从焊点形成的各个方面: 工艺 冶金, 风险管理进行论述。

前言 

在表面贴装电子组装中，最重要的两个工艺就是丝网印刷工艺和再流焊工艺。这些工艺有多个工艺变量，影响着工艺结果。如果没有很好地了解并优化这些工艺变量及其影响，实现理想工艺结果是非常困难的。焊膏印刷工艺传送所需的焊膏量并沉积到印刷电路板上。焊膏是焊料颗粒和焊济的混合物，它在焊接工艺其间实现预期的功能。焊接工艺应该在可接受的范围之内，这主要由焊膏制造者来确定。这些范围根据焊膏的要求来制定，以便能够充分利用焊膏的性能。

对特定的组装，无铅或有铅，识别其最佳的再流焊炉工艺参数是非常具有挑战性的，一般根据工艺工程师的知识和经验，为再流焊炉的温区和传送速度设定一定的数值，以获得初步的温度曲线。一旦得到了初步的温度曲线，通过手工或借助手工预测工具，或全自动的炉子工艺参数搜索引擎，对设置点进行调节。 以获得接近最佳的温度曲线。尽管这一过程是重复性的，但是自动化的工艺软件工具和对回流焊温度曲线工艺和要求有很好的了解。可以显著的减少重复次数和再流焊炉的设置时间。

焊接工艺参数，除了焊膏成分以外，控制两种或多种金属相互扩散形成金属间化合物 (IMC) 和焊点焊接基体微观结构。IMC在元件端和焊料之间和在焊料与PCB焊盘之间形成实际的粘接。在焊接其间当经历一段时间的高温时已形成的IMC的厚度将增加。IMC厚度使其变脆，从而影响焊点的可靠性。锡与其它许多种电子制造中使用的金属形成IMC，如：铜’ 银’金’钯等。锡在任何焊料中都是非常重要的元素。包括无铅。然而， 在无铅材料情况下，更高的 Sn 含量和更高的再流温度导致IMC厚度的增加。对焊点的完整性造成威胁。除了IMC，再流焊工艺后焊接基本的形成，也对焊点的长期可靠性有影响。

再流焊工艺窗口. 再流焊温度曲线. 与焊接工艺

当贴装元件的PCB 进入再流焊炉再流焊工艺即开始。直到PCB退出再流炉。再流工艺结束。各个阶段为： 预热、 保温、再流焊和冷却，其时间—温度曲线如图A 锡铅和 B 无铅焊膏。

这一曲线图也叫做再流焊温度曲线。定义这些阶段的工艺参数是获得再流焊温度曲线的基础，叫做再流焊参数。再流焊工艺窗口定义了这些再流焊参数的范围。这一部分的目的是确定再流焊工艺的时间温度范围。以及它们对IMC 形成的影响。

预热

加热的初始阶段，带有模板印刷的焊膏和贴装元件的印制电路板的温度从室温升高到接近焊济的活化温度。这一阶段叫做预热。组件的升温温度由焊济和焊料合金的性能决定。一般加热到略低于焊济的活化温度。这一阶段加热曲线的斜率是完全线性的。如果预热速率高或低都会引起一些不希望的后果。如果材料是不良的热导体，这一影响是很严重的，会导致材料性能的改变。进一步升高温度会导致非均加热。因此，如果预温超过焊济的活化或分解温度，焊膏会有熔化前干透。导致可焊性与空洞问题。表1 概述预热速率高或低带来的不理想结果。

保温

这一阶段再流焊温度曲线主要是使沿基的长度和宽度方向的所有元件达到一致的温度，实现最小的贯穿基板的热温度差，在这一阶段，采用极低的加热速率(约0.5Degree C) 为基板下一步进入再流焊做必要准备。这一阶段的主要目的：

1. 是整个基板 元件和焊膏温度一致
2. 活化焊剂 分解焊盘和元件引脚上的氧化物
3. 暴露出清洁的表面形成冶金焊接
4. 便于焊剂中的挥发性成分逸出

达到合金溶点以后，焊料中有挥发性物质会引起空洞和飞溅。决定这一阶段效果的两个重要参数:

• 板子在保温期内的温度范围
• 保温持续时间

表2 概述高或低保温温度和时间的不良结果

保温温度

通常再流焊温度曲线有个保温区，这时焊剂开始活化 分解 与基板焊盘和引脚金属反应以除去表面氧化物。与焊料颗粒反应从焊高中排除挥发性物质。对于共晶锡铅焊料合金，这一区的最终温度几乎与溶点温度相同，保温后焊料进入再流焊，在无铅焊料中，溶点额外提高35-40 Degree C 这将再次诱发整个基板的热温度差，为了避免这一情况，有时对于无铅焊膏再流焊温度曲线没有明显的保温区，无铅焊膏导致焊料球缺陷。

时间

保温时间是焊剂活化的关键，足够的时间将提供：

• 确保焊料成分表面的所有氧化物被焊剂分解
• 能够使挥发性物质完全焊料中逸出

再流焊

基板和元件进入再流区，温度升高到焊料合金容化温度以上，在溶融阶段焊料中的锡与焊盘和元件引脚的冶金反应形成冶金焊接。决定IMC形成的属性和厚度的两个重要参数为：

1. 峰值温度，焊料合金经历的最高温度
2. 液化线以上时间(TAL), 给出了溶点以上合金维持时间。

通常认可并设置的峰值温度高于合金溶点30-40Degree C平均TAL 30-120sec，取决于基板的结构和元件的混合程度。升温温度能使焊点成分更好地熔化，同时熔点以上充足的时间是形成均匀焊点(焊点基体)所必需的。足够的时间将使焊料中的锡和其它金属反应形成IMC。这两个参数任何一个过度引起的脆性金属间化合物厚度的增加将退化焊点质量。根据温敏等级(MSL)技术规范仔细对待元件和基板材料一定不能超过其适于承受的温度。在无铅再流焊工艺中，这一限制是非常明确的。根据Sn-Pb焊接环境大多数元件适于承受的最高温度245DegreeC。其峰值温度为220DegreeC 基板积层长时间暴露在较高温度下会退化，形成两表面间的剥层，焊料掩膜的退色或退化。对于塑料封装，众所周知从SN-Pb到无铅再流焊，MSL性能等级会退化几乎两个等级。需要优良的元件和基板预组装操作和存储。因此，在较高温度下较长时间退化塑料封装的完整性并影响长期可靠性。较长的TAL，会增加金属化合物相的形成。 (图2)

图3给出了TAL增加带来的金属间化合物厚度的增加。 在后半部分将讨论决定焊点性能的时间和温度的临界状态。表3 概述了高或低再流焊温度和TAL不良结果。

冷却

这一区域在温度曲线中属于达到峰值温度后的下降区域。 这一阶段的一部分发生在液相阶段，这一区域的冷却速率对互连形成的完整性和长期可靠性是关键，通常二次互连再流焊冷却速率小于4DegreeC/sec 较快的冷却在基体中产生细晶粒。 而慢速冷却(较低向下斜率)产生粗晶粒结构。晶粒形成的尺寸和结构决定了焊点的可靠性，较细的结构有较好的耐疲劳性。但在蜕变负荷下将会失效，而较粗的结构会有较好的蜕变强度。当焊料合金还在液相阶段时，冷却斜率必须保证熔点以上的最佳时间，以便焊点成分的混合。另外，冷却速率不应太高以避免对基板的任何热冲击，非常高的冷却速率会导致不均匀的晶粒结构形成，同时影响晶粒增长，较慢的冷却速率对焊点产生层状结构，而快速的冷却速率产生细的晶粒结构。 图 4 给出了极高和低冷却速率下锡铅焊料中的微观结构图。

图4 A Sn-Pb焊点在要高速率冷却( 约 100k/s)

图4 B Sn-Pb焊点在极低速率下冷却 ( 约 1K/S) 资料来源于封装手册第16章第3部分

与冷却相关的一个重要方面是 ”过冷”现象。尤其在无铅焊料情况下，液熔体，当它被冷却时，即使在凝固点以下仍保持液态，在这一阶段期间，金属间化合物以层状和棒状继续增长，直到所涉及的元素消耗完成或熔融体突然凝固为止。工作固定在层状和棒状金属化合物相中。超冷的程度通常是不可预测的，取决于多种因素。在给定的封装下不同的焊点会有无数的微结构，为了实现一致的互连微结构和可靠性， 避免由于过冷引起的任何影响是很重要的。

偏离工艺窗口的影响

在前面讨论了再流焊温度曲线的基本组成，下面将重点讨论再流焊参数的临界状态，决定IMC形成的时间和温度。

组装后和返修工艺后金属间化合物相继增长，这一现象是由于现场额外增加的热暴露引起的，但是与固态中相比， 熔融/液态相中的金属反应速率按指数规律升高。前面的研究工作指出，在230DegreeC以上10sec时间导致2 um 厚的IMC形成。 而150DegreeC下150h 的等温老化(经受恒定的温度负载)产生最多2 um IMC。

在通常的制造中，在其它限制的基础上(元件与PWB技术规范)遵守焊膏制造者规定的温度曲线规定。不遵守这些限制而开发的工艺将导致最终产品的性能和可靠性有不良结果。

偏离工艺窗口对微结构物理性影响的综合研究工作指出， 熔点以上较长时间(超过焊膏技术规范)导致形成暗淡的焊点， 而过低的TAL(低于规定的范围)在基体内产生不良的粒子凝集。尽管对这些参数对焊点的可靠性和性能的影响很感兴趣，但有关这方面的现有信息却很少。

关于元件和PWB的温度限制。标准机构已设定了其范围，超过这一范围元件或 PWB材料的性能会退化， 然而对于基于IMC形成的焊点组装组合， (焊膏合金，元件与基板表面涂饰)的范围或数值的标准却没有。 因此，为了在制造环境每一产品确定这些数值，了解这些参数的分立和组合影响是很重要的。

焊点经历的最大温度会决定其微观结构。例如，在铜焊盘上的Sn-Pb焊料系统中，观察到有Cu-Sn的形成， 取决于现场中长期的热暴露。在再流焊期间，当在249-320DegreeC范围内有充足的时间，也发生Cu-Sn的形成，因此，在焊点中Cu-Sn的形成量由规定温度下焊点经历的时间来确定。众所周知，这一金属间化合物的存在影响Cu-Sn形成铜的可用性，也影响焊点的可靠性。 图 5 给出了金属间化合物的形成和其组成的化合物。

 当在铜焊盘上使用Sn-Pb焊膏，如用有机可焊性保护涂层(OSP)或In Ag焊盘涂料，在液相线上不延长时间是很重要的，因为延长时间会导致焊盘浸析或过度的IMC形成。然而，当采用阻挡层如XX时， IMC的形成被减少，可以有较长的TAL。尤其当Sn-Pb焊膏与无铅元件(向后兼容性)混合时，组装要求必须较高峰值温度和TAL，这时只要采用阻挡层才能安全实现组装。

焊点的微观结构取决于合金和冷却速率。 最佳的冷却速率是获得良好的微观结构的基础，过度的冷却速率会导致过冷， 这导致凝固和富铅相中富锡粒子沉积中非平衡态金属间化合物相的形成。这给出精细的微观结构外观，相对较低的冷却速率产生带富Pb 相的微观结构分散在整个富Sn基体上， 导致粗的微观结构。正如已经讨论过的，微观结构的尺寸决定了焊点对各类负载的耐抗性，粗层状的微观结构焊点具有较好的抗蜕变性， 这归因于分散的Pb 相，而细的微观结构具有较好的抗疲劳性(图6与图7)。在无铅焊膏中，如Sn-Ag-Cu系统，由于Cu 和 Sn 在溶解中的低溶解度， 不止遇到一种二元共晶系统——在SAC情况下有Sn-Ag和Sn-Cu，因此在无铅系统中过冷现象的可能性是会有的。

        有几点原因可以说明贵公司在回焊炉上需要有自己的温度曲线测试仪的重要性。

        首先，使用温度曲线测试仪是整个回焊炉运作过程中控制工艺制程的关键。没有温度曲线测试仪，你将无法知道炉子的机能是否完善，是否需要校验等等。

         其次，温度曲线测试仪对帮助厂商在规范作业下，进行所有线路板上元器件的校验及焊接以确保高可靠低损耗的生产起关键性的作用。举例说明：一些元器件的最高融点为240C；如果没有温度曲线测试仪，你怎样才能知道目前你所设置的状态是否符合这些元器件的融点要求。

         第三，拥有温度测试仪能降低生产损耗及对生产损耗进行分析以避免其重复发生。影响焊接质量的直接原因有上升斜率、浸锡温度、润湿时间、融锡时间，平均温度及其它的回焊炉参数。如果没有温度曲线测试仪，你就无法精确测量回焊炉工艺制程中的这些重要特性。

         最后，当你将新的线路板引进不同的热工艺制程中时，它们需要对回焊炉的参数进行微调（校零及链速设置）以确保焊接时符合元器件及焊膏本身的性能参数。

          对于许多装配来说常规的曲线测量也许足够了，也许不然。除非您完成了初始化的测量，否则你将永远不知道，元器件也许焊上了板，焊接很光亮，但这些参数并不是我们易于测出的。

         焊料是一个助焊剂、合金、溶剂的混合体，这些成份以最佳状态组合使焊接达到最好的质量。

         锡膏生产厂商通过大量的实验确定出该锡膏的最佳制程界限，以使这些锡膏得到最好的应用。

         许多参数和温度列在数据清单表中，您的工作是找出最适用的，使电子组装处于有效工作范围的参数和温度。这将在你无法控制整个工艺制程中的易变因素（如：温度设置的误差，链速、过载等）的情况下带给您最大的进行高质量焊接生产的机会。

         总的来说，温度曲线测试仪是不可省略的工作步骤。没有了它，您就像在盲跑一样！

         如果您是在生产自己的产品，您一定会尽可能减少重复工作的花费。并且一开始就最小化劣质焊接及无器件的受热损坏情况。

         如果您是一位EMS 供应商，而您却没把温度曲线测试当成您生产的基本环节的话，那您的合同将遥遥可期。

         温度曲线测试不需要花费太大；它能通过许多机器上的ON-Board温度曲线测试系统完成。如果你做好适度的预算，甚至只需很低价格还附送一个日志系统。

         温度测试仪厂商提供的工具能简单轻松地让整个工作花较少的时间完成。如果您正进入无铅生产体制并且您基本配置了温度曲线测试仪，那么您将很快看到您在温度曲线测试设计上的投资回报。

         如果您是与客户签定了生产合约的厂商,您就要当心了,您的客户最终一定会审核你的生产运作,询问诸如你是如何控制您的回流焊工艺制程等问题。如果没有温度曲线测试仪，回流焊炉将完全失去工艺制程控制！

         以上所列只是拥有回流焊炉温度曲线测试仪的所有重要原因中的一小部份。但这些就足已值得您去认真考虑拥有它。

(王益基  撰文)

前言：

上两期我们谈论了无铅焊料合金以及PCB焊盘上的镀层材料。这次我们来看看形成焊点另外一端的器件焊端材料，以及器件封装材料在无铅技术中的问题和考虑等等。使用在PCBA上的器件种类繁多，我们只谈常用的无源器件以及半导体封装类的。

进入无铅时代，器件受到的影响和PCB类似，主要来自两方面的问题。一是高温对器件封装的影响，二是无铅焊料和其焊端材料的兼容性。虽然在器件的焊端材料上，有不少在有铅时代就已经普遍采用的材料已经属于不含铅的，例如AgPd，Ni/Au，Sn等等。但由于焊料方面的变化较大，这些原先和含铅的SnPb‘合作愉快’的材料，是否也能够和新的无铅焊料兼容，就是一个必须关注的问题。这次我们就对材料的特性、市场的偏好、镀层厚度的选择等等问题来谈论。篇幅所限，读者如果有什么其他疑问可以再联系我。

无铅器件的重大问题：

虽然焊料合金（锡膏）和PCB焊盘镀层对质量的影响似乎比器件焊端材料大（至少业界的关注显示这种现象）。但用户在器件方面的选择工作却一点也不轻松。主要是由于一块PCBA上的器件不会只是来自一、两家供应商，而各供应商也不会灵活到可以任由用户指定所想要有的焊端镀层材料、工艺、和厚度等指标。如何在众多供应商之间获得最佳的配合以确保PCBA在加工和质量上具有最小的风险，是件十分费时和复杂的工作。也就是说，进入无铅后，我们的DFM工作将复杂很多。

在同一PCBA上，由于器件的结构、热容量和布局的变化，使我们对各器件的焊端条件出现不同的要求是另外一个头痛的问题。在含铅技术中，许多用户其实并没有做到这些考虑。不过由于工艺和质量窗口大，出错的机会可能不高。但无铅技术中随着工艺和质量窗口的缩小，这问题出现的几率也跟着提高了。为了避免巨大的质量损失，我建议用户至少对关键和寿命特性短的器件进行这方面的规范化和控制。

业界对器件镀层材料的研究资料较焊料合金和PCB镀层少很多，只有两三类合金有较多的信息。这对于广大用户来说参考量是很不足的。而且这些研究不少出自器件供应商本身，不只是试验的范围组合有限，结论也不尽相同。例如对于SnBi的研究，日本方面的报告多表现其性能质量优良而甚少有提出问题风险。但欧美的研究报告对它就提出许多怀疑或不理想的评估。另外一点，是由于业界多认为BGA的球形焊点是最难处理的焊点结构，所以大多数的分析，不论是焊料、PCB镀层、或是器件焊端材料，都局限于这类焊点上。而BGA多采用SAC材料作为焊端，所以研究多在这方面上进行。我们知道，焊点的可靠性除了合金材料外，和焊端结构、封装以及工艺都有很密切的关系，所以这些经验对用户照顾到PCBA上的许许多多封装是很不足的。

另外一个问题，是从有铅到无铅的转换，所有的供应商不会有一致的步伐，所以所有的用户都必须得面对同一加工组装过程中有铅和无铅的混合情况。这其实比纯无铅还难搞。一来此时的用户，本身的实际经验属于较不足的阶段；二来此时的工艺窗口可能是最小的时候（比起纯无铅还可能更小）。而同时出现有铅和无铅两种材料，在技术文档、工艺规程、器件编码、仓库管理、返修处理和产品纪录跟踪等等各方面都造成大量和复杂的工作。

以上的各种问题，没有一件是容易解决和处理的。

器件在高温下的考虑：

由于无铅技术在很多时候可能需要较高的焊接温度和较长的时间。在以前有关焊料合金的文章中我解释了较被推广的Sn37Pb的替代品都含有较高的熔点温度。以最被看好的SAC类合金来说，熔点高达217℃左右（看成分而有些微不同），而NEMI( 美国National Electronics Manufacturing Initiative )的建议是焊接温度不低于235℃。不少业界的实际经验是240℃到250℃之间为最理想。这比传统的含铅技术要高出20℃到30℃左右。传统的器件材料是否还能够承受这更高的热能必须给于评估确认。高温的影响主要有四方面。首先是器件的封装是否能够承受得起高温；第二是更高的温度对器件封装吸潮的影响是否较有铅技术中更严重；第三个考虑则是焊端材料和镀层厚度是否能够阻止高温处理中的过度氧化而造成可焊性不良的问题。最后是在高温下器件和PCB的曲翘程度比较大，造成共面性不良引起的虚焊和开路等问题。

在确保供应商提供的器件能够满足耐热的需求方面。IPC/JEDEC推出了一个标准建议J-STD-020C（图一、表一和表二）。建议所有无铅器件必须满足这标准。

图一

表一和二：图一中各个参数指标

所有无铅的器件的耐热性都应该按建议中的标准来衡量。意识到不同封装有不同热容量的差别，表二中容许较高热容量的器件可以承受较低的温度。不过这种做法由于在管理上较为复杂而不被所有用户所接受。用户多喜欢统一的260℃指标。但统一的260℃对供应商肯定有较高的要求。所以并不被所有供应商认同。在采购时必须清楚的沟通，或必要时进行实际测试认证。

第二个考虑是器件的吸潮问题。一般受影响的是塑胶封装的半导体和集成电路类器件。由于无铅焊接的热能增加了，如果器件吸潮了，受热造成的破坏性会更大。业界试验和使用经验中发现有些器件的确在无铅焊接温度曲线下更容易出现封装破裂和‘爆米花效应’问题。由于蒸汽和温度的比例并非线性，在无铅的高温焊接下，虽然温度和含铅焊接提升了约10%到20%，但测量出的蒸汽压力的增加却高达63% 到86%。可以想象其破坏力的提高了。试验和经验总结中，业界多认为无铅的影响是使器件的原有吸潮敏感等级或敏感度必须提高1到2个等级。等级的划分可以参考IPC/JEDEC标准（表三）。IPC/JEDEC也提供了认证器件防潮能力等级的做法，表三和四中也显示了部分测试参数和测试前处理的条件。

因吸潮和高温加热造成的问题，一般常见的有‘爆米花’、封装裂开和内部分层三类。看部位和严重程度，并非所有的问题都能够被目视检查所发现。AOI不好处理这类的检验，非自动AXI可以看出一些问题（但也非100%），但速度成本都不适合生产的条件使用。所以避免这类问题必须从采购前的器件认证着手。以上IPC/JEDEC的标准可以作为一个参考。需要更精确的用户必须和供应商之间商讨和达到双方在方法和成本上认同的结果。

另外该注意的，是虽然供应商一般有提供组装前对器件进行烘烤的做法，但在无铅中应该通过更好的采购流程以及库存条件以避免需要进行烘烤的工作。因为烘烤除了增加工作和成本外，对与原本润湿能力较差，以及容易出现气孔问题的无铅技术也增加了质量控制难度。

