中心議題：

• 鉛化焊接中的熱風整平技術
• 各種焊接效果的對比

解決方案：

• 操作溫度在250℃～260℃之間
• 銅含量達到大約0．5％

鉛(qian)在(zai)電(dian)子(zi)工(gong)業(ye)中(zhong)有(you)著(zhe)非(fei)常(chang)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)
，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)它(ta)的(de)價(jia)格(ge)比(bi)較(jiao)低(di)廉(lian)，同(tong)時(shi)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)導(dao)電(dian)性(xing)和(he)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)的(de)熔(rong)點(dian)。然(ran)而(er)

，根(gen)據(ju)有(you)關(guan)的(de)國(guo)際(ji)公(gong)約(yue)，特(te)別(bie)是(shi)歐(ou)盟(meng)的(de)規(gui)定(ding)：xuduoguojiahedianzichanpinyonghudejishubiaozhundouguiding，zaitigongxiaoshoudeshangpinzhongyaoxiaochuyouhaicailiaoyiyiqiandeshiyong。yincijinguantadeyingyongfeichangpuji，danzaidianzixingyezhongrenmenhaishizaibuduandixunzhaoqiandetidaipin。

1　在無鉛化挑戰中的熱風整平技術的思考

熱風整平(HotAirLeveling，簡稱HAL)的工作原理是利用熱風將印製板表麵及孔內多餘焊料吹掉，剩餘焊料均勻塗覆在焊盤及無阻焊料線條、表麵封裝器件上麵。

熱風整平的工藝比較簡單，主要是：放板、熱風整平前處理、熱風整平、熱風整平後清洗和檢查等。熱風整平的工藝雖然簡單
，但是，若想熱風整平出優良合格的印製板還有很多的工藝條件需要掌握，例如：焊料溫度、風刀氣流溫度、風刀熱風壓力、操作時間和提升速度等等。這些條件都有設定值，但操作時又要根據印製板的外在條件及加工單的要求作相的調整變化，例如：板厚
、板長、單麵、雙shuang麵mian和he多duo層ceng板ban。它ta們men所suo采cai用yong的de條tiao件jian是shi有you差cha異yi，隻zhi有you熟shu悉xi掌zhang握wo各ge種zhong工gong藝yi參can數shu，根gen據ju印yin製zhi板ban的de不bu同tong的de類lei型xing和he要yao求qiu，進jin行xing耐nai心xin細xi致zhi地di設she備bei調tiao整zheng，才cai能neng用yong熱re風feng整zheng平ping出chu合he格ge的de印yin製zhi板ban。

約10年前，在全世界所有PCB組件中的80％以上仍然采用熱風整平工藝技術。3年前，在所有PCB組件中仍然有超過60％的采用熱風整平作為PCB表麵處理方式。然而到目前為止，絕大多數的研究工作是針對利用化學鍍鎳浸金(ElectrolessNickellm-mersionGold
，簡稱ENIG)
、浸銀
、浸錫和有機焊料防護(OrganicSolder：Preservative
，簡稱OSP)對PCB組件進行表麵塗覆處理。針對PCB組件的無鉛化熱風整平處理常常被人遺忘。
　　
無鉛化合金熱風整平工藝技術可分為兩大類：SnAgCu合金和SnCu合金。盡管說SnCu基合金與SnPb37的熔化點之間有固定的差異(44℃)，但當這兩大類合金在用於裝配和熱風整平處理的時候
，工藝操作溫度的實際差異在10℃～20℃之間。在采用熱風整平工藝、波峰焊接和SMT。焊接設備進行操作時
，SnPb合金通常在250℃～260℃的溫度範圍內進行操作，而SnCuCo合金的工藝操作溫度在260℃一270℃的範圍內，SAC305合金在255℃．265℃的溫度範圍內。表l詳細列舉了一些無鉛化焊料和SnPb合金的物理參數。


