无铅制程导入面临问题及解决方案

3 设备与工艺
3.1 焊膏印刷工艺
无铅焊膏由于焊剂含量高、缺少铅的润滑作用，与有铅焊膏相比，是率降低了15％，扩散率由90％以上降低至73％－77％，有铅焊膏对工艺参数的变化相对不敏感，而无铅焊膏却依赖性很大。 无铅工艺中，丝网最好用聚脂网，钢网最好用304不锈钢，钢网制作方法多采用激光切割，许多因素会影响孔的位置精度和尺寸精度，包括设备精度及磨损、激光灯的老化、切割过程的温度和张力等。
随着元件的小型化，钢网厚度越来越薄，开孔尺寸也越来越小，为了增加焊膏释放率，一般采用电铸方法制作，并选择印刷精度较高的全自动焊膏印刷机，保证焊点覆盖焊盘的覆盖率达90％以上，还需选用适当的合金类似，一般为3号粉、合金含量为88.5％－89.5％的焊膏，增加金属沉淀率。
采用统一的文件格式，比如GERBER光绘文件来作为制作金属模板与PCB的共同文件，可以提高金属模板与PCB对准精度，此外，其对准精度除了与印刷机的定位精度有关，还与PC本身的位置精度有很大关系，因为PCB制作工艺的收缩和进行焊接过程中发生收缩，会影响第二面的印刷精度。
高速印刷与PCB板的板上焊膏成型的清洗度没有任何关系，有两个参数等更好的描述焊膏印刷性能，即流变系数和粘度不恢复率，高的流变系数意味着焊膏在高剪切率下更容易变稀，低的粘度不恢复率意味着焊膏在剪切力消除后粘度恢复的时间更短，可以理解为抗塌陷性好，粘度测试可参考标准JIS Z－3284。
为了提高焊膏释放率，建议印刷速度放快、刮刀压力调高，以实现对模板表面顶侧充分印刷，且刮刀压力的起点为每线性英寸印刷区域10.34－13.79kPa。但印刷工艺参数调节并不是一个简单的平面关系，如图10所示无铅焊膏的工艺窗口，而是一个空间关系，具体调节时要根据实际情况来优化。
实际无铅焊膏印刷效果，释放率较低，需考虑模板开口的设计，由于无铅焊膏的扩散性不如有铅焊膏，模板孔径于焊盘孔径比恢复到1：1或更大：对于间距大于0.5mm的元件，一般采取1：1.02－1.10的开口比例；对于间距5mm的元件，一般采用1：1的开口比例，图12为印刷模板开孔设计示例。 为了实现量好的焊膏印刷体积和图形质量，根据IPC－7525要求，必须保证按照图13，模板开孔最小宽度与模板厚度比W/T＞1.6（SnPb为1.5）模板开孔面积比大于0.71（SnPb为0.66）对于0402、0201等小元件，为了防止墓碑或锡珠现象的产生，需对焊盘形状进行如图14所示的修改，此外，还需加大模板擦试频率，选择擦试或超声波清洗方式，选用对应焊膏的清洗剂，若无特殊要求，可选用酒精和去离子水。
3.2 元件五贴装工艺
贴片过程中，无铅元件的电极颜色比有铅的暗，元件识别条件值应特别注意，才能保证高的贴装率。另外，由于无铅钎料润湿性差、自矫正作用小，为了保证元件在焊接位置的正确性须提高贴装精度，对于1005元件，其宽度为0.5mm，如果元件焊接宽度要求为元件宽度的2/3，那么元件左右偏移最大值为0.16mm。但是元件在焊盘上纵向偏移时，不能超过0.05mm，否则容易造成立碑缺陷，尤其是在氮气环境中，选用贴片精度在±0.05mm的全自动贴片机，才能保证元件的焊接质量。
3.3 再流焊设备与工艺
3.3.1 设备特点
