无铅的焊接挑战:
铅是种特性十分适合焊接工艺的材料。当我们将它除去后,到目前还无法找到一种能够完满取代它的金属或合金。当我们在工艺、质量、资源和成本等考虑上找到比较满意的代用品时,我们在工艺和成本上都不得不做出让步。而在工艺上较不理想的有以下几个方面。
较高的焊接温度。大多数的无铅焊料合金的熔点都较传统锡铅焊料合金高。业界有少部份溶点低的合金,但由于其中采用如铟之类的昂贵金属而成本高。熔点高自然需要更高的温度来处理,这就带来了需要较高的焊接温度。不过熔点只是决定焊接温度的一个因素。例如目前被推荐的SAC305材料,其熔点为217oC,而事实上我们目前处理锡铅焊料时多数的焊接温度是达到225oC,甚至是235oC。这已经是超出了SAC305合金的熔点,为什么我们还需要提高呢?就是因为熔点并非唯一的考虑。
较差的润湿性。无铅合金也被发现具有较不良的润湿性能。这不利于焊点的形成,并对锡膏印刷工艺有较高的要求。由于润湿效果可以通过较高的温度来提高,这又加强了无铅对较高温度的需求。熔化的金属,一般在其熔点温度上的润湿性是很差的,所以实际焊接中我们都需要在熔点温度上加上20度或以上的温度以确保能有足够的润湿。这也说明了以上我们提到为什么SAC305不能使用刚过217oC的温度来进行焊接的原因。美国推荐245到255oC。
较长的焊接时间。由于温度提高了,为了避免器件或材料经受热冲击和确保足够的恒温以及预热,焊接的时间一般也需要增长。
以上这些不理想的地方带给用户什么呢?总结来说就是器件或材料的热损坏、焊点的外形和形成不良、以及因氧化造成的可焊性问题等工艺故障。这些问题,在锡铅技术中都属于相对较好处理的。所以到了无铅技术时,我们面对的焊接技术挑战更大。简单来说,无铅的工艺挑战或工艺难处,在于其工艺窗口相对锡铅技术来说是缩小了。例如器件的耐热性,在锡铅技术中一般为240oC,到了无铅技术,IPC和JEDEC标准中建议必须能够承受260oC的峰值温度。这提高只是20oC。但在合金熔点上,从锡铅(Sn37Pb)的183oC到SAC305的217oC却是提高了34oC!这就使工艺窗口明显的缩小。使工艺的设置、调整和控制都更加困难。