表三：湿度敏感性等级和测试条件

表四：防潮能力的回流测试参数

至于第三个考虑因素，也就是关于器件焊端镀层是否能够承受较高的焊接热能而保持良好的可焊性的问题。目前并没有统一的标准存在，而只有供应商或一些投入也就工作的用户的经验数据。由于牵涉的子因素很多，包括材料、电镀工艺种类和参数、厚度、库存条件和时间、以及焊接次数以及参数设置等等，这类标准并不容易制定和达成认同。所以这方面的考虑，用户最好能够有本身的研究认证能力。或和供应商有足够的沟通。要强调的一点，评估供应商报告时必须仔细的评估材料的配搭。如我以前所说的，无铅的材料种类很多，不同的配搭往往出现不同的表现，而这些表现的变化并非可以推算得出的。

共面性不良的问题，在含铅技术中虽然有些国际标准和建议，但实际上并没有很好的获得解决和控制。如今无铅带来可能更严重的曲翘问题，又将进一步使问题严重化。尤其是一些原本共面性就不容易控制的器件，如连接器和BGA等。器件焊端和封装材料的选择、DFM规范（焊盘和钢网）、加热的设置等等都成为必须要做得细的工作。在无铅技术中，焊接时使用托盘、压板和固定条等将会更加需要和使用较含铅时代更频繁。

器件焊端无铅化的材料：

器件使用铅的地方除了引脚或焊端外，在器件内部如芯片组装等也用上。这部分属于一级组装技术，我们这里只谈直接影响SMT用户的二级组装技术部分，也就是器件外露的焊端和引脚部分。器件供应商在处理器件焊端无铅化时基本有两个大的方向。一种是以锡Sn为基材的做法。例如纯Sn，SnCu，SnBi等。另外一种则选择不含Sn的做法，例如Ni/Au，PdNi，Pd等。

技术上可行的材料很多，基本上曾在不同程度上被采用的有：
100%Sn, SnCu, Ni/Au, AgPd, SnAg, SnBi, Ni/Pd, Pd, Ag, SnZn, Ni/Pd/Au, Au, AgPt, SnIn, SAC。

当然不是以上所有的材料都同样受欢迎。从供应量的角度来看，西方业界和日本有明显的不同偏好。西方供应商多使用100%Sn（多为亚光锡），而日本较爱好SnBi合金。大约有80%的西方供应商都提供100%Sn为其主要供应，而约有86%成的日本供应商都提供SnBi为主要镀层材料。除此之外，其他较受欢迎的焊端镀层材料是（按受欢迎程度排序）：

SnCu, Ni/Pd, Ni/Pd/Au, Ni/Au，SnAg, SAC

图二是2002年一项大规模的西方用户调查结果，显示了以上所说的现象。

图二：欧美用户偏好的器件焊端镀层材料

在表现上100%Sn是最接近SnPb的，而且成本在无铅材料中相对不高。所以被西方欢迎。其最大的问题在于产生金属须（Whisker）和IMC增长快等风险。到目前为止，人们对与金属须的原理和控制方法还没有完全掌握，虽然已经有了不少的经验来处理它，但由于在原理上不清楚（只是有观察到的现象经验），所以还不是十分放心。表现其次的是SAC，SnBi和Ni/Pd/Au，但后者的价格很高（由于钯和金的原因）和供应少是个问题。SnBi则遭受铅污染的风险较严重而不被西方接受。Ni/Au在表现上只有润湿性较差与Ni/Pd/Au，而且有较多的实际使用经验。但价格成本是个广大客户不欢迎的因素。

在球形焊端（例如BGA, CSP等）器件上出现了一个较特别的情况，就是业界大多采用SAC作为材料（有不同的成分配搭）。全球约有超过70%的供应都采用SAC。这是因为采用这类焊端设计的封装，一般都比较难加工的关系。所以选择使用和焊料相同（注一）或十分接近的材料以减少工艺变数。但该注意的是，不是所有用户都会采用SAC合金焊料，以及相同焊料也可能带来某些工艺质量问题（例如气孔等）等等。

各种较受欢迎镀层的特性：

器件镀层材料上的研究结果和信息，远不如焊料合金以及PCB焊盘镀层。虽然选择也多样化，但一般的研究较集中于纯Sn、SnBi以及SnPdAu上。下面让我们来看看较受欢迎的一些镀层材料的特性。

100%Sn: 纯锡的好处有很多，首先是其对多数合金的润湿性在无铅材料中都属于较好的；工艺性也较近似SnPb；焊点的可靠性比美SnPb或可能更好；没有铅污染的问题；纯锡可以用电镀工艺而且质量和经验都较好（可以保证质量的稳定），无需进行加工时的合金成分控制；锡自然供应充足，成本相对低（实际成本和SnPb十分接近）；而且业界已经有很多的供应商。

弱点是几种质量问题的无法获得满意的解决。包括金属须，锡瘟和IMC快速增长的问题。

纯锡镀层的器件在焊点的可靠性分析上是被评为较好的。尤其是当他配合较被看好的SAC焊料合金时，不少报告都指出其寿命较传统的SnPb镀层来得长。而纯锡的使用中最担心的金属须问题。目前业界多认为可以通过使用亚光锡（注二）来控制。虽然不少商家有试验报告采用亚光锡没有像亮光锡那样出现金属须，但却也有报告发现亚光锡存在金属须问题。总之在目前对于金属须还没有完全了解和掌握的情况下，这并不是个万全的方法。近来也有出现另外一种处于亚光和亮光之间的锻光锡镀层的，据说其抗金属须能力较亚光锡还强。所以在这课题上，人们还在不断的研究和发展，希望解决金属须的方法能早日出现，那将对纯锡镀层的应用大有帮助。

SnBi：这是最受日本工业界欢迎的材料。其焊接工艺性好；有较久的实际使用和生产经验；焊点寿命长（相当或稍高于SnPb）；没有或只有很低的金属须风险；而且供应商也多（多为日本产家），成本稍高于SnPb（约20到40%）。缺点是有较高的铅污染风险（质量不稳定）；电镀工艺需要严格的控制（因此电镀成本高）；材料回收困难（符合WEEE的要求的成本高），而且在电镀出问题时无法进行返修（纯锡的返修重镀很容易）；在波峰焊中，Bi容易污染锡槽，被污染到一定程度的锡槽会增加焊盘或焊点剥离的故障。另外，由于存在低熔点IMC的问题（高温应用风险较大），目前这镀层并不为汽车业界所接受。

从许多报告中，采用SnBi镀层的焊点有很好的疲劳寿命以及较SnPb强的抗拉强度。其润湿性较100%Sn还好。不过有一个问题，在含铅兼容性上，如果采用含铅的锡合金，其润湿性也许不能满足波峰焊接的快速要求（波峰焊过锡时间短），在回流焊接工艺中则无问题，表现还优于纯锡镀层。

在多数研究报告指出SnBi的可靠性偏好的同时，业界也有试验研究发现其IMC增长率较快的现象。研究结果其推动IMC增长的能量Q值（注三），比起纯Sn高出一倍，比起SnCu高出25%。IMC越厚对焊点的寿命就越不利，所以此发现和其他常见的不同研究报告一样，在人们对无铅技术的了解程度上又提出了质疑。目前这IMC增长较快的原理还不清楚，只估计是由于Bi的出现改变了Cu的渗透入Sn的速度。

在比较Sn，SnCu和SnBi镀层可靠性的试验中，也发现使用SnBi的焊点明显的出现较多的气孔（图三）。这现象也对可靠性不利，而这一因素是否出现在其他认为SnBi可靠的试验中就不得而知。也是另外的一个需要更多分析的疑点。

图三：SnBi镀层器件焊点断层面的气孔

SnCu：常用的是Sn0.7Cu，成本低（高于SnPb约20%）以及配合波峰焊合金是采用的主要原因。由于Sn的含量很高，所以纯锡的问题和担忧都也存在这材料技术中。包括金属须、锡瘟和IMC增长。由于Cu的成分对熔点温度的影响很敏感，所以加工时要很好的控制Cu的成分避免造成工艺质量不稳定的现象。如果使用的器件引脚基材是铜，镀层厚度的测量可能十分困难，影响工艺和质量控制的能力。相对来说，在几种镀层材料工艺中，SnCu工艺是属于较难控制的。此外，库存中的镀层变色也是个关心的问题。

SnCu镀层器件的可靠性，虽然较纯Sn和SnBi稍微差，但相当于传统SnPb，而且其老化程度较其他合金低。所以在可靠性上是被业界所接受的。

Ni/Pd和Ni/Pd/Au：这类材料的好处是有很长的实际使用和制造经验（自1989年起供应市场）；很长的库存寿命（试验报告可达8年）；良好的润湿性（Ni/Pd/Au）和抗拉强度（优于SnPb）；未有报告出现过金属须问题。弱点是钯的天然供应少，成本很高；不适合使用于42合金的引脚上（腐蚀问题）；引脚成形后容易在弯处出现裂痕（据说有新的制造工艺可以避免这问题）。

Ni层能够有效防止Cu渗透入Sn，防止焊点因为IMC和金属迁移造成的气孔问题而影响焊点寿命。

由于Pd的可焊性较差，以及溶蚀速度慢（比Au慢5倍以上），一些供应商建议使用Ni/Pd/Au镀层。但多了Au层和其电镀工艺却是成本增加了。所以客户必须在成本和质量上做出选择。也许这材料的最大问题是自1998年以来成本突然猛涨，而且波动也大。Pd的主要来源是俄罗斯以及曾出现数次的供应短缺也是个供应商担心的因素。

Pd有很好的润湿性，润湿速度较SnPb还快，但润湿角较SnPb大（约20度到30度，注四）。不过这较大的润湿角还是很好的符合业界标准（< 75度）。

镀层的厚度是关键，必须配合焊接工艺使焊点形成在Ni面上（Pd和Au溶蚀入Sn中）。所以质量要求高的用户必须就镀层厚度方面和供应商商讨和进行工艺质量认证。在采用Ni/Pd/Au镀层时，如果PCB焊盘也采用含Au的如ENIG等，引脚和PCB焊盘镀层的总Au量要进行评估以免引起过量Au造成的问题（金脆化问题）。

Ni/Au：Ni/Au也是属于有较长使用经验的材料之一。具有很好的库存寿命和润湿性。可靠性属于变化较大的，关键在于镀层厚度的控制。这是因为镀层太薄降低库存寿命，而太厚又影响焊点可靠性。这必须在选择上达到平衡。尤其是当PCB焊盘镀层也使用如ENIG等含有Au的材料时，控制更加复杂些。我曾见到一些很小批量生产的用户，由于采购量的问题而需要较长的库存期（可能长于1年以上）。所以选择Ni/Au器件。但这些用户往往又是些质量寿命要求比较高的行业。含有足够镀层厚度来确保库存寿命的，有可能就会给他们的焊点造成使用寿命不足的现象。这问题在含铅时代就已经存在，也会延续到无铅技术中。Ni/Au镀层的可靠性一般较其他材料稍微逊色（其Au造成的IMC较弱）。但如果能够很好的控制Au的成分，这类合金镀层也可以提供很好的可靠性。这是因为Ni层的存在可以减慢引脚基材中的Cu渗透入Sn的速度，而当Ni/Au使用与无铅的SAC焊料上时，人们发现其合金CuNiSn可以加强焊点的可靠性，使它强于SnPb。

除了厚度制定的难度外，Ni/Au技术的成本较高，也是一个阻碍它被大量使用的因素。

SnAg：使用较多的是Sn3.5Ag。这材料有很久的实用经验以及普遍的供应，可靠性良好。由于Ag的成分对熔点温度的影响也大，电镀过程对合金成分的控制也需要严格。而且电镀工艺较复杂，电镀液的处理不易又是另外一个环保问题。SnAg还有一个弱点，是Ag本身也很毒，排序中仅次于铅。

SnAg的润湿性较SnPb差，在本文介绍的常见无铅镀层中也属于较差的。所以外观检验标准需要有所区别。在可靠性方面，许多报告都表示SnAg有相当于或稍高于SnPb的抗拉强度和寿命。

SnAg目前还未被广泛的接受和使用。在日本研究和评估的较多。较可能大量使用在DIP封装上。

SAC：这材料的使用多在BGA上，它也是BGA的主要焊端材料，大多数供应商都使用它而似乎成了标准。由于BGA封装的设计在焊接工艺上是比较高难度（注五），所以采用性能最接近焊料合金会较有利。目前大多数研究结构、国际标准组织、供应商和用户看好SAC为将来回流焊接的主流合金，所以BGA焊端也偏向选择SAC。SAC在其他器件上的使用还不普遍。

SAC的使用在BGA上也不是没有问题，其中一个缺点就是熔点和锡膏合金相同。这就回流温度曲线和锡膏配方的要求提高了。否则容易出现气孔的问题。而有BGA产品的回流温度曲线原本就较难设置，所以用户必须更好的掌握工艺和DFM技术。

另外一个问题，是在技术转移的过渡期间，如果BGA供应商已经改用SAC材料，而用户还没有开始进入无铅（仍然使用SnPb锡膏）时，SAC焊端在传统的SnPb焊接温度下（约210到225℃常见）较难形成良好的焊点（注六）。加上BGA底部焊端的温度一般在板上属于较‘冷’部分，所以在要确保BGA焊点可靠的情况下，PCBA上的其他一些器件可能过热。而由于用户尚未正式推行无铅技术，在其他器件的无铅能力上（例如耐热性等等）未必有进行认证控制，这就有可能造成组装加工时出现工艺无法处理的情况。遇到这现象时，唯一可做的可能是采用手工焊接BGA。这又增加了成本（额外工序）、降低效率（手工速度慢）、以及增加质量风险（手工质量）。这点用户必须注意。这也是个典型的被逼转入无铅的例子。

SAC有很好的抗切强度，尤其是其疲劳老化程度较SnPb小得多（图四）。

图四：BGA采用SAC焊球的可靠性

镀层工艺技术：

在器件焊端和引脚的镀层工艺上，目前最常采用的有三类。

· 浸锡工艺
· 电镀工艺
· 电镀+熔化工艺

浸锡工艺的厚度不均匀，可控性差，但镀层密，没有针孔问题。另外一个限制就是不能用在间距小的器件上。电镀工艺可以很好的控制镀层厚度，不过针孔常是个问题。为了解决针孔问题，后来开发了第三种工艺，就是电镀后再进行熔化使镀层针孔复合。不过这种工艺的成本较高。工艺除了决定质量和成本外，也决定所能采用的材料，所以应该一并考虑。

在纯锡的镀层应用中，电镀工艺，尤其亮光锡的电镀工艺基本上是不被接受的。因为这组合很容易出现金属须的故障问题。这是由于电镀过程中遗留内应力的关系。采用电镀后熔化的工艺，熔化工艺能够将内应力给释放或消除，就能够减少金属须的风险。还有就是在电镀工艺中，器件的引脚镀层在成形时较容易出现裂痕（图五），这对库存和组装时的可焊性不利，甚至会引发慢性腐蚀（Creep Corrosion）。但另外一方面，浸锡工艺又不可能处理所有的器件（例如微间距器件就不行）。 所以工艺的选择也必须看个别材料的配搭特性，我这里不可能介绍所有业界可能出现的组合，用户应该在建立工艺和设计规范时给于全面的仔细了解和认证。也就是说，当您在考虑无铅技术的材料时，必须焊料+器件镀层材料+镀层工艺一起考虑和给于指明。以免出现错误的决策。

图五：电镀镀层引脚成形后出现的裂痕

和PCB焊盘的镀层一样，器件焊端的镀层工艺对于用户的工艺质量影响也很大。比如纯锡电镀的电流密度的变化，就可以产生不同粗糙程度的镀层表面。而这就会影响金属须的出现和生长风险。所以用户也必须对其供应商的工艺和质量控制能力进行仔细的了解和评估。

镀层厚度：

镀层厚度和焊接工艺质量很有关系，所以是要求好质量必须关注这问题。但镀层厚度的决定并非是件简单的工作。决定镀层厚度的因素有：材料、电镀工艺、焊料合金、产品设计的复杂度、要求的质量水平、产品上其他的器件种类分布、炉子和工艺能力、库存条件和要求等。所以这不是一朝一夕可以优化的。但如果没有好的做法和系统，用户可能永远也无法做到优化程度。要做到能够很好的决定镀层厚度，用户必须做到以下几点。

1． 了解所选择的焊端材料和工艺的特性，包括库存寿命和故障模式（必要时做实验认证）；
2． 了解该材料的制造（电镀）技术特性和可控性；
3． 了解和所用锡膏种类配合下的焊接工艺要求（温度曲线窗口），这方面不应该有太大的期望能获得现成很好的资料，如果质量要求高，用户最好是自己认证；
4． 了解供应商的工艺能力，以及实际加工中的厚度控制灵活性（愿不愿意提供各种不同的镀层厚度？采购的成本影响？）。必要时对供应商进行实际考察和测量评估；
5． 从公司的运作的情况和制造策略考虑上，制定库存的条件要求；
6． 从以上各点的综合信息制定各种器件、材料的焊端镀层厚度规范；
7． 制定具体的执行规范，并在初期的产品中进行可靠性测试认证。而后决定是否需要修改规范。在达到一定稳定性后推行。对与有质量要求高的产品，用户应该持续监督以上做法，到有很高的信心为止。

镀层的选择认证：

在选择适当的材料和供应商时，在目前无铅技术的复杂性高，把握性未普遍到位的情况下，我建议必须进行一定程度的认证试验。一般而言，认证的内容可以包括以下几个方面。所有考虑必须配合所采用的焊料合金和品牌型号（注七）。

1． 润湿性（润湿时间和润湿力）；
2． 接合力（抗拉和抗切力）；
3． 可焊性（包括IMC，工艺参数要求等）；
4． 镀层的均匀性；
5． 库存条件和寿命；
6． 镀层厚度控制能力；
7． 镀层针孔、裂痕；
8． 外观；
9． 金属须风险。

困难的是，从技术和质量考虑上用户最希望有的，未必能符合产品电性上的要求和所信赖选择的供应商。所以用户也很可能遇到无法两全的时候。这情况下就必须做出补救和取舍。补救指的就是更好的炉子和工艺调整。这就必须有很好的DFM和工艺/设备配合的技术管理体系，读者如果上过我的‘SMT工艺管理课程’，就应该知道我为什么十分强调‘技术整合’，以及设备配置（注八）了。‘取舍’的意思，是当用户无法对每个器件都照顾到时，必须要能够做到应该保住哪些器件焊点，以及如何做就能保住这些该保的焊点。这又要求设计部，基础工艺部和生产工艺部之间的沟通和配合必须做得很好。所以无铅技术在制造上带来的难题，更需要用户有很好的技术管理。

供应商沟通：

在推行无铅的过程，由于供应商在技术和材料的选择和能力上有不同，许多用户可能有需要转换供应商。即使是原有的供应商，也会因为技术的转变或重新认证，而需要多方面的沟通。供应商的沟通管理，是无铅管理上一个重点。事实上，在用户决定是否使用该供应商之前，不论是延用还是新供应商，详细的技术沟通早便应该开始。

一般较有规模的器件制造商，都有一套他们的无铅推行方向、策略和里程计划，以及推行状态的纪录。这是用户首先必须知道的。这是给供应商初步定位的主要依据。也就是从技术方向和时间的考虑上来选出哪些是较适合的供应商。如果用户本身对器件焊端的材料还没有较明确的选择，用户也可以通过这方面的沟通来了解各个供应商选择他们材料和技术的原因依据。从而学习到一些知识。

供应商的沟通可以分开几个阶段。第一个阶段是以上所说的对供应商在无铅技术上的方向以及整体状况做一个了解。第二个阶段则是配合自己的要求（用户应该整理出一个技术要求清单和规范），向供应商提出和商讨他们能够支持您的程度。这里包括供应商所能提供的，完全符合您所要的材料技术组合的试验结果或其用户实际经验。第三个阶段的沟通，主要在于对第二阶段无法满足的项目，供应商如何能够进一步支持您。例如供应商是否愿意投入这方面的认证，或合作开发，或协助您到其他用户处考察等等。双方此时也应该制定一个时间表，而这时间表当然必须满足您内部所计划的推行时间。

供应商和器件镀层技术种类很多，不要忽略了这方面的工作量。要把工作做好，投入适当的资源是必要的。道理似乎简单，但我接触的用户中，多忽视了这方面的安排，以为反正无铅的就行了。当然器件不是决定用户产品质量的唯一因素，不投入是否有问题，就看用户的运气了。

后语：

从器件的角度来看，焊点的形成和可靠性，取决于其焊端镀层材料、厚度、电镀工艺、库存条件和时间、所使用的焊料合金、焊剂配方、以及焊接过程中的工艺（温度、时间）设置和控制的影响。在某些情况下，例如微间距Ni/Au和含Au的PCB焊盘镀层共用时，还得考虑到PCB焊盘镀层的厚度和材料成分等等。加上器件焊端材料的种类多，供应商能力不一等等因素，使得器件焊端材料的规范制定、采购、质量控制等工作具有高度的复杂性。虽然不少器件的无铅材料，在含铅时代都已经使用过，但当焊料合金改成无铅后，所造成的新组合特性可以是截然不同的。而这些变化，并非理论上可以准确的推测得出。这需要实际的使用或试验来了解。业界在这方面的研究显然较焊料以及PCB焊盘镀层方面来得不足。虽然一些较有规模的器件供应商都有提供一定的研究认证资料，但众多的组合以及试验结果的不一致也导致用户判断和选择的困难。另一方面，无铅技术在工艺质量方面带来的窗口萎缩，也提高了用户做出错误选择和质量损失的风险。