无铅钎料的高熔点、低润湿性导致工艺窗口变小，质量控制难度相应加大，为满足无铅焊接要求，再流焊设备应该具有以下特点：更高的加热温度和效率；更好的温度控制精度（±1摄氏度）和温度均匀性（ΔT2≤摄氏度）；更多的加温区数，具有可控的冷却系统、焊剂过滤及管理系统、氮气保护系统及实时温度控制功能。温区选择时一般统推荐使用8温区（双焊接区）。对于大重型组建最好使用8温区以上（三焊接区）。更多的温区，曲线调节灵活，传输速度快，生产加工能力强，对于大重型组件，还需有中央支撑以防止PCB变形。
3.3.2 温度曲线特点
温度曲线的设定除了参考焊膏推荐商的温度曲线参数外，还要考虑电子元件的耐热性问题及实际焊接质量问题，图16示温度曲线形状有RSS和RTS两种，无铅焊接优选RTS曲线形状（帐篷形）。这是因为帐篷形温度曲线具有以下特点：（1）减少PCB上最冷与最热元件之间的温差，提高温度均匀性，有助于减少桥连、焊球、竖碑、芯吸及焊珠等缺陷；（2）合理升温速率控制在0.5－2摄氏度/秒之间，最好为1.0－1.5摄氏度/秒，过大会导致合金粉末向外飞溅，过低则焊剂由扩撒取代快速蒸发产生爆破，避免产生锡球，但会导致熔化前的热输入增加，在强制热风对流加热方式中合金粉末氧化严重，导致润湿不良。
热塌陷与热扰动效应为焊膏的本质特性，它们为温度的函数，导致粘度下降，溶剂蒸发效应为一动态现象，其为温度和时间的函数，导致粘度升高，对焊膏的塌陷起到一定的作用，图17为两种物理变化对焊膏粘度影响示意图。采用帐篷形曲线降低升温斜率，有利于溶剂更多蒸发而抵消分子热振动带来的影响，当升温斜率足够低时，焊膏粘度反而会随着温度的升高而增加，从而减少或抑制塌陷。
3.3.3 热电偶联结方式
温度曲线测试仪用来绘制温度曲线，K型热电偶常用来进行温度采集，由于热滞后性通常设定为2s或4s，采样周期一般为0.1s、0.2s，0.4s，0.5s或更高，通过SR232接口与计算机相连，测温线直径需尽可能小，一般为0.12mm，形状为片状，其时间常数小、相应快，得到的结果精确。为了得到准确的温度曲线，还要注意正确的放置热探头位置，尤其是要注意BGA、FC等元件的测试，BGA元件热电偶探头接触位置。
IPC－7530标准提供了热电偶的联结方法，热电偶接触有4种方法：高温钎料联结，铝带联结，Kapton tape联结和传导树脂联结。高温钎料最可靠。重复性最好，铝带可靠好，但重复性差一点；Kapton tape是一种热传导很好的电带，但可靠性和重复性均差一点，传导树脂可靠性一般，但重复性很差，高温钎料与热电偶探头联结方法。
3.3.4 氮气保护
氮气保护可以改善无铅钎料润湿性，降低了焊点内部的空洞率，形成良好圆角，提高了焊点拉伸强度，随着氧含量的降低，焊点拉伸强度升高，但在极低氧含量下由于出现芯吸现象，焊点拉伸强度反而降低。 氮气保护不是必须而是被推荐采用，一般在以下几种情况下使用：客户需求，配合免清洗工艺，实际组合材料的可焊性较差，对于性能较差的焊膏，氮气保护对焊点质量影响效果明显，推荐实际生产中采用氮气保护，反之亦然。氮气有利于无铅焊接生产工艺，但也会带来额外的成本，固需正确的使用，推荐实际生产中氧含量控制在7×10－4－10×10－4之间，为防止竖碑现象，氧含量应小于3×10－4或大于100×10－4。