论新一代焊接趋势

中盛科技技术部 Simon Zhang（张蒙）著

    铅（Pb），是一种有毒的金属，对人体有害。并且对自然环境有很大的破坏性，出于环境保护的要求，特别是ISO14000的导入，世界大多数国家开始禁止在焊接材料中使用含铅的成分，即无铅焊接（Leadfree）。
日本在2004年禁止生产或销售使用有铅材料焊接的电子生产设备。欧美在2006年禁止生产或销售使用有铅材料焊接的电子生产设备。采用无铅焊接已是大势所趋，国内一些大型电子加工企业，更会加速推进中国无铅焊接的发展。

     摩托罗拉先进技术中心主任Iwona Turnik博士在IPC主办的Works99会议发表的市场调查报告中表明：
1. 20%的消费者在购买时会主动考虑环境问题。
2. 45%的消费者购买动机是因为产品对环境安全。
3. 50%的消费者更换品牌是因为发现它对环境有害。
4. 76%的消费者将在价格和质量相当的情况下首先选择环保产品。

     例如，日本所有的大型消费类电子产品公司都在大量生产无铅电子产品，推销时使用“绿色产品”作为竞争卖点，特别是消费类电子市场。松下1998年推出了无铅微型CD播放机，包装上用了一片绿色的树叶，作为环保安全标志，市场份额增长显著：从4.7%增长到15%。
汽车行业将是“无铅”趋势的主要动力。汽车“无铅”化不仅对环保有益，而且无铅焊接也改善了焊点的耐温特性。大部分汽车电子部件都被安装在发动机室，因此要承受更高的工作温度（高达摄氏150度）和更剧烈的温度变化。竞争的压力以及担心被排挤出国际大市场的双重考虑，使全球大部分主要电子生产厂家开始为无铅产品做准备。

     信息产业部经济运行司高振杰处长介绍，酝酿两年之久的《电子信息产品污染防治管理办法》有望在年内出台。

　　 管理办法（初稿）规定电子信息产品的设计应当考虑其对环境和人类健康的影响，应选择无毒、无害、易于降解和便于回收利用的方案。生产者应当采取措施逐步减少并淘汰电子信息产品中铅、汞、镉、六价铬、聚合溴化联苯（PBB）、聚合溴化联苯乙醚（PBDE）及其它有毒有害物质的含量。欧盟公布的《关于在电子电气产品设备中禁止使用某些有害物质指令》，规定自2006年7月1日起开始在欧盟市场禁止销售含有铅、汞、镉等6种有害物质电子电气设备。

　　 作为应对该指令的措施，我国出台这项管理办法，其禁铅时间表有可能与欧盟同步，也就是说我国将在2006年7月1日起投放市场的国家重点监管目录内的电子信息产品不能含有上述6种有害物质。

　　 业内人士表示，该管理办法出台将意味着电子信息产业面临着一场技术革命，电子产品无铅化包括无铅焊料、新型助焊剂、电子组装无铅化设备、新的工艺参数等一系列问题，需要企业与研究机构高度重视与及早应对，否则在今后的国内外市场竞争中国内企业将陷入被动局面。

     为了适应这一系列焊接工艺的变革、适应市场的客观需求，无铅焊接的工艺要求也成为了很多企业的工作主题。

     无铅焊由无铅焊料、无铅焊接工具、无铅焊接环境三部分组成，而这三部分中的每一项对于无铅焊接的成功与否都是至关重要的。

     一． 无铅焊料：

     与传统的含铅焊料相比，无铅焊料的原理就是由一些合金混合物来替代原有的铅，其特点就是这种合金的熔融温度要略高于含铅焊料。

     以Sn/Ag合金为例，其熔融温度为221摄氏度，高于含铅焊料的熔融温度183摄氏度，而另一些无铅焊料Sn/Ag/Cu熔点为218摄氏度、Sn/Ag/Cu/Sb熔点为217摄氏度。

