无铅焊接工艺技术模板.doc

毕业设计汇报（论文）

汇报（论文）题目：无铅焊接工艺技术

作者所在系部： 电子工程系
作者所在专业： 电子工艺和管理
作者所在班级： 1025204
作 者 姓 名 ： 董朋飞
作 者 学 号 ： 3025204
指导老师姓名： 梁万雷
完 成 时 间 ： 5月28日

北华航天工业学院教务处制
北华航天工业学院电子工程系
毕业设计（论文）任务书
姓 名：
董朋飞
专 业：
电子工艺和管理
班 级：
10252
学号：

指导老师：
梁万雷
职 称：
试验师
完成时间：
.05.28
毕业设计（论文）题目：
无铅焊接工艺技术
设计目标：
经过对无铅焊料及焊接工艺技术分析，总结无铅焊接技术工艺特点，提出无铅焊接工艺对应处理措施。
技术要求：
1、无铅焊料。
2、无铅焊接工艺步骤。
3、无铅焊接工艺技术和设备。
4、无铅焊接常见缺点。
5、对经典焊接缺点能进行正确分析，并提出合了处理方法。

所需仪器设备：
SMT生产线、 计算机、扫描仪。

结果验收形式：
论文
参考文件：
实用表面组装技术，SMT相关论文等。
时间
安排
1
5周---6周
资料查阅
3
9周---13周
撰写论文
2
7周---8周
方案设计
4
14周---16周
结果验收
指导老师： 教研室主任： 系主任：

指 导 教 师 情 况
姓 名
梁万雷
技术职称
试验师
工作单位
北华航天工业学院
指 导 教 师 评 语

指导老师评定成绩：

指导老师签字：
年 月 日
答 辩 委 员 会 评 语

最终评定成绩：

答辩委员会主任签字： 单位（公章）
年 月 日

摘 要

此论文写了无铅焊接工艺技术产生定义和内容，和特点；写了无铅焊料，和无铅焊料种类，包含Sn-Ag系、Sn-Zn系、Sn-Bi系、Sn-Cu系等等；写了无铅焊接工艺技术工艺步骤，即其工艺五个步骤，并写了在此基础上产生新工艺和设备应用；写了无铅焊接常见缺点“黑盘”现象、表面裂纹（龟裂）、焊点剥离、晶须、离子迁移、元素污染等等，关键研究了“黑盘”现象、表面裂纹（龟裂）、焊点剥离产生现象，产生机理和处理方法。

关键词 无铅焊接工艺技术 工艺步骤 设备 无铅焊料 无铅焊接常见缺点
目 录
第1章 绪论 4
1.1 无铅焊接工艺技术产生 4
1.2 无铅焊接工艺技术定义 5
第2章 无铅焊料 6
2.1无铅焊料提出和发展阶段 6
2.2 无铅焊料要求 7
2.3 无铅焊料种类 7
2.3.1 Sn-Ag系列 7
2.3.2 Sn-Zn系列 8
2.3.3 Sn-Bi系列 8
2.3.4 Sn-Cu系列 9
2.4 无铅焊料中国外现实状况 9
2.5 无铅焊料问题 10
第3章 无铅焊接工艺步骤 11
3.1 工艺步骤介绍 11
3.1.1 无铅焊接现实状况 11
3.1.2无铅焊接特点和对策 12
3.1.3无铅工艺对助焊剂挑战 12
3.1.4氮气在焊接中工艺应用 14
3.2 无铅焊接工艺五个步骤 14
第4章 无铅焊接工艺技术和设备 16
4.1 无铅焊接工艺技术特点 16
4.2 新无铅焊接工艺及设备 16
4.2.1 元器件及PCB板无铅化 16
4.2.2 焊接设备无铅化 16
第5章 无铅焊接常见缺点和处理方法 21
5.1 缺点种类 21
5.2 “黑盘” 现象 21
5.2.1 产生此现象表现 21
5.2.2 产生机理 22
5.2.3 处理方法 23
5.3 表面裂纹（龟裂） 23
5.3.1 产生此现象表现 23
5.3.2 产生机理 25
5.3.3 处理方法 26
5.4 剥离 26
5.4.1 产生此现象表现 26
5.4.2 产生机理 27
5.4.3 处理方法 28
第6章 结论 29
致 谢 30
参考文件 31
附 录 32