足够的资源投入在供应商沟通、工艺和质量认证、技术整合工作因此是重要的。这不仅是对技术的认识问题，也是管理系统的问题。除非用户所制造的产品，对寿命质量的要求不高（例如一些电子玩具和廉价家电之类），否则用户应该自己评估要做到什么程度。而从事加工行业的，对与产品的质量责任也许应该从新定义。

我们这三期谈到无铅材料，以及较早谈到的无铅工艺，用户们都必须在这基础上同时给于综合考虑，才能确保最小的质量和成本风险。很不幸的，无铅带来了较多的工作和压力。也带来是更大的随机竞争情况。做出什么的管理和技术决策，就见仁见智了。不过我还是要提出一个看法，就是无铅技术在带来众多不便和成本增加的同时，也带来了一个企业、部门、以及各人在竞争上重新定位的机会。对与能够看清和把握的用户来说，这或许是个最大的好处。

技术兼管理顾问
薛竞成
2005年8月

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注一：SAC合金现在已被认为是将被最广泛使用的焊料合金。而整个技术和商务的发展趋势也似乎会往这方向推动。

注二：亚光锡（Matte Tin）的主要特性。其有机或碳含量较亮光锡（Bright Tin）小了很多，约20到100倍。微晶颗粒较小，约0.5~0.8微米（亮光锡约1~5微米）。试验结果发现，含碳少的锡以及微晶颗粒小的锡都较能防止金属须的生长，所以亚光锡的防金属须能力较强。另外一个原因，是亚光锡工艺的镀层厚度较厚，是亮光锡的3到30倍。而较厚的镀层也是防止金属须产生的因素之一。

注三：在IMC厚度的公式中有一Q值，表示‘活动能量’。IMC的厚度和此Q值成正比。越大的Q值，在相同时间下就会产生越厚的IMC。所以Q值决定IMC的增长率。

注四：润湿角度不仅和材料有关系，也和焊端结构，锡膏量，锡膏种类（焊剂配方）以及焊接工艺有关。

注五：BGA的封装设计发挥了良好的微型化效益，但在焊接工艺上，尤其是目前作为主流的热风回流焊接，是属于较难的。关键在于BGA底部的空气对流程度很差，必须通过封装本体的导热，容易造成不同部位的焊点温度不均。尤其是和PCBA上的其他小热容量焊端比较时更甚。这是回流焊接中的大忌。在进入无铅技术后，随着焊接工艺窗口的缩小，这问题给用户带来的压力将会更大。

注六：在较低焊接温度下（约 < 230℃），BGA的SAC焊端和SnPb锡膏合金不能很均匀的融合并形成良好的微晶结构。锡膏中的Pb在焊点中会出现较集中的现象。形成类似铅污染的效应，对焊点的寿命造成威胁。

注七：试验和考虑必须针对焊料品牌型号而不只是合金成分。因为许多工艺性，如气孔和润湿性等等都和锡膏的焊剂配方有密切的关系。

注八：在无铅技术中，我建议大家应该仔细的选择性能良好的炉子。不能太过顾虑价格方面的因素。当然价格高的炉子未必好，而且各家有差别，所以选择认证炉子的能力是十分重要的。

前言：

上篇文章我们谈到了焊料合金。我们也提到整个焊接必须当作个系统来处理和考虑。而这个系统中就包括了材料、工艺、设备、检测、返修几个主要部分。在材料中，除了焊料合金和助焊剂是个关键技术外，就是PCB材料、焊盘镀层（保护层），以及器件焊端的材料了。我们这期就来看看PCB方面的发展。

无铅技术对PCB主要造成两个方面的影响。一是较高的热量或温度对PCB基材造成的破坏威胁；另一是和焊盘保护镀层材料相关的，虽然镀层材料在进入无铅技术时并没有什么变化，但由于焊料合金的改变，使焊点和焊盘界面特性也起了变化，而这变化是否影响焊点的可靠性，是无铅技术研究的重点之一。

PCB的耐热性能：

虽然无铅焊接可以在传统的温度范围内进行（即所谓的drop-in工艺），但对于多数用户来说，要做到这一点是不容易的。尤其是要做到每一种产品都能够在传统的峰值为235℃以下焊接成功的话，就需要有十分良好的DFM、设备和工艺的配合。这些技能的掌握并非容易。所以对于许多用户来说，无铅也就意味着较高的焊接温度。而在较高温度的情况下，原有的PCB材料是否还能够承受这些热量而不会出现可靠性问题呢？

在传统工艺上，PCB的软化温度（Tg，Glass Transition Temperature）一直是个主要的关注指标。这特性指标也常间接地被使用来评估基板的耐热性。越高的Tg，意味着耐热性较高，也意味着在焊接过程中变形的程度会较小。在常用的FR4材料上，Tg的范围大约从低Tg值的120+ ℃到高Tg 类FR4的180℃左右。而这温度，在无铅的一些应用上（如大而薄的BGA）是不太理想的。所以追求更高的Tg，或在使用上小心设计，或采用drop-in工艺（注一），是一些无铅用户的研发重点。

不过在无铅的普遍高温度的研究中，使业界发现了在PCB基材上，有另外一个特性对我们的应用更重要。这就是层压分离温度（Td，Delamination temperature）。这特性指的是在某一高温下，PCB的层压间开始失去结合力而出现脱离现象。在锡铅技术时代，人们很少发现PCB分层的问题（除非是PCB的制造上问题）。但当焊接温度和时间加高加长以后，这类问题开始出现了。所以用户也就开始关心供应商使用的材料的这一特性指标。一些专家认为，在无铅技术中，这指标甚至比Tg的应用更为重要。原因是它所表示的特性，遇到问题的可能性更高。Td在英文中有时也称为Decomposition Temperature（缩写不变，都是Td）。也就是分解温度。原因是造成分层问题的原因，是由PCB基材中树脂的化学分解造成的。不过虽然Td在无铅应用中很重要，并非所有的供应商对这特性都给于测试以及制定指标，所以还得通过用户不断的提出要求才能推动起来。

还有一个特性，就是影响外观的变色。一些FR4材料在240℃以上时就会变色（变得更深更暗的褐色）。而无铅焊接的温度可能高达245到250℃，这将会给产品带来外观上的问题。虽然此时的基板质量（如绝缘性等）并没有变，但对用户来说总是个不放心的因素。

由于目前没有Tg超过260℃的材料，所以焊接过程中产生曲翘的传统问题依然存在。甚至随着焊接热量的增加而更严重。而这方面一直也缺乏测试指标（注二），所以用户必须得自行处理。

PCB的耐热测试：

不像SMT器件，到目前为止，还没有一个较统一的测试方法用来鉴定PCB在无铅技术中的使用质量。一些大企业例如IBM等有自己的测试方法。一般都像器件一样的采用类似回流温度曲线来测试。因为大家认为这是最接近实际应用的状况。事实上由于测试时使用的多是裸板，其负荷和对流条件和实际产品是有出入的。我们在实际应用中，所要确保的是焊点上的温度变化，以求符合我们所要的温度曲线，当我们通过设置来达到这目的时，由于以上所说的空气对流性的影响（和布局有很大的关系），以及导热特性的变化（和PCB内层布线等相关），我们在板上不同点的温度也有不同的变化。所以严格遵守焊接回流曲线图形是没有必要的。而更重要的，是测试时的温度和时间以及升温和降温速率的设置，也就是热量的大小和热冲击程度的模拟才是个关键。为此，笔者比较喜欢使用‘梯形’或‘双梯形’（注三）的测试方法。

如果读者采用‘焊接回流曲线’的测试法，我建议测试的参数必须比IPC/JEDEC的J-STD-020C来得严峻。因为在实际应用中，PCB由于两面受热以及对流条件较器件好，很多时候是可能热于器件的。我见过的测试做法，都采用和器件测试参数很接近的，有些参数甚至比器件测试的要求低。这是不太理想和值得再研究的。

目前被看好的镀层技术：

PCB上焊盘一般都是使用铜，为了防止铜的氧化而造成可焊性差的现象，所有的焊盘表面都有经过保护涂层或镀层的处理。由于在锡铅技术时代，许多镀层的材料都已经不含有铅，所以在进入无铅技术的研究中，这方面主要是把焦点放在和新的无铅焊料合金的兼容性上。同时，由于SMT一直也在朝向微型化发展，而焊盘的平整对微型组装是个重要因素，所以当业界在处理无铅技术的焊盘镀层时，同时也考虑到镀层技术所能提供的平整度。这一来，使用最广的传统热风整平锡铅技术（HASL）的用户，受到影响的也将会很多。

焊盘保护镀层的种类也不少。其中有纯锡Sn、纯银Ag、纯铋Bi、以及合金的锡银SnAg、锡铋SnBi、锡铜SnCu、锡镍SnNi、钯Pd和钯合金、还有多层的钯/金Pd/Au、镍/钯Pd/Ni、镍/锡Ni/Sn、镍/金Ni/Au、以及有机涂层的OSP。在众多技术中目前较受到看好的镀层技术有以下几种：

· OSP
· 镍金层（有Electroless和ENIG）
· 浸银ImAg
· 纯锡（有Electroless和浸锡）

业界，尤其是日本方面，也在发展热风整平HASL的无铅技术。虽然有一定的成果，但其他技术的发展以及对平整度的要求，是这门技术再不像以往锡铅时代一样的具有很大的优势。最终是否能受大部分用户欢迎而成为主流还是个未知数。

镀层加工技术：

一直以来，焊盘保护层的加工（电镀）技术，并没有得到SMT用户广泛的关注。我们一般在SMT组装用户中都把这门知识交给供应商，很少有SMT工程师对这方面熟悉的。不过在无铅技术的研究中，业界发现不同的加工工艺对焊点的可靠性也有一定的影响。其实这状况在锡铅技术中也有，但无铅的某些情况下似乎较严重。例如金属须（Whisker）问题，在电镀加工中情况严重，而在浸镀和热风整平中几乎没有见到过（这类问题在锡铅技术中由于铅的存在能够抑制金属须而不被关注）。除了个别工艺在可靠性上有差异外，我们还发现在不同工艺中，其质量保证的要求也不一样。例如电镀（Electroplated）工艺本身是较容易控制的。但无电极电镀就需要复杂的电镀液和控制，对于质量的一致性保证难度较高。这些技术在供应商方面是否能掌握得好会直接影响用户的产品质量。所以对于那些产品要求可靠性高的行业，这可是个SMT工程师需要学习了解的新课题。

常用的镀层技术有电镀（Electroplating）、无电极电镀或化学电镀（Electroless plating）、浸镀（Immersion）或以上的混合式，例如无电极电镀加浸镀。这些技术和镀层材料（如Sn, Pd, Ag, Au等）配合，就出现不同的工艺和寿命特性。这些技术各有特点，比如电镀容易控制，但因为加工时必须通电流，而决定电镀程度的电流密度受到电镀面外形的影响，所以这工艺用在高密度上较不理想。无电极电镀的工艺控制难，虽然结果能够有好的质量，但供应商必须对该技术有很好的认识和掌握才行。图一种显示了两个由于电镀工艺控制不好的故障例子。

图一：电镀工艺失控造成的质量问题，左边是针孔，右边是裂痕现象

在无电极电镀技术中，电镀液的配方和控制是个关键。除了要掌握这配方外，电镀过程的温度、时间、耗损、以及电镀液的酸性值等都是必须控制的。所以这门技术对供应商的要求较高，而用户在供应商的选择和能力评估上就有必要更小心，以免遇到批量质量的变化和风险。图二显示了因温度变化造成的电镀差异。

图二：不同温度下电镀的表面颗粒状况。这些差异影响如Whisker和IMC等的程度问题

浸镀和无电极电镀一样，是属于化学镀的一种。和无电极电镀的一大不同是，这类镀层的厚度是自然形成的，是受材料影响而不是受工艺所控制的。比如浸锡镀层的厚度就较浸银厚得多。镀层的厚度影响库存寿命以及组装的焊接工艺参数和最终的焊点质量，所以如果配搭不良就会造成质量问题。这也是用户必须了解和关注的。

供应界的情况：

不像锡膏、焊料和器件方面供应商一般采取较针对供应的情况，在PCB供应商中一般都能同时提供多种常用镀层工艺的技术。例如绝大部分供应商都能够同时提供HASL，OSP，ENIG，E-Ni/Au技术。而也有不少能够提供ImAg，ImSn和无电极电镀Sn技术的。必须强调的一点，是虽然不少供应商都能够提供多数常用的技术和材料，但实际影响用户的，在很大的程度上还有供应商的工艺技术和质量管理能力。这方面在以往锡铅时代都不被用户重视，但在无铅技术中就应该加以考虑。作为用户，您至少应该先判断这方面是否是您可以忽略的。

市场的使用情况：

在锡铅技术中，热风整平（HASL）技术由于成本优势是最被广泛接受的。但当需要较平整表面，无需长时间库存和多次加热应用时，另一类的OSP技术也大量被采用。如果对保护性要求更高，以及需要接触点和键合工艺时，则多数采用ENIG技术。

这种情况在无铅到来时只有少部分的改变。主要是由于传统的HASL技术多使用锡铅焊料度层，其材料必须给于改变。加上HASL的平整度一向不太理想，所以在进入无铅后HASL技术将会被取代。而取代的就自然是原本就不含铅的OSP和ENIG。除了这两种技术外，在全球的三大经济体中，对其他技术的使用偏好也有不同的情况。日本在研究和推动无铅的HASL，主要是以SAC和SnCu为合金材料；美国看好ImAg；而欧洲则似乎较喜欢ImSn。前年美国的一份市场调查报告，预测在2006年无铅大量推行的时候，各种PCB镀层技术的使用量约如图三中所是示。

这调查结果可能不适合中国的情况。主要是由于中国的许多加工业和北美相比之下，还是属于低成本以及对可靠性要求不很高的产品（这还包括了对质量的认识和意识不同的问题）。而虽然ImAg的成本已经大大下降到十分接近HASL的程度（但还不如OSP），但ENIG或Ni/Au的成本仍然十分可观。所以除了某些应用外，相信大部分用户还是会使用OSP，或可能追随日本的发展方向 – 无铅HASL。

常用镀层技术的特性：

市场上出现各种的镀层材料和技术，肯定有他们受欢迎之处。而一般也各有各的强弱点。图四是各种常用技术在一些重要特性上的比较。读者可以从中了解到各种存在技术的特性和存在的原因。例如Ni/Au在保护性能方面有很好的性能，但却存在成本很高、库存寿命较低以及IMC影响可靠性的问题。OSP具有成本、加工温度低和工艺容易的优势，但质量的稳定性、库存寿命和对Flux的兼容性上却是用户所担心的。基本来说，没有一种技术是具备绝对优势的。如果从整体较平衡的角度来评估的话，ImAg似乎较具有优势。这就是近来ImAg被美国为主的用户所欢迎的原因。尤其是当其成本下降之后，已成为具有很大发展潜能的技术。

图四：各种常用镀层技术的比较

下面我们来看看各种镀层材料技术的特性。

HASL：由于成本低和使用习惯而受欢迎，日本较看好这技术而有较多的研究投入。主要是在SAC以及SnCu合金上。但欧美不看好它的发展。主要基于其平整度问题、高温加工问题以及工艺对员工有健康风险等考虑。HASL能够提供和焊料合金完全匹配的材料，有很好的润湿性。但它会有IMC增长以及对PCB绿油不利等问题。所以发展情况不是很肯定，是否最终会被广泛接受，得看大多数用户对工艺和质量的敏感程度，OSP和ImAg的成本竞争状况，以及用户们是否能够舍弃这传统的工艺而定。

ImAg：在常用技术中，ImAg相对是门较新的技术，而其被看好也是最近几年的事。ImAg在各方面都表现不错，是个表现‘均衡’的技术。加上其加工技术上的改善，使成本得以下降，虽然仍高于HASL和OSP技术，但低于ImSn和Electroless Sn，尤其低于Ni/Au许多能够处理Ni/Au在键合以及接触点的应用上。使这技术被看好。有很大的发展潜能。

ImAg技术上的好处包括平整度高，导电性强，IMC（Ag3Sn）较其他镀层材料的IMC坚固，加工温度低（一般46度），润湿性好以及库存寿命长等等。

纯Sn技术：采用纯锡的最大好处是和一般含Sn量高的无铅焊料焊接后没有IMC的问题。但焊盘（铜）镀层加工后形成的SnCu层增长很快，造成库存寿命不长。在早期，纯锡镀层的质量很不稳定而曾经一度不受欢迎。近来在工艺上的改进（使用‘白锡’和所谓的‘FST’）使这门技术又开始被接受。有些供应商甚至认为它将成为无铅技术中PCB镀层技术的主流。不过这必须在Whisker，镀层加工后的IMC增长，以及锡瘟等顾虑得到较好的处理后才可能出现。

镀纯锡技术以所有三种常见工艺出现。即电镀、无电极电镀、以及浸镀技术。无电极电镀技术，由于Electroplated电镀纯锡技术中存在的金属须以及镀层厚度不均等问题而取代它。新的Electoplating电镀纯锡技术，有报告说通过电镀液配方造出较大多边形结晶颗粒结构以及采用‘白锡’，可以防止金属须的产生。加上其相对简单的工艺，使Electroplating技术又再抬头。ImSn由于成本低和工艺简单，在纯锡镀层中的应用已经广泛。ImSn在焊接工艺上被认为是表现最接近SnPb技术的（无铅技术中所有的材料工艺表现都不如传统的锡铅材料），但由于浸镀技术对厚度的控制能力不强，镀层厚度一般只有1.5um或以下。这使这门技术的库存寿命受到较大的威胁。

近来出现的另外一种新技术，是在浸锡前在焊盘表面镀上一层‘有机金属’。实验证明这工艺能够减小纯锡应用中IMC层的增长速度。使纯锡应用的地位又进一步得到提升。

Ni/Au技术：Ni/Au技术的好处是表面平整度高；可以承受多次的焊接（Ni可以承受多次加热而不会有底层的Cu溶蚀现象）；库存寿命长；容易和多数焊剂兼容；Ni层能够阻止Cu溶蚀入焊点的Sn中而形成对焊点不利的合金，对焊点寿命有利（但Au对焊点不利而必须给于量上的控制）。Ni/Au的弱点是成本高，以及不适用于所有绿油。而且Au镀层厚度以及后续焊接工艺的控制不好时会造成焊点可靠性的损失问题。

常用的Ni/Au电镀技术有无电极电镀Electroless Ni/Au（简称ENEG）和Electroless Ni/ImAu（简称ENIG）两种。其中ENIG使用较多，Electroless技术其次，市场上虽然也有有电极的Electroplated Ni/Au但供应较少。

焊点可靠性方面，Ni/Au由于Au和IMC特性的关系，一般不如其他镀层材料技术。Au镀层厚度是个质量控制的要点，而这又必须在库存寿命和可靠性的矛盾需求之间找到平衡点。此外，无电极电镀技术的焊点可靠性也差于有极电镀。这是因为工艺中固有的‘磷’含量的影响。在无电极电镀中，当焊点形成后，在Ni和以Sn为主的焊料之间存在3层IMC，分别为含大量磷的NiP层，NiPSn层以及Ni2Sn4层。而其中NiP层和NiPSn层之间的结合力很脆弱，是焊点的强度受到影响。所以无电极电镀技术的焊点一般不如有电极电镀技术。不过在实际经验中业界也发现，在无铅焊接中如果使用SAC焊料，其中的Cu成分在Ni和Sn之间形成CuNiSn的IMC层。这有助于加强焊点的寿命，是其接近有电极电镀技术的能力。而在比较OSP、HASL、ImAg、和Ni/Au可靠性的试验中也发现，除了Ni/Au外，其他的可靠性在无铅SAC焊接中的可靠性都较锡铅中逊色。唯有Ni/Au由于CuNiSn层的出现而变得更可靠。

业界使用最广的Ni/Au技术是ENIG技术。也就是先对焊盘进行无电极电镀镍层后，再进行浸镀金的做法。ENIG有工艺较简单的优势。但金的镀层厚度不能随意控制，而且业界都已经知道其质量不如Electroplated和ENEG技术。常出现的问题有‘镀层针孔’、黑斑、‘黑Pad’、绿油脆化、漏镀、高磷IMC层、AuSn4沉淀等。其中有些问题的机理还没有完全被了解。不过ENIG有个重要的强点，就是使用在高密度和多I/O板上。因为这类板需要很多的通接孔和层次多，细而长的通接孔形状不利于有电极电镀工艺，采用ENIG工艺可以确保较好的寿命。

OSP有机保护膜技术：OSP技术早期在日本十分受欢迎，在市场调查中，有约4成的单面板使用这种技术，而双面板也有近3成使用它。在美国，OSP技术也在1997年起激增，从1997以前的约10%用量增加到1999年的35%。OSP并非新技术，它实际上已经有超过35年，比SMT历史还长。OSP具备许多好处，例如平整面好，和焊盘的铜之间没有IMC形成，允许焊接时焊料和铜直接焊接（润湿性好），低温的加工工艺，成本低（可低于HASL），加工时的能源使用少等等。

OSP有三大类的材料：松香类（Rosin），活性树脂类（Active Resin）和唑类（Azole）。目前使用最广的是唑类OSP。唑类OSP已经经过了约5代的改善，这五代分别名为BTA，IA，BIA，SBA和最新的APA（注四）。早期的BTA类对湿度敏感，库存寿命很短（3个月），不能承受多次加热，而且需要较强的焊剂，所以性能不是很好。一直到70年代有日本开发的第三代BIA类OSP后才有较显著的改善。美国市场也在80年代开始采用这类OSP，同时被正在发展的SMT所接受。不过BIA的耐热性仍然是个弱点。目前仍然有供应商提供BIA类的OSP，但逐渐在为新一代的SBA所取代。