     二． 无铅焊接工具：

     无铅焊接工具与以往含铅焊接相比，生产设备方面不会有太多的改变，而对于返修工艺来说，将面临更大的挑战。

     如前段无铅焊料中，已提及无铅焊料的原理就是由一些合金混合物来替代原有的铅，而这些合金材料的成分中Cu的使用最多。Cu是易氧化物，其氧化物CuO2与Cu相比硬度降低，就如同氧化铁（铁锈）。一旦无铅焊料中的Cu在焊接过程中焊接时间过长，就容易造成被氧化，最终会成为产品质量的缺陷。

     由此可以得出结论，焊接过程越短，焊接质量就越为可靠！

     在目前市场上有多款面向于无铅焊接领域的烙铁，对此做出了一个实验（如下图）

     以下是2个试验条件和结果：

     1． 4种烙铁头的温度都设在329Co，每个烙铁头连续完成10个焊点，每个焊点的温度达到同样的温度232Co时，完成下一个焊点。

当10个焊点都完成后，记录每种烙铁所用的全部时间如下：

METCAL——150秒 PACE——204秒

WELLER——245秒 HAKKO——316秒

该试验表明，METCAL烙铁所用时间最短，说明其功率输出效率高，比HAKKO的速度快一倍以上。

     2．如果使这4种烙铁都保持同样的焊接速度，即使每一个烙铁所用时间都保持在150秒，其它烙铁就必须升高烙铁头的温度，而METCAL烙铁仍维持329Co的温度不变：

METCAL——150 秒——329 Co PACE——150 秒——349 Co

WELLER——150 秒——380 Co HAKKO——150 秒——409 Co

     我们可以得出结论，Metcal SP200的升温速度比其它至少快25%，而比Hakko926ESD则要快一倍以上。

     无铅焊接虽然对焊接工具提出了更高的要求，但经实验我们发现部分无铅烙铁已经能满足现有无铅焊料的要求，使用Metcal烙铁更能有效的防止焊接过程中氧化现象的产生，确保了无铅焊接的可靠性。

     三． 无铅焊接环境：

     无铅焊接环境是指在无铅焊接过程中，对无铅焊接成功与否造成决定性因素的一些周围环境。较为典型的例子，就是在无铅回流焊、无铅波峰焊、无铅芯片级返修过程中是否有氮气保护。

     在前段无铅焊接工具一节中提到的金属物的氧化现象的产生，正是由于在焊接过程中有氧气的存在，而氮气保护正能避免该现象的发生，从而保证无铅焊料在焊接过程中，焊接质量的可靠性。

     目前无铅回流焊、无铅波峰焊的技术已经相对成熟，品牌之间的竞争已经从技术上转向为价格与服务方面，究其原因，就是众多无铅回流焊、无铅波峰焊的生产企业对氮气保护技术上的一致性认可。

     而在无铅芯片级返修中，由于BGA芯片在近期被逐渐普及开来，由于其封装特点的特殊性，故在BGA返修技术上一直区分为两种：热风式和红外式。

     热风式BGA返修工作站特点是质量可靠、焊接过程可控，红外式BGA返修工作站特点是速度快。

     而在热风式BGA返修工作站中，有些产品正是提供了氮气保护这一功能，符合无铅焊接环境的基础要求。而红外式BGA返修工作站由于无铅焊时没有氮气保护，加速了芯片氧化。

     INTEL公司在研发新一代计算机CPU过程中，也采用了无铅焊接工艺，并提倡了热风式返修系统。由美国OK国际集团提供热风式返修设备与INTEL公司共同研发新一代计算机CPU。（如图）

     当今世界越来越关注铅带来的环境和健康危害。尽管电子行业铅的用量只占世界总铅量中极其微小的一部分，但我们所关注的是大部分的电子垃圾最后都是掩埋在地下，污染地球和水资源。

     今天已有许多公司，特别是日本的一些消费类电子产品制造商，正在大量生产无铅产品，并且成效卓著。另外，国际上不同的实验室和生产线，已经进行了大量关于产量，抗力强度和使用寿命的无铅实验。也许这些测试会出乎意料地证明：在正确的工艺操作下，无铅焊点比普通的含铅焊点更牢固，有更长期的可靠性。