无铅焊接工艺技术
第1章 绪论
1.1 无铅焊接工艺技术产生
现在板卡设备上芯片，全部是经过芯片封装下面小焊点和PCB板连接。这些小焊点传统上是用铅，然而Pb是一个有毒金属，对人体有害，而且对自然环境有很大破坏性。
铅特征及对人体危害：铅（lead Pb），灰白色金属，熔点为327.5℃，加热至400～500℃时即有大量铅蒸气逸出，并在空气中快速氧化成氧化亚铅而凝集为烟尘并四处逸散。在工业中和铅接触行业关键有铅矿开采，铅烧绳索和精练、蓄电池制造、电子产品焊接和电子元件喷铅作业等等。在以上接触中铅及其化合物关键经过呼吸和消化道入侵人体造成铅中毒，对人体健康组成危害。美国环境保护署研究发觉，铅及其化合物是17种严重危害人类寿命和自然环境化学物质之一。通常职业性铅中毒全部是慢性中毒，其对人体神经系统、消化系统和血液系统全部将造成干扰和伤害，其临订症状表现为头昏头痛、乏力、记忆力下降、恶心、烦躁、食欲不振、腹部胀痛、贫血、精神障碍等。
总而言之，世界大多数国家开始严禁在焊接材料中使用含铅成份。日本在严禁生产或销售使用有铅材料焊接电子生产设备；欧美在严禁生产或销售使用有铅材料焊接电子生产设备；中国在已进入无铅焊接。所以，在这种情况下，电子材料开始生产无铅焊料。
欧盟为了限制有害物质在电子电器产品中使用，并透过妥善回收及处理废弃电子电器产品达成保护人类健康目标，于颁布/95/EC号法令，即RoHS法令（Restriction of the use of Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment Pirective）——电子电机产品之危害物质限使用方法令。
中国政府一直在给以亲密关注和研究对策，国务院专门责成信息产业部负责针对欧盟环境保护指令研究和应对工作。信息产业部依据《清洁生产促进法》和《固体废物污染环境防治法》等相关法规制订《电子信息产品污染防治管理措施》已经完成，并于1月1日起施行。《电子信息产品污染防治管理措施》要求，自7月1日起，列入电子信息产品污染关键防治目录中电子信息产品中不得含有铅、汞、镉、六价铬、聚合溴化联苯乙醚和聚合溴化联苯及其它有毒有害物质。对于7月1日以前一段时间，中国政府要求电子信息产品制造商们实施有毒有害物质减量化生产方法，并主动寻求可替换品。同时，一个名为“电子信息产品污染防治标准工作组”机构也已经开始筹备成立，该机构关键任务是研究和建立符合中国国情电子信息产品污染防治标准，开展和电子信息产品污染防治相关标准研究和制订工作，尤其是加紧制订急需材料、工艺、测试方法和试验方法基础标准。
无铅焊接工艺技术则是使用一个无铅合成物来替换铅。不过，从有铅产品转到无铅产品是个复杂过程，影响到全部电子器件供给商，并带来很多供给链、无铅制程和可靠性方面挑战，它要求用基于无铅材料替换过去使用富含铅焊料和装配过程中用到有铅材料。无铅焊接工艺技术带来并不全是革命性转变，它还是属于一个“发展”技术。
1.2 无铅焊接工艺技术定义
无铅焊接工艺技术是从现有含铅SMT技术上发展而来。自有SMT技术时代开始，快速扩张用户市场，使工业界已经认识到“革命”式改变坏处，含有较多“发展性”当然是件好事，然而对于无铅技术来说，这却也非简单。在SMT发展过程中，我们已经有经历过几次影响较大“发展”经验，比如栅阵排列焊端技术 (BGA)、Flip-Chip等等。有些用户可能对于这些技术带来挑战还记忆犹新。但无铅焊接工艺技术到来，和以前多个技术相比之下，其难度和挑战绝对是有过之而无不及。
焊接技术实际上就是多种焊接方法、焊接材料、焊接工艺和焊接设备等及其基础理论总称。其中讲到了焊接 ，母材，焊丝，SMT等.

