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1、无铅技术系列文章二：无铅工艺的重点和考虑KIC特约顾问 薛竞成 撰写前言：上期我们谈到“无铅技术的发展和对中国SMT界的影响大观”，知道了无铅技术的推行只是个时间上的问题。而对某些行业和企业来说，虽然距离必须推行的期限还有一段时间，不过当考虑到推行所需要的大量准备工作时，此刻已经可算是件急事了。我在下期的文章中会和大家分享在无铅技术的引进和管理工作上的一些关键的考虑点。本期我先对采用无铅技术所需要面对的工艺变化做一些解说。SMT工作是个以工艺为中心的工作，尤其是在工艺窗口更小的无铅技术上，这应用观念更是重要。所以我们在谈论一切之前应该先对工艺方面有足够的认识。由于篇幅有限，本文目的不在传授整个
2、无铅工艺技术。而是通过一些重点的解释，让读者用户们能够更好的了解将可能遇到的情况，以便早日做出正确的反应和准备工作。无铅技术在整体工艺上的影响：近两年来好些用户朋友通过电子邮件向我问起无铅技术对工艺的影响时，我曾告诉他们无铅技术在工艺处理上并没有太大的改变。后来我发现许多人对这番话可能产生误解。问题的关键也许出现在对工艺的定义、认知和做法差异上。事实上无铅技术的到来，从工艺的角度来说，就像是用户在准备改用另外一种锡膏一样！无铅带来的改变是工艺参数而不是工艺。工艺还可以进一步分为基础工艺和生产工艺（或称现场工艺）。基础工艺负责的是研究、开发或认证工艺原理、特性、和参数。而这些研究、开发和认证的方
3、法和原理，并不会因为含铅或不含铅的因素而有所差别。生产工艺所负责的是试制和工艺调整（也许较正确的称法应该是工艺补救）。而这方面的工作方法也不会因为含铅或无铅而有所不同。其实无铅带来的影响，主要在于对技术整合的要求严格了许多。而以目前的普遍情况看来。技术整合问题处理做法，除了在技术管理、运作（流程）上普遍较弱外，其中影响较大的因素是设备（回流炉）、DFM和可靠性。工艺上的做法并没有不同，只不过需要重新制定和整理工艺标准罢了。也就是说，如果您在使用锡铅技术中已经掌握了工艺的实质的话，无铅技术的到来在工艺上并不会造成太大的问题。您所遇到的是设备、DFM和可靠性问题！工艺上所要做的，主要是把以往认证和
4、制定含铅技术的工作重新做一次。不过对于许多国内用户来说，在引进无铅技术的工作上，也许工艺的问题还是会存在的。甚至问题还会因为无铅的工艺窗口较小而显得更严重。这种现象的出现，原因在于好些用户并未真正掌握工艺的实质，对工艺和工艺管理的概念还模糊。这也是为什么一些朋友对我所说的没有多大不同产生误会。因为这个原因，一些用户在引进无铅技术之前，应该尽早加强工艺方面的学习，避免无铅技术到来时引起现场手忙脚乱的情况。本文将假设用户读者在传统锡铅技术的工艺上已经有较好的掌握，进一步讨论各PCBA组装工艺上无铅带来的变化和影响。如果读者在传统工艺上仍有需要学习或帮助的，可以联系KIC（注一）公司或笔者。长久以来
5、，人类在焊接技术中发现和大量使用铅金属。铅不但在地球上供应量多，价格低，而且其物理特性十分适合焊接工艺。包括温度需求和润湿性等等。在焊点可靠性上，铅也提供了许多优良的作用。包括和锡的适度配合能够增加焊点的机械强度，防止锡带来的金属须问题等等。当铅被去除后，新的取代合金在密度重量、熔化温度、氧化情况等方面有了改变。在回流焊接技术上，这改变首先影响锡膏的制造配方。因为以往用在含铅合金中的焊剂已经不能最有效的支持这新些合金种了。而锡膏的配方的改变，在化学和物理上的变化都对工艺产生了某些程度的影响。例如物理上的变化影响了锡膏印刷、贴片和回流焊接工艺；而化学上的变化也影响了锡膏管理以及回流焊接工艺。基本
