业界对SnCu、SnBi和SnAgCu无铅合金的无铅波峰焊有过研究。报道的无铅焊料主要问题有焊接良率低[1]、焊角翘起现象[2]～[5]、焊料对元器件和PCB的润湿不良[3]、锡渣增多情况[3]、连续生产时锡炉中合金成分和污染会渐变[6]、锡炉金属材料会在锡炉中被焊锡腐蚀[6]、以及具有确保整个电路板和元器件的温度一致性所需的预热系统能力的设备较少。除了合金和设备特性，可焊性和良率问题通常都与助焊剂系统不成熟有关。

本研究的目的是为了研究SnAgCu无铅波峰焊工艺特性，并寻找合适的材料和工艺参数组合以实现高量产的工艺实现。

试验设置

试验设置

如以前的研究所述，电路板上足够的预热对于焊料填充过孔和顶面焊盘的润湿非常重要[3]～[5]。通常高温会有助于提高焊料的填充流动；同时，由于无铅合金的熔点较高，所以其顶面焊盘的润湿较少。因此，与SnPb工艺相比，无铅焊料预热温度的要求更高[3]。

本研究中所使用的设备有三个预热区。第一个和第三个预热区使用石英灯，其红外射线的波长范围是0.5～2.5um。在第二个预热区，在PCB底部使用强制对流加热，顶部使用石英灯加热。强制对流加热有助于最大程度上减少电路板和元器件的温度差异。

由于双波[Chip波和λ波（主波）]是典型的常规生产工艺，所以本研究中都使用双波。未对标准配置的锡波喷嘴外形和形状进行调整，在研究中使用标准的喷嘴材料；虽然我们知道在大批量生产时，喷嘴需要更换成有涂层保护的，以防止无铅焊料对其磨损影响[6]。

锡炉已进行了特殊表面处理，可以耐受无铅焊料的腐蚀，这样可防止锡炉材料熔解到无铅焊料中。为了对锡炉中焊料量进行良好控制，锡炉配置了自动焊料送料器，锡炉中焊料量的控制精度为±0.5mm。

设备中氮气排气系统有三个出口，如图1所示，其中一个放置在Chip波前，另一个在Chip波和主波之间，第三个在主波上。系统可以为焊料锡波表面提供氮气保护，使用氮气时，可以调整氮气排气情况以保证锡波顶部的残氧量保持在100~200ppm。

合金选择

本研究中选择了SnAgCu合金（Sn95.5Ag3.8Cu0.7，重量比），因为这种合金被认为是电子业界的第一选择，同时为无数的国际组织和研究机构所推荐。也有一些研究机构建议或一些公司采用的是另一种合金：SnCu0.7（重量比）[7]。考虑到SnCu合金的可靠性和润湿性问题[8]～[12]，以及在回流焊和波峰焊工艺中使用同一合金的愿望，使得SnAgCu合金成为工艺研究中最受人关注的研究对象。然而有些企业目前正在应用SnCu合金，所以本文对SnCu合金焊点的机械特性也进行了对比研究。

元器件和PCB

在焊接工艺研究中，使用了通孔元器件（THT）和表面贴装元器件（SMD），不同元器件的引脚镀层材料(SnPb和无铅）如表1所示。

本研究中设计了专用试验板，因为在以前的波峰焊试验中通孔器件引脚的连锡是主要缺陷之一，所以为对比起见，在试验板上设计了不同的焊盘形式（如表2所示），这四种焊盘设计在电路板上与波峰焊过板方向布置成垂直或平行，如图2和3所示。

本文研究了两种PCB上焊盘的表面镀层：有机可焊性保护镀层（OSP），型号为Entek106；化学镍金（ENIG）镀层。PCB层压基材是FR－4。

助焊剂

开始时，评估了九种不同供应商提供的助焊剂，并最终选取了四种最好的助焊剂做进一步研究。其中包括了醇基和水基助焊剂，所有的助焊剂都是免清洗类型，且适于无铅焊接。

本研究中未采用固体含量高的助焊剂，因为焊接后会在板上留下大量的固体残留物，虽然有研究表明，高固含量助焊剂有助于减少连锡[5]。所选择的助焊剂的特性如表3所述。

试验设计（DOE）

    DOE的目的有三：第一，试验在几种不同工艺条件下 各种助焊剂的表现，这能很好地看出助焊剂的工艺窗口； 第二，可以得到每种助焊剂对应的最佳工艺参数；第三，可得出不同焊接缺陷与工艺条件的相关性。