當dang選xuan擇ze無wu鉛qian化hua合he金jin的de時shi候hou，是shi選xuan兩liang種zhong成cheng分fen還hai是shi三san種zhong成cheng分fen，應ying該gai有you不bu同tong的de考kao慮lv。首shou先xian，二er元yuan合he金jin比bi起qi三san元yuan合he金jin來lai在zai材cai料liao方fang麵mian顯xian得de相xiang對dui簡jian單dan。其qi次ci，在zai熔rong點dian溫wen度du方fang麵mian10℃的差異意味著在通孔波峰焊接應用方麵的機會很小，但是同樣的10℃zaizailiuhanjiejiareluzhongdouxiandejiaoda，zaizailiuhanjiejiareluzhongdaideshijianxiangduijiaochang。tongyang，youyuzheerleihejinnenggouyusuoyoudeqitadianlubanshangdebiaomiantufuxiangshiying，suoyisihubuxuyaohuafeiewaidefeiyongzaihanyinhejinshangmian
，yiqiunenggoumanzubofenghanjieherefengzhengpingdexuyao。
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2　相關的測試工作

為了能夠產生與SnPb37相媲美的效果，人們在期待理想的無鉛化替代焊料時，會要求能夠與SnPb37一樣潤濕銅的表麵。美國MetallicResourcesInc公司的技術人員為了驗證上述焊料在熱風整平中的表現情況
，對此開展了一係列的測試和研究工作，下麵予以介紹。

美國：MetallicResourcesInc公司的技術人員采用了潤濕天平(WettingBalance)作為測試的主要手段。通過對SnCuCo的潤濕情況評估，以確定在現有的溫度條件下能否達到最理想的潤濕效果。該測試項目被作為SnCuCo合金和SnPb37潤濕特性之間進行比較的一種方法，測試工作是在一台Metronelec潤濕天平上進行的。

利用潤濕天平首先對SnPb37材料進行測試，所采用的溫度為250℃(為推薦采用的操作溫度)，從而建立起一個基準值，用來與所選用的無鉛化焊料合金進行比較。

對SnPb37合金的測試：
溫度：250℃

；

　　最大潤濕力：0．32mN／mm：

　　達到最大潤濕效果的時間：0．241s；

　　在1．125s時的平均力：0．32mN／mm。

　　接下來，通過潤濕天平對SnCuCo合金進行了測試：

　　溫度：250℃、255℃、265℃、275℃：

　　最大潤濕力(mN／mm)：～0.30、～0．30
、>0．3l、>0．31：

　　達到最大潤濕效果的時間(s)：～0．27、0．26
、～0．24、～0．24：

　　在1．125s時的平均力(mN／mm)：0．29、0．30、0．31、0．30。

3　對潤濕性測試結果的分析

在測試觀察時間方麵將時間段設置為10s，該時間段是兩大類材料之間的最小時間劃分。對表麵塗覆的檢查顯示SnPb37，就統計意義來說在所有的溫度段與無鉛化焊料存在著差異。從潤濕起始1s開始進行密切的檢查，在熱風整平和波峰焊接中給予平均2s的(de)接(jie)觸(chu)時(shi)間(jian)是(shi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)，在(zai)再(zai)流(liu)焊(han)接(jie)中(zhong)較(jiao)長(chang)的(de)接(jie)觸(chu)時(shi)間(jian)顯(xian)示(shi)了(le)兩(liang)組(zu)之(zhi)間(jian)的(de)差(cha)異(yi)。在(zai)理(li)想(xiang)的(de)潤(run)濕(shi)狀(zhuang)態(tai)下(xia)麵(mian)
，為(wei)了(le)能(neng)夠(gou)達(da)到(dao)最(zui)大(da)的(de)潤(run)濕(shi)效(xiao)果(guo)應(ying)該(gai)在(zai)開(kai)始(shi)階(jie)段(duan)盡(jin)可(ke)能(neng)地(di)呈(cheng)現(xian)出(chu)陡(dou)升(sheng)的(de)狀(zhuang)態(tai)。

