1 引言
实施无铅化电子组装，许多企业并不主动，而是在各种压力下才转为无铅化生产。外来压力主要包括法令规定、环保要求、市场利益、用户需求、有害物质回收处理和无铅技术方面等。
 无铅化电子组装实施5步法，即：（1）选择正确的物料和设备，（2）定义制程工艺；（3）建立可靠的制造工艺：收集分析数据，排除制程中缺陷；（4）执行无铅化生产：生产开始后仔细跟踪制程并作必要的调整；（5）控制并改进制程：持续不断的跟进、监控和分析数据，并良好控制整个制程。
 2 物料选择
 2.1 PCB
 无铅化制造中涉及许多与PCB有关的问题，包括设计、材料和工艺等，特别需要关注和控制的问题有：可焊性及热过程中可焊性的退化问题；较低CTE基材选用问题；合适的焊盘涂层材料选择问题；焊接过程中大尺寸PCB下垂变形问题；高温下基板z轴的热膨胀系数导致通孔可靠性问题；基材高温分解引起的可靠性问题；基材吸水后在高温再流过程中可能导致的内部分层、玻璃纤维和树脂界面接合的退化问题；另外还有兼容性和长期可靠性问题。
 2.1.1 基材
 对于简单产品，焊接温度为235－240摄氏度，对于大热容量的复杂产品，可能需要260摄氏度高温才能满足要求，传统PCB基材大量使用溴化环氧树脂等含卤素聚合物的阻燃材料（含PBB和PBDE），在无铅工艺高的焊接温度下可能出现不可接受的变色、起皮和变形，而且容易释放出高毒性物质（如二恶英等致癌物），另外焊接温度升高，由于材料的CET不匹配，尤其是Z方向，易造成多层结构的PCB金属化孔镀层断裂，一般玻璃转化温度Tg前后，都要求有较低的CTE，如图1中B为合适的材料选择。
 
常用FR4的Tg在135摄氏度左右，Tg下树脂、玻璃纤维的CTE与Cu（16×16－6/k）相似，而在Tg－260摄氏度间Z轴CTE较大，（80－90×10－6/k），基于外观要求、设计难度和绿色制造等理由，无铅化用PCB应转向使用Tg较高的FR4、FR5或CEMn基材有助于降低不匹配产生的应力，但后两者成本较高，表1和图2为不同钎料焊接温度对PCB基材的性能要求。Td为分解温度/层压分离温度，定义为材料重量损失5％时的温度，无铅工艺中业界提出将Td改为质量减少2％的温度，如图中Td为220摄氏度和260摄氏度，除了表中对PCB分解温度的要求外，无铅后PCB还要求一个参数T288，含义为温度在288摄氏度时PCB能保持它的强度多长时间，IPC最近公布的FR4标准草案中为15min，此外在电镀前还需除掉孔内侧树脂/玻璃纤维，以增强金属化孔臂与多层板的结合力，凹蚀深度一般为13－20μm，镀铜厚度为25μm以上（CEMn指由表面和芯部不同材料构成的刚性复合基敷铜箔层压板）。
 目前市场上出现一种高Tg的环保型材料，以含磷环氧树脂取代溴化环氧树脂作主体树脂，以含氮酚醛树脂取代传统的双氰胺作固化剂，通过添加阻燃助剂或氮和磷的作用提高产品的阻燃性，这种环保性材料比传统型材料有以下优点：卤素含量低于0.09％（即无氯素板），具有优良的耐热性能（Tg为175摄氏度左右）和低的吸水性，Z轴热膨胀系数低，介质损耗低，可靠性高，另外，在强度硬度及热应力方面，环保型材料比传统的性能要好。
 2.1.2 预焊剂