SBA是1997年的研发成果，有美国IBM推出而后得到在OSP技术上享有盛名的日本‘四国化学’公司的改善。在保护性和耐热性有显著的加强。其耐热性已经可以承受3次的回流处理（但多次加热后需要较强的焊剂）。SBA是目前OSP供应的主流。成本低于传统的HASL，所以在锡铅时代已经被大量的使用，尤其是单面板上。在双面回流板以及混装板工艺应用上却仍然有些顾虑。

随着无铅技术的推进，OSP技术，即使是较好的SBA技术，将不能很理想的支持无铅的高温环境和可能出现的多次焊接。在不断研究中，业界有出现了更新更好的技术。这就是最新一代的Aryl Phonylimidazole（APA）了。这类OSP的分解温度为355℃，能够承受多次加热。而且能够和一般的免清洗焊接兼容，无需较强的助焊剂。它还有一个好处，就是不沾金。这允许使用在需要‘金手指’应用的板上，加工时不需要覆盖（Masking）工艺。这类OSP的出现给业界带来了好消息。

OSP当然也有它不足之处，例如实际配方种类多，性能不一。也就是说供应商的认证和选择工作要做得够做得好。OSP处理的表面容易受损，库存和取放等必须给于小心管理；锡膏印刷工艺要掌握得好，因为印刷不良的板不能使用IPA等进行清洗，会损害OSP层。透明和非金属的OSP层厚度也不容易测量，透明性对涂层的覆盖面程度也不容易看出，所以供应商这些方面的质量稳定性较难评估；OSP技术在焊盘的Cu和焊料的Sn之间没有其他材料的IMC隔离，在无铅技术中，含Sn量高的焊点中的SnCu增长很快，影响焊点的可靠性。

PCB镀层材料技术的发展趋势：

综合考虑以上介绍的各种常用技术的特性和市场状况，我们也许可以看出以下的发展趋势。

1． OSP将会发展起来，而有可能在一般应用领域上大量取代HASL技术。这是因为OSP在其最弱的耐热方面取得了很好的进展，而成本已经低于HASL，并没有高温加工带来的缺点。另外一点，就是OSP是个被全球，包括欧美日所共同接受的技术；
2． HASL在无铅材料上的应用是否能够推广，将取决于日本的研究结果以及推广和影响力。不过其平整面和高温工艺上的问题可能会是障碍；
3． 在高质量和需要综合应用（焊接、接点和键合应用）的产品上，目前ENIG可能还是个主流。不过成本压力以及ImAg的崛起可能在一定程度上会取代这门技术。相信在键合应用上如果ImAg能够获得用户的接受，其成本优势将给ENIG带来压力。而一部分对质量要求高的，或许会转向ENEG技术，而最终形成ImAg为主，ENEG为辅的局面。不过这在很大的程度上还得看用户对这些技术的了解和要求；
4． 纯Sn镀层，在目前业界认为对Whisker还未完全掌握的担心下，会受到一定的使用阻力。不过新技术的出现可能会在一部分质量要求较松的市场上获得一些发展机会。关键也在于供应商的推动和客户的心态。估计短期内这方面的变化不大，只是保留纯Sn镀层的原有用户群。

PCB焊盘镀层技术的选择：

选择镀层技术，记得必须是按整个系统来考虑。而整个系统包括了其他的材料（焊料合金、器件镀层），尤其是焊料的考虑；由于常用镀层技术的供应商较多，所以一般可以先决定您的焊料种类，再而考虑PCB镀层。

选择过程中的一个重点，就是评估您的供应商的实际技术和质量控制的能力。供应商必须能够很清楚的向您解释他们所选择技术的特性和强弱点，以及如何进行质量控制以确保批次和批次间的质量稳定性等等。单从技术名称上（如ENIG技术）进行选择的做法，在无铅时代是不足的。所以选择时您必须考虑三个重点：材料（例如Ag, Au, Ni等等）、镀层工艺技术（例如浸镀、电镀或无电极电镀）、以及供应商的知识和工艺和质量管理能力。

最后，我们来看看美国环保局提出的5点工作建议，从中可以协助用户们了解到选择和处理PCB镀层的要点。

1． 做好您的学习和准备功课；
2． 和合格的供应商紧密合作；
3． 注重详细的沟通（供应商和用户之间）；
4． 监督电镀工艺；
5． 使用优良的设备（指PCB制造商的电镀加工设备）。

后语：

以上我给读者们大略分享了一些与PCB焊盘镀层有关的经验知识。和以往的文章一样，总有说得不够的感觉。但基于篇幅和本人时间资源等条件的限制。我只能做到这里。文章的目的，不在于让读者成为无铅专家，而希望借此提醒一些该做该注意的课题。希望有基础实力的读者，能够举一反三的得到更好的学习效果。如果在相关课题上有什么不明之处，还可以通过和KIC公司或本人联系进行交流。

进入无铅技术，我们所有掌握的知识也更多了，工作也必须更细了。为了协助业界用户，KIC公司提供了一些特别的帮助项目，而我也即将完成一套相信是内容包含最完整的无铅培训课程教材（注五）。想学习提升的用户可以进一步询问。

技术兼管理顾问
薛竞成
2005年6月

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注一：Drop-in工艺即是直接替代，无需做参数更改的意思。也就是可以是用传统的较低温的焊接温度设置来处理无铅焊接。这技术出了锡膏配方外，要点在于DFM、设备和工艺的技术整合做得到位。

注二：曲翘变型的合格标准，是决定于用户本身的情况。例如产品（PCB）的大小、厚度、使用的器件和布局等。所以不可能制定一个通用的合格标准。用户必须按照自己的要求而决定。

注三：‘双梯形’即是在单梯形的基础上，加入一个较小的梯形在原梯形上方。目的在于确认PCB对温度而非热量（或少热量）的敏感性。一般只需要在单梯形测试中发现有不理想状态时才进行。另外的一个有效做法，是采用正面加热、背面测温的做法。这做法只需要单梯形曲线。

注四：英文全名为Brenzotriazole（BTA），Imidazoles（IA），Benzimidazoles（BIA），Substituted Benzimidazoles（SBA），Aryl Phonylimidazole（APA）。

注五：本课程预计于2005年8月推出。内容包括了无铅技术发展背景和法令条例、锡铅技术的重点回顾、无铅焊料、无铅器件、无铅PCB镀层、无铅工艺技术、无铅设备、无铅焊点可靠性、无铅技术选择、以及无铅导入的项目管理知识。课程培训时间是5天。

前言：

在电子组装业开始无铅技术的研究时，由于电子产品上的铅含量多数来自焊点的焊料部分，所以焊料（锡膏的合金，锡条，手工焊接的锡丝，BGA/CSP/Flip-Chip上的焊端焊球等）自然成为研究的焦点。而由于锡金属本身具有很适合焊接的特性，以及已有的多年实际经验，所以研究的途径也都是采用在传统锡铅合金的基础上，使用其他的金属来替代铅的做法。

而经过这十几年来各方面的研究的努力，结果是出现了许许多多的可能替代金属，但没有一样是能够全面（工艺性、质量和成本上）替代铅的。这对于我们工业界当然不是个好的现象。因为这意味着，我们将面对更高的成本（直接和间接成本），和更难的工作。这也就是为什么许多从事研究无铅的专家都认为，无铅给我们的，是弊多于利（注一）。

但不知如何，无铅的推行已经成为不可改变的事实。我们还是得从技术上做出选择，使自己所经受的不良影响程度降到最低点。本期我们就来看看在关键的焊料合金上，我们有哪些需要知道的，以及如何进行选择等等。

无铅合金的总体发展情况：

不知道人类当初如何发现和决定是用‘铅’这金属，它竟然在制造工艺上和锡的配合是最完美的金属。当我们为了把‘铅’给排出去，而研究使用其他金属时，总不能很满意的选择单一的品种替代。而这就出现无数的‘可能品’。而由于经济对个人以及国家的重要性，在人类开发新的‘可能品’的同时，许多人不忘独占其可能带来的‘经济’效益，所以我们同时也看到许多‘专利’的不断出现。据非全面的统计，我们面前已经出现了超过50种的合金类别（例如SnAg，SnCu，SnCuAg，SnBi等等都属于不同的类别），其中有超过390种不同的无铅合金配方的专利。即使在工业界中作为‘标准’配方产品出售的，也已经有50种以上！

这么庞大数量的合金选择，对用户来说绝对是个问题。上面我们所说的只是焊料合金部分。在回流技术的锡膏中，为了处理不同的工艺需求（例如清洗和免清洗，微间距和非微间距等），我们还出现了数种不同的配方；我们业界有超过20家焊料供应商，每家供应商都也提供数种不同的锡膏配方，而我们的焊料必须配合器件的焊端镀层金属材料（例如纯Sn，纯Ag，Ni/Au，Ag/Pd等等），以及不同的PCB焊盘镀层材料（例如ENIG，OSP，ImAg等等）。假如我们以简单的数学来算，这组合的可能数量绝对超过1万种。这除了增加供应的混乱外，对于那些想做出最优选择的用户绝对是个头痛的问题。

所幸的是，从可行性的角度来看（不是从绝对技术的角度），我们已经逐渐的把范围缩小。尤其在过去3到5年，我们的选择方向已经较为明确。比如目前我们都知道（或至少较常听到，SAC金属将最可能成为最受欢迎的等等）。这样的认同，不论是否最合理或合乎科学性，至少它给我们带来运作和管理上的较好效益。

从技术的角度来看，在工艺上我们已经知道没有一种合金配方能够具备和SnPb同样的制造能力。这是我们在选择无铅技术是所必须付出和面对的问题。

在成本上的现象又如何？成本上是会增加的。单从材料（金属）价格的直接比较，业界认为在波峰焊接技术上，由于采用的是‘锡条’（全金属），成本增加会较明显；而在回流焊接技术上，由于锡膏的成本重点不在于金属（锡膏中还有焊剂，以及不小的加工和包装费），所以成本增加的比例较轻。这是为什么有些说法认为如果以回流焊接技术来评，成本的影响并不太显著。不过在这些讨论中我们忽略的是，无铅技术带来的间接成本的影响。

这里的间接成本主要包括加工成本（质量和效率），返修成本，设备成本和管理等等。尤其是加工质量和效率成本，常是计划推行无铅中被忽略的一个重要环节。以前的文章中我曾谈到无铅的工艺难度，而就是这工艺窗口的缩小，使我们的质量损失以及停机浪费等等成本增加。这是个不可忽视的问题。

无铅技术在质量方面的状况有如何？也许供应商多告诉您可行。不过如果您要和他们拟定一份可靠性保证书的话（当然包括出现问题时的赔偿），我想没有供应商会愿意和您签订。从我这数年来和西方专家级的研究人员的交流中，我发现的确没有专家很有把握的告诉我们说：“可靠性没有问题！”。他们都很小心的加上一句，“我们仍然需要进一步的研究和观察。”主要的原因，使从事可靠性研究的专家，都知道我们所使用的研究试验方法，虽然可以给我们提供不少的信息，但这毕竟和实际使用的条件有出入（而这些差异是不好量化判断的！）。无铅的研究虽然已经有约15年，但实际应用在产品上的，只不过5年。这不论是在时间和使用量的条件下，都无法提供我们很有信心的数据和经验，尤其是上面我们所提到的，我们拥有这么大量的可能组合方案。不过并不是所有的消息都使我们担心。在无铅焊料合金的研究工作中，我们发现的一个令人鼓舞的现象，就是好些新的金属合金，其可靠性都优于传统的SnPb合金。其实这也成为后来人们推动无铅的另外一个动力，尤其是在如汽车电子业等希望提高温度和可靠性的行业中。

目前被看好的合金：

以前我们曾谈到无铅的推动，一个原因是被利用来达到商业上的利益。本文先前也提到许多开发商相竞申请‘专利’。但在另外一方面，业界已经认识到这方面的危害，所以无铅的发展，在后期也出现一种现象，就是抵制专利的现象。所以如果您去比较目前所批准的专利，以及商界供应的品种时，您会发现没有什么专利是受推荐的。这现象也是由于无铅中我们有很多其他选择的关系。

除了想排除专利外，大量的研究数据是个影响业界认同的关键。日本在大规模投入无铅材料的研究的行动上是属于较早的。日本电子业界偏好于含铋的合金（例如Sn/Ag/Cu/Bi合金）。其原因是含铋的合金在工艺上最接近传统的SnPb，也就是说日本业界十分重视可制造性（这是他们的工业传统优点之一）。但由于日本向来存在和外界（日本民族和企业以外）的沟通问题，以及西方可能存在的感性上的障碍的影响下，含铋的合金技术在日本业界以外并没有受到重视（注二）。而逐渐由SAC（即SnAgCu的锡银铜合金）所取代。

从目前的发展情况看来，最可能被广泛接受的无铅合金应该有下列数种。

1． SnAg合金。以Sn3.5Ag（熔点221℃）为主。这合金已经有很多年的实际使用经验，所以风险小；
2． SnSb合金。以Sn5.0Sb（熔点235-243 ℃）为主。传统上用于高温焊接。也有相当久的实际经验；
3． SnAgCu合金，或简称SAC合金。是目前最被看好的材料。由于研究的投入者很多，出现很多不同的成分组合配方。例如Sn3Ag0.5Cu（217-220℃），Sn3.8Ag0.7Cu（217-219℃），Sn4Ag0.5Cu（217-231℃）等等。
4． SnAgCuBi合金。这是受日本企业欢迎的合金，有好些不同成分配方，例如Sn2.5Ag0.5C1.0uBi（214-221℃）合金，Sn1.3Ag0.5C0.8uBi（214-219℃）合金，Sn3.5Ag1.0C3.0uBi（208-213℃）合金等。这类合金的好处是工艺性或制造性较强，温度较低。
5． SnBi合金。主要是Sn58Bi合金（138℃）。使用于需要低温焊接的情况下，已有多年的实际使用经验。日本看好它在无铅器件焊端镀层的使用上。这合金也可能被SnAgCuBi合金取代（看发展而定）。
6． SnZnBi合金。主要是Sn8.0Zn3.0Bi（186-197℃）。从颇有实际经验的Sn9Zn（199 ℃）合金发展而来。焊接温度和非常高的可靠性是吸引用户的地方。但虽然Bi的加入在已定程度上改善了SnZn合金的问题（例如容易氧化，库存寿命很短等），但在工艺上还是较难的合金。这合金受到日本某些企业的垂青。长远来看，这也有可能只属于一种过渡期合金而将被其他材料所取代。

供应界的情况：

我们可以大谈某某金属合金的好处，但实际上如果市场上没有供应商认可，这些好处对于用户来说是毫无意义的。所以关注供应界的发展也是无铅管理上一个关键的工作。那目前我们的供应状况如何呢。我曾对全球20家主要锡膏供应商进行了询问和交流，发现在供应市场上，大多数供应商的看法基本上也以上技术评估是一致的。

目前在标准供应，名列前茅的5项有：

1． Sn3Ag0.5Cu。共有65%供应商提供；
2． Sn3.5Ag。共有60%供应商提供；
3． Sn3.8Ag0.7Cu。共有40%供应商提供；
4． Sn0.7Cu。共有30%供应商提供；（注三）
5． Sn3.5Ag0.7Cu。共有30%供应商提供。

我们可以看到供应是以SAC合金为主。而含Bi的合金并没有出现在以上的清单中。这主要是由于本考察中包括了全球（欧、美、日、亚洲）的供应商，而其中美国供应商具多（40%）的缘故。含Bi的合金基本上只有在日本和亚洲出现（注四）。

如果我们单单来看日本的情况。我们发现略有不同的结果。在日本供应中最多的三种合金是

1． Sn3Ag0.5Cu。共有100%供应商提供；
2． Sn3.8Ag0.7Cu。共有50%供应商提供；
3． Sn2.5Ag0.5Cu1.0Bi。共有40%供应商提供。

在这里，含Bi合金出现了。除此之外，日本供应界还出现了一种新的现象。就是摒弃了日本工业界一贯注重‘一致性’的做法，而出现了非常多的‘品种’供应。比如在含铋这合金上，6家供应商就出现了6种不同的配方。而其中除了上述3中的配方外，其他都是独家提供的。这情况也显示出商业界希望独占的意念以及无铅技术上的观点分歧现象。

不过不论如何，对于用户来说。情况还是较好的，因为综合以上目前技术上被看好的合金，以及市场的实际供应情况来看，我们的方向性是开始存在的。

由于先前提到的无铅合金的种类十分多（注五），好些较大的供应商都采取推荐某些标准合金配方，而辅以特别定购的做法。也就是说，用户是可能定购不同于常规供应的合金组合的焊料的。当然这一般在成本上会有些劣势。这也给用户提供了额外的选择，因为对于某些行业或用户来说，其选择的考虑重点是不同的。

用户该关注的问题：

虽然方向性较明确了。但这并不意味着用户的工作或风险少了。因为我们仍然面对着以下的问题。

首先是技术资料的完整问题。对于大多数的用户来说，我们是不可能自己投入在新焊料的质量研究工作上的。所以在选择上一般都得靠供应商的协助。在传统的含铅技术中，虽然技术上较无铅相对简单得多，但我们之中相信已有不少因为供应商出错而被连累的经验。在进入无铅时代，这问题不但不会得到解决，而且肯定会更加严重。一些较有技术和经济实力的供应商，虽然本身有好些经验，但在经验的完整性以及传授上出现问题是预料中的事。无铅技术的繁杂将是这现象无可避免。当我们和供应商仔细的交流时，您会发现他们看起来众多的实验研究中，其实只是覆盖了众多可能组合技术中的一部分，甚至只是属于一小的部分。而除非您的做法是打算直接采用他们的配套组合（注六），否则他们的研究结论并不能带给您很好的信心。例如一个在OSP上润湿良好的合金焊料，并不能保证在ENIG上也能够有很满意的润湿效果。而除非您不打算采用ENIG，否则缺乏对ENIG焊盘镀层试验分析的某种合金焊料，就属于‘技术资料不全’的例子。而对于用户就算是具有风险的供应。

其二是资料的准确性。这方面的问题很容易被忽视。尤其是国内的情况。这和用户心态，传统文化，基础能力等等都有关系（注七）。资料的准确性问题之所以会发生，是由于一些试验的做法出现错误所造成。例如我常见的一个问题，就是在焊接时热偶位置的错误选择以及连接的不良所造成的。我们不可能要求（或是不能够假设）所有进行焊料试验的人员都对焊接工艺十分了解。既然在试验时可能在做法上出错，就意味着我们所得到的资料有可能存在误导性。我再举个例子，若在一个试验中采用的炉子性能不理想（例如加热效率不佳，注八），或如果试验人员的工艺调制能力不好（例如不知道如何找对测温点和如何控制炉子的对流情况），试验的结果可能是某某焊料效果不理想（例如润湿不良或气孔多等等）。记得一点，质量的结果是由设计、材料（包括器件、焊料、PCB）、设备、工艺（参数测量和设置）所决定的。良好的材料，在其他因素不良的情况下也无法表现良好。这就是我常强调的技术整合处理。而切切也是许多工程师未具备的能力。

第三个该注意的问题是资料的适用性。也就是某供应商所提供的资料，即使试验过程中没有出现以上所说的技术问题，但其对于用户本身的适用性到底有多高，还是必须给于仔细考量的。比如我们可能在比较两种合金焊料，其中A焊料比起B焊料的润湿性差了某个程度（假设量化为X）。这并不能直观的被评为焊料A比B差。因为润湿性的好坏是否真的会是个问题，还得取决于用户的质量标准（而这又跟用户的产品以及所用器件封装设计有关）、以及设计能力（DFM和DFR能力）有关。如果用户的后两者都能够很好的处理的话，那‘A焊料润湿不良’这一资料对该用户来说，是属于不适用的。也就是个没有什么影响的信息资料。关键在于用户必须懂得如何去判断X值的影响力。注意在评估适用性时，很多时候是必须定量的。我再举一个例子来更好的说明这适用性的理念的重要。目前很多合金的可靠性试验研究，都是采用温度循环的‘疲劳损坏’模式的做法来评估焊点的寿命，而且多使用BGA和CSP类的球形焊点为对象（因为被普遍认为是可靠性要求最高的焊点模式）。但对于一些产品来说，比如电信业的机站，银行使用的超级电脑，建筑大楼的保安系统或电厂的保护系统等等，其焊点的破坏模式是以蠕变为主而非疲劳模式。而其所采用的器件焊端结构也非全是球形。我们都知道，疲劳寿命和蠕变寿命并没有直接的关系；球形焊端和其他焊端结构，由于应力点和模式的不同，也没有严格可循的关系。那以上常用的试验方法所得出的结论，到底对这些用户有多大的适用性？这是用户们所应该关心的。

很不幸的是，以上第二和第三种问题，很多时候并不是沟通交流所能够确定和解决的。而这意味着，如果用户要确保最小的使用风险，就必须准备对某些特性投入一定程度的认证工作。而这需要时间、成本以及支持等方面的资源。

无铅技术中的合金，很多都属于三元、四元、甚至是五和六元合金。这些合金的特性的变化并不像SnPb这类二元合金那么简单和容易预测。个别合金的重要特性，例如熔点温度、抗拉强度等等，往往因为其中某种金属含量的微小变化而发生巨大的变化。所以除非用户具有实际合金的研究试验资料，否则无法确定所选合金的实际特性。也就是说，我们并不能从Sn2.8Ag0.7Cu1.0Bi的试验结果，来准确的推断Sn2.5Ag0.7Cu1.0Bi。后者高出的6℃胶粘态温度可能使您的工艺难度大大提高。而Sn3.2Ag1.0Cu3.1Bi的疲劳寿命只有Sn3.1Ag0.5Cu1.0Bi合金的一半！