6、上所有工艺都产生了参数上的变化，只是某些部分（例如贴片工艺），其影响是微不足道而绝大部分用户无需进行什么调整罢了。无铅在常用的回流组装技术（即锡膏印刷贴片回流焊接）中影响较大的是焊接部分，其次是锡膏印刷。以下我们就按这常用技术的3个主要工序来探讨一些产生的主要影响。锡膏印刷工艺：锡膏印刷工艺的考虑可以分三部分。一是锡膏选择和认证，二是锡膏的管理，第三是锡膏印刷过程。我们分别来看看。我观察到国内在锡膏选择和认证中比起西方较好的企业做得少很多。一般国内的用户，只是向供应商要些样本，经过小量试验板试用或在现场情况下试用，观察后觉得没有问题后，价格和交货满意就可能通过接受了。而这种过于简单，没有认证其
7、工艺窗口的做法常是造成后面工艺调整不良、工艺设计无法优化的主要原因之一。试用锡膏不能使用常规的产品（PCBA）和常规的焊接温度曲线（或供应商提供的曲线）来进行的。它必须是针对每种和锡膏相关的印刷、贴片和焊接的故障模式，以及故障原理来进行测试。并对各种工艺参数定下窗口（极限）后才能确认是否可以接受使用。但这种做法在国内用户中甚少见到。其实这部分的工作对于工艺掌握的好坏是十分关键的。如果读者的企业内以前并没有这类做法，我是绝对推荐你们必须去做的。以往已经有执行这方面工作的，由于无铅技术在锡膏特性上有好些改变，所以必须重新认证和制定技术规范。锡膏管理包括锡膏的检查、库存、使用前的回温和搅拌等等。无铅
8、技术对于以上管理工作做法的影响很小（提醒读者，做法不等于参数指标，参数指标是可能有变的。必须参考您在上一步选择认证工作中的结果）。也许有些用户曾听供应商说无铅锡膏不必搅拌。这说法并不全面。锡膏搅拌是为了使库存中产生物理分离或因使用回收造成金属含量偏高通过搅拌还原（或减少不良影响程度）而做的。在无铅技术中，目前所推荐的替代合金比重多轻于锡铅合金，也因此库存中分离的程度会比锡铅合金来得小。搅拌的需求也因此是可能较少的。但这并不同样的适用于使用中回收造成的金属含量渐高的情况。所以使用中的搅拌还可能是必要的。而事实经验中，只要库存时间不是特别的长（比如3个月以上），库存中经常有上下翻动摆放，回收后添加
9、前有简单的搅拌，以及印刷前有揉锡的习惯做法，对于设计不是特别难的板来说，用户是不容易见到这问题的。在印刷中无铅带来的影响又是什么呢？由于无铅合金需要不同于锡铅的焊剂配方，所以其粘性和流变性也会有所改变。而这些改变的程度，也会因为供应商配方的不同而有所差异。有些改变可能和锡铅锡膏差别不大，有些则可能较明显的，需要印刷参数上的调整。例如无铅合金的比重较低给印刷中的脱锡工序造成较高的难度，如果锡膏供应商的配方提供流变性或粘性上的补偿（较稀），虽然保住了脱锡工艺，但印刷工艺却要注意冷坍塌的控制。所以如果供应商在配方设计上不能够达到最优的平衡，则对工艺调整上的要求增加了。工艺工程师将可能会遇到较难调整的
10、工艺，必须更好地掌握工艺知识和调整技能。从目前的情况看来，大多数用户也许不会受到太大的影响。但对于那些板大、开口大小范围大和分布复杂等等的PCB来说，则有可能需要注意工艺上的重新设置。另外一个重要的考虑，就是DFM中的钢网设计标准的修改。锡膏印刷工艺的质量和钢网的设计（注二）息息相关。锡膏黏性和流变特性的转变，也会影响以往的设计标准。这改变由于受到锡膏特性的影响，所以必须含有所选用锡膏品牌型号的这一元素在内，而不能一概而论。这必须通过供应商的协助或用户本身的认证来制定标准。笔者较偏好后者的做法（因为较精确可信）。所以我在本节的开头推荐用户们确认所选锡膏的工艺特性窗口。贴片工艺：贴片工艺在无铅技