第2章 无铅焊料
2.1无铅焊料提出和发展阶段
铅锡焊料应用已经有悠久历史。因为它含有较低熔点、良好性价比和易取得性，铅锡焊料成为低温焊料中最关键焊料系列，被广泛用于食品容器、有色金属、建筑金属构件、运行机械、输水系统管道和其它流体和气体管道装置焊接等领域。电子技术发展，铅锡焊料饰演了关键角色，使其应用领域和需求量得到大幅度增加。
进入20世纪后期，伴随现代工业和科学技术发展，大家对环境保护意识越来越强，铅锡合金带来负面影响日渐突出，引发全球范围内高度重视。欧美部分发达国家均以立法形式严禁和限制使用含铅制品，美国环境保护局将铅列入对人类本身最有危害17种化学物质之一。
1994年，北欧环境部长会议提出逐步取缔铅使用，以降低铅对人类健康和生存环境危害。欧洲国家相继提出相关法律草案，要求从1月1日起在汽车上取消铅、汞、镉等有毒金属(铅蓄电池除外)使用。
从起在电子工业中严禁使用含铅焊料材料。日本贸易部也作出类似法律要求。在中国，提出了废旧电池统一回收试行方案，其目标也是降低铅对环境污染。在世界范围内保护环境大趋势下，对含铅产品限制或严禁使用，终将以法律形式加以确定。这造成了“无铅焊料”成为全球性研究热点。
无铅焊料发展是因为大家认识到生态环境关键性和人身体健康而发展起来，其大致能够分为以下多个阶段:
(1)无铅焊料提出阶段1991年和1993年，美国参议院提出“Reid Bill”，要求将电子焊料中铅含量控制在0.1%以下。因为当初全部电子产品全部离不开有铅焊料， 有铅焊料发展得也相当成熟，而在那时大家对生态环境保护意识还不够，对铅对人体损伤认识不足，所以没有受到重视。
(2)无铅焊料提议阶段从1991年起NEMI、NCMS、NIST、NPL、PCIF、ITRI、JIEP等组织相继开展无铅焊料专题研究，耗资超出万美元，现在仍在继续。
(3)无铅焊料利用阶段在1998 年10 月，第一款批量生产无铅电子产品PanasonicMiniDiscMJ30问世。20世纪90年代中期，日本和欧盟作出了对应立法:日本要求在电子工业中淘汰铅焊料，在严禁生产或销售使用有铅焊料焊接电子生产设备；而欧美在 年严禁生产或销售使用有铅材料焊接电子生产设备，不过因为无铅焊料还存在技术上原因，在才能实现电子产品无铅化。
2.2 无铅焊料要求
（1）使用产品时材料消耗情况。
（2）产品制造过程中使用能量情况。
（3）产品处理后反复使用性。
（4）材料从制造到再生利用这期间辐射情况。经过大量比较后筛选出多个好锡合金，它们为铜(Cu)、银(Ag)、钢(In)、锌(Zn)、铋(Bi)、锑(Sb)。选择这些金属材料可在和锡组成合金时降低焊料熔点，使其得到理想物理特征。
2.3 无铅焊料种类
现在多种系别组成无铅焊料合金有很多个，其中关键有：Sn－Ag、Sn－Zn、Sn－Bi、Sn－Cu等二元合金和在此基础上添加其它合金元素形成三元、四元乃至五元合金。下面就对现今关键无铅焊料合金组织结构及性能进行介绍。
2.3.1 Sn-Ag系列
Sn－Ag系焊料作为锡铅替换品已在电子工业使用了多年。经典组成百分比是Sn96.5-Ag3.5，其熔点为221℃。这种焊料所形成合金组织是由不含银纯β－Sn和微细Ag3Sn相组成二元共晶组织。添加Ag所形成Ag3Sn因为晶粒细小，对改善机械性能有很大贡献。伴随Ag含量增加，其屈服强度和拉伸强度也对应增加。从强度方面来说，添加1-2％以上Ag就能和Sn-Pb共晶焊锡相同或超出它。添加3％以上Ag，强度值显著比Sn-Pb共晶焊锡要高，但超出3.5％以后，拉伸强度相对降低。这是因为除了微细Ag3Sn结晶以外，还形成了最大可达数十微米板状Ag3Sn初晶。形成粗大金属间化合物不仅使强度降低，而且对疲惫和冲击性能也有不良影响，所以对Ag含量和金属界面金属间化合物要进行认真考究。
在Sn-Ag合金里添加Cu，能够在维持Sn-Ag合金良好性能同时稍微降低熔点，而且添加Cu以后，能够降低所焊材料中铜浸析。Sn－Ag－Cu无铅焊料是现在被认为最靠近实用化Sn－Pb焊料替换品，也是现在无铅焊料得首选。经典组成百分比是Sn3.0Ag0.5Cu，熔点为216~217℃。Sn和次要元素Ag和Cu之间冶金反应是决定应用温度、同化机制及机械性能关键原因。在这三元素之间有三种可能二元共晶反应。在温度动力学上Sn更适合和Ag或Cu反应，来形成Ag3Sn或Cu6Sn5金属间化合物。Ag3Sn细微结晶含有相当长纤维状组织。Ag和Cu一样也是几乎不能固溶于β-Sn元素。较硬Ag3Sn和Cu6Sn5粒子在锡基质锡银铜三重合金中，可经过建立一个长久内部应力，有效地强化合金。这些硬粒子也可有效地阻挡疲惫裂纹蔓延。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子形成可分隔较细小锡基质颗粒。Ag3Sn和Cu6Sn5粒子越细小，越能够有效地分隔锡基质颗粒，结果是得到整体更细小微组织。这有利于颗粒边界滑动机制，所以延长了提升温度下疲惫寿命。Sn3.0Ag0.5Cu焊点中Sn先结晶，以枝晶状（树状）出现，中间夹Cu6Sn5和Ag3Sn。当Cu含量在0.5~1.3﹪，Ag含量在3.0~3.5﹪时能够得到比很好合金性能。
2.3.2 Sn-Zn系列