另外有一点重要的，是许多资料中所注重描述的，是某种合金（例如Sn3Ag0.5Cu）的试验结果。而往往没有清楚说明焊剂的种类（注九）。这在焊点可靠性方面的影响虽然较小（但也不是没有影响），但在工艺性分析中是个大问题。因为工艺性如印刷和焊接等，和锡膏的焊剂配方是很有关系的。而且一些工艺问题，例如气孔等，本身和质量又是脱离不了关系，所以这也是个可能误导用户的问题。比如一份常见的有关不同焊料合金的‘工艺性’比较的图表，我在好些文章以及讲座上都见过。这图表将不同的合金的总工艺性（包括润湿时间、润湿范围、焊球等）进行量化评分和比较。但关键的焊剂资料却从来没有公布，甚至连讲课推荐者本人也不知道。在目前的含铅时代中，有经验的用户应该都已经知道，不同锡膏的工艺性差别关键并不在Sn37Pb合金上，而是在不同牌子型号的焊剂上！

我个人建议工艺性都必须由用户本身来进行实际认证。

被看好的数种合金的特性：

就像我们此刻再来争论电子组装业界推行无铅是否能对环保起着作用，或是否值得推行无铅这课题已经没有多大的意义一样。我们也许没有必要去确定业界看好SAC等合金是否最科学合理了。对于被动的用户来说，我们应该做的，就是去学习和了解将被采用材料的特性了。以下是这些合金的特性重点总结。

SnAgCu（SAC）：
SAC合金是在SnAg的基础上加入Cu而成，假如Cu的目的是：
· 提高可靠性
· 降低熔点温度
· 提高润湿性
· 减少焊接时对Cu的溶蚀
SAC合金由于多方面性能表现较为平衡而受到看好。在过去数年来，大量的研究数据也大力的推动了它被业界认同和接受。首先是其疲劳寿命比起传统的SnPb高出许多而被看好。目前最多供应的Sn3Ag0.5Cu合金，据试验报告其疲劳寿命已经有Sn37Pb的近3倍之多。如果采用Sn3.1Ag1.5Cu合金还可能高达Sn37Pb的5倍！当我们研究SAC合金特性时也发现，Cu成分在0.5-1.5%左右，以及Ag成分在3-4.7%时的可靠性为最佳。

虽然业界的许多报告中提出SAC的疲劳寿命高于SnPb，但有一点需要知道的，是好些SAC合金配方的塑性应变（注十）会比Sn37Pb低。这对于某种故障模式，例如有些大尺寸的蠕变故障等是不利的。也就是说在那些使用模式下，SAC的可靠性未必会较Sn37Pb强。我曾读过两篇对抗蠕变能力不同结果和评语的报告。所以用户在使用时必须仔细的了解资料的适用和准确性。

熔点温度方面，看其中Ag和Cu成分而定。试验发现当Ag在3-4.7%，Cu在0.5-3%的范围内时，熔点温度是稳定的。一般所提供的合金组成的熔点温度在217℃左右。胶粘温度范围可能有较大的变化。例如Sn3.8Ag0.7Cu的温度是217-218℃，而Sn0.3-0.7Cu的温度范围则216-227℃。对SMT工艺而言，SAC的一般217℃熔点温度还稍嫌太高（注十一）。而且虽然熔点温度是217℃，SAC合金必须达到近240℃时才能完全进入液态。所以一般建议焊接温度应该达到245℃左右。这是目前SAC合金一个美中不足的地方。

在另外一个很受关注的润湿性特性上，SAC的表现不如SnPb合金，而在数种被推荐的无铅合金中也属于较差的。但在润湿时间和润湿度的测试结果，业界认为是可以接受的。这方面如果配合DFM和质量标准的修改是不成问题的。如果对润湿性要求高些，可以在SAC的基础上采用4元合金，例如加入Bi或In而达到很好的效果。例如Sn4.1Ag0.5Cu4In合金的润湿性就十分接近Sn37Pb。润湿性是SAC的另外一个不太理想的地方。

而由于润湿性较不理想，很多SAC锡膏就需要采用不同的焊剂配方。而这些焊剂配方的改变，也意味着对于回流曲线要求，以及印刷工艺上有可能有不同的要求。所以我建议选择SAC合金的用户们应该花点时间评估锡膏的可印性和了解其精确的焊接温度曲线。

SAC合金受到欧、美、日的一些权威机构所认同和推荐，例如美国的NEMI，欧洲的DTI，以及日本的JEITA等。推荐的配方以Sn3-4Ag0.5-2Cu范围为多。

SnAg:
早期就开始被用在厚膜技术中。主要的配方有Sn3-5Ag。多年的实际使用经验是它的强点。也由于它的高熔点温度（221-245℃），曾在80年代被使用在双面回流的第一面回流工艺上。SnAg目前供应相当普遍，以日本产家为主。主要的成分配方是Sn3.5Ag（221℃共晶）。

可靠性特性方面，Sn3.5Ag的抗拉和抗屈强度不如Sn37Pb，但塑性应变以及杨氏模量优于Sn37Pb。综合结果，从疲劳寿命试验中，测试结果是优于Sn37Pb约15%。

SnAg的润湿性和SnPb接近，对Cu的润湿性稍差与SnPb但对Ni较好。

SnAg的应用范围估计不会受到无铅技术的影响。虽然其润湿性优于SAC合金，但由于其熔点温度还高于一般的SAC，可靠性也不如SAC，估计被使广泛用在一般无铅SMT的机会也不大。

SnCu:
目前市场上有好些供应商提供SnCu合金，主要是被推荐使用在波峰焊接中的Sn0.7Cu。这合金被推荐的主要原因是成本因素。由于波峰焊接的成本主要来自焊料本身，所以Sn0.7Cu的采用的确可以较明显的影响成本。美国NEMI机构也推荐Sn0.7Cu。

另一方面，Sn0.7Cu的可靠性相对Sn37Pb来说低了很多，加上其熔点温度高（227℃），所以不被推荐使用在回流SMT上。这里应该注意的一点，是对于混装技术的选择。Sn0.7Cu可以被波峰焊接技术所接受，是优于考虑到通孔焊点的结构。但在混装技术中，PCBA上可能有很多属于表面焊接的SMD，这些焊点没有通孔结构来加强其抗拉和抗屈强度，所以可能是个可靠性的潜在问题。用户应该给于研究注意。

在润湿性上，Sn0.7Cu不如Sn37Pb，但强于SAC和SnAg合金。不过其波峰焊接工艺性相对传统的SnPb还是较难的。关键问题在于通孔的润湿填充，以及连锡桥接故障。另外，焊料中Cu含量的增加对熔点温度影响很大，大约2%的Cu就会将熔点温度提升到250℃。这告诉我们经常要监控锡槽中Cu的含量，锡槽中的SnCu会在使用中不断溶蚀PCB上的铜而造成熔点温度上升。这变化可能影响到要求较高的焊接工艺。

SnSb:
属于高温焊料，熔点在235-243℃。和SnAg一样也有一定的使用经验。所以应该在其原有范围内还会被继续使用。目前配方种类不多，几乎只采用Sn5Sb的配方。它的抗拉强度不如Sn37Pb，但塑性应变很好，所以整体的疲劳寿命还优于Sn37Pb约1.4倍。

Sn5Sb的润湿性不如SnPb，但业界测试结果认为可以接受。另外的一个问题，是Sb本身也算是有毒金属，毒性只在Pb和Ag之后。但由于其出现不是为了环保，而是以往在高温焊接需求下形成的，所以目前对它没有什么进行改善研究或做出必行被取代的决策。在RoHS法令下，Sb也不是6种被禁物之一。

SnBi和SnAgCuBi:
这含铋的合金很受到日本厂家的欢迎。二元合金的Sn58Bi是个常被使用在低温焊接需求的材料。铋的使用可以降低熔点温度（是无铅技术中的一个研究重点），减少表面张力（所以有较好的润湿性）。在SnPb的研究中，人们已经发现了是用铋能够强化焊点的寿命。例如加入2%铋的Sn37Pb2Bi，其寿命就比Sn37Pb长出60%左右。所以铋在无铅技术中是被重视的金属之一。但铋也带来其他的问题，包括其成分对合金机械特性的影响变化较大，容易有‘铅’污染问题，以及自然供应不多和成本较高等问题。

Ag的加入可以解决部分的特性不稳定的问题。所以后来使用铋的三或四元合金较受到欢迎。市场上含铋的标准焊料中，二元合金的只有Sn58Bi，而三和四元合金的焊料却有十数种。

SnAgCuBi合金受到欢迎的原因，一是其低温特性，例如Sn3.5Ag1Cu3Bi的熔点只有208-213℃。是可以在不更换现有炉子和工艺上进行焊接的。其二是其综合工艺性，在众多合金的评估中，是最接近SnPb的。也就是说，在加工工艺上最容易处理（这是它很受日本工业界看好的原因）。在可靠性上，其抗拉、抗屈、和塑性应变的特性都比Sn37Pb来得好，疲劳寿命也可能高出Sn37Pb一倍以上（Sn3.1Ag0.5Cu3.1Bi）。

美中不足的是，SnAgCuBi合金也具有好些弱点。一是它的熔化胶粘温度范围较大（可能高达45℃），所以在波峰焊接中很容易造成lifted Pad（注十二）的故障问题。而在回流焊接中则可能较难控制气孔的问题。第二个问题铋容易有‘铅污染’现象而影响焊点寿命。这在进入无铅的过渡期间，是用户们相当担心的问题之一。其三是铋的成本较高。

一级组装焊料问题：

其实目前电子组装业中还存在一个较严重但可能不需要急着解决的问题，就是‘一级组装’模块所使用的焊料合金问题。由于新的无铅合金多需要较高的焊接温度，这提升的温度使得以往原用来做一级组装的焊料合金，其熔点温度相对新无铅合金来说，已经不再是高温了。例如SnAg和SnSb合金等。而以往常用的Sn90Pb以及Sn88Pb2Ag，由于暂无法取得好的替代而被RoHS批准为豁免项。暂时不影响用户。

无铅合金的质量问题：

虽然目前有不少报告说明很多无铅合金在可靠性上都超越传统的SnPb合金。不过这并不表示无铅合金没有质量问题。而事实上，有些问题面前在技术上还没有获得解决。这些问题包括‘金属须’（Whisker），锡瘟（Tin Pest），铅污染（Pb contanmination），坑痕（Pitting），焊点抬起（Lifted Pad），气孔（Voids） 以及高温连带来的种种问题等等。由于篇幅关系，我将在日后的文章中再和读者们分享有关知识。

后语：

经过了十几个年头的研究，无铅合金材料的种类十分多。而且各有其优缺点。用户必须懂得如何选择最适合本身条件的，才能在质量成本等方面比他人做的好做的有效。相信读者们都知道，我们是不可能在有限的篇幅很仔细的谈论整个无铅技术的合金焊料知识的。按我本人的看法，学习研究无铅的，应该对大约15种合金有所认识。其中包括二、三和四元合金类。在市场上，目前约有60种‘常规’的焊料合金。他们之成为‘常规’焊料，意识作有一定数量的用户和使用信念和经验。当然，要去了解、分析和认证这60种焊料是不太可能的事。我的建议是，先从理论知识上了解他们（或至少我先前提到的约15种），然后配合自己的生产需求，选择较少量，在本身资源下允许的情况下，去进行足够的分析、认证和最后达到选择的目的。

由于篇幅我本人时间方面资源的限制，我们并未谈到许多其他的焊料、焊剂、和相关的工艺、成本、质量等等。有兴趣的读者可以进一步和KIC公司联系，或注意我们将来的一些培训讲座。

技术兼管理顾问
薛竞成
2005年4月

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注一：上几篇文章中我提到无铅对于电子板组装业来说，其实真正的环保意义并不大。所以许多专家认为，我们在电子组装业中推行无铅，其实是吃力不讨好的工作。

注二：很明显的一点可以从锡膏供应商中的做法看出，日本有超过50%的供应商提供含铋合金的标准产品。但美国几乎没有一家。欧盟中也不超过20%的商家提供。

注三：Sn0.7Cu被推荐用于波峰焊接技术中，主要是成本优势。而且在回流技术中，其227℃熔点是较难被广泛接受的。

注四：目前的亚洲锡膏供应商，在技术上受到日本的影响较为深重，所以其提供的技术和材料偏向和日本类同。

注五：20家供应商的考察中，单单所提供的‘标准’配方就有48种之多。

注六：这里所指的‘配套组合’包括所有器件材料、PCB材料以及焊料材料。

注七：对于这方面需要多了解的，我建议读者阅读我以前发表过有关知识管理等的问题，或北京《世界产品与技术》编辑部出版的《SMT应用管理文集》一书。

注八：我这里希望强调，炉子的好坏和‘牌子’没有直接关系！不能够以品牌来当成质量保证的依据。

注九：由于焊剂配方往往是供应商的竞争手段和商业机密，所以这方面的信息也很难从一般的资料获得。

注十：塑性应变（Plastic Strain）是个表示材料能够承受多大变形的可靠性参数。

注十一：从焊接工艺的角度、一般设备的性能、和一般对无铅器件耐热要求的角度来看，我们希望熔点温度在210℃或以下。工艺控制就不会太难。

注十二：Lifted Pad是指通孔经过波峰焊接后，在铜环面上的焊点和PCB面上的铜环脱离的故障现象。

前言：

在无铅技术的课题讨论上，我想最缺乏的是无铅技术的有效导入和管理方法。到目前为止，大多数较有经验和成果的无铅用户，多是那些参与无铅技术研究开发的国际大企业，或是有大客户全面支援的加工厂。前者由于是带研发性质，在时间和成本压力上会较为松懈。好些参与研究开发工作的，有些已经有15年的历史经验，即使是较后期开始无铅工作的，也多有3、5年历史经验。时间上压力不如目前受到法令或客户限制而将要导入的用户大。不只是在时间方面，在成本上的压力，由于有研发预算也属于较小，而发生错误也被认为是理所当然的事。至于后者，由于决策多由客户制定，并多已经有‘供应配套’式的导入，所以本身面对和处理压力的机会也相对小了。

除了以上两大类用户，当然还有小部分是自己奋斗成长的。从我在华南地区和数家这类工厂的交流中，发现其导入管理的随机性较强。虽然为数几家的量不能代表所有的工厂，但通过泊松或然率预计方法（图一），我们还是可以看出国内有良好导入无铅的用户比例并不容乐观。例如从表中只有1成的用户有良好导入的情况的，而出现这类情况的信心度还不到3成。

以上预计，加上过去12年我对国内SMT用户情况的认识，我想这信息还是具有一定的代表性。

虽然我个人认为，中国市场无铅的使用，到了目前所制定的2006年7月1日还未必能够完全成功的转型。但对于那些目标放在这时间上的用户来说，现在已经算是开始失去了摸索所需要的时间了。如果在导入无铅技术的工作上，还不能够确保效率和效益的话，将来遇到问题是极有可能的事。

其实，无铅技术虽然在一定程度上是从含铅技术上发展而来，但其多面性以及在导入和管理上的要求，是可以成为一家工厂的有利竞争手段。关键在于用户如何去利用它。使用得当时，以往制造能力处于劣势的企业，是可能通过这机会翻身的。

基于上面的各种原因，我想和用户读者们分享导入和管理上的知识是有助于推动无铅的发展的。

含铅的技术应用和管理问题：

在过去数年我曾通过好些文章和大家分享以及讨论SMT应用和管理上的一些常见问题。此次在这有限的篇幅中，我只想重点的提几个方面。了解这些弱点有助于我们更好的导入和管理无铅技术。因为无铅技术的较高难度和多样化，以往有些弱点的改善是必要的。就比如对工艺的重视和重新定位的工作，在无铅技术中的重要性更是提升了。

以往不良的管理和概念可以重点总结如下：

· 对设备的关注重于工艺。导致工艺能力应用和发展受到设备性能和管理观念的限制，设备的选择不优化，以及设备和工艺间的配合不良的问题等等。工艺的需求来自于所需要生产的产品特性而定，这是最基本的关注点。而设备是支持工艺的‘工具’。如果在搞清楚如何选择和掌握控制工艺之前就定下设备工具，这将是个本末倒置的做法，无法确保应用上的优化；

· 人才组织定位不良。以往许多用户，虽然偏向于较注重设备的选择，但在设备引进后的管理工作反而被忽略了。从许多企业中‘设备工程部’和‘设备工程师’的定位、职责等方面我们可以看出，许多企业管理仍然受到旧生产技术经验和观念的限制。在SMT界中，设备的复杂性较以往的旧技术要高得多，加上设备工程师必须掌握一定程度的工艺，以及测量、计量等多种技术方能确保其工作效益等原因。设备工程部的地位和所需要的人才能力等等已经和以往大大不同。除了设备部外，不少企业中负责工艺的人员数量较理想中少了许多。例如我所接触到一家颇有名气的工厂，在17条生产线的规模，及每月有20几种新产品的模式下只有4名工艺工程师。这样的资源是绝对不足以确保好工艺的管理和发展的。在设计部门中也出现类似的不良情况，不少企业的设计部中，并没有明确的和工艺、设备配合的工作流程。而专职负责器件工艺性评估认证，以及负责‘组装密度计算’、‘工艺路线设计’、‘质量水平预计’等等重要设计工作的专职工艺设计师也都缺乏；

· 工艺技术知识掌握不理想。许多SMT用户虽然也能进行板的组装制造，但几乎每天都有工艺问题，或直通率不是很理想。而且工艺问题模式也都是以往出现过的重复故障。这实际上告诉我们，我们还有许多工艺上的问题没搞懂。我在这些年和业界用户的交流中，发现许多工艺知识和做法并没有足够的被灌输到工作人员身上。例如锡膏印刷工艺中的揉锡作用，错误的刮刀压力设置（通常都因为‘刮干净’概念的影响而过大），支撑对板材和特性的设置考虑，甚至连看似简单的锡膏搅拌工作，这些工作的目的、原理和做法都还是一知半解。又比如回流焊接工艺，还有不少用户采用裸板或其他样板来替代产品作温度曲线设置用，或根本没有做。热偶的数量不知道如何正确的决定（比如每个产品都一样数量），热偶的位置还采用目视决定的方法（找大和小的器件焊点为依据），不知道采用热偶测温应该保留有6到7度的误差保险，而温度设置总以上下温区同温的设置法等等。这些现象都可能表示用户对工艺知识并没有很深的认识。

· 技术整合理念和做法的缺乏。电子板组装工艺，从THT或PTH（插装技术）转入SMT后，所带来的变化中的一项影响较大的，是工艺窗口的缩小。许多以往不必严格考虑的特性参数，进入SMT后变成了是决定组装质量的要素。这些要素都不是独立不相干的对质量起着影响，而在一家企业中，又往往是由不同的部门人员负责这些不同的要素，所以进行技术整合管理是有必要的。比如器件在焊接时产生浮游偏位的现象，是必须通过焊盘形状尺寸，钢网形状尺寸，钢网开口相对焊盘的位置，器件的焊端形状尺寸，器件焊端材料，贴片在锡膏上的相对位置，焊盘热容量的差异，焊接温度曲线的设置，锡膏和贴片工艺的控制，以及炉子性能等的整体配合而受控的。这其中就包括了‘基础工艺部’，‘产品工艺设计部’，‘采购部’，‘设备部’等的配合，缺一不可。但许多用户的一贯做法，部门间的组织、沟通、流程等都没有很好地照顾到这方面的整合需求。加上传统的等级地位的差异以及对各岗位知识需求的了解不足，无法很好的培育和保留该有的人才。这对整合的做法要求和能力上都无法达到该有的程度。形成了多方放火，各方救火的低效状况。

· 质量标准和管理方法守旧。大多数的SMT用户，多采用外观检验的方法来执行质量管理。有些较有经济条件的采用AOI，AXI等自动设备。但离开不了对形状方面的事后检查。在SMT开始被采用的初期，大约是中国改革开放的最初十五个年头，这种传统做法还可以接受。但SMT不是一成不变的。随着技术的发展，不断微型化的要求，新封装的不断出现，以及客户对质量要求的提高等等，传统的事后检查方法已经不是很可靠有效的，尤其是在有关产品可靠性（寿命）方面的保证，大多数SMT用户都没有什么手段。如果要有良好的质量管理，对传统的做法就要给于改革，必须取而代之的应该是以预防性为主的工艺管制。这就出现了类似Cpk，PWI等管理工具。在业界中虽然使用这类工具的用户越来越多，但被忽略的是，Cpk和PWI等只是个计算和表达工具，它们必须建立在良好的测量、计量工程基础上。而测量和计量工程知识却又是常被业界用户忽略的课题。有些甚至认为这方面的知识已经在大学或学院中获得，是个已经具备的知识。这也就是造成业界工程师还相信能够依赖锡膏厚度检查，贴片和印刷精度Cpk检查等来管制其质量的原因。

· 工程工具的使用不当。上面我们刚谈到Cpk使用不当的现象。事实上我们遇到的问题还多呢。SPC，DOE等也是常见的工具。尤其是DOE，这在90年代开始被大力宣传的工具，被使用在6sigma管理工具中的技术，也被盲目的使用在SMT工艺优化上。例如用在回流和波峰焊接工艺参数的设置优化上。从试验结果的ppm或dpmo结果来评估该做法的效果也许是个最大的错误。先别说综合故障结果所造成的信息混淆具有不良影响。当我们的工艺还处于较差状况时，任何调整试验都能够让我们得到改善。而从我的观察中，就是因为这些工程师对SMT工艺的了解不到位，以及受到外来形象的误导，在这工作上常误以为自己的做法是正确的。我在SMT管理培训和焊接技术培训班中都有仔细解释问题所在。这里篇幅关系无法细谈。SPC也是一样，用户们多只了解其计算和制图方法，但对其基本应用条件缺乏足够认识的多。比如整个工艺首先必须具备很好的系统性，数据采集的方法必须科学，管制目标应该搞清楚（是要管质量还是要管系统稳定性），管制能力范围（例如几个Sigma的水平）等等。从观察中我们的工程师多还没有意识和认识到这方面的东西。这其实也告诉我们，为什么我们使用了不少看似先进的工具方法，但结果呢，是问题还是没有根治！