11、术中受到的影响应该是最小的。锡膏在贴片工艺的唯一作用是协助固定住贴片后的器件，使它不会在焊接前偏移原位。锡膏是否能够很稳定的固定贴后的器件，一直到焊接工序。这方面的能力最主要取决于锡膏中焊剂的成分。配置焊剂是一件复杂和难度高的工作，因为它的结果必须同时照顾到许多特性，例如流变性、粘性、物理/化学稳定性、挥发性等。所以不同供应商有不同的配方。也就是无铅是否会对用户的贴片工艺有所影响，主要取决于所选用的锡膏。而事实上，选择最佳锡膏的工作并不容易。因为良好的锡膏必须照顾到锡膏特性多方面的要求，也就是本文先前在锡膏印刷工艺一节中提到的管理和印刷过程的工艺能力要求。在实际情况中并没有单一种锡膏是所有特性
12、都最优良的。而不同的用户由于在各工艺和设备的能力上或要求上不尽相同，所以选择时的考虑和取舍也不同。如果选择的结果，由于优先考虑到其他要求而在贴片工艺方面不是太理想的话，用户又能够做些什么呢？贴片工艺一旦由于无铅的取代而遇到器件在贴片后固定不理想的情况时，就必须通过以下的几个选择或综合做法来进行补救。 通过DFM管理和控制，避免采用不适当器件封装（引脚接触面小，重量大，重心高的封装）； 通过适当的钢网开口设计，使贴片后的器件能够最稳定的固定在锡膏中； 配置传送稳定性高（速度控制、柔性启动/制止、轨道平稳）的设备（贴片机、PCB传送系统）； 通过贴片程序编程将难度高的器件放在最后； 正确的设置贴片
13、的PCB支撑装置； 准确的设置和控制贴片压力。本文稍前我说到无铅技术的到来将给我带来技术整合更高的挑战。以上的贴片工艺对策就是个典型的技术整合例子。其中包括了锡膏选择、DFM（设计）、设备能力、钢网设计、贴片工艺（编程和参数设置）。回流焊接工艺：无铅技术在焊接工艺上造成的变化最大，也是整个工艺技术中最难处理的部分。这方面的变化，是来自取出铅金属后的焊接金属在熔点和表面张力上的变化。这两方面的特性变化，使原先使用在锡铅中的焊剂配方必须重新设计或调整。熔点温度的改变和焊剂成分的不同也对焊接工艺造成工艺参数上的改变。从目前的研究结果中，所有较可替代的合金中，熔点温度都高于现有的锡铅合金。例如从目前较
14、可能被业界广泛接受的锡-银-铜合金看来，其熔点是在217oC。以此作为例子来看，无铅技术的采用将在焊接工艺中造成工艺窗口的大大缩小。理论上在工艺窗口的萎缩从锡铅焊料的37oC降到只有23oC，约38%的萎缩（见图一）。实际上，工艺窗口的萎缩还比以上的理论值还大。原因是在实际工作上，我们的测温（Profiling）做法含有一定的不确定性，加上DFM的限制，以及要很好的照顾到焊点外观（不少工厂还是以外观做为主要的质量检查依据）等等，这个回流焊接工艺的窗口其实只约有14oC（约53%的萎缩）。这只有14oC的工艺窗口，事实上在工艺调制上是有很大的挑战性的。而对设备（回流炉）和DFM的要求也比锡铅技术
15、的应用要求高出许多。23oC240oC203oC37oC260oC237oC过热过热过冷过冷无铅工艺窗口含铅工艺窗口图一：焊接工艺窗口的理论值理论上在焊接过程时，焊点的温度只要达到焊料合金的熔点温度就行了。但在实际情况下，刚达到熔点温度的焊料，其润湿性特差。所以我们必须提高实际焊点的温度以增加润湿能力。由于无铅合金的润湿性比起锡铅合金还差，这做法在无铅技术上更是必要。PCBA上的器件和板材都有承受温度的极限，目前在无铅技术中对这承受温度提出的要求是260oC。虽然这温度和含铅技术的240oC比较下有所提高，但因为焊点温度受到熔点温度和润湿性考虑的影响提高的幅度更大，这就造成了容许的工艺窗口（温
16、度的上下限）在无铅技术中小了许多。事实上，如果器件供应商在器件设计上只满足国际建议的260oC为上限，用户所面对的问题还更大。所拥有的焊接温度工艺窗口就可能连上面所说的14oC都不到了。这是因为有些器件如BGA之类的封装设计，在对流加热的应用中，封装本体的温度是常常高于底部的焊点温度的。这原本还不算是个大问题，使问题恶化的是，这些器件一般也都是热容量较大的器件，封装导热性不是十分优良。而由于同一PCBA上总有些热容量小很多的器件（注三），所以就造成了实际温差十分难通过工艺调整来缩小和确保都在工艺窗口内。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焊接工作更加困难。其中一项就