SnPb37在它的上升過程中幾乎是以不變的斜率上升的。無鉛化焊料在250℃-255℃的時候緩慢地開始潤濕。在265℃～275℃的時候
，上升的速率非常接近理想的形狀。對於SnPb37來說焊料的潤濕是瞬間完成的；上升達到的最大的潤濕力是在0．24lS以內。最大潤濕力是可以達到可潤濕長度的0．32mN／mm。

對於SnCuCo來說，在265℃的時候潤濕現象也是在瞬問發生的。上升的斜率是不變的，它接近教科書上所述的，最大的潤濕力略低於0．31mN／mm。對於SnCuCo來說
，在275℃的時候潤濕現象是在瞬間完成的。它的上升斜率與SnPb37組材料非常的相似，最大的潤濕力略微地低於0．31mN／mm。

對於Sn99．5Cu0．3Co來說它的潤濕特性曲線可以模擬SnPb37，在SnPb37的基礎上麵增加15℃～25℃decaozuowendu。zaishengchanguochengzhongzengjiayuredewendukeyiyouzhuyubuchangsuoyaoqiudewenduzengjia
，tajiangyouzhuyukongzhitongderongjiesulv。zaizengjiawendudetongshi，runshiliyehuidedaogaishan，congeryuSnPb37相適應。
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4　焊料中承載銅的能力

人們可以獲知在SnPb37焊料操作中能夠承載多少銅的重要數據。在J-STD一00l中表示最大的銅含量為0．3％。通過多年SnPb焊接工藝所獲取的經驗表明
，在操作溫度在250℃～260℃之間
，銅含量達到大約0．5％的時候
，會對焊料的性能產生不利的影響。令人感到遺憾的是
，對於無鉛化焊料合金來說類似的數據還沒有建立起來。SnCu0．7中的共熔合金SnCu己經擁有的銅含量大大超出在SnPb焊接工藝過程中能夠容忍的範圍。
　
美國MetallicResourcesInc公司的技術人員通過有關設備來確定新穎的無鉛化合金與SnPb合金在銅集中方麵是否有相互關聯。他們將形狀大小和重量完全相同的純銅段材在不同的溫度情況下麵被放入到具有SnCuCo和SnPb共溶合金的實驗池之中。實驗池所選擇的溫度以模擬焊接操作溫度為目標。銅片被浸入到流通的焊料池之中，時間為15min。在15min以後銅片被移出，然後從焊料池中取出樣品。焊料樣品利用發射分光光度計(EmissionSpectrophotometer)進行分析

，然後再放回入焊料池中。


數據顯示(表2)銅(tong)溶(rong)解(jie)的(de)速(su)度(du)受(shou)到(dao)溫(wen)度(du)和(he)己(ji)有(you)銅(tong)含(han)量(liang)的(de)共(gong)同(tong)作(zuo)用(yong)。當(dang)溫(wen)度(du)增(zeng)加(jia)的(de)時(shi)候(hou)
，溶(rong)解(jie)的(de)速(su)度(du)也(ye)增(zeng)加(jia)，當(dang)銅(tong)的(de)含(han)量(liang)增(zeng)加(jia)時(shi)，溶(rong)解(jie)的(de)速(su)率(lv)會(hui)降(jiang)低(di)。從(cong)兩(liang)種(zhong)合(he)金(jin)的(de)數(shu)據(ju)中(zhong)可(ke)以(yi)得(de)出(chu)推(tui)薦(jian)的(de)操(cao)作(zuo)溫(wen)度(du)(對於SnPb37為250℃
，對於SnCuCo為265℃℃)
，這是特別令人感興趣的。這兩種合金在它們所推薦的溫度點上標繪出一根曲線
，可以發現它們符合對數回歸曲線的特性。

在SnPb37的曲線上顯示在0．1％銅含量下麵溶解速率呈現快速上升的現象，而當銅含量達到0．35％的時候形成平穩的上升狀態
，隨後當銅含量達到0．40％時
，它幾乎呈現出一恒定的速率。行業內的經驗表明在這種銅聚集的周圍
，焊料的性能開始發生惡化。當焊料中的銅含量達到0．5％的時候，各種各樣不良的現象會發生。