· 工作态度浮躁，看问题不够细。例如对故障模式的定义分析，好些工程师都做的不够仔细。像虚焊有很多因素分类，有吸锡造成的虚焊，有焊球造成的虚焊，有少锡造成的虚焊，有焊接参数不当造成的虚焊，有爆米花造成的虚焊，也有共面性问题造成的虚焊；焊球问题也一样，出现在器件封装边上的较大焊球，以及出现在焊点上的小焊珠有很大的差别；出现在焊点上的小焊珠，又和出现在焊盘边的有不同，而出现在焊盘边的，又和出现在绿油框上的有所不同，同是在绿油上的，短距离内的和较远的又也有不同的机理。但一般工程师，只简单的把它分析为‘虚焊’、‘焊球’的笼统概念。这就造成了因果关系不明确，当然就无法最有效的解决问题了。

· 缺乏发展计划。几乎所有我见过的国内SMT用户，都没有制定任何SMT组装技术或制作技术发展蓝图。所以在投入发展方面是属于被动的，等到发觉什么欠缺时再来引进。这种被动的做法，最大的坏处就是不知道整个业界的技术和管理发展到什么程度，又有哪些可以被采用的技术软硬件和方法，以及在工艺、产品设计、设备配置上如何配合等等。这样的管理谈不上发挥最佳的效益。这也许和许多用户未能从整个面上分辨出各种硬软件和做法的其中差异有关。这情况就如许多用户从价格和知名度上来将贴片机定档次一样（包括供应商本身也有时如此），常听用户说某某设备和某某设备属于同一档次，其实如果从整个应用和管理面上来看，几乎没有所谓的‘同一档次’这回事。

了解以上过去常犯的主要错误（注一），有助于我们更好地导入无铅，并借这个机会超越他人。用户应该仔细评估本身过去的弱点，并借机进行改正调整。该注意的，是没有发现问题常是本身发掘问题的能力不足而非真正没有问题。别失去这超越他人的机会！

有效无铅技术导入的基本要求：

和任何其他新技术、新管理知识的启用或导入工作一样，无铅技术的导入必须特别注重知识、系统性计划和资源的投入。同时也尽量处理好上节所述的管理缺点。

无铅技术虽然不是个全面的革新，但其材料上的改变和多样化已经带来了不少的新知识。不同的行业、企业、产品、技术、管理、资源条件等等都有不同的选择考虑。要做出最适当的决策，就必须对相关知识有很好的认识。上一节我们谈到以前的问题中，大部分也是因为相关知识的认识不足引起的。比如技术整合管理的不到位，就是因为对SMT的特性以及DFM、工艺、设备认识的不足造成的。所以要有效的导入无铅，注重知识是个最重要的工作观念。

系统性在工程活动中是个十分重要的要求。它可以说是决定效率和效益的关键所在。ISO9000系统的精髓就是系统化。而许多用户只取其形式，无法从中得到巨大利益的，也就是对系统工程的掌握不足。我上节提到的许多用户缺乏技术整合管理的原因，也是因为系统工程的理念没有较普遍和深入的进入中国SMT界。SMT有赖于技术整合（尤其是工艺窗口更小的无铅技术），技术整合又赖于系统工程，所以加强这方面的关注和应用是必要的。

资源虽然无法保证成果，但大家都知道没有资源就一切都无法实施。在导入无铅新技术时，有许多资源是必须投入的。其中有些可能是以往从没有做过的投资，例如大量的知识引进和产品可靠性测试工作等等。这首先需要管理观念和决策上的改变。谈到资源，管理层往往觉得是个难题。事实上有好多并不是难题。因为如果您知道当您投入1元在A工作上，能为企业回收2元，而如果投入在B项目上，则能为企业省下5元时，这决策就容易多了。问题是在于哪些是A和B，哪里省下2和哪里剩下5元的信息或判断能力很缺乏。对于许多企业来说，资源是有的，但却用错地方。常见的就是防火资源全用在救火上。我有一个客户，如果他最初能够投入一个月的时间，多招一位工程师（其实只需要他3个月的时间，过后可以协助其他工作），以及拨出约两万美金的学习实习费，这企业就可以省下后来因为决策错误造成的每天6万多人民币的生产效率损失（在设备折旧期内损失1亿6千8百万）！这是没有资源，还是资源使用不当？所以用户们应该静下来，好好地考虑您在资源上的应用。无铅导入，必须有足够的投入才能保证最低的风险和超越他人。

我们将从以下导入无铅的主要步骤中，进一步看看这些基本要求。

无铅技术的导入步骤：

在导入无铅技术的工作上，不同行业，不同的企业状况在细节和时间上会有所不同。但以下的基本步骤则是可以通用的。这些步骤协助用户确保导入的效率，减少浪费和技术应用不当的风险。整个导入可以分为4个阶段和18个主要步骤如下。该提醒一点，这些步骤并非全是‘串联’性的。也就是说，一个步骤的开始不必等到前一步骤结束，而是在适当时机应该并行的。

导入阶段一：调研学习阶段

去了解和掌握基本的无铅知识，应该作为导入无铅的第一项工作。有了足够的认识后，才不会像以往导入SMT技术时犯了好些到现在都还不知道的错误。一切的计划、活动和决策，都取决于用户对该课题的认识程度，所以我在此特别强调在行动前先掌握足够知识的做法。

步骤1：成立专职小组
在我协助的许多国内用户中，进度一般都不是很理想，比起我在国外的项目都来得慢，甚至有些还几乎跟不上。而其中最大的原因，是无法确保专职工作这一条件。无铅导入并不是个简单换换材料、设备和工艺参数的工作改变。它其实可能影响到厂内整个制作模式的整改和大多数员工的提升需求（看你要达到什么表现程度）。如果缺乏一个专职小组来进行导入的研究、计划和推行，这工作是很难做好的。兼职一般难有好的表现，读者们只要想想您日常有多少时间能够静下来，不受到干扰的处理一些非日常事务就知道我不建议采用兼职人员的原因了。所以这第一步是个关键的一步。人数并不需要多，看您的产品种类、供应商数量、设备种类等而定。大略在3到5人已经能有保障了。最低限度，也要有一个全职的项目协调员或经理，并授予该有的管理权力来带领一个兼职小组。

步骤2：了解什么是无铅技术
无铅技术和目前的锡铅技术有一定的差异，并且种类繁多。单是焊料合金的配方一项，据报告就有超出100种之多。各种材料肯定有其特性和适用性上的差别。要能够做出最适合自己状况的选择，当然首先对这些材料有些认识。我见到有些用户直接通过供应商取得样本进行试用。我并不推荐这种做法。原因是试用评估需要许多资源（尤其时间和经济资源），它因此不应该是最先采取的步骤。如果将已经出现的焊料、焊盘（和其镀层）以及器件焊端材料进行配搭研究，我想其组合数量可有数千种之多。我们根本不可能对这样庞大的种类进行实际试用分析。所以较可行的方法是通过他人已经走过的路，已经有的考察资料进行初步了解和选择。到底业界有多少种不同的材料，特性和优缺点是什么，不同的材料（焊料、PCB、器件）的配搭效果如何，各材料的研究结果是否完整可信，该材料和相关配搭材料的表现是否有经过相同行业企业的研究评估，可信度和适用性又如何等等。。。这些都应该是首先要收集整理和去了解的。

在接触和吸收相关无铅技术的知识时，我们必须认真的对资料进行评估筛选。以往锡铅技术中，我们周围曾出现过许多不完整甚至含有错误的知识，并流传甚广。无铅技术，由于其较新和较高的难度，以及部分是建立在含铅技术基础上，也很可能出现这类情况。例如业界目前已经传开一些片面的‘知识’，其中如“无铅锡膏不必搅拌”，“无铅焊接一定要使用较高于锡铅焊接的温度”，以及“无铅必须采用氮气”和“无铅回流曲线应该采用斜坡式Ramp-to-Peak”等等。更有不少的人认为所谓无铅回流炉子，就是提高设置温度能力以及改用部分材料罢了。。。这些‘知识’可能带来的不良影响，将会存在这用户市场中。读者如果不想成为受害者就必须给于关注和处理。

步骤3：了解各方的发展状况
从以往技术发展的经验中，我们认识到最好的技术最终并不一定是被广泛使用的。而是那些形象宣传好，市场力强，以及影响力大（例如客户要求供应商，或大供应商影响小客户等）的技术较可能会被普遍采用。所以当市场供求状况还没有定型和明确的情况下，关注商业市场的动态也是必要的。其他具有一定影响力的有国际SMT技术协会或机构，国家法令，大型国际知名企业和主要供应商。这些组织机构的动态都应该值得我们去关注。这些情报的正确掌握，可以使用户免受到本身认识不足，或受到某些有意无意的误导而造成方向性的失误。

步骤4：了解本身目前含铅的技术应用和管理能力状况
前两期的文章中，我提到无铅不能算是个革新技术。它只是个半革新技术。也就是说无铅技术的应用上，仍然保留许多含铅技术的知识和做法。本文中我也提到在我们以往处理锡铅技术时，还存在着许多不理想的地方。以及用户可以借助这导入无铅或转换技术的过渡期，同时改正本身以往的不良做法。使企业能乘机超越以往同样做得不理想的对手。所以在导入无铅技术的初期做法中，我建议用户也同时注重了解和评估本身在SMT管理上的不足之处，借此机会进行改善（您没有多少次的这类的动力机会）。该了解的一点，是有些改善并不是个附加利益，而是个必要的做法。比如以往对焊接工艺掌握的不好，不懂得如何利用炉子上下温区的不同设置来对工艺进行细控，不懂得如何仔细测量和评估炉子的性能等等，这种能力的不足将可能使您在无铅工作中受到巨大的压力和伤害。因为无铅焊接工艺的要求比锡铅来得严格得多。锡铅工艺中可以侥幸通过的，进入无铅后可就未必能够靠运气了。所以我认为，这步骤三并非可有可无，而是应该认真考虑和执行的。

导入阶段二：准备阶段

第一阶段中您已经对无铅有一定的了解；了解业界的动态和方向，知道什么情况较可能出现；也对本身的能力重新认识，知道引进时有面对什么程度的问题，什么该给于改善等等。有了这些信息和认识，您就可以进入准备工作了。

步骤5：计划蓝图
良好的计划和发展蓝图也是个重要的基础。它确保您的无铅引进项目考虑全面，资源有一定的保证。无铅牵涉面可不如一般想象中小，而且什么该先，什么该后，对导入的效益是很重要的。再说企业内的人力和时间资源有限，也许不可能同个时候什么都同步执行，所以我们应该制定一份导入和发展计划蓝图，不能够走一步看一步。

蓝图的内容必须包括目标、时间、以及本节提到的各步骤。而计划书就针对蓝图要求将各个工作细节，时间以及资源进行策划。

步骤6：无铅条例法令的跟踪
看您所从事的行业和客户市场而定，一些国际无铅法令或条例对您导入无铅的影响可能是深重的。所以此间您也必须不断关注这方面的更新发展。配合您客户的情况决定是否要跟从，以及跟从到什么程度。您所需要的，是确定和建立起及时和可靠的通信或情报网，以确保及时获得正确的信息。

步骤7：客户沟通和认同
由于无铅的目标和标准仍然缺乏一致性，加上通信技术发达造成的信息混乱，我们不能忽视客户们有不同的需求和不一致的做法。加上无铅的选择众多，容易造成和客户间的认同不一，或是每个客户的认同不一所造成的管理困难以及资源浪费。所以无铅导入工作中，良好和及时的客户沟通系统是必要的。在双方还没有达到一定程度的认同时，匆匆开始本身在无铅方面的研究和导入未必是个好的做法。另外，有些客户可能推行的步伐较慢或起步较迟，如果能够协助引导这些客户，对企业的长期效益是有帮助的。

步骤8：供应商沟通和初步了解评估
无铅材料的选择，并不像锡铅那么单纯。而且除了种类成分繁多外，新技术的认证可能还存在许多不全面的情况。尤其是配搭的组合多，业界供应商未必对所有的组合都有测试认证。而无铅工艺窗口较小，更增加了选择的风险。供应商的能力和协助也因此十分重要。用户们不希望投入太多的基础研究工作，只好尽量依赖供应商方面的研究认证结果。然而从以往的经验中，我们知道不少时候供应商的技术资料并不完整，或是不容易直接获得（注二）。如果这情况还在无铅技术中没有改善，那将给用户带来更高的风险。另外一方面，供应商的测试认证条件，是否符合或能够代表用户的实际情况，这常也是个被忽略的课题。在无铅导入的期间，我想供应商是否能够有提供相关的、较全面、较详细的技术资料（注三）的能力，将成为一个选择的考虑重点。无铅导入者应该和供应商间建立起有效和主动的沟通系统，信息更新通知或会议等等。这工作必须在选定供应商前就开始做（供应商这方面的配合和支持能力是个重要的选择考虑）。并且在选用后继续调整和维持下去（称为采购系统的一部分）。

步骤9：调整或制定内部的制造模式
制造模式是过去很少被理解和应用的一件管理宝物。如果读者们从来没有去了解或使用它，我建议大家往这方面进行学习研究。它会是区别您和竞争对手效益上差别的重要手段。制造模式的规划，协助我们在设备配置考虑，生产资源和后勤管理，人员组织和知识引进方面做得最科学有效。模式中的信息包括工艺种类和路线，生产批量和交货时间特性，产品种类（包括客户不同要求种类），排产依据和自动化程度等等。这些方面的不同配搭将带来不同的效益水平。所以必须给于仔细设计。即使以往您已经做了这方面的功课，但无铅带来的转变会影响旧决策的有效性而可能必须进行调整。比如说以往的独立回流焊接站，多产品同时焊接的做法，或采用双轨道炉子的做法，进入无铅后可能不再是最好的做法；或以往单一的现场返修工序，如今必须成立一套产前设置验收的系统等等。都将决定用户能多有效的管理无铅生产。这方面的工作，也是确保能够较好照顾到技术以及技术-管理整合的重要步骤。

步骤10：收集技术资料
虽然经过多年的研究开发，无铅技术并还没有定型。不仅是无铅材料的种类繁多，其中各种材料，包括被认为较可能被电子业广泛接受的几种材料，其研发并还没有结束。尤其是在扩张和其他材料（PCB和SMC）的组合面的表现，以及在长期使用可靠性的研究上，尚有许多空间。这意味着作为用户，我们有许多的资料需要去寻找、收集、理解、判断、整理等等。这些工作直接就影响到导入的效益和效率，以及将来面对问题的程度和风险。由于方案种类多，各方的研究条件不尽相同，造成我们无法从一点，甚至是简单的几个渠道来获得足够的信息资料。所以就有必要设立情报资料收集工作小组。

步骤11：设计和确认评估方法和标准
怎么样的试用状况和产品质量才算是合格的呢？这是个您必须和供应商以及客户之间达至认同的课题。所以一切的评估项目、测试手段、以及合格依据等都必须先给于制定和讨论。这可以减少将来不必要的重新试用或不断的争执。

导入阶段三：试用阶段

当对客户需求、企业定位和方向、以及供应情况有一定的了解后，用户就可以开始选择和试用了。这阶段包括了以下几个重要步骤和活动。

步骤12：选择材料
有了以上足够的准备功课后，您就能较有把握的选择适合您的材料了。为了减少所需的认证资源的投入，所选择的材料必须首先具备良好以及相当数量的测试分析报告。虽然以往许多的新用户在选择时也会要求供应商提供其他用户参考，但必须注意的，是在考虑中必须真正理解这些所谓参考用户的选择背景、考虑和实际的使用能力和情况。一个能力不强的用户在工作上总是看不出问题的。而是否有能力是不能靠该工厂的‘大小’或‘声誉’来判断。

另外一个注意点，是材料的选择必须按‘系统’选。意思是不能按单一材料独立考虑选择。这是因为他们之间有配合的性能差别状况。所以您首先通过阶段二中步骤8到10的功课，制定好几类可以被考虑选用的‘无铅系统’，然后在此按原先已定的‘系统’选择。其中只要一部分不合要求，您就必须考虑是否要放弃整个系统而采用另外的系统再选择。这问题在锡铅技术中，由于其材料种类少以及相互间兼容性强得多而没有被重视，但在无铅中有可能就给用户带来麻烦。

步骤13：材料、工艺、设备试用和定性
选择好材料系统后，就是开始试用了。试用的设计和过程也必须是包括整个系统的综合考量。也就是材料、设计、工艺、设备、质量管理和依据方面的综合评估。除非您觉得所收集到的技术资料已经足够、准确以及条件适用，否则一般不应该从实际产品开始试用。原因有二，一是避免造成大量的损坏；二是产品一般未必是工艺难度最高的，所以无法完全试出您评估中无铅系统的真正能力。也就是说，在难度不高的产品制造中，大多数系统可能都是合格的。

我因此建议使用试验板。试验板必须根据各种需要认证的工序和参数（步骤12中已定）进行设计，我们知道SMT的工艺参数众多，所以您很有可能需要数种板的设计来覆盖。用户必须自己在风险、资源上作出适合本身的决策。

这一步骤的输出，除了是否接受的决定外，还有就是各种技术规范。试用期内同时制定规范的好处也是确保您的试用做到位，有足够的考虑到参数间的整合关系。

步骤14：产品试制
上个步骤认证和制定了所有基础的技术规范。到了这一步就是试验如何使用和应用了。产品试制，在原理和做法上和锡铅技术时代并没有什么差异。所以如果目前您已经掌握试制的方法窍门的话，是能保证效果的。但毕竟无铅技术刚被导入，在模拟程度上，试制量上以及数据可信度上都最好是要求偏高一点。并要确保试制结果评审的素质。必要时可以考虑邀请供应商或顾问专家协助。

由于产品的试制素质直接就影响到企业的成本和形象，我这里再提醒一次，仔细评估您的试制能力！

步骤15：工艺、设计、设备、质量规范
规范确保将来工作的系统性和稳定性，同时也提供改善的平台。所以规范是个十分重要的工具。无铅技术的难点高，变化多，也因此更需要依赖规范的协助。各种技术规范的初稿，已经在准备阶段中成立。在经过以上的产品试制工作后，规范通过实际应用的部分考验后，就应该给于规定固化下来。所以此时个相关部门，不要因为无铅已经开始在厂内执行而高兴得以为工作已经结束。而应该坐下来再花点时间仔细将规范整理好。这投入是必要，也是值得的。

步骤16：制定过渡期材料规范和管理系统
在导入期间，我们很可能遇到的一个问题，是含铅以及无铅材料的混合出现。这是因为供应市场上并不是同时间的一次切换所造成的。而混合材料，由于他们之间的工艺要求不同，以及在某些焊料合金中出现的‘铅污染破坏’现象，使用户不能不注意和给于适当的控制。用户因此必须有这方面的限制和对策。制定这材料规范，就是为了在过渡期间避免因为选择失误而造成的技术和质量问题。

在过渡期间，由于含铅和无铅材料都可能同时出现在厂内，除非在技术认证上用户已经确定它们是可以兼容的（目前技术还无法确保完全兼容），否则如何避免错料的问题，就有赖于用户此时设计和建立起良好的管理系统。系统中最重要的是照顾到材料识别、库存和物流管理问题。当然它也影响排产、返修和测试的安排等等。

导入阶段四：使用和管制阶段

到了这地步，您的无铅已经开始应用起来了。接下来的工作重点在于如何不断的维护您的生产质量。以下是两个质控的关键做法。

步骤17：建立良好的采购和IQC系统
以往含铅技术的管理中，采购部出现的一个技术问题，就是和供应商间没有足够仔细的技术指标（虽然指标是设计部提供和负责，但采购部必须确保有效的沟通和监管）。例如SOT或SOP封装的‘悬空高度’在波峰焊接中是个重要的指标。而这指标在国际上有不同的标准，甚至不是供应商控制的指标。但好些用户的采购单中并没有清楚说明这方面的指标和公差范围要求，或说接受的国际标准，导致随机性的供应差错问题。

我们已经知道无铅技术在工艺难度上较高。所以要求也将会更多。例如焊端材料和层厚，在含铅时代虽然也重要，但一般出错的几率较小。到了无铅，这方面也许就不是可有可无，而是已定要给于关注的。因此，如果用户要在无铅技术中做得好，应该细心的设计和建立起好的采购系统，集合设计部（负责提供指标），供应商（负责提供工艺和质量保证）和生产部（负责提供IQC认证方法，注四）将较有能力的技术采购和沟通系统建立起来。这步骤确保来料得到足够的控制。

步骤18：建立设备和工艺维护系统
控制了来料的外来因素，下部当然是控制内部的加工质量了。我建议用户也借这无铅导入的机会对传统被动和效益较差的质量管理做法进行改革。从依赖检查、修补、返修的做法改为注重工艺测量和设备维护调制的做法。虽然市场上能够协助我们做好这工作的工具和方法还不多，但这应该是必须发展的方向，也是用户超越竞争对手的一个机会。许多方法和工具其实不是很难设计，关键在于您是否掌握了SMT技术原理以及测量和计量学。