Sn－Zn系无铅合金经典组成百分比为Sn9Zn，熔点是199℃，被认为是最有发展潜力无铅焊料。Sn、Zn元素以固溶体形式组成合金，说明了Sn－Zn有很好互熔性。Zn能均匀致密分散在Sn中。但因为存在润湿性和抗氧化性差等问题曾被认为是一个并不理想无铅焊料。多年来对Sn－Zn系合金润湿研究取得了显著进展，在Sn－Zn中添加Bi焊料是现在研究较为广泛无铅合金材料。Bi是一个表面活性元素，在熔融状态下，Bi元素能够向溶体表面富集，造成合金表面张力减小。所以，Bi加入提升了合金润湿性能，研究表明在Sn－9Zn为共晶合金基础上加入Bi即使提升了合金润湿性，但往往伴伴随焊料力学性能下降，经过调整合金中Zn含量，能够降低初生Zn相生成，在提升润湿性（缩短润湿时间）条件下降低因为Bi加入带来力学性能恶化效果。Sn8Zn3Bi合金是一个经典Sn－Zn系无铅焊料，其润湿性、热学特征、力学性能等性能匹配良好。对于预防Sn－Zn系焊料抗氧化通常能够经过在焊料中添加微量金属措施来处理。不过还在深入研究中。
2.3.3 Sn-Bi系列
Sn－Bi系合金是经典低熔点无铅焊料，Sn-58Bi熔点为139℃。Bi是除Pb以外离Sn较近元素，Bi是元素周期中排在第Ⅴ主族（氮族）元素末位，Bi非金属性显著比Pb强，Bi是菱状晶体（类似金属晶体），含有脆性，在Sn合金里添加Bi焊锡，能够形成从共晶点139℃到232℃熔化温度范围很宽合金。该合金形成化合物，而且共晶成份形成单纯共晶组织。然而基体中固溶大量Bi是别合金所没有得特色。Sn-58Bi共晶合金应用于主板封装已经超出20年。SnBi合金导电/导热性能不及SnPb合金，Bi和Sn有很好互熔性，但Sn-Bi合金硬度高，延伸性低，不能拉成丝，一句话SnBi合金焊料不及 SnPb合金焊料那样好 。所以考虑在Sn-58Bi中添加Ag含有改善该合金塑性效果，其延伸率改变很显著。随Ag量增加，在0.5wt﹪Ag出现延伸率峰值。不过含Bi焊料在碰到含铅合金包含元器件端焊头重铅和PCB焊盘中含铅涂层时，其焊点强度会显著下降，产生这种现象原因之一是Sn、Pb、三元素混熔后会形成Sn-Pb-Bi三元共晶析出，该合金熔点仅为97℃左右。所以含Bi焊料一定要杜绝Pb存在。
2.3.4 Sn-Cu系列
Sn－Cu系合金中合金化合物比较复杂，在共晶点处能够看作Sn-Cu6Sn5二元合金，熔点为227℃。该合金不含Ag、价格低，现在关键在重视经济单面基板波峰焊方面广泛使用。因为Cu6Sn5不像Ag3Sn那样稳定，所以在微细共晶组织在100℃保持数十小时就会消失，变成份散Cu6Sn5颗粒粗大组织同时在Cu和 Cu6Sn5之间会生成Cu3Sn。所以Sn-Cu系焊锡高温保持性能和热疲惫等可靠性比Sn-Ag系合金差。为了细化该合金中Cu6Sn5相，曾经尝试添加微量Ag、Ni、等元素。仅仅添加0.1﹪Ag，即可使塑性提升50﹪。另外，添加Ni含有降低焊锡渣量效果，已经逐步稳定地用作波峰焊生产使用焊锡。
2.4 无铅焊料中国外现实状况
在20世纪80年代后期，美国首次颁布了限制铅使用法律——降低铅暴露条律(S1729)、铅税法(H1R12479，S11347)。“无铅电子产品”理念，由美国传到欧洲、日本和全世界发达国家。在这种情况下，世界上用量最大铅锡焊料，从生产到使用全部受到了强烈冲击，“无铅锡基环境保护焊料”成为最热门研究课题。美国TMS (The Minerals ，Metals&Materials Society) 春、秋季年会全部有论文汇报无铅焊料研究结果。欧共体奥地利、德国、法国、英国等16国联合制订了COST531(无铅焊料材料) 研究计划。对无铅焊料研究，基础上是从以下三个方面进行:
(1)新型无铅焊料合金研制和设计；
(2)焊接头疲惫研究及可靠性设计；
(3)无铅焊料工艺性能研究。经过20多年研究开发，各国材料工作者全部取得了一定研究结果，部分性能很好无铅焊料已经商业化。在有程度改变焊接工艺前提下， 无铅焊料能够部分替换铅锡焊料。近七、八年以来，日本、美国、澳大利亚、韩国等国家部分企业，如日本铝钎料株式社、日立制作，美国国际机械企业，澳大利亚伊科索尔德国际股份，韩国三星等企业全部在中国境内申请并取得专利，且产品取得商业应用价值和市场份额。中国无铅焊料发展历史不长，起步较晚，但发展速度很快。研究工作关键集中在大专院校和科研院所，有部分焊料生产单位也在进行开发研制。但中国还未形成无铅焊料批量生产，这是因为中国没有立法限制铅使用，中国部分大电子产品生产企业，其产品关键是针对中国市场，使用无铅焊料要求还远不是那么强烈。而中国部分技术含量较高机电产品，因为使用了铅锡焊料，在出口时受到阻碍，已严重影响了这类产品在国际市场上竞争力。受世界大环境影响，伴随中国对环境和生态高度重视， 使用无铅焊料替换铅锡焊料已提到议事日程。中国是锡生产和出口大国，也是消耗焊料多种电器生产大国，如无铅焊料研究没有实质性突破，将会严重影响中国机电、微电子行业发展，产品将失去市场竞争力。所以，大力发展无铅环境保护焊料是目前一项迫切和亟待处理问题。
2.5 无铅焊料问题
对于无铅焊料，关键问题在以下几方面：
1.替换合金应是无毒性。部分考虑中替换金属，如镉和锑，是毒性；其它金属，如锑、铟，因为改变法规结果可能落入毒性种类。
2.熔点应同锡铅体系焊料熔点(183℃)靠近，不应超出200℃。
3.供给材料必需在世界范围内轻易得到，数量上满足全球需求。一些金属如铟和铋数量比较稀少，只够用作无铅焊锡合金添加成份。
4.替换合金还应该是可循环再生，如将三四种金属加入到无铅替换焊锡配方中可能使循环再生过程复杂化，而且增加其成本。
5.机械强度和耐热疲惫性要和锡铅体系焊料大致相同。
6.焊料保留稳定性要好。
7.替换合金必需能够含有电子工业使用全部形式，包含返工和修理用锡线、锡膏用粉末、波峰焊用锡条、和预成型。不是全部提议合金全部可制成全部形式，比如铋含量高将使合金太脆而不能拉成锡线。
8.合金相图应含有较窄固液两相区。能确保有良好润湿性和安装后机械可靠性。
9.焊接后对多种焊接点检修轻易。
10.导电性好，导热性好。