通過從SnCuCo合金上麵所獲取的數據認識進行推斷，當焊料的操作溫度維持在265℃的時候
，可以預計當焊料中銅含量大約在0．85％的時候可以獲得令人滿意的效果，當高於1．0％的時候性能會變壞。
　　
一些其它值得注意的現象包括：對於初始銅含量大約為O．3％的未經使用的SnCuCo
，與銅含量為0的新啟用的SnPb37相比較，在經曆各種溫度狀態下的研究後發現
，銅溶解的速度顯得相當的慢。
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5　銅厚度的減少

從現在的推測來看如果熱風整平采用高錫無鉛化焊料並處在一個較高的操作溫度下麵的時候

，將會從PCB組件上去除大量的銅。為了決定哪些是需要特別關注的問題，美國MetallicResourcesInc公司的技術人員通過熱風整平技術對PCB組件開展研究。從研究數據中可以看出，就從PCB組件上麵移除銅來說，在SnCuCo合金和SnPb37之間沒有什麼差異。
　
在通過第一次的時候，無鉛化合金比起SnPb37焊料除去的銅要少。同樣，當通過第二次的時候

，僅有12．5％和10％被移除
，在經曆第三次的時候僅有25％和20％的銅被移除(表3)。


正如前文所談及的那樣，在實施PCB組件製造的時候，所采用熱風整平工藝的比例從高達所有電路板中的80％減少到大約60％。隨著要求具有平坦一致的表麵(共平麵)的SMT技術穩步發展
，這種減少現象還會同步的發生。傳統的SnPb熱風整平工藝能夠提供具有令人滿意共麵性的SMT電路板。現在關注的是無鉛化中熱風整平會產生什麼問題
，經無鉛化熱風整平的電路板會更好還是更壞，或者與經SnPb熱風整平工藝處理的PCB組件是否具有相同的共平麵效果?美國MetallicRe—sourcesInc公司的技術人員為此開始了一次又一次的試驗
，結果表明SnCuCo比起傳統的SnPb共熔合金
，會產生略簿一些、更趨共平麵效果的塗覆。這些結果被反複地的進行研究。表4顯示了從一台水平放置的熱風整平設備上實施這些試驗的一些測試結果。

6　對表麵塗覆的測試

針對電路板可以采用包括熱風整平焊料塗覆在內的許多不同的板表麵塗覆技術。美國MetallicRe—sourcesInc公司的技術人員為了確定如何對SAC305和SnCuCo焊han膏gao進jin行xing潤run濕shi，開kai展zhan了le費fei用yong昂ang貴gui的de測ce試shi工gong作zuo
，以yi求qiu能neng夠gou在zai目mu前qian所suo有you可ke以yi采cai取qu的de表biao麵mian塗tu覆fu技ji術shu中zhong尋xun找zhao到dao能neng滿man足zu要yao求qiu的de電dian路lu板ban表biao麵mian處chu理li技ji術shu。將jiang已yi知zhi的de每mei一yi種zhong焊han膏gao利li用yong不bu同tong的de板ban塗tu覆fu技ji術shu對dui試shi樣yang進jin行xing塗tu覆fu
，然ran後hou將jiang它ta們men放fang置zhi在zai所suo推tui薦jian的de操cao作zuo溫wen度du卜bu進jin行xing再zai流liu焊han接jie，其qi中zhong對duiSAC305采用255，而對SnCuCo采用265℃。圖1顯示了SnPb37在水溶性和非水溶性焊膏中的潤濕情況(Sn63WSPaste為水溶性焊膏、sn63NCPaste為免清洗焊膏)，這裏采用了五種類型的電路板表麵處理方式。對於每一種板塗覆技術分別測試了10件樣品
，最左邊的一列為熱風整平塗覆，隨後為OSP、浸錫、浸銀和ENIG。測試結果顯示在水溶性和非水溶性焊膏兩種方式中浸銀會產生不良的潤濕後果，隨後是ENIG和OSP。在浸錫(見第三列)的實例中
，焊膏散布在銅表麵下方
，從而形成金屬間的晶粒現象。


