??????對于PCBA組裝制造商來說，一個(gè)好消息是他們不用再擔(dān)心焊錫合金的選擇問題。NEMI、JEITA、IDEALS、NCMS等組織及其他焊錫材料供應(yīng)商已經(jīng)證明了SnAgCu (SAC)合金是近中期推行無鉛生產(chǎn)工藝最理想的焊錫合金，理由如下：

1. SAC不含Bi，而且不會(huì)與鉛形成低熔點(diǎn)相。形成低熔點(diǎn)合金相是含Bi合金最主要的問題，你不能假設(shè)元件腳或線路板表面處理不會(huì)給焊接工藝造成鉛污染，特別是在無鉛轉(zhuǎn)換的早期階段。只要鉛污染含量達(dá)3%，即會(huì)形成以SnBi10.5或SnBi12形式存在的Sn/Bi/Pb共晶體，其熔點(diǎn)只有96℃。

低熔點(diǎn)不僅影響組件在高溫環(huán)境下(如在汽車內(nèi))的使用，而且對所有溫度下的疲勞測試都有不良影響。既然元件引腳及印刷線路板(PWB)表面在未來至少幾年內(nèi)極可能仍會(huì)造成鉛污染，所以含Bi焊錫合金就不是無鉛焊接理想的選擇。不過從某種意義上來講是一件可惜的事，Sn/Bi合金會(huì)在低于150℃的溫度下熔化，而這是個(gè)非常低的焊接溫度。當(dāng)制造裝配過程中鉛含量變得很低時(shí)，Sn/Bi及Sn/Bi/Ag也許是不錯(cuò)的選擇。含Zn的無鉛焊錫合金在日本以外基本上不受重視，其原因是制造過程較難以及出于可靠性方面的考慮。

2. SAC的熔點(diǎn)相對比較低，當(dāng)SAC合金中銀低于5.35%及銅低于2.3%時(shí)，液固相溫差將低于3℃，最理想的SAC合金熔點(diǎn)為217℃。

3. SAC只含有3種成份。當(dāng)合金中成分種類變多時(shí)，就易產(chǎn)生雜質(zhì)的問題，制造起來也比較困難，批量生產(chǎn)時(shí)熔點(diǎn)或液固相溫差會(huì)變得難以控制。

4. 總的來說，SAC不是受專利權(quán)保護(hù)的合金，當(dāng)然對某些地區(qū)或是組織來說也有例外，在選擇SAC合金前你必須確認(rèn)你要使用的地區(qū)或產(chǎn)品銷售目的地。

5. 前期試驗(yàn)證明SAC可靠性等于或優(yōu)于SnPb合金。

NEMI選擇SnAg3.9Cu0.6作為其最佳合金選擇。不過NEMI還做了其它一些很有價(jià)值的工作，它通過統(tǒng)計(jì)顯著性試驗(yàn)證明了銀含量在3.0%至4.0%之間變化及銅含量在0.5%到0.7%之間變化時(shí)，焊錫性能不會(huì)受到影響。

基于NEMI所作的工作，SnAg3.9Cu0.6 (+/0.2%銀或銅)是無鉛焊錫的第一選擇。不過后續(xù)工作證明，SnAg3.0Cu0.5可能是一個(gè)更好的折衷方案，在空洞不良率可接受水平下能將墓碑效應(yīng)減到最低。

印刷線路板與零件表面處理

在無鉛焊接過程中，PWB焊盤表面處理必須與所用的無鉛焊錫材料完全匹配?，F(xiàn)有幾種無鉛表面處理工藝，包括OSP、浸銀、浸鉛、無電鍍鎳/浸金(ENIG)等。雖然這些表面處理工藝很可靠且適用于大多數(shù)場合，但每種均有其優(yōu)點(diǎn)與不足。對于具體工藝而言，最適合的表面處理應(yīng)通過評估工藝要求以及將其與各種不同的PWB表面處理特性進(jìn)行匹配來確定。不過值得注意的是，盡管OSP表面處理被認(rèn)為不那么可靠，但相對來說成本是最低的，使用OSP表面處理的小型及大型線路板均可成功實(shí)現(xiàn)無鉛焊接。也有在ENIG表面處理線路板上成功進(jìn)行無鉛焊接的經(jīng)驗(yàn)，一些PWB表面處理供應(yīng)商則為無鉛工藝推薦浸銀表面處理。

