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有铅工艺和无铅工艺的区别到底在哪里？     最近有很多电子行业的朋友问起：“有铅工艺和无铅工艺之间的差别到底在哪里？价格差那么大，对生产的影响到底体现在哪些方面？该如何选择？”也有朋友一直在说无铅工艺还不如有铅工艺，无铅工艺单波峰焊接不了等问题；今天就特地就这个问题和大家探讨一下，发表一些我的个人看法。   趋势     首先我们来看看有铅和无铅的趋势，随着国际环保要求逐步提高，无铅工艺成为电子产业发展的一个必然过程。尽管无铅工艺已经推行这么多年，仍有部分企业使用有铅工艺，但无铅工艺完全代替有铅这是一个必然的结果。但是无铅工艺在使用方面有些地方也许还不如有铅工艺，所以我们以后要研究的是如何让无铅工艺更好地替代有铅工艺。让rosh环保更广泛的普及，达到既盈利又环保的双赢目标。   现状     当前国内许多大公司也没有完全采用无铅工艺而是采取有铅工艺技术来提高可靠性，在机车行业中西门子和庞巴迪等国际知名公司也没有完全采用无铅工艺进行生产，而是尽量豁免。     当前有许多专业也认为无铅技术还有许多问题有待于进一步认识，如著名工艺专家李宁成博士也认为当前的无铅工艺技术的发展还没有有铅技术成熟，如先前的无铅焊接采用的最多的Sn3Ag0.5Cu焊料合金，最近发现由于Cu的含量稍低，焊点可靠性有些问题，有人建议将Cu的质量分数提高到1%~2%，但是现在时常上还没有这种焊料合金的产品。同时无铅焊接的电子产品的可靠性数据远远没有有铅焊接生产的电子产品丰富。   比较     有铅工艺技术有上百年的发展历史，经过一大批有铅工艺专家研究，具有交好的焊接可靠性和稳定性，拥有成熟的生产工艺技术，这主要取决于有铅焊料合金的特点。     有铅焊料合金熔点低，焊接温度低，对电子产品的热损坏少；有铅焊料合金润湿角小，可焊性好，产品焊点“假焊”的可能性小；焊料合金的韧性好，形成的焊点抗震动性能好于无铅焊点。     无铅焊接工艺从目前的研究结果中摸索有可替代合金的熔点温度都高于现有的锡铅合金。例如从目前较可能被业界广泛接受的“锡——银——铜”合金看来，起熔点是217℃，这将在焊接工艺中造成工艺窗口的大大缩小。理论上工艺窗口的缩小为从锡铅焊料的37℃降到23℃。实际上，工艺窗口的缩小远比理论值大。因为在实际工作中我们的测温法喊有一定的不准确性，加上DFM的限制，以及要很好地照顾到焊点“外观”等，回流焊接工艺窗口其实只有约14℃。            240℃     203℃ 过热 -37℃     260℃     237℃ 过热 -23℃ 含铅工艺窗口 含铅工艺窗口 过冷 过冷                                                       图：  有铅工艺窗口和无铅工艺窗口对比       不只是工艺窗口的缩小给工艺人员带来巨大的挑战，焊接温度的提高也使得焊接工艺更加困难。其中一项就是高温焊接过程中的氧化现象。我们都知道，氧化层会使焊接困难、润湿不良以及造成虚焊。氧化程度除了器件来料本身要有足够的控制外，拥护的库存条件和时间、加工前的处理(例如除湿烘烤)以及焊接中预热(或恒温)阶段所承受的热能(温度和时间)等都是决定因素。     由于无铅焊接工艺窗口比起含铅焊接工艺窗口有着显著的缩小，业界有些人认为氮气焊接环境的使用也许有必要。氮气焊接能够减少熔锡的表面张力，增加其湿润性。也能防止预热期间造成的氧化。但氮气非万能，它不能解决所有无铅带来的问题。尤其是不可能解决焊接工艺前已经造成的问题。     在目前的回流焊接设备中，使用强制热风对流原理的炉子设计是主流。热风对流技术在升温速度的可控性以及恒温能力方面较强。在加热效率和加热均匀性以重复性等方面较弱。这些弱点，在含铅技术中体现的并不严重，许多情况下还可以被接受。随着无铅技术工艺窗口的缩小和对重复性的更高要求，热风对流技术将受到挑战。   无铅和有铅工艺技术特点对比表：   类别 无铅工艺特点 有铅工艺特点 焊料合金 焊料合金成分 有多种焊料合金可供选择，目前逐步同意为Sn96.5Ag3Cu0.5(SAC305)；最好回流焊接和波峰焊接都选择同一款焊料合金。但是考虑到成本，许多厂家波峰焊接会选择Sn99.3Cu0.7焊料。对生产现场焊料合金的使用造成混乱 无论是何种焊接方式，焊料合金一直采用Sn63Pb37,不会对生产现场焊料合金的使用造成混乱 焊料合金使用混乱 焊料合金使用混乱，目前有人提倡使用Cu的质量分数在1%~2%的合金，但是市场上还没有此类产品 焊料合金单一 焊料成本 波峰焊接用的锡条和手工焊接用的锡线，成本提高2.7倍。