第3章 无铅焊接工艺步骤
3.1 工艺步骤介绍
传统锡铅焊料在电子装联中已经应用了近一个世纪。共晶焊料导电性、稳定性、抗蚀性、抗拉和抗疲惫、机械强度、工艺性全部是很优异，而且资源丰富，价格廉价。是一个极为理想电子焊接材料。但因为铅污染人类生活环境，危害人类健康。据统计，一些地域地下水含铅量已超标30倍，施行无铅焊接工艺技术是大势所趋。
3.1.1 无铅焊接现实状况
无铅焊料合金成份标准化现在还没有明确要求。IPC等大多数商业协会意见：铅含量<0.1-0.2WT%(倾向<0.1%，而且不含任何其它有毒元素合金称为无铅焊料合金。
1、无铅焊料合金
无铅化关键和首要任务是无铅焊料。正公认能用有：
(1) 现在最有可能替换Sn/Pb焊料合金材料
(2) 现在应用最多无铅焊料合金三元共晶形式Sn95.8\Ag3.5\Cu0.7(美国)和三元近共晶形式Sn96.5\Ag3.0\Cu0.5(日本)是现在应用最多用于再流焊无铅焊料。其熔点为216-220℃左右。
无铅合金焊料较仍然有以下问题：
(A)熔点高34℃左右。
(B)表面张力大、润湿性差。
(C)价格高
2、PCB焊盘表面镀层材料
无铅焊接要求PCB焊盘表面镀层材料也要无铅化，PCB焊盘表面镀层无铅化相对于元器件焊端表面无铅化轻易部分。现在无铅标准还没有完善，所以无铅元器件焊端表面镀层种类很多。
3、现在无铅焊接工艺技术处于过渡和起步阶段
即使国际中国全部在不一样程度应用无铅技术，但现在还处于过渡和起步阶段，从理论到应用全部还不成熟。没有统一标准，对无铅焊接焊点可靠性还没有统一认识，所以不管国际中国无铅应用技术很混乱，所以现在迫切需要加紧对无铅焊接技术从理论到应用研究。
3.1.2无铅焊接特点和对策
(1) 无铅焊接关键特点
(A)高温、熔点比传统有铅共晶焊料高34℃左右。
(B)表面张力大、润湿性差。
(C)工艺窗口小，质量控制难度大。
(2) 无铅焊点特点
(A)浸润性差，扩展性差。
(B)无铅焊点外观粗糙。传统检验标准和AOI需要升级。
(C)无铅焊点中气孔较多，尤其有铅焊端和无铅焊料混用时，焊端(球)上有铅焊料先熔，覆盖焊盘，助焊剂排不出去，造成气孔。但气孔不影响机械强度。
(D)缺点多-因为浸润性差，使自定位效应减弱。
无铅焊点外观粗糙、气孔多、润湿角大、没有半月形，因为无铅焊点外观和有铅焊点有较显著不一样，假如有原来有铅检验标准衡量，甚至能够认为是不合格，伴随无铅技术深入和发展，因为助焊剂改善和工艺进步，无铅焊点粗糙外观已经有了部分改观。
3.1.3无铅工艺对助焊剂挑战
(1) 无铅工艺对助焊剂要求
(A)因为焊剂和合金表面之间有化学反应，所以不一样合金成份要选择不一样助焊剂。
(B)因为无铅合金浸润性差，要求援焊剂活性高。
(C)提升助焊剂活化温度，要适应无铅高温焊接温度。
　(D)焊后残留物少，而且无腐蚀性，满足ICT探针能力和电迁移。
(2) 焊膏印刷性、可焊性关键在于助焊剂。
确定了无铅合金后，关键在于助焊剂。选择焊膏要做工艺试验，看看印刷性能否满足要求，焊后质量怎样。总而言之要选择适合自己产品和工艺焊膏。
(3) 无铅焊剂必需专门配制焊膏中助焊剂是净化焊接表面,提升润湿性,预防焊料氧化和确保焊膏质量和优良工艺性关键材料。高温下助焊剂对PCB焊盘，元器件端头和引脚表面氧化层起到清洗作用，同时对金属表面产生活化作用。
(4) 波峰焊中无VOC免清洗焊剂也需要特殊配制。无铅焊膏和波峰焊水溶性焊剂对一些产品也是需要。
(5) 高温对元件不利影响
陶瓷电阻和特殊电容对温度曲线斜率(温度改变速率)很敏感,因为陶瓷体和PCB热膨胀系数CTE相差大，在焊点冷却时轻易造成元件体和焊点裂纹，元件开裂现象和CTE差异、温度、元件尺寸大小成正比。
铝电解电容对清楚度极其敏感。
连接器和其它塑料封装元件在高温时失效显著增加。关键是分层、爆米花、变形等、粗略统计，温度每提升10℃，潮湿敏感元件(MSL)可靠性降1级。处理方法是尽可能降低峰值温度;对潮湿敏感元件进行去潮烘烤处理。
(6) 高温对PCB不利影响
高温对PCB不利影响在第三节中已经做了分析，高温轻易PCB热变形、因树脂老化变质而降低强度和绝缘电阻值，因为PCBZ轴和XY方向CTE不匹配造成金属化孔镀层断裂而失效等可靠性问题。
处理方法是尽可能降低峰值温度，通常简单消费类产品能够采取FR-4基材，厚板和复杂产品需要采取耐高温FR-5或CEMn来替换FR-4基材。
(7) 电气可靠性
回流焊、波峰焊、返修形成助焊剂残留物，在潮湿环境和一定电压下，导电体之间可能会发生电化学反应，造成表面绝缘电阻下降。假如有电迁移和枝状结晶(锡须)生长出现，将发生导线间短路，造成电迁移(俗称“漏电”)风险。为了确保电气可靠性，需要对不一样免清洗助焊剂性能进行评定。
(8) 相关无铅返修
① 无铅焊料返修相当困难，关键原因：
(A)无铅焊料合金润湿性差。
(B)温度高(简单PCB235℃，复杂PCB260℃)。
(C)工艺窗口小。
② 无铅返修注意事项：
(A)选择合适返修设备和工具。
(B)正确作用返修设备和工具。
(C)正确选择焊膏、焊剂、焊锡丝等材料。
(D)正确设置焊接参数。
除了要适应无铅焊料高熔点和低润湿性。同时返修过程中一定要小心，将任何潜在对元件和PCB可靠性产生不利影响原因降至最低。
(9) 相关过分时期无铅和有铅混用情况总结。
(A)无铅焊料和无铅焊端――效果最好。
(B)无铅焊料和有铅焊端――现在一般使用，能够应用，但必需控制Pb，Cu等含量，要配制对应助焊剂，还要严格控制温度曲线等工艺参数，不然会造成可靠性问题。
(C)有铅焊料和无铅焊端――效果最差，BGA、CSP无铅焊球是不能用到有铅工艺中，不提议采取。
现在无铅工艺当中采取钎焊料相对比原来焊料成份方面锡含量增大很多，其合金成份相对有很大提升。在生产加工过程中，其锡渣产生量比原来一般焊料产生量也有很大幅度提升。假如能将锡渣产生量降低则对于材料消耗方面成本控制是有益。
锡渣关键是锡在高温环境下和氧气发生反应产生氧化物，经过物理高温搅拌能够将大部分锡氧分离(即锡渣还原)，将分离锡重新使用，也可利用化学置换还原反应将锡渣中氧分子置换后还原成纯锡而反复使用。
每个工厂可依据本身机器及工艺安排等方面综合考虑得到很好无铅化道路。
3.1.4氮气在焊接中工艺应用
(1)氮气含有以下七大优点
氮气物理性能佳；
在大多数液体中等低溶性；
高顺时流量；
正常条件下化学惰性；
膨胀性能好，安全，适适用于高压工艺；
储存及使用方便。
(2)氮气应用优点
扩大工艺窗口，提升工艺适应性；
提升焊接质量(预防氧化，浸润性良好，高质量焊点)；
做到免清洗，适应环境保护要求；
达成细间距芯片高密度装配要求；
简化操作。
无铅焊接工艺过程，实际上是液态锡合金对被焊金属表面润湿过程，其润湿力提升、润湿时间变短、润湿角提升，均说明可焊性提升。实践证实，在氮气保护下，润湿力可提升50-70%，润湿时间可降低15-30%，润湿角平均提升40%。另外，助焊剂残留量能够降低5%。.
3.2 无铅焊接工艺五个步骤
1、选择合适材料和方法
在无铅焊接工艺中，焊接材料选择是最具挑战性。因为对于无铅焊接工艺来说，无铅焊料、焊膏、助焊剂等材料选择是最关键，也是最困难。在选择这些材料时还要考虑到焊接元件类型、线路板类型，和它们表面涂敷情况。选择这些材料应该是在自己研究中证实了，或是权威机构或文件推荐，或是已经有使用经验。把这些材料列成表以备在工艺试验中进行试验，以对它们进行深入研究，了解其对工艺各方面影响。
对于焊接方法，要依据自己实际情况进行选择，如元件类型：表面安装元件、通孔插装元件;线路板情况;板上元件多少及分布情况等。对于表面安装元件焊接，需采取回流焊方法;对于通孔插装元件，可依据情况选择波峰焊、浸焊或喷焊法来进行焊接。波峰焊更适合于整块板(大型)上通孔插装元件焊接;浸焊更适合于整块板(小型)上或板上局部区域通孔插装元件焊接;局喷焊剂更适合于板上部分元件或少许通孔插装元件焊接。另外，还要注意是，无铅焊接整个过程比含铅焊料要长，而且所需焊接温度要高，这是因为无铅焊料熔点比含铅焊料高，而它浸润性又要差部分缘故。
在焊接方法选择好后，其焊接工艺类型就确定了。这时就要依据焊接工艺要求选择设备及相关工艺控制和工艺检验仪器，或进行升级。焊接设备及相关仪器选择跟焊接材料选择一样，也是相当关键。
2、确定工艺路线和工艺条件
在第一步完成后，就能够对所选焊接材料进行焊接工艺试验。经过试验确定工艺路线和工艺条件。在试验中，需要对列表选出焊接材料进行充足试验，以了解其特征及对工艺影响。这一步目标是开发出无铅焊接样品。
3、开发健全焊接工艺
这一步是第二步继续。它是对第二步在工艺试验中搜集到试验数据进行分析，进而改善材料、设备或改变工艺，方便取得在试验室条件下健全工艺。在这一步还要搞清无铅合金焊接工艺可能产生沾染知道怎样预防、测定多种焊接特征工序能力(CPK)值，和和原有锡/铅工艺进行比较。经过这些研究，就可开发出焊接工艺检验和测试程序，同时也可找出部分工艺失控处理方法。
4、还需要对焊接样品进行可靠性试验，以判定产品质量是否达成要求。
假如达不到要求，需找出原因并进行处理，直抵达成要求为止。一旦焊接产品可靠性达成要求，无铅焊接工艺开发就取得成功，这个工艺就为规模生产做好了准准备就绪后操作一切准备就绪，现在就能够从样品生产转变到工业化生产。在这时，仍需要对工艺进行处理以维持工艺处于受控状态。
5、控制和改善工艺
无铅焊接工艺是一个动态改变舞台。工厂必需警惕可能出现多种问题以避免出现工艺失控，同时也还需要不停地改善工艺，以使产品质量和合格晶率不停得到提升。对于任何无铅焊接工艺来说，改善焊接材料，和更新设备全部可改善产品焊接性能。

