峰焊接接触时间。
减少流动性也会产生使更多焊料形成桥接的现象，这是由于从波峰上液体剥落缓慢而引起的。无铅波峰合金焊接工艺温度与锡铅合金相比较，它们的凝固点相当的接近，所以焊接点(以及桥接点)凝固速度会相当的快。快速的凝固会消除对防止桥接现象小刀的使用，使得允许的偏差范围缩小，尤其是对于那些设计不良的地方，情况会显得相当的复杂。
随着缓慢的排液、快速的凝固和缺乏去除桥接现象的工具，针对焊料的桥接现象，人们必须集中于对波峰焊接的液体剥落区域的关注来予以解决。剥落的动力会受到传输带速度、较高的波峰和波峰的泵的运转速度的影响。这些参数可能需要作一些微调，以实现有效的消除桥接现象，从而满足微间距连接器或者扁平封装器件的需要。
四、焊料可焊性的下降
氧化物的形成是由于可焊表面暴露的时间和温度所决定的。这里存在有正面与反面不断交手的典型实例：当焊剂试图去除氧化物的时候，更多的氧化物会形成。较高的预热温度和花费在预热通道内的较长时间，会增加在引脚上面、端接点和PCB上面氧化物的形成，针对焊剂的最有效的工作是将它们清除掉。氧化物是实现润湿的障碍物，引发孔洞填充效果变差和更多的跳跃现象。为了能够克服这些障碍物，则需要延长与焊料的接触时间。
五、对加工参数的影响
增加预热温度、预热时间、合金温度和接触时间，都会对焊剂产生新的要求。它们必须能够在整个工艺处理过程之中承受严酷的温度洗礼。免清洗焊剂配方具有高活性，在常规的波峰焊接工艺窗口之中，为了能够满足可靠性的目的， 要全方位降低活性。当焊剂被设计成能够满足无铅化高复杂程度组件的应用需求时，会具有长时间、高热承受能力，但如果它被用在采用较低技术含量的应用场合中，因加热时间缩短、加热温度降低而显得较冷，可能会变的难以清除掉。这就需要焊剂可以提供良好的焊接性能，并且保持宽泛的加热温度范围，这样就对焊剂的配方提出了新的要求，这可以通过加宽它们的操作目标窗口，与此同时限制它们的操作，以满足催化剂和其它混合物构成要素的要求。
六、单个因素的综合归并
减缓润湿时间、降低流动性、更多的氧化物和更具有挑战性的热暴露时间，所有这一切都使得无铅化焊接工作变得有相当的难度。就像PCB变得愈来愈厚、愈来愈复杂那样，这些问题的影响会不断扩展，它们之间的相互作用会将情况变得更糟。
幸运的是，相关的解决方案在不断地推出和引入。在全球范围内的研究人员正在着力研究新型的焊剂和合金配方，探究能相互达到均衡的材料分配。设备供应商也在对实施工艺操作的设备进行研究和修改，通过一连串的过渡，有助于克服所产生的相关挑战。人们每天都会在工艺认识方面有所收获。
许多现行的方案能够对付复杂的PCB组件在波峰焊接过程中所己知的问题。它们中的一部分着力于根除相关的问题，其它仅“在周边活动”。不管处于哪一种情况，它们都能提高产量和限制返修。可以肯定的说，像装配厂商一样，设备供应商和材料供货商对这些问题都有着相当的认识，愈来愈多的解决方案将会浮现出来。
七、接触时间的增加
在电路板的底部位置，通过增加接触时间来应对润湿速度、氧化作用和流动性的差异，将有助于提高孔洞的填充和减少跳跃现象。较长的接触时间会增加涉及顶部的二次再流焊接和铜的溶解。此外，减缓传输带的传输速度，也能够获得充裕的接触时间，但在预热阶段这可能会引发焊剂的烧坏。在这两种情形下面，PCB会因为较长的接触时间而具有较高的温度。
与无铅化焊接工艺相适应的管嘴设计一般会位于汹涌的波峰和平缓的波峰紧密在一起的地方，具有较宽泛的接触长度，可编程的波峰泵在电路板一旦到达波峰的时候可以提高速度(由此产生接触)，可以避免泛滥的危险。如果无铅化焊接必须采用锡铅类型的管嘴结构的话，使用焊料抹子(pallets)是有益的。抹子，由于它们一般较厚，位于前面挡板处，所以可以实现较深的沉浸深度(于是也就提高了接触的长度)，不会泛溢到PCB的顶部。
提高波峰的高度有助于改善孔洞的填充，但是它也可能阻碍降低桥接的努力效果。无铅化焊接与锡铅合金焊接相比较，焊料剥落对于减少桥接现象来说会变得相当的关键。提高泵的速度或者波峰的高度，可以改变焊料剥落的形状和流体动力状态。在交换过程中需要对孔洞的填充和桥接现象的防止进行认真的考虑。如果需要采用折衷方案的话，应该参照最严格的IPC工艺标准，孔洞的填充最低程度要达到75%。
关键词：无铅化、波峰焊接、PCB组件、电子装配、无铅锡炉
来自PCBcity 2009/6/12