KIC的24/7系统，是个属于具备这类功能的少数工具之一。用户值得进一步了解和评估它（注五）。

后语：

无铅带来的变化，或许在一些用户中还没有被清楚的认识到。也因此可能被一些用户低估了导入时和导入后可能遇到的问题，以及处理不当将付出的代价。要很好的避免问题的出现和确保有个比他人顺利有效的导入过程。注意计划、准备、过程步骤等整个系统性是重要的。本文因为篇幅的关系，未能十分仔细的和大家分享所有的知识经验。但希望能够给读者们一些关键上的引导，并引起业界关注和讨论。我们在无铅技术的发展和推动中，似乎较忽略了关注导入管理这一点。我希望将来无铅被广泛采用时，中国SMT界不会出现以往含铅时代的情况。

技术兼管理顾问
薛竞成
2005年3月

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注一：此处由于篇幅问题，只举了重点例子。事实上在SMT界的技术应用和管理中存在着更多的问题。如果要最好的处理SMT问题，读者应该更全面更仔细的去研究这些问题。

注二：例如器件的焊端材料和镀层厚度。在锡铅技术中已是个不容易直接获得的资料。有时候需要大量的沟通才能获得。在无铅技术中用户对这方面的信息更需要掌握，所以必须一早通过良好的供应商沟通系统来达到这目的。

注三：资料必须包括工艺性方面，可靠性方面，以及测试认证方面的。

注四：这里指的IQC并非传统的检查，而是一套质量控制系统做法。它可以是供应商厂内的检查，或供应商工艺的测量等等的搭配。传统的来料抽样检查方法在无铅中将逐渐失去效益。

注五：用户如果想知道如何进行无铅焊接的质量控制，请留意上海和深圳的Nepcon展览上KIC的讲座。或通过leadfree@kicmail.com联系KIC公司。

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，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些新合金种类。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。例如从目前较可能被业界广泛接受的‘锡-银-铜’合金看来，其熔点是在217℃。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37℃降到只有23℃，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14℃（约53%的萎缩）。这只有14℃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的应用要求高出许多。

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260℃。虽然这温度和含铅技术的240℃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260℃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14℃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箱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

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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.sales@kic.com

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。

电子业的发展和环保工作

人类自工业革命以来，不断发展的生产技术使制造成本不断下降。自动化技术的出现更加剧了这一发展。而由于成本价格的下降，造成产品消费的大众化，大量生产又进一步推动了技术的发展和制造成本的下降…这现象首先出现在汽车行业中。快速发展的情况从二次世界大战后开始，一直到70年代中期汽油价格上涨时才有缓和现象。但这也只是短期性的步伐放慢。从70年代末起，随着电脑技术的诞生和进入80年代的成熟，工业和制造业的发展更是快速。而连带的造就了用户市场的剧增。据统计，从70年代末到90年代末的20年中，汽车的拥有量就翻了6倍，工业材料的产量需求增加了10倍，能源的消耗达4倍，其中电能源的消耗量更是高达8倍以上。这说明了电器和电子产品的高速度发展。事实上，根据美国的统计，电器和电子业已经在1996年超越其他工业而开始成为最大的工业。

工业和制造业的发展带给人们更好的物质生活。但却也同时带来了影响人类健康的环境污染问题。而人类也早在60、70年代初就意识到如汽车排气和水银污染等带给人们的危害及严重程度。而开始设立环保机构和通过立法等来协助控制人们对健康环境的危害。其中较大的成就是70年代初从汽车汽油中将铅去掉。而使空气中的铅污化减少了约94%。以及70年代末的从油漆中将铅除去。

电子工业界一直以来也受到环境保护的影响。例如前些时候关注的氯氟碳化合物CFC，卤素，挥发性有机化合物VOC等的废除和控制工作。如今更是在消除含铅的课题上做了不少的工作。无铅技术的发展，不论在经济、材料技术、工艺技术、生产设备、质量管理、设计、市场、采购，甚至在立法上都造成一定的影响。可以说是电子制造业中，自SMT技术出现以来影响最大的改变。

环保和无铅技术的发展动力

新技术的推动总会带来技术风险，初期的成本压力，以及必须面对改变的心理压力等等问题。当电子制造业界似乎有点茫然、冲动的对焊接的无铅化进行研究的同时。却有另外的一些人对这方面的无铅需求提出怀疑。而提出怀疑的原因是，电子组装业中，铅的使用主要来自焊接中的焊料和器件、PCB焊端材料。而这方面的铅用量，也不过占总铅使用量的1%左右（铅的最大用量在电池方面，约占8成）。而用来在焊料中替代铅的其他金属，例如银、镍、镉、锑等也都含有危害健康的毒素。根据美国环保局的测试结果，银和锑在所有测试中无一达到环保要求。因此曾有份报告说，“在电子组装业中推动无铅技术，相当于使人类多花些钱来换取一些铅毒以外的中毒选择”。一些以美国为主的机构认为，人类对于使用在电子产品中的铅通过环境给人体健康造成的危害的课题，所做的研究十分缺乏，完全只是出于一种感觉上的忧虑。因为铅虽然对人体有害，但未必容易通过环境污染的途径造成。事实上，美国近年来的一些环保研究工作，其结果发现电子产品中铅造成的环境污染程度是十分小的，合乎美国环保局的标准（约只达极限的10%程度以下）。另一方面，从无铅技术从目前的情况看来，它将会给人们带来较高的成本。这些成本来自材料（铅是十分经济的金属）、设备、学习、研发、质量管理等等。加上由于无铅技术难度较高，不免造成质量浪费较大，在这回收（再循环）技术尚未成熟的时候也同时加快了人类对地球资源的消耗（这也包括一些较稀有金属如铟等的使用）。所以一些人对于是否值得在此刻对电子焊接进行无铅化提出质疑。美国企业界一般处于这种心态。

市场考虑也是无铅发展的动力之一。虽然最初的研究开发也许主要为了环保，但当研发到某些程度后，市场就逐渐形成了竞争差异。而市场或经济竞争就也成为推动无铅的重要动力之一。曾有权威经济报认为，日本的电子业，将借助无铅技术的推动而改变其竞争压力的不良趋势。这是由于日本在无铅技术的研发上，系统性强和做得比其他国家来的出色。也就是说在技术整合，在技术和采购整合上都处于较有利的地位。而事实上，日本的一些企业，例如松下和东芝等，都已经在其某些产品上，借助无铅技术而赢得良好的西方市场。而事实上，我们从日本国内上下的活动中也可以看出，日本企业界一般属于注重市场动力的一群。

一般相信，目前来讨论是否应该推行无铅技术已经是为时已晚。政府和业界的投入，以及商业活动已经使无铅势在必行。我们可以用一句话来代表面前的情况。就是“要嘛把铅去掉，要嘛交易免谈”。

主要经济体的态度和行动

技术的逐步成熟，市场的诱惑，市场竞争压力，供应的转变，国家的立法以及保护主义将使得无铅技术的广泛采用成为必然的结果。所以即使不太认同电子组装业需要进行无铅化的国家或企业，也都不敢完全放弃有关方面的研究和跟进。虽然大家都为推行无铅化而前进，但代表全球工业的欧、美、日三大经济体的做法不尽相同。

欧洲共同体在国家和工业界的紧密配合方面，以及在立法和教育上做得较好。例如在回收（再循环）法规和管理工具上，经济奖励等方面投入比美、日都多。在研发方面的投入，欧盟十分注重系统性的运作研发，尤其是在针对环保设计方面的工作。欧盟中不论是在企业或国家对相关的教育培训的资助都较美、日来得强。

日本方面，除了在回收（再循环）技术和立法方面做了较多工作外，国家政府对工业界的协助则不如欧盟国家。工业界本身则十分关注对ISO14000之类的遵从和能量方面的节省。日本企业界有一个特点，就是十分注重环保工作和企业营业策略配合，许多大企业都将环保列为一个竞争手段。而在研发工作上，日本较关注也是在应用科学方面，基础研究不如欧美地区。

美国在无铅方面，早期一直抱着观望的态度。这和先前提到的不认同电子组装业应该采用无铅化方向的心态有关。所以在许多方面的发展投入以及推动力远不如欧、日地区。这状况一直到了1999年，当美国意识到无铅课题所带来的商务或经济影响更超越环保意义时，才在几个全国性的重大会议后大量的投入相关的研发。美国的研发焦点在材料和材料应用上。

至于其他地区和国家，由于本身的技术、经济能力有限，以及对全球市场供应和作为用户的影响力相对不足。在无铅课题上只能看着以上三大经济体的方向而选择何时跟进。而这所谓的“选择”往往也较被动。

推行无铅的压力

由于无铅的推动并不一定给所有企业带来好处。所以许多企业在这课题上并不主动。而最终是由于压力下才转使用无铅技术的。压力可能来自三方面，一是需求市场，二是竞争市场，三是供应市场。

需求市场压力即是客户的要求。例如目前已经开始有些来自日本和欧洲的客户要求必须使用无铅技术或产品了。除非您不做他们的生意，否则没有选择。

竞争市场则是同业中竞争对手们已经采用或有能力采用无铅技术，同时以无铅技术作为竞争手段。这时虽然有些客户未必要立刻要求无铅技术，但既然供应商能够提供，而如果成本负担又不增加或在合理范围内时，也许会有些吸引力。这就给那些无法提供无铅的供应商造成了竞争压力，使他们不得不也推行无铅技术。

供应市场的压力会也是个重要的因素。也许目前已经有好些用户已经见到这方面的问题了。就是某些器件或材料已经转供应无铅的，含铅的已经停止供货了。而这种情况会随着无铅的逐渐普及化而更严重，最终将会使那些即是不想转换的用户也必须进入无铅。受到这因素影响最重的是那些需要确保高产品寿命质量的工业，例如军品、医疗设备、航天、航空等等。这些行业占电子业产量只约1%， 在无铅对产品寿命的影响程度还未很好的确定的情况下，如果这样小的市场无法争取到供应界的支持，对这些行业的生产将是个问题。

不论动机是真正的为了环保，或是商业行为，以上的压力所提供的信息很清楚 —- 不论您是否愿意，最终大家都要采用无铅！

无铅技术带来的改变

既然无可避免的必须转向无铅技术，那么无铅带来的改变和影响应该是大家首先最该关心的。在电子组装业的发展过程中，上一个影响面较大的改变是SMT的出现。那是个“革命性”的改变。如今的无铅技术带来的并不全是革命性的转变，这点是用户所应该搞清楚的。在一定程度上，它还是属于一个“发展”（Evolution）技术。也就是说无铅技术是从现有的含铅SMT技术上发展而来的。自有SMT技术时代开始，快速扩张的用户市场，使工业界已经认识到“革命”式改变的害处。所以在研究开发新技术时总千方百计的使其保留有高程度的旧方法（或至少能使用旧经验）。因此无铅技术中仍有大部分工作或技术是属于“发展”（Evolution）而非“革命”（Revolution）。表一从不同方面来看无铅技术，并说明其属于革命性或发展性特性。

表一：无铅技术的发展特性

具备较多的“发展性”当然是件好事，表示我们可以更好的利用以往的经验。然而对于无铅技术来说，这却也非简单。在SMT的发展过程中，我们已经有经历过几次影响较大的“发展”经验，例如免清洗技术、栅阵排列焊端技术（BGA）、Flip-Chip等等。有些用户可能对于这些技术带来的挑战还记忆犹新。但无铅技术的到来，和以前的几个技术相比之下，其难度和挑战绝对是有过之而无不及。

认识表一中的特性，对于新的无铅用户是重要的。因为技术的引进需要经历一个准备期和过渡期，而什么应该加强，什么可以放弃等等的管理决策和准备功夫，都必须建立在对该技术的发展或革新的特性认识上。

材料上的影响和改变

无铅技术在应用上的最大改变是材料在其特性上和种类多样化上的变化。尤其在焊料合金方面研发成果十分多。虽然目前还没有一种合金焊料能够和含铅焊料一样‘好’，但可以替代（可以满足应用）的有许多。据笔者了解已经有超过50种不同的合金申请了专利。这么多的选择，估计最终还只是少部分会被SMT界较广泛的接收。从目前的情况看来，业界比较认同的有Sn/Ag，Sn/Cu，Sn/Ag/Cu，Sn/Ag/Cu/X（X表示其他金属如铋、铟等），Sn/Ag/Bi，Sn/Ag/Bi/X（X表示其他金属）。我们在将来的文章中会较具体的讨论这些材料的不同和强弱点。

焊料中除了合金是个考虑和选择重点外，焊剂Flux也不应该被忽视。不同的合金有不同的密度重量，有不同熔化表面张力，不同的熔点温度，和不同的氧化特性。这也就告诉我们焊剂Flux的配方会出现不同于含铅的情况（注一）。由于焊剂配方一直是个锡膏供应商竞争的商业机密，用户不容易知道其实际的特性。但可以预见的，是这方面的改变会对焊接工艺起较大的影响，锡膏印刷工艺次之。对于贴片工艺，估计影响十分轻微。只在某些特定应用上才可能会出现需要特别照顾的。

材料除了焊料外，主要的还有器件以及PCB。在器件方面，有两个需要给于关注和考虑的。一是器件焊端的材料种类和成分，另一是器件本体的耐热问题。焊端材料方面，即使在含铅技术中，并不是所有的焊端都采用含铅的金属，例如常用的Ag/Pd，Ni/Au，以及Sn，Ni/Pd，Ni/Au/Cu等等都不含铅的成分。而这些材料都确认能够和某些无铅焊料兼容使用。所以在器件焊端材料上，我们所面对的问题不是太棘手。不过最少还是有三方面的问题困扰着我们。首先是模块器件（例如过滤器、震荡器、保护电路等）的一级组装问题。由于这些器件可能在二级组装时会再度经过焊接所需要的高温处理，所以一般必须使用较二级组装焊接所需焊接温度更高的熔点的合金焊料。而目前这方面的研发远远不及二级组装技术的研发投入的多。而且由于温度更高，对所有材料的耐热性要求又更高了。这也进一步增加难度。虽然目前有解决方案，但高温无铅焊料种类少、成本很高。

器件的第二个问题，是在过渡期间无铅和有铅混合的问题。由于无铅和含铅材料并不完全兼容，所以这混合会带给我们某些问题。例如温度承受能力不足，焊点不良，以及“铅污染”等。

第三个问题，是无铅技术在焊料合金上出现了许多种选择，而这些器件的焊端材料，各种焊料和哪些器件焊端材料能够兼容，兼容程度有如何，其中组合众多，目前的测试资料还是有限。这增加了用户的选择风险和困难。

器件整体的耐热也将是个考虑重点。由于无铅焊料的熔点一般高出含铅许多（较可能通用的会有30~40℃的提高），意味着在焊接时温度提高许多。含铅技术中使用的器件，未必能承受得起这提高的温度（事实上含铅技术下的器件并没有确保能够承受无铅的温度，也因此许多材料并不能承受这高温）。所以除了焊端材料必须是无铅，以及和所使用的无铅焊料需要兼容外，器件本体封装等材料也必须承受得起所需要的焊接热能（即温度和时间）。

PCB方面的影响也有二。一是焊盘的防氧化保护层。在含铅技术中常用的锡铅热风整平技术，由于含铅而一定要被除去。但一些也被使用的材料和技术，如电镀镍金、化镍浸金、浸镀银、浸镀锡等都有许多试验结果支持其在无铅技术中的应用。只有OSP（有机保焊层）技术，由于种类和工艺较多，而有些承受不了无铅的高温作业（尤其是双面回流工艺），用户必须较小心的认证选择。业界发表的有些试验报告，也说明了某些OSP使用在无铅高温下不是问题，甚至可以承受4次以上的无铅回流高温（IPC/JEDEC 的 J-STD-020C 标准）。

PCB的第二个考虑，是基板材料对无铅高温的承受能力。在更高的焊接温度和可能更长的焊接时间情况下，传统常用的FR4可能会出现不能接受的变形或开始变色（外观问题）。所以有些产品，基于外观质量要求，设计难度等理由，也许必须转而使用Tg较高的FR4或FR5基材。

无铅技术在组装工艺上的影响

无铅在工艺上带来的较大改变，是在焊接工艺上。这改变出于无铅焊料熔点上的变化，以及较不被关注的焊剂配方的转变上。较高的焊料合金熔点使焊接温度必须提高，而这温度需求的提高，加上焊剂的新配方，也影响前工序的预热和助焊工艺。而焊接温度的提高，使许多器件材料处于较高的过热风险下，工艺窗口变小了，所以加热工艺的调整要求也提高了。这意味着什么呢？对于用户来说，虽然掌握焊接的原理不变，但以往的焊接工艺规范已经不能使用而必须重新进行工艺认证。

曾有报告和论文指出，无铅在锡膏印刷和贴片工艺上没有什么改变。这说法并不完全精确。锡膏印刷方面，无铅带来的改变虽然不会有焊接来得大，但对于一些工艺要求较高的产品来说，我们还是可以看出无铅和含铅是有些不同的。这种差异其实也存在于含铅技术中不同锡膏牌子型号之间。因为造成这种工艺差异是来自锡膏的配方差异。在无铅技术中，无铅合金材料不同的熔点温度、不同的表面能量（张力）、不同的金属密度（重量）等给锡膏焊剂配方带来改变的必要。而这质和量上的改变，也使一些锡膏的粘性和流变性产生变化。而锡膏印刷工艺的要点就是掌握和处理锡膏的流变性。所以无铅其实也给印刷工艺带来改变。即是您使用的锡膏牌子不变，但其配方的改变将使您的工艺需求改变，关键在于您的产品对印刷工艺的要求是否需要细腻的设置和控制。

由于器件方面在无铅技术中的改变主要在于耐热能力的加强，焊端材料改变不多，贴片工艺的影响应该十分轻微。唯有在器件工艺特性（注二）处于工艺临界的情况下，贴片压力可能需要更严谨的调整，以补无铅润湿能力较差的特性。

至于波峰焊接工艺方面，焊料熔点增高了之后，助焊剂配方也受到影响。因此预热和焊接工艺参数都必须重新处理。试验中发现“阴影效应”情况会较含铅技术严重些。这可能需要PCB工艺设计上较好的配合。

其实无铅在工艺设置、工艺调制方法上都没有什么改变。您所需要的只是重新制定您的参数和工艺规范罢了。我往后的文章会在工艺上和读者们分享较深入的知识经验。

无铅在DFM和外观检验上的影响

无铅焊料在焊接特性（如润湿性等）和含铅有所差异，如果要很好的处理工艺，在DFM规范上也必须有所改变。例如回流中“立碑”、“气孔”等现象以及波峰焊接中的“阴影”现象，在无铅焊接技术中会较严重，如果通过DFM的修改配合，可以很好的预防和解决这类问题。

在DFM中的焊盘和钢网设计部分，由于和焊接工艺密切相关，无铅的出现因此也带来一些影响。此外，一些检查标准，包括MVI和AOI等，也都会有些改变。这是因为无铅焊点的表面状况（光滑度和润湿度）都没有含铅焊点的理想（但不表示有质量问题），所以检验标准也应该给于修改。

无铅在组装设备上的影响

作为支持工艺的设备，主要是在回流炉和波峰焊接炉方面，也因为工艺窗口的缩小而受到影响。基本上是对其工艺控制能力的要求提高了。例如回流炉子的高温能力、加热效率和冷却控制等，以及波峰炉子的预热能力，以及第一波设计和控制等，都必须有较好的表现。而除了工艺能力外，炉子中和无铅锡有直接接触的部分也必须采用适当的材料来抗其腐蚀性。对炉子制造商来说，提高加热温度和采用不同的熔锡槽材料是无铅技术的改革重点。目前推出的炉子，许多都表示可以支持无铅技术。而这所谓能支持无铅技术，很多也就是说能够提供更高的温度以及采用抗腐蚀材料而已。对于更好处理缩小的工艺窗口的加热效率等等特性则未必有改进措施。我曾对两类炉子进行测试，发现其加热方面的工艺能力，其实和上一代含铅技术的型号并没有改变，甚至更不理想的，是在增加后的高温部分，能力还不如原先的（注三）。了解设备真正能力对用户十分重要，这是用户所必须给于注意的。

无铅技术上的总体状况

无铅技术自研发以来，目前对于民用家电以及一些不牵涉人命安全的电子产品上，已经算是门可以被大量使用的技术。焊料上的选择虽然还属于复杂，业界要达至认同善需要一些努力，但趋势已经逐步形成，供应也开始普及。PCB无铅化技术也已可行。器件无铅化，虽然结果尚未及无铅技术理想，暂无法在成本、质量、工艺各方面找到单一优化的选择。但工艺和质量水平已经基本被业界接受，无铅器件供应也逐步普及。设备方面，受到主要挑战的焊接设备，情况类似器件，虽然还有待改善，但基本能力已有。质量认证方面，在较温和测试条件（温度范围在0 ~ 100℃ 之间）下，大多数无铅技术在大部分测试特性的表现下可比美含铅技术，甚至有些表现还更好。不过有关产品长期寿命方面的认证，虽然已经有相当的信心，还有待更多的研究以及实际使用观察来确定。例如除去铅后高锡含量的金属须（或称金属针）问题还没有真正有效的解决方法。所以在高质量要求，或关系到人命安全的产品上，无铅技术的使用仍然需要进一步研究决定。而对于寿命要求不太高的家电或民用产品，则无铅基本被认为是可行的技术。

无铅技术在商业上的影响

无铅技术的推动，目前已不再纯属环保考虑，而是包含了相当成分的经济和商务意义。无铅技术发展的较好以及能力较强的国家地区，已意识到它可以成为有理的贸易壁垒。而由于无铅技术所需要的是整体供应、工艺、设备等的系统性，谁能够较好的掌握和建立这系统性，对谁就有较好的竞争能力。