第4章 无铅焊接工艺技术和设备
4.1 无铅焊接工艺技术特点
电子产品制造业实施无铅化制程需面临以下问题：
1)焊料无铅化;
2)元器件及PCB板无铅化;
3)焊接设备无铅化、焊料无铅化。
到现在为止，全世界已报道无铅焊料成份有近百种，但真正被行业认可并被普遍采取是Sn-Ag-Cu三元合金，也有采取多元合金，添加In,Bi,Zn等成份。现阶段国际上是多个无铅合金焊料共存局面，给电子产品制造业带来成本增加，出现不一样用户要求不一样焊料及不一样工艺，未来发展趋势将趋向于统一合金焊料。
(1) 熔点高，比Sn-Pb高约30度;
(2) 延展性有所下降，但不存在长久劣化问题;
(3) 焊接时间通常为4秒左右;
(4) 拉伸强度早期强度和后期强度全部比Sn-Pb共晶优越；
(5) 耐疲惫性强；
(6) 对助焊剂热稳定性要求更高；
(7) 高Sn含量，高温下对Fe有很强溶解性。
4.2 新无铅焊接工艺及设备
4.2.1 元器件及PCB板无铅化
在无铅焊接工艺步骤中，元器件及PCB板镀层无铅化技术相对要复杂，包含领域较广，这也是国际环境保护组织推迟无铅化制程原因之一，在相当初间内，无铅焊料和Sn-PbPCB镀层共存，而带来 "剥离(Lift-Off)"等焊接缺点,设备厂商不得不从设备上克服这种现象。另外对PCB板制作工艺要求也相对提升，PCB板及元器件材质要求耐热性愈加好。
4.2.2 焊接设备无铅化
1波峰焊设备:因为无铅焊料特殊性，无铅焊接工艺进行要求无铅焊接设备必需处理无铅焊料带来焊接缺点及焊料对设备影响，预热/锡炉温度升高，喷口结构，氧化物，腐蚀性，焊后急冷，助焊剂涂敷，氮气保护等。
A 无铅焊接要求温度曲线分析：