 传统PCB表面预焊剂处理是用有机溶剂将松香系变性树脂溶解，经于铜箔反应形成铜与咪唑的络合物而起到防锈效果。无铅化之后，需采用新型咪唑衍生物做成高耐热性水溶性预焊剂，其热解温度和防氧化能力需好于传统的性能，比如松下公司研制的K型强耐热性预焊剂，热稳定性可达350摄氏度，而其原来的T型预焊剂热稳定性仅为250摄氏度。
 2.1.3 焊盘涂层材料
 印刷电路板焊盘表面涂层主要起到两个作用：防止铜导线和焊盘氧化，保证焊盘可焊性，PCB表面无铅化涂层材料包括Sn、Ag、Bi、Pd、SnAg、SnBi、SnCu、Sn/Ni、Au/Ni、Pd/Ni等。表2为主要的有铅和无铅PCB焊盘表面涂层材料比较，图3为具有良好平整度的无铅钎料HASL涂层表面。
 2.2 元件
 无铅制程导入过程中碰到的问题有相当比例与元件质量有关，无铅制造中需改善元件的封装材料和封装设计，避免高焊接热对元件所造成的热冲击，确保元件质量。
 2.2.1 设计
 速度封装从安装可靠性方面观察，密封树脂吸收空气中的水分，再流焊时高温使分水变成蒸气而产生膨胀，导致芯片、焊盘和树脂之间分层，如图4所示，随着无铅化工艺的应用，元件急需解决的两个问题：一是封装内水蒸气压增加，二是各部结构材料之间的热膨胀差距扩大，解决措施就是通过新的结构设计和工艺技术进行性能改进，或根据表3元件封装所能承受的峰值温度来尽量降低焊接峰值温度。
 另外对于片式元件开裂现象，与温度、CTE差异，元件尺寸等成正比，陶瓷电阻和特殊的电容对温度曲线的斜率非常敏感，陶瓷体与PCB的热膨胀系数相差很大，在焊点加热或冷却时容易造成元件体和焊点裂纹，最好采用RTS温度曲线在降低开裂发生率。对于0201、0402和0603小元件一般很少开裂，而1206以上的大元件发生开裂机会较多。
 2.2.2 湿气敏感性
 无铅焊接较高的再流温度对塑料封装元件的湿气敏感性等级要求十分严峻，由敏感性引发的产品焊后分层、爆裂等，会严重影响电子组装的可靠性，必须按照敏感性元件的存储、使用和管理要求进行严格控制，另外还需对湿气敏感性问题重视和了解，一方面强化对供应商的控制，一方面当出现问题时可有效的解决。元件湿气敏感等级要求可以参考相关标准：JEP113为湿气面干性元件符号和标识，J－STD－033A为湿气敏感集成电路元件的分级和处置，JEDEC A113为可靠性实验前塑封元件的预处理，表4为非气密性固态表面贴装元件的水汽/再流敏感性分级，实践证明，温度每升高10设施度，MSL的可靠性降1级，有效防止措施为提前预烘烤并尽量降低焊接峰值温度。
 2.2.3 可焊性
 元件无铅化就是要引线和焊端部分涂层材料无铅化，无铅焊接对元件表面涂层的要求为无铅、抗氧化、耐260摄氏度高温，与无铅钎料生成良好的界面合金，元器件焊端或引脚表面涂层材料有Sn、SnBi、SnCu、SnAg、SAC、Sn/Ni、Au/Ni，Pd/Ni、Ag/Pd，Au/Pd/Ni等，主要涂层材料为Sn、SnCu、SnBi、SnAg和预镀NiPd/NiPdAu。所有高锡含量替代方案都产生焊须现象，存在可靠性风险。
 2.2.4 元件标签
 JEDEC标准JESD97对标识、符号、识别无铅组装的标签、组件和器件都有规定，要求在内包装和外包装盒上都要打上标签，明确显示包装内的产品符合RoHS指令，或者说是无铅的，图5标签显示了带有特殊无铅字符的部件编号，同时还有表示无铅的符号，标签还显示该部件可采用260摄氏度的再流焊，并通过了3击潮湿敏感等级（MSL）的认证。