和当时Flip-Chip技术的开发一样，企业们为了在新技术上多占些甜头，纷纷为其科研结果申请专利。不过由于有了以往的经验，“通用”和“普及”性已成为另外一个业界所关注到的重要特性。在这认识下出现了一个有趣的现象。就是以往的“专利”政策的失利。无铅技术的发展焦点在于焊料技术，因此初期许多研究都起于焊料的研究。可用的焊料合金种类很多，各有好坏。而各个开发商为了确保本身的利益，纷纷对其研究成果申请专利。然而，为了避免采购风险，业界在后期的推动和推荐材料工作上，认同采取了不采用“专利”配方作为其中一个考虑点的做法。

无铅的加工成本会较含铅来得高，但所幸增长不算多。技术和环保虽然重要，但电子业界中价格仍然是个最重要的竞争武器。谁能将无铅转换的成本透明化，谁就较具有竞争力。所以无铅的出现，也给业界带来一次成本重整的机会。

无铅技术推行的问题

推行无铅技术的用户将会遇到几个方面的难处。

1． 众多的材料的组合和选择要求用户对各种材料技术有足够的了解。但众多的可能组合以及有限的实验报告资料无法很好协助用户做出仔细精确的判断；
2． 无铅技术在技术以及技术和管理的整合做法上更加重要，但作为业界引进这门技术主要资源和依赖的供应商，一般缺乏提供技术整合上的协助。这包括一些已集团形式出现在市场的供应商在内。其整合做法较偏向于商务方面而非技术及管理上的整合；
3． 大多数的用户都没有意识、计划或能力投入在无铅技术质量方面的研发工作，而业界提供这方面服务的机构，在相对用户素质和数量的质和量上都还缺乏，无法有效的降低无铅的质量风险；
4． 过渡期的管理和技术应用将是个大问题。由于无铅和含铅并不完全兼容，而产品设计工作，以及供应市场上并不可能做到同时的技术切换，同时使用无铅和含铅技术的情况是存在的，如何使这两种并不完全兼容的技术同时存在是个管理和技术应用上必须小心处理的；
5． 工艺能力的掌握。无铅工艺的窗口，尤其在必须很好的照顾产品寿命的情况下，较含铅技术小了许多。这就要求用户对工艺的掌握以及质量管理上有更细腻的做法。

无铅对一般国内用户的影响

中国电子业界在无铅技术上向来是观望多于投入。这和其市场背景与定位有关。随着无铅推行的逐渐明朗化以及来自其他经济体的商务压力，中国电子业界广泛采用无铅技术的日子也越来越近了。一般相信，中国有可能会跟着欧洲的期限和步伐。也就是在2006年7月1日要求较全面的采用无铅技术。我个人觉得这期限对中国来说是急了些。这或许是因为对于业界所需要做的工作还没有深入的分析的缘故。不论如何，这期限是否会落实还说不准，就看到时的经济和供应压力，以及业界的担心程度了。

如表一中所示，无铅在好些方面原是“发展性”而非“革命性”。这本对用户有利，但这有利情况未必适合于好些国内用户。原因是，虽然无铅技术是从现有SMT技术发展来的，但其在多方面对技术的要求，较现有含铅技术高得多。而国内一般用户，自接触引进SMT以来，处于一种“重设备、轻工艺”的风气、环境之下。SMT的应用和管理都处于一种浮于表象的状况。对于工艺研究、技术整合、工艺管理等等都没有足够的重视以及缺乏很好的学习条件和机会，也因此就说不上很高水平的掌握了。从事电子板组装加工业多年的用户必定感受到，SMT的生产问题（工艺、质量、设备等各方面），较THT时代多出许多。厂内的SMT问题，似乎是此起彼伏，重复出现。造成这种状况的主要原因，是在技术管理上没有很好的认识到从THT发展到SMT过程中所带来的巨大变化。而没有很好的针对SMT的特点来进行管理。这种现象，也很有可能进一步延续到无铅时代，除非在目前的过渡期中，业界在目前的工艺和管理掌握上能够有较好的认识和改善。

无铅的引进效率和效益必须赖于良好的技术研发、认证和管理工作。中国SMT用户在这些方面都不是强项。因此估计将来的救火成本会提高。对于一些行业来说，这可能会增加原本就不大的利润压力。所以用户面对的，不只是一个技术改革，同时也是个成本重组的竞争变化。

国内所面对的问题，仍然会和当初引进含铅SMT技术时一样。差别在于无铅技术中的问题较明显化。无铅在工作量上是增加了，但工作方法并没有多大的改变。所以对于那些已经很好掌握方法的用户，无铅不会带来太大的问题。而对于那些还不了解SMT及其管理的用户来说，情况似乎也改变不多。以往的工艺质量问题还一样的存在，每天还一样的在救火，企业还依赖技术以外的手段竞争生存。。。一直到其他对手改变了再随后改变。

后语

虽然有不少争议，虽然期限一再展延，虽然无铅的意义从环保意识逐渐偏向商务意识，但无铅技术的大量采用应该是个必然的事。从整体的考虑上，无铅在寿命要求不是特别高的产品上已属可行的技术，供应方面也已经逐渐普及。我们可以说已经到了无铅时代的门口。

对于这必然出现的改变，扮演跟随角色的中国SMT界也开始面对推行的压力。如果目前的2006年中作为期限的目标的推测属实，对于中国SMT用户来说，时间已不多了。这是因为无铅技术的引进并不是件容易处理的事。它牵涉到的不只是用户本身内部的调整，而是整个供应链和系统性的设计和建设，以及强化以往可能忽略的技术和管理基础（这可是中国SMT界比先进工业国需要多付出时间和努力的一部分）。

本文和读者们分享了无铅发展的情况以及一些使用前应该知道的要点。我往后的文章还会给大家分享无铅在管理上、技术原理上、以及应用上的其他知识和经验。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（注四）或本人。

薛竞成
2004年11月

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注一：焊剂Flux是个统称。锡膏中Flux包含许多不同功能的成分，如载体、溶剂、稀释剂、稳定剂、助焊剂等等。这多种成分的组合，多种可选材料，就造成多种不同的Flux配方。

注二：器件工艺性指的是和SMT工艺相关的特性，例如外形、尺寸、重量、焊端形状、焊端材料等等。

注三：热风回流炉子的能力，除了温度控制外，空气的对流程度和控制是个同等重要的特性。尤其是高温时，要有足够传递热能，必须要借助良好的热气对流。所以一般气流不理想的炉子，在高温时更容易显示出其弱点。

注四：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.sales@kic.com

Freddie Chan

KIC International Sales, Inc.

Freddie@kicmail.com

薛竞成

CCF Engineering & Management Consulting Services

摘要

要有一个良好的回流焊接工艺，用户只能通过良好的工艺开发、工艺设置和调制以及足够的工艺管制的配合来达到。目前业界的常用做法是通过测量回流温度与时间的关系（即常说的温度曲线）来确认正确的炉子参数设置，随后重复的测试该温度曲线来看看是否有偏移或改变。而在必要的时候对炉子参数进行调整来将工艺表现恢复到正常的范围内。

较频繁的重复测温作业可以提高工艺管制的及时性和能力信心，不过资源的投入较高。另一方面，较少的重复测温可以节省资源不过却提高了工艺失控的风险。本文将和读者们分享各种重复测温的做法以及考虑，协助用户们决定如何设置一个较优化的管控方案。本文也涉及如何利用重复测温的结果来达到工艺持续改善的目的。

前言

控制工艺的首要条件是了解该工艺，而要了解该工艺就必须对它进行一定程度的测量评估。因此，温度时间曲线的测量就成为回流焊接工艺管控的最重要工作之一。

完整的工艺质量管控包括了3个方面的工作。首先是工艺的研发和设计步骤。在这阶段，所有焊接材料，包括器件、基板、锡膏的热特性都得到足够的分析认证和选择，并结合最佳可制造性作业管理。这工作的目的是在于确保加工产品‘容易’的被焊接出来。在技术用语中，这就是要确保有最大的‘工艺窗口’或‘工艺极限’。

第二个方面的工作是工艺的设置和调制，目的在于给工艺参数找到一个优化点。这是产品在试制阶段时的初步测温，在此产品的热特性和焊接参数获得正式的测量、分析和调整到最佳状态。对工艺特性进行量化处理是保证分析的合理性和提供调整参考的必要手段。Cpk以及PWI就是两种可以被用来对工艺进行有效量化的表达工具。

一旦工艺参数被调整和优化，第三个工作就是对这些参数进行不断的监控管制。从质量管理效益的角度上来看，对工艺参数的变化的监控，比起对产品结果的检查来的强。这是因为对工艺参数的监控较能提供有效的信息，以及能对工艺问题进行预防而非只是过滤把关。在这方面SPC统计技术的应用是个业界中常用的做法。当应用正确时，焊接工艺可以在发生问题前被调整或控制住。这就是‘零缺陷’管理中一个重要的概念和手段。

假设您现在有一个工艺窗口相对大的工艺，而您有能够将其参数调整到优化点（在Cpk应用中的m = 参数目标值，或在PWI中得到 0%的设置结果）。在批量生产中你又能够设立手段来检查各种工艺参数，并在其偏移出界造成质量问题之前给于调整回零。你所得到的就是个零缺陷的工艺！

工艺管制的常见做法

在目前的SMT界中，采用测温以及重复测温来监控回流焊接工艺是个常用的做法。重复测温也有以下几种常见做法。

1。只在生产更换产品时测温；

2。在生产更换产品，以及换班时测温；

3。定时测温（例如每6小时）；

4。100%实时测温。

在以上的四种做法中都有不同的成本与效果之间的取舍考量。选择在于用户本身。由于测温作业需要资源的投入并可能影响或干扰到生产的持续性，所以一般用户都采取偶尔抽样的做法。然而，频繁的测温是个较好的做法。因为这允许用户捕捉瞬时出现的问题，以及提供较及时和较多数量的信息协助用户更好地改善其工艺质量。那么怎样的频率才算好？平衡点在哪里呢？

决定重复测温频率的因素

在决定重复测温频率时，我们需要考虑到以下的因素：

• 工艺窗口
• 工艺能力和工艺参数设置点
• 工艺的稳定性和飘移特性
• 质量责任以及承诺
• 生产批量的大小
• 成本

有系统性的，综合性的分析和考虑以上的各种因素有助于协助用户寻找到最适当的测温以及重复测温方案，以及它们不同的组合方案。

宽大的工艺窗口与最优化工艺设置

当一个工艺在开发制定是拥有较大的工艺窗口，并在工艺设置与调制时获得最优化或接近最优化设置点时，表示这工艺拥有允许工艺参数最远的偏移距离和最长的偏移时间。这意味着该工艺需要相对较不频繁的测温监控作业。当我们比较以下图一（Fig.1）和图二（Fig.2）时，如果在双方工艺偏移速度一样的条件下，很明显的，图一（Fig.1）代表的工艺需要更频繁的测温作业来获得和图二（Fig.2）工艺同样的监控能力保证。

另外一种情况，当两个工艺的工艺窗口都相同时，就像图二（Fig.2）和图三（Fig.3）一样。此时如果工艺的设置点不够理想的话（图三），重复测温的频率也受到影响和需要相对的缩短。图三（Fig.3）的工艺，其偏移出窗口的速度将快于图二（Fig.2）中的工艺（假设其工艺朝右偏移）。因此需要较频繁的重复测温来进行及时的管控。

用户也必须了解到工艺窗口的大小是否足够是和工艺能力相关的。同样一个工艺窗口，在某个工艺能力下显得良好时（图一Fig.1），在另外一个较差工艺能力下就显得不足了（见图四Fig.4）。

在图四的工艺中，只要是工艺的设置和调制不能达到最理想状态（正态分布图不能在工艺窗口的正中），或调整后出现稍微的飘移时，此工艺即将出现质量问题。在这种工艺情况下，频繁的重复测温起不了太大的作用。除非该工艺的稳定性十分良好，偏移十分缓慢。

因此，如果想要制定一个优良的工艺监控系统的话，宽大的工艺窗口、良好的工艺能力、以及优化的工艺设置点是用户首要获取的条件。这可以通过良好的工艺开发、可制造性设计以及良好的工艺调制工作来获得。

工艺稳定性

单单了解工艺窗口的大小、工艺能力的高低、以及工艺的设置点并不能确保用户能够制定最适当的重复测温频率。用户还必须知道该工艺的稳定性和飘移特性。一个稳定性高的工艺需要较少或较不频繁的重复测温作业。稳定性可以分类成短期稳定性与长期稳定性两种。短期稳定性一般也被归为工艺重复性而可以使用Cpk工具来给与量化描述。短期稳定性必须在工艺开发阶段就给于管控，而不应该等到生产阶段利用测温和重复测温来进行。这是因为这些管控方法对于短期稳定性是缺乏能力的。和重复测温作业相关的，是另一类的稳定性 – 长期稳定性。

您的工艺稳定吗？

在回流焊接工艺中，决定长期工艺稳定性的最大因素是设备，也就是回流炉子的表现。在全自动化回流焊接中，由于所有的焊接工艺参数都是在回流炉上设置和控制的，工艺能力和表现也因此取决于回流焊炉的表现，这包括长期的稳定性。但不幸的是，回流炉子的稳定性却是一个许多用户都没有给于关注的特性。笔者曾在不同的用户环境下测试过不同和相当数量的回流炉子，而多数时候的成绩是不理想的。表一（Table 1）中的数据显示在华南的一宗回流炉测试结果。该测试是按照用户指定的三种参数来进行的。分别为“浸泡时间”、“回流时间”和“峰值温度”。用户指定的各参考指标如下。

浸泡时间 +/- 10 秒。

回流时间 +/- 5 秒。

峰值温度 +/- 5 ^oC。

所有测试都采用同一特别设计的测试板。测试板可以模拟用户所加工范围的PCBA热容量特性。测试频率为每天每台炉子进行4次。共15周的测试数据使用来统计表一中的结果。为了便于理解，统计借用惯用与工艺能力计算的Cp做法。

从表一中的数据看来，7台炉子中并没有任何一台能够满足工业界一般最低要求的3 Sigma （西格玛，标准差），也就是Cp = 1的标准。尤其是浸泡时间一项，测试和计算的结果离开3 Sigma的标准甚远（最高只有Cp = 0.31）。从后期更细的测试分析中，发现该炉子的问题主要出自于前两区的设计。

另一个稳定性不良的案例表现在以下的图五（Fig.5）中。

图中所示的各区温度变化，是四台同类型回流炉子，经历5天测试的结果。其中最大的温度波动竟然高达近40^oC。而即使是表现最好的第6温区也有9^oC的变化！

回流炉子的稳定性将决定工艺的稳定性。如果炉子的性能如以上表一和图五中的炉子一样，那用户的重复测温频率就需要设计的比较频繁了。单凭以上的测试资料还不能有效的设计重复测温监控方案。用户还需要更细的测试和了解所用炉子的偏移率。才能有效的设计出最适当的监控方案。

了解实际的工艺飘移率

如果用户有个实时监控系统安装在所使用的回流炉中，那这监控的工作将变得简易以及具备最佳的信息量。如果用户没有这实时监控系统，那就需要在设备引进时，或在产品试产时进行频繁的测试。以下图六（Fig.6）显示了一台炉子的偏移率。数据是通过测试板按每小时间隔进行测试采集得来的。

在图六中的一天（24小时）的数据分析中，读者可以看出这炉子出现了约每天+2.5^oC的飘移率。如图六中的虚线所示。这炉子也存在约有+/- 2^oC短期（每小时）波动率。

决定合理的测温频率

假设以上的分析时间段是足够而能代表24小时以后的炉子特性的。结合这一测试信息，以及用户的工艺窗口标准，以及工艺设置点信息，用户将能够制定适当的重复测温监控频率。

假设用户的峰值温度的上限为230^oC，而工艺设置点（或上次测得的数据）为226^oC。那么按图六中的炉子表现来推测的话，当我们一并考虑长期与短期稳定性时，有可能在第20个小时的时候该工艺就偏移到了上限的230^oC！因此，合理的测温频率应该定在19个小时或以下。具体根据用户的风险指标和反应速度而定。

以上的案例显示了测温频率可以是19个小时的间隔。比起目前很多国内用户所采用的6小时习惯要节省了3倍多！

减少对生产的影响

每一次的测温工作都有成本代价。人力、生产时间、能量、测试板寿命的耗损等等，都存在成本代价在内。除此之外，重复测温工作也常是许多工程师或生产技术员们所不爱干的活。因此，延长温度测量的间隔时间几乎是所有用户的共同意愿。另一方面，较不频繁的测温作业可能失去及时获得重要信息的机会，增加出现故障的风险。所以掌握适当的测温频率是个重要的平衡工作。

以下的做法可以协助用户优化测温的资源使用。

1。选择加热效率高，热控制稳定的炉子；

2。确保有个良好的炉子保养方案，包括性能确认。用户需要维护的是性能而不只是炉子的寿命；

3。推行良好的工艺开发工程作业、可制造性设计管理和工艺设置与调制作业；

以上工作可以协助用户拥有一个能力较强的工艺。这意味这用户的Cpk更好，PWI更好，以及更稳定的工艺！

4。只在有需要时测温！

当用户能够很好的把握以上四点中的前3项时，用户在大多数时候是无需做频繁的重复测温工作的。那为何还需要每6小时测温一次？除非用户的批量十分大，不然的话很可能只需要在更换产品时测温一次。甚至可以做到更换产品也无需测温。在足够的工程开发和管制下，是绝对可能通过参数管理工作来替代测温工作的。

从笔者的经验中，当我们执行足够的技术整合时，是很可能无需每6小时重复测温的。甚至还无需每天测试。

5。采用自动测温系统或实时监控系统。

遗憾的是，不是所有的用户都有条件推行良好的技术整合。例如加工厂而言，加工厂用户可能无法在可制造性方面有足够的影响和管控；即使是OEM或ODM用户，产品的设计可能具有太大的电性、材料或空间极限，而即使在有良好严格的可制造性作业管理下，也无法获得宽大的工艺窗口；而有些用户可能有其他的考虑或限制，造成他们不得不使用能力有限的回流炉子…等等。

对于这种种限制的处理方法，是采用自动测温系统。或更进一步的，采用实时工艺监控系统。这两种系统的差别，在于投资成本和性能上的平衡点。自动测温系统在成本上较有优势，但技术上采用的是抽样测量技术和相对的较少数据量。实时监控系统成本较高，但却能提供100%的测温，也就是每一块经过焊接的PCBA！以及大量有用的数据信息。

当用户的质量责任是相对高时，以上两种系统中的任何一个系统方案都值得考虑。而这些系统的价值将随着用户不断改善意向的提升而增加。因为它们是步向零缺陷目标的有用工具。

利用重复测温的结果来进行持续改善

重复测温作业不只是告诉我们工艺是否合格，或者是否需要调整。如果我们对其测量结果进行记录和懂得如何使用，它还提供了我们更多的信息。一般而言，重复测温所采集的数据，可以提供给用户以下的信息。

• 什么时候应该做下次的测温；
• 工艺和设备有多稳定；
• 工艺和设备参数飘移的模式；
• 可制造性管理能力水平；
• 工艺调制的优化能力。

由于重复测温作业可以提供用户以上的有用信息，它因此成为一个有用的持续改善工具。

图七（Fig.7）显示了个实时重复测温的纪录案例。共有130块PCBA经过连续测温监控。图中显示的是其中一个工艺参数“浸泡时间”。虽然所有的测量结果都合格（处于红色100%线下方），它告诉用户工艺调制并没有优化。因为整个工艺变化都位处表中工艺窗口的上半部。整体工艺相对稳定，有些短期重复性的波动但相对工艺窗口风险不大。初期的较大波动或许有需要进一步分析。这测量结果也告诉我们如果采用抽样测温，我们可以选择在每130板以下做为测温周期。而当用户改善工艺设置点后，此工艺有潜能大大的降低重复测温次数和频率。

图八（Fig.8）是生产线上工艺波动的另外一个例子。图中可以看出该工艺参数的变动出现有规律的周期性变化。这类的变化较可能是由于设备原因所造成的。根据所定的工艺窗口，该生产已经出现了部分不合格的产品（超出-100%的下限）。从最初的十几块PCBA的工艺波动情况看来，该工艺窗口在支持那样的稳定性是没有多大的空间的。需要十分好的工艺调制来使所有产品维持在工艺窗口内。测试数据告诉我们该工艺应该马上获得重新调制，并尽快计划设备的检查和维护保养工作。

当用户使用重复测温数据来分析和进行持续改善工作时，对于重复测温的频率的考虑应该有异于平时的工艺监控目的。图九（Fig.9）显示了一组重复测温的数据，所测的对象和图八是同一工艺和炉子，但采用了间隔时间为1小时的抽样测温。我们可以看出图九中所获得的信息，要比图八的做法少了许多。而可能引发不同的工作决策。

建议

由于多数用户在制造上会面对具有不同工艺要求的各种产品，而持续改善又是个重要的工作文化，笔者建议在厂内应该拥有最少一套实时监控系统。在正确的应用下用户将能发现这是个有助于工艺开发、改善和管制的工具。其中一些应用的概念和能力已经在本文中和大家分享。包括了重复测温频率的确定这一工作。

结论

至今为止，重复测温仍然是回流焊接工艺管控中一个常用和有用的手段。不过用户们有需要学习制定良好的测温抽样频率，以确保最佳的工作效益。以下的总结可以协助用户们在这工作上做得更好。

• 推行技术整合管理，确保最佳的工艺能力和稳定性；
• 选择和工艺能力匹配的重复测温技术，有可能需要不同技术的组合运用；
• 寻找质量风险以及测温成本之间的平衡点；
• 分析评估自动测温和实时监控系统的真正价值。它有可能是用户一个有力工具。