引腳經(jīng)過無鉛表面處理的元器件現(xiàn)在逐漸可以在市面上采購得到，同線路板表面處理一樣，其無鉛焊接工藝必須能與所有普通的表面如SnPb、100% Sn、Pd/Ag、Ni/Pd、Ni/Sn、Ni/Pd/Au及NiAu實(shí)現(xiàn)焊接。短期內(nèi)，可能有很多元器件還是Sn/Pb處理，因此無鉛焊接工藝必須能適應(yīng)無鉛錫膏、無鉛PWB及有鉛元器件。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)真正的無鉛焊接，就必須要求所有的元器件都是無鉛的。

當(dāng)采用100%錫進(jìn)行元器件引腳處理時(shí)，錫須是一個(gè)需要考慮的問題，尤其是對那些高可靠性長時(shí)間使用的電子產(chǎn)品。這引起了人們的關(guān)注，并開展很多相關(guān)研究，感興趣的讀者可從互聯(lián)網(wǎng)上搜索到有關(guān)信息。一些元器件制造商，如是德州儀器實(shí)現(xiàn)了完全不用錫的引腳表面處理，因此避免了錫須現(xiàn)象。

另一個(gè)對PWB及元器件的擔(dān)心是它們是否能承受無鉛焊接過程中比較高的回焊溫度。既然SAC合金大約在217℃熔化，元器件及線路板就必須能承受235-240℃的回焊溫度。對于大型線路板來說，這種擔(dān)憂更甚，因?yàn)榛睾笢囟缺仨氃?50℃或更高。

無鉛焊接所需的更高回焊溫度同樣加重了對濕度敏感元件(MSD)如BGA的擔(dān)憂，在無鉛焊接所需高回焊溫度下，元器件MSD水平可前能移一到兩級。因此，能適應(yīng)普通鉛錫合金焊接過程的濕度敏感零件，可能需要更好的貯存及運(yùn)輸條件以確保無鉛焊接過程中不會(huì)產(chǎn)生MSD的問題。

其它因素

被動(dòng)元件的立碑效應(yīng)是鉛錫焊接過程中經(jīng)常需要考慮的問題，無鉛焊錫更高的熔點(diǎn)及更大的表面張力將使這一問題更加嚴(yán)重。錫膏在被動(dòng)元件的一端比另一端先熔化是此不良產(chǎn)生的主要原因，另外，線路板焊盤上錫膏過多以及元件貼裝不對稱也會(huì)導(dǎo)致立碑?？赡芤?yàn)橛谐谅窨椎暮副P升溫更快，當(dāng)被動(dòng)元件焊盤處在沉埋孔上時(shí)立碑效應(yīng)特別明顯，原因是沉埋孔上的焊盤熱容量低導(dǎo)致升溫非常快。

改變鋼網(wǎng)網(wǎng)孔大小以減少印刷在被動(dòng)元件焊盤的錫膏量可減少此類不良，后續(xù)的研究工作顯示，在回流溫度曲線上比液相線溫度低10℃處保持短暫的溫度不變可有效降低此不良。

BGA及CSP焊點(diǎn)上的空洞也是使用鉛錫焊膏時(shí)經(jīng)常遇到的缺陷?？斩词怯捎阱a膏中助焊劑產(chǎn)生的氣體不能從熔化的焊錫中排出造成的，BGA及CSP上焊錫凸點(diǎn)、焊盤及錫粉等的氧化也會(huì)加劇空洞的產(chǎn)生。