经过上述曲线图和金属材料学知识，我们了解到为了取得可靠、最好焊点，温度T2最好值应大于无铅锡共晶温度，锡液焊接温度控制在2500C±20度(比有铅锡温度要求更严)，通常有高可靠要求军用产品，△T<300C，对于一般民用产品，提议温差可放宽到△T2<50度(依据日本松下要求);预热温度T1比有铅焊要稍高，具体数值依据助焊剂和PCB板工艺等方面来定，但△T1必需控制在50度以内，以确保助焊剂活化性能充足发挥和提升焊锡浸润性;焊接后冷却从温度T3(250度)降至温度T4(100～150度)，提议按7～11度/S降幅梯度控制;温度曲线在时间上要求关键是预热时间t1、浸锡时间t2、t3及冷却时间t4，这些时间具体数值确实定要考虑元器件、PCB板耐热性及焊锡具体成份等多方面原因，通常t1在1.5分钟左右，t2+t3在3～5S之间。
B 从以上温度曲线分析可确定设备结构及控制要求：
预热方法
预热时间t1在1.5分钟左右输送PCB板速度1.2m/min,预热长度要保障1.8M以上;为保障预热热稳定性预热结构必需采取封闭式结构，预热方法提议采取热风预热方法。从中国外设备厂研制波峰焊及用户使用分析，采取热风预热方法比较理想，因为采取全热风加热，可提升热效率，提升PCB板温度均匀性.
利用远红外预热和远红外加热风预热PCB板时间和温度改变曲线以下图所表示：