 2.3 钎料
 传统共晶钎料的替代方式有无铅钎料、导电粘合剂（ECA）和嵌入式芯片，无铅钎料技术相对比较成熟，而后两种由于技术和成本问题，暂时没有得到广泛推广。无铅钎料选择应考虑以下几个问题：熔点低，润湿性好、成本低、易成形，抗氧化，兼容性和可靠性好等，由图6可以看出，目前使用较多的无铅钎料有Sn0.7Cu，Sn3.5Ag和SAC3种，SnZn和SnBi等也用于部分场合，图7和8显示了无铅钎料高熔点、低润湿性特点，表7为无铅钎料应用于不同焊接方法的推荐温度，另外，主要几种无铅钎料相对密度减小12.5％，热传导率减小34％，热膨胀系数增大11％，并且会形成Ag3Sn和Cu6Sn52种金属间化合物（如图9）及锡的枝状晶体。
 无铅化组装中，建议各种焊接方法使用同一合金，不但可以降低波峰焊时的二次再流风险和材料管理风险，而且可以防止Pb等有害物质的污染。
 2.4 焊剂
 无铅化后焊剂的成分发生了改变：新的催化剂成分（高的活化温度），新的树脂成分（低的分解率），新的热稳定凝较剂（减少塌陷），新的表面活性剂（增强可焊性）及更高温度的抗氧化剂。在焊剂选择时，不同的合金应该选择不同的焊剂，以防止化学反应，考虑因素有合金种类、焊接环境，焊盘和元件镀层等。
 用于无铅钎料的新型焊剂的开发集中于无松香、无VOC的环保产品，而且是水溶性或免清晰的。由于无铅软钎焊工艺中去除的对象还是Sn的氧化物等。因此现有的焊剂仍然使用，只是由于温度的升高需要注意防止黑色焊剂残渣的形成，表6为改进的载体配方，其中松油醇、丁基卡必醇醋酸脂和柠檬酸三丁脂中的松油醇挥发性最强，柠檬酸三丁脂最弱；混合溶剂的挥发基本符合亨利定律，即溶液中混合酸溶剂的相对含量决定了其蒸气压的相对比值，合理调整三者的相对含量，可以获得不同层次挥发特性的有机载体；少量的添加剂对挥发性几乎没有影响，但是能极大地改变载体的各种性能。
 免清洗焊剂代替松香基焊剂及溶性焊剂，有利于实现益于环保的免清晰工艺并节省生产成本。醇基免清洗焊剂对焊接温度特别敏感，不适合230－260摄氏度的高温焊接，分解将会显著增加，产生大量烟雾和凝结物，并且残留物易于发生聚合变硬，阻碍探针测试，并且挥发性有机化合物（VOC）的散发会对臭氧层形成破坏作用，无VOC新型水基免清洗焊剂已成功开发，其活性剂和化学物质在水中的反应活性比醇中高，且在改善残留物和提高可焊性方面比醇基更优。
 2.5 焊膏
 焊膏是将合金粉与粘性很高的焊剂混合而制成的膏状物，一般需具备以下性能：漏印中透过性好，印刷后粘度保持时间长，无塌边现象，可焊姓好，锡球飞溅少，满足在线电性能测试、焊剂残渣可靠性高（通过SIR和电迁移测试）、清洗性好、性能经时变化小，低固溶免清洗焊膏选择标准为：焊后无残留物、无腐蚀，板面干净且不粘手，有足够高的表面绝缘电阻，离子残留满足免清洗要求，不易发生焊球、桥连等缺陷，无毒及严重气味，无环境污染。
 无铅再流焊过程中，焊剂较难润湿合金粉和焊盘及引脚，焊接缺陷率比传统工艺中要高，建议在制程导入之前，对无铅焊膏进行一系列工艺测试：黏着性测试，冷热塌陷性测试，典型温度曲线在空气和氮气下的焊球测试，不同表面镀层材料润湿铺展测试，另外焊膏存储温度、湿度及存储时间要严格参照技术说明。