無鉛焊接會(huì)引起一個(gè)新的潛在空洞產(chǎn)生源，即某些BGA只有鉛錫焊球。當(dāng)使用無鉛錫膏及鉛錫凸點(diǎn)BGA時(shí)，焊錫球會(huì)在比錫膏熔點(diǎn)低35℃處熔化。在焊錫球是液態(tài)而錫膏不是液態(tài)時(shí)，助焊劑會(huì)放出氣體直接進(jìn)入熔化的錫球中，從而可能產(chǎn)生大量的空洞。有人做過一項(xiàng)DOE試驗(yàn)來確定回流溫度曲線溫升速率對空洞產(chǎn)生數(shù)量及大小的影響，使用的溫升速率為0.5、0.8和1.5℃/秒，試驗(yàn)結(jié)果表明較高的溫升速率能顯著地減少所產(chǎn)生空洞的大小。

溫升速率對產(chǎn)生的空洞數(shù)量沒有影響，也就是說，有同樣多空洞產(chǎn)生，但它們平均尺寸都很小，空洞尺寸減小程度非常顯著而使其能夠符合規(guī)范的要求。

惠普公司的Eddie Hernandez及其小組對大型線路板的無鉛焊接工藝進(jìn)行了重要的研究工作，研究結(jié)果與摩托羅拉工程師們所作的研究驚人地相似，只是有以下不同：

1. 對于較厚的線路板(厚度3.5mm)最好用高Tg的FR4樹脂；

2. 需要采用更熱但更嚴(yán)格的回流溫度曲線(Tm=240±2.5℃)；

3. 用OSP及NiAu焊盤表面處理的線路板效果會(huì)更好。

Mark Krmpotich和他的小組在Scientific Atlanta公司對大型線路板的焊接研究也獲得了同樣的結(jié)果。

實(shí)現(xiàn)無鉛焊接必須要確保含鉛與無鉛的焊錫材料、線路板及元器件分開保存，不能混放。所有無鉛產(chǎn)品制造商都必須有一個(gè)“無鉛物料保障工作組”來制定防止混放的相關(guān)程序及規(guī)章制度。正如前文所說，MSD也是運(yùn)輸儲(chǔ)藏必須考慮的頭等大事之一。

統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)對于確保裝配過程中高合格率以及為將來的持續(xù)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)非常有用，在錫鉛焊接過程中SPC可能只是起輔助作用，但在無鉛焊接過程中它卻是至關(guān)重要的，因?yàn)闊o鉛焊接要求更窄的工藝參數(shù)窗口。特別是回流焊過程中，為避免損傷元件及線路板，工藝參數(shù)窗口通常很窄?，F(xiàn)在市面上有一些關(guān)于SPC及實(shí)施方面非常好的研討會(huì)。

另外你的工藝工程師能設(shè)計(jì)鋼網(wǎng)嗎？你的回流溫度曲線與錫膏規(guī)格匹配嗎？你擁有世界一流的SMT裝配工作經(jīng)驗(yàn)嗎？如果沒有一流的工程技術(shù)人員，可能無法滿足無鉛焊接所要求的嚴(yán)格的工藝，最終可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品合格率很低。AuditCoach和The Lead-Free Readiness Assessment Tool軟件可幫助你評估工廠的工藝狀況以及無鉛工藝準(zhǔn)備情況，如達(dá)特茅斯學(xué)院實(shí)施的世界級6σ項(xiàng)目可為你的無鉛小組提供正確的指引。

任何機(jī)構(gòu)均可從摩托羅拉及其它成功實(shí)施過無鉛焊接的組織那里吸取有益的經(jīng)驗(yàn)，可是每個(gè)公司在實(shí)施自己的無鉛計(jì)劃中還會(huì)遇到不同的挑戰(zhàn)。除此之外，RoHS/WEEE還提出無鉛焊接以外的要求，這種情況下，達(dá)特茅斯學(xué)院制定了RoHS/WEEE符合性規(guī)章，該規(guī)章是一個(gè)非常簡單的實(shí)施指引以滿足RoHS/WEEE要求。