17、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、润湿不良以及造成影响焊点寿命的虚焊。而氧化的程度，除了器件来料本身要有足够的控制外，用户的库存条件和时间、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）等等都是决定因素。无铅技术的温度提高，正使焊端在预热段造成更多的氧化。如果锡膏的助焊剂能力不足，或是回流温度曲线在清洁/除氧化段的工艺设置不当的话，回流时就可能出现焊接不良的问题。爆米花现象是另外一项在无铅技术中会加重的问题。业界有一些研究报告指出，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了一到两个等级。也就是说，用户的防潮控制或处
18、理必须也给于加强。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户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问题。这做法在进入无铅时代后由于其对吸潮的更加敏感而更频繁。烘烤虽然能够解决爆米花问题，但烘烤过程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）和管理上却增加了成本。立碑是另外一个在无铅技术中较在含铅技术严重的问题。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
19、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。气孔在锡铅技术中原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，有三个因素必须紧密配合和给于照顾。就是锡膏特性（锡膏的认证选择）、DFM（器件焊端结构、焊盘和钢网开口设计）、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，只是窗口小了些。由于无铅焊接工艺窗口比起含铅焊接工艺窗口有显著的缩小，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
20、力，增加其润湿性。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。例如锡膏、回流炉能力、DFM等问题。而且氮气的使用增加成本，所以它不应该是个首要考虑点。应该定位为是一种补救手段。也就是说正确的处理态度，应该是在实施技术整合中确认其他有效因素无法改善或控制得当之后，才考虑是否要实施氮气焊接工艺。国内使用氮气的用户不多，但在我接触的两家企业中，其实都不需要使用氮气。其工艺问题都应该从其他更经济有效的做法来解决。所以这里提醒用户们，虽然氮气会有所帮助，但您不一定要借助于它。不宜在您未掌握其他方面的知识前别匆匆作出使用的决定。工艺窗口
