無(wú)鉛技術(shù)在焊接工藝上造成的變化最大,也是整個(gè)工藝技術(shù)中最難處理的部分。這方面的變化,是來(lái)自取出鉛金屬后的焊接金屬在熔點(diǎn)和表面張力上的變化。這兩方面的特性變化,使原先使用在錫鉛中的焊劑配方必須重新設(shè)計(jì)或調(diào)整。熔點(diǎn)溫度的改變和焊劑成分的不同也對(duì)焊接工藝造成工藝參數(shù)上的改變。從目前的研究結(jié)果中,所有較可替代的合金中,熔點(diǎn)溫度都高于現(xiàn)有的錫鉛合金。例如從目前較可能被業(yè)界廣泛接受的‘錫-銀-銅’合金看來(lái),其熔點(diǎn)是在217oC。以此作為例子來(lái)看,無(wú)鉛技術(shù)的采用將在焊接工藝中造成工藝窗口的大大縮小。理論上在工藝窗口的萎縮從錫鉛焊料的37oC降到只有23oC,約38%的萎縮(見(jiàn)圖一)。實(shí)際上,工藝窗口的萎縮還比以上的理論值還大。原因是在實(shí)際工作上,我們的測(cè)溫(Profiling)做法含有一定的不確定性,加上DFM的限制,以及要很好的照顧到焊點(diǎn)‘外觀’(不少工廠還是以外觀做為主要的質(zhì)量檢查依據(jù))等等,這個(gè)回流焊接工藝的窗口其實(shí)只約有14oC(約53%的萎縮)。這只有14oC的工藝窗口,事實(shí)上在工藝調(diào)制上是有很大的挑戰(zhàn)性的。而對(duì)設(shè)備(回流爐)和DFM的要求也比錫鉛技術(shù)的應(yīng)用要求高出許多。
理論上在焊接過(guò)程時(shí),焊點(diǎn)的溫度只要達(dá)到焊料合金的熔點(diǎn)溫度就行了。但在實(shí)際情況下,剛達(dá)到熔點(diǎn)溫度的焊料,其潤(rùn)濕性特差。所以我們必須提高實(shí)際焊點(diǎn)的溫度以增加潤(rùn)濕能力。由于無(wú)鉛合金的潤(rùn)濕性比起錫鉛合金還差,這做法在無(wú)鉛技術(shù)上更是必要。PCBA上的器件和板材都有承受溫度的極限,目前在無(wú)鉛技術(shù)中對(duì)這承受溫度提出的要求是260oC。雖然這溫度和含鉛技術(shù)的240oC比較下有所提高,但因?yàn)楹更c(diǎn)溫度受到熔點(diǎn)溫度和潤(rùn)濕性考慮的影響提高的幅度更大,這就造成了容許的工藝窗口(溫度的上下限)在無(wú)鉛技術(shù)中小了許多。
事實(shí)上,如果器件供應(yīng)商在器件設(shè)計(jì)上只滿(mǎn)足國(guó)際建議的260oC為上限,用戶(hù)所面對(duì)的問(wèn)題還更大。所擁有的焊接溫度工藝窗口就可能連上面所說(shuō)的14oC都不到了。這是因?yàn)橛行┢骷鏐GA之類(lèi)的封裝設(shè)計(jì),在對(duì)流加熱的應(yīng)用中,封裝本體的溫度是常常高于底部的焊點(diǎn)溫度的。這原本還不算是個(gè)大問(wèn)題,使問(wèn)題惡化的是,這些器件一般也都是熱容量較大的器件,封裝導(dǎo)熱性不是十分優(yōu)良。而由于同一PCBA上總有些熱容量小很多的器件(注三),所以就造成了實(shí)際溫差十分難通過(guò)工藝調(diào)整來(lái)縮小和確保都在工藝窗口內(nèi)。
不只是工藝窗口的縮小給工藝人員帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn),焊接溫度的提高也使焊接工作更加困難。其中一項(xiàng)就是高溫焊接過(guò)程中的氧化現(xiàn)象。我們都知道,氧化層會(huì)使焊接困難、潤(rùn)濕不良以及造成影響焊點(diǎn)壽命的虛焊。而氧化的程度,除了器件來(lái)料本身要有足夠的控制外,用戶(hù)的庫(kù)存條件和時(shí)間、加工前的處理(例如除濕烘烤)、以及焊接中預(yù)熱(或恒溫)階段所承受的熱能(溫度和時(shí)間)等等都是決定因素。無(wú)鉛技術(shù)的溫度提高,正使焊端在預(yù)熱段造成更多的氧化。如果錫膏的助焊劑能力不足,或是回流溫度曲線在‘清潔/除氧化’段的工藝設(shè)置不當(dāng)?shù)脑挘亓鲿r(shí)就可能出現(xiàn)焊接不良的問(wèn)題。