回流焊接用的锡膏成本提高约1.5倍 焊料成本低 焊料合金熔点温度 温度高217℃ 温度低183℃ 焊料可焊性 差 好 焊点特点 焊点脆，不适合手持和振动产品 焊点韧性好 焊料/焊端兼容性 焊端中不能含铅 焊端中可以含铅 能耗 焊接能耗 无论是波峰焊/回流焊/手工焊接，能耗比有铅焊接多10%~15% 能耗较低 设备需求 波峰焊 需要添加新的波峰焊机 不需要(提升产能例外) 回流焊 设备温区数量要多，以增加调整回流温度曲线灵活性。炉体长 也可以采用多温区的设备，增强温度曲线调整的灵活性 手工焊接 更换烙铁头 不需要更换 印刷/贴片机 不需要更换，但是印刷/贴片精度要求更高 不需要更换 焊接工艺 水清洗工艺 不建议使用 可以使用 回流焊接 工艺窗口小，温度曲线调整较难。焊点空洞难以消除。焊点上锡不好 工艺窗口大，温度曲线调整较易。焊点空洞较好消除，焊点上锡较好 波峰焊接 焊点上锡不好，需要加快冷却，锡槽合金杂质含量检测频繁度加大，有可能生产现场需要检测仪器 焊点上锡较好，锡槽合金杂质含量检测频繁度不大，不需要生产现场检测仪器 手工焊接 烙铁头损耗加快 烙铁头损耗较小 PCB要求 板材 可以沿用有铅时用的板材，最好采用高Tg板材。采用高Tg板材，板材成本上升10%~15% 板材不需要改变 焊盘处 理方式 有机可焊性保护(OSP)，化学镍金 热风整平，也可采用有机可焊性保护(OSP),化学镍金 OSP特点 焊盘平整，对印刷工序要求高，PCB保存时间短，对计划要求高。对ICT测试有影响   化学镍金 焊盘平整，对印刷工序要求不高，PCB保存时间长，对计划要求不高。对ICT测试没有影响，存在“黑盘”的可能性   元器件 耐热性 耐热性要求高 耐热性要求不是很高 焊端可焊性 要求高 要求一般 焊点检查 外观 焊点粗糙，检验较难 焊点光亮，检验较易 “爆米花”现象 由于温度的升高，在无铅焊接中许多IC的防潮敏感性都会提高一到两个等级。也就是说，拥护的防潮控制或处理必须加强。这对于那些很小批量生产的用户将有较严重的影响。因为许多很小批量生产的用护都有较长时间的来料库存时间。如果库存的防潮设施不理想，就必须通过组装前烘烤除湿的做法来防止“爆米花”的问题。烘烤虽然能够解决“爆米花”问题，但烘烤过程中会加剧器件焊端的氧化，带来了焊接的难度。一个可行的做法是使用惰性环境烘烤，但这在设备、耗材(惰性气)和管理上都大大增加了成本 IC的防潮敏感性只要加以注意和管理即可，容易得到控制 “立碑” 现象 在无铅技术中更加严重。这是因为无铅合金的表面张力较强的原因。解决的原理和含铅技术一样，其中通过DFM控制器件焊端和焊盘尺寸以及两端热容量最为有效。其次可通过工艺调整减少器件两端的温差。该注意的是，虽然原理不变，但无铅的工艺窗口会小一些，所以用户必须首先确保本身使用的炉子有足够的能力，即有良好的加热效率以及稳定的气流 在有铅技术中存在，但有铅工艺窗口会宽一些，容易解决 “气孔” 现象 在锡铅技术中已经是个不容易完全解决的问题。而进入无铅技术后，这问题还会随无铅合金表面张力的提高而显得更严重。要消除“气孔”问题，有三个因素必须注意；锡膏特性(锡膏选择)、DFM(器件焊接端结构、焊盘和模板开口设计)以及回流工艺(温度曲线的设置)。其控制原理和含铅技术中没有不同，知识工艺窗口小了些 在锡铅技术中“气孔”问题是个不容易完全解决的问题 业界可靠性数据 可靠性数据不足，还有许多未知的特点或缺点没有发现 可靠性数据很多，已使用很多年     无铅和有铅工艺成本和设备通用性比较：     绝大多数的有铅设备都适用于无铅工艺，包括：印刷机、贴片机、回流炉、BGA返修台、分板机和测试设备。只有一个例外，那就是波峰焊机，无铅/有铅波峰焊机要严格区分。 1.  成本大大提高     有铅工艺转化为无铅工艺，其成本提高主要是无铅辅助材料和无铅印制电极板成本提高，无铅器件成本基本差不多。 2.  无铅和有铅工艺设备通用性比较     有铅工艺转化为无铅工艺，在设备上基本通用，只是在波峰焊机和锡锅两种设备要严格区分，具体对比如下表：   无铅设备 无铅工艺 有铅工艺 波峰焊机 通用 可用于有铅工艺，但用过后就无法再转回无铅工艺 锡锅 通用 可用于有铅工艺，但用过后就无法再转回无铅工艺 回流焊 通用 通用 印刷机 通用 通用 贴片机 通用 通用 回流炉 通用 通用 BGA返修台 通用 通用 分板机 通用 通用 测试设备 通用 通用     结论：     在无铅工艺技术完善以前，企业是否采用无铅工艺，应考虑到公司制造生产设备，当然也要顾及今后的无铅工艺技术的发展，因此对于各制造厂应慎重考虑和抉择采用无铅工艺。   备注：此问由《深圳力锋科技》和《电子工艺技术》提供资料，由笔者整理。