21、小不仅对工艺调制准确性的要求高，还同时要求工艺的稳定性也必须非常高。否则即使工艺设置到最优化点，工艺的偏移也会使质量很快的偏移出受控区。要工艺稳定，设备是个关键的因素。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个主流。热风对流技术能够取代早期的气相和稍后的红外辐射技术，在于它的升温速度的可控性以及恒温能力较强。但可惜的是，热风对流在加热效率和加热均匀性以及重复性等都是其弱点。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。随着无铅技术在工艺窗口上的缩小和对重复性的更高要求，热风对流技术将受到挑战。一些在热风对流技术上设计得不太好的中低档次设备，将不能够有效的支持了解
22、工艺和关心质量的用户。热风回流炉的原理是通过热空气作为传热的媒介。空气本身并不是个良好的热导体。而必须通过足够的对流来达到传热目的。所以炉子如何控制内部气流的设计是个关键。而空气的流动是十分难控制得精准的。即使是设计优良的炉子，其传热效益也会因为炉膛内气压的变化（来自排风系统的变化、风扇老化、出风口的逐渐堵塞等）、负荷的变化（入炉时间或间隔时间）、锡膏挥发物、设备的老化等等变数而产生变化。因此如果要最好的控制住焊接工艺，就必须要有个不断监督的做法。目前国内的许多用户还不是很注重焊接的工艺管制。许多用户其实在整个焊接过程中并没有任何监控手段。一些做得较好的，就会使用测试板定期通过炉子测量炉温的变
23、化。虽然这也是个可行的办法，但存在两个弱点：1 成本高 测量板必须是产品才有意义。空板并不能真正测出所有的可能变化。模拟板的效果可以令人满意，但设计有一定的难度。如果使用实际产品，则成本可能会高。而且测试板并非无限寿命，经过一定次数后必须更换。除了板材成本外，测试认证所需的人员、时间等也是成本的元素。2 漏检 以上的做法不可能是持续不断的。一般用户会在班次的开始或交接班时，以及班次中间某段时间进行。所以是属于一种抽样检查技术。而且抽样的样本数并不高。所以其漏检误判率也偏高。即使有以上做法的用户，有好些也是因为其客户的要求而进行例行公事。真正的工艺管制意识和认知还是缺乏。美国KIC（注一）公司提
24、供一种实时监控的设备（注四），供用户不间断的监视炉子内部温度和气流的变化。系统的基本原理是通过测量炉中靠近PCBA的空气对流温度来推算出产品上焊点的温度。并在需要时（超出用户指定标准时）提出警报。该系统也将每一个产品的焊接过程（温度时间变化）纪录下来。供质量保证汇报或问题追踪使用。从质量保证的角度来看，这是个十分有用的工具。读者不妨对它进行考察和评估。有意了解如何对回流技术进行最有效的控制的，可以向KIC公司了解或注意该公司在2005年推出的一些技术讲座。后语：本文给大家介绍了无铅工艺给含铅工艺带来的变化方面的知识。由于篇幅和写作时间资源有限，不能完整的介绍所有知识。接下来我还会和读者们分享无
25、铅技术的各方面知识经验。包括无铅的导入管理、无铅焊料特性、无铅器件和PCB材料、无铅技术的质量和可靠性问题等等。系列文章估计在2005年底刊登完毕。但读者如果希望更全面、更仔细、更快的学习到相关的知识，或有需要在推动无铅技术应用和管理上得到帮助的，可以联系KIC公司或本人。薛竞成2005年1月注一：KIC是家美国公司，为业界提供炉温测试和监控系统，协助用户在焊接技术上的工艺设置、调制和管制工作。从2005年起，该公司也将在中国地区提供用户在焊接工艺和管理上的协助。包括含铅和无铅技术。KIC联系邮件是：asia.注二：钢网（Stencil）设计的内容范围包括钢网厚度范围、开口的形状和尺寸、开口间距离、印刷面积、印刷范围和网边距离、钢网的材料、钢网制作工艺和处理等整体考虑。注三：无源器件的不断微型化以及IC的不断高度集成的同时发展，在焊接工艺考虑上是个不理想的发展方向。但这是产品功能技术的需求所趋而不可避免的。重要的是，设计和工艺人员必须了解这方面带来的挑战而给于处理。注四：这里所指是KIC的24/7实时监控系统。读者可以向KIC公司索取更详细的产品技术资料。