锡炉喷口
要克服无铅焊料润湿性(铺展能力)差给焊接带来缺点，需要4秒以上浸锡时间，假如采取双波峰焊接，两波峰之间最低温度要在220度以上锡炉喷口结构必需能达成符合以上温度曲线，设备厂家经过减小两喷口之间距离设计，来达成这个要求。
因为高Sn含量无铅焊料更易氧化，另外无铅焊料成本较高，控制锡氧化物生成量是焊接设备厂家必需考虑问题，部分中国外厂家已推出新波峰喷口结构，氧化物生成量同过去相比降低一倍.
腐蚀性
无铅焊料高Sn含量,在高温下对Fe有佷强溶解能力，传统波峰焊焊料槽及喷口大多数采取不锈钢材料，从而发生溶解反应，伴随时间推移，最终造成部件溶蚀损坏，尤其是喷口及叶轮部件。现在国外大多数厂家焊锡槽采取铸铁并镀防护层，中国大多数厂家采取钛合金材料。
氧 化
同Sn-Pb合金焊料相比，高Sn含量无铅焊料在高温焊接中更轻易氧化，从而在锡炉液面形成氧化物残渣(SnO2)，过多氧化物不仅影响焊接品质，而且使焊料成本浪费，尤其是对现在昂贵无铅焊料。多数设备厂家采取改善锡炉喷口结构来降低氧化物,当然最好对策是加氮气保护，氮气保护系统设备前期投入较大，假如从长远利益考虑是合理。中国外佷多设备厂家全部已推出氮气保护波峰焊，技术已成熟。
焊后急冷却
在无铅焊接工艺应用,通孔基板波峰焊接时常常会发生"剥离"缺点(Lift-off,或Fillet lifting),产生原因在于冷却过程中，焊料合金冷却速率和印刷电路板冷却速率不一样所致。无铅化推广前期，无铅焊料和镀有Sn-Pb元器件会有一段时间共存，假如采取是含Bi无铅焊料此种现象更为突出，处理对策是在波峰焊出出口处加冷却系统，至于冷却方法及冷却速率要求要依据具体情况而定，因为冷却速率超出6度/SEC.设备冷却系统要采取冷源方法，大多数采取冷水机或冷风机，国外研究有提到用冷液方法，可达成20度/SEC.以上冷却效果，成本很高，对于大规模电子产品生产厂家是无法承受，属于早期试验，真正被推广应用，在日本大多数厂家采取全无铅化方案(焊料/元器件/基板等全部无铅化)，设备冷却结构采取强制自然风冷却，对于中国电子产品生产厂家，提议采取Sn-Ag-Cu合金或Sn-Cu合金焊料，快速冷却速率控制在6~80度/SEC.或8~120度/SEC