圖2顯示了焊膏通過薄薄的浸錫層(因為它在再流焊接的溫度條件下麵很容易發生溶化現象)進入到銅表麵形成散布現象的放大圖像，結果就形成了金屬間化合物，它將會導致不良的可焊性情況產生。參見圖1所示

，熱風整平樣品顯示出產生了比OSP、浸銀和ENIG更大的潤濕麵積。這種塗覆還不會擴展到銅的下方。

圖3顯示了SAC305水溶性和非水溶性焊劑在同樣的電路板表麵塗覆處理情況下所反映出來的潤濕特性。同樣，浸銀處理後形成了最差的潤濕效果，隨後是OSP



、ENIG和浸錫。經熱風整平技術表麵處理的樣品在兩種情況下都顯示出具有較大的潤濕麵積。[page]

圖4顯示了SnCuCo合會的潤濕特性。它與存采用了各種塗覆方式的電路板上的SAC305具有非常相似的效果。這也就說明SnCuCo至少與SAC305一樣

，在電路板潤濕方麵具有相同的性能。

為了能夠進一步方便地進行比較，圖5顯示了SnCuCo和SAC305在所有五種電路板塗覆形式中的潤濕特性。再一次，熱風整平表麵塗覆處理表現出最好的潤濕效果，隨後是浸錫、ENIG、OSP和浸銀。

7對潤濕測試的總結
　　
美國MetallicResourcesInc公司的技術人員通過上述的測試工作做出了總結

，指出不同塗覆所產生的效果：



ENIG——潤濕效果不良。然而，標準的SnPb37焊膏能夠比SAC305和SnCuCo提供20％以上的擴散效果。

　　浸銀——在所有的焊膏中均表現出不良的潤濕效果。

　　OSP——對於具有鈷和SAC合金的材料表現出不良的潤濕效果。標準的SnPb37顯示可以達到超出30％以上的良好潤濕效果。

　　浸錫——標準的SnPb37趨向於通過完全去除掉非常簿的熔錫塗層而達到下麵的銅層上麵。有證據表明在塗層的外沿部分有金屬問化合物的跡象。

　　熱風整平——SnPb37顯示在塗層的邊沿沒有金屬間化合物的情況下具有良好的潤濕表現。同樣也顯示與鈷和SAC合金相結合具有適度的潤濕效果。

就整體而言，熱風整平電路板表麵塗覆處理可以達到最佳的潤濕效果，它不會受到焊膏的影響。鑽的潤濕效果與SAC一樣好。於是廉價的鈷成為SAC的(de)良(liang)好(hao)替(ti)代(dai)品(pin)。焊(han)膏(gao)趨(qu)向(xiang)於(yu)通(tong)過(guo)薄(bo)薄(bo)的(de)錫(xi)層(ceng)進(jin)入(ru)到(dao)銅(tong)巾(jin)進(jin)行(xing)擴(kuo)散(san)，從(cong)而(er)引(yin)發(fa)銅(tong)的(de)小(xiao)瘤(liu)現(xian)象(xiang)發(fa)生(sheng)。浸(jin)銀(yin)表(biao)麵(mian)處(chu)理(li)方(fang)法(fa)在(zai)整(zheng)塊(kuai)電(dian)路(lu)板(ban)上(shang)展(zhan)示(shi)出(chu)的(de)潤(run)濕(shi)效(xiao)果(guo)最(zui)差(cha)。ENIG和OSP與SnPb37焊膏結合的表現略好一點。

美國MetallicResourcesIncgongsidejishurenyuantongguoduijingguobutongbiaomiantufuchulidedianlubanjinxinghejintufuceshihoudepingjunqingkuangbijiao
，faxianwuluncaiyongshenmeyangdewuqianhuahejin
，suoyouhangaodounenggouyujingguorefengzhengpingtufudedianlubanhenhaodeshiying，zhanxianlechuantongderefengzhengpingjishuzaiwuqianhuagongyizhongdeguangfanyingyongqianjing。