    本研究中有三个因变量：锡炉温度、链速和焊接气氛 （空气或氮气）。这些参数被认为是在量产中要设置的关 键或基本参数。一旦设定了基本参数，只需根据实际生产 情况进行工艺参数微调。基于这一概念，设计了DOE表格 （如表4）。链速会影响电路板与锡波的浸锡时间和接触长 度，链速和锡炉温度一起决定了焊接曲线的峰值温度。

    业界常见的无铅焊料锡炉温度范围为2 5 0～2 5 5 ℃ [1][3][6][13][14]。然而，根据以前的研究结果，本试验将锡 炉温度的较低温度设为260℃，较高温度设为270℃。高达 270℃的锡炉温度，可以确保焊料充分地热流动，并润湿大 尺寸电路板和高热容元器件。

    浸锡时间主要取决于链速和锡炉中的焊料量。因为锡 炉中的焊料量保持为常量，浸锡时间就只取决于链速，本 研究中链速选定为0.8、1.2和1.6米／分，对应不同的浸锡 时间（如表5所示），这些链速设置通常应用在大批量生产中，考虑到了大多数应用场合和产量需求。对于每种链速 都要调整相应的预热参数设定，否则保持同样的预热设置 会导致预热温度过高（链速低时）或过低（链速高时）。

    对于每种助焊剂也要调整预热温度，在电路板接触到 锡波之前，要求顶面温度通常为100～120℃。

    试验中使用六块PCB，其中三块焊盘镀层是OSP，另 三块是ENIG，分别用四种助焊剂进行组合试验，共进行了 12次。润湿性和连锡作为响应参数。

结果与讨论

DOE试验中助焊剂系统的表现

   一般地，THT和SMD元器件焊点在润湿方面要符合 IPC-A-610标准，既然润湿结果都符合检验标准，那就需 要建立一个更为细分的分类评价系统，对每块电路板上六 个DIL14元器件的每个引脚的通孔填充和顶面焊盘润湿情况进行检测，如图4所示。

    检测结果可以分为三种不同类型：第一种类型中（图 5），焊料填充过孔，顶面焊盘被焊料充分润湿；第二种类 型中（图6），焊料填充过孔，但顶面焊盘润湿不充分；第 三种类型中，情况最糟（图7），焊料未充分填充过孔，同 时顶面焊盘未润湿。在所有DOE试验中，每块板上属于第 二种和第三种情况的平均数量如表6和图8所示。

    连锡是以各引脚（对通孔插装元件和DIL14而言）或焊 盘（SMD元器件）连接形成短路的数量来计，如图9和10。 如果同一个引脚或焊盘有多处连锡则只计一个。每种助焊 剂对应每个电路板上发生连锡的引脚或焊盘的平均数量如 表6和图11所示。

助焊剂和工艺参数选择

   基于表6中的结果，助焊剂“C”有最好的总体表现。 这一助焊剂的最佳工艺参数组合是：锡炉温度260℃，链速1.6米／分，氮气保护或空气回流均可。这些参数会在后续的验证试验中应用。

工艺参数的影响

   本文对是焊接气氛、锡炉温度和链速对缺陷率的影响 进行了分析，本研究中考虑了DOE阶段各种助焊剂试验的平均连锡和润湿结果。

    如图12所示，氮气保护明显可以减少连锡并提高过孔 的润湿性能，这点在以前的研究中也有同样的结果[1][3]， 这主要是因为在氮气环境下，助焊剂活性得到较好保护同 时改善了润湿性。

    图13说明了锡炉温度为260℃和270℃条件下观察到的 差异，可以看出260℃条件下连锡较少，这可能与在高温下 助焊剂活性会更快退化有关。然而，锡炉温度为270℃时， 过孔润湿效果有轻微改善，在以前的研究中也发现润湿性 能随着锡炉温度提高而提高[1]，这可以用在较高温度下， 焊料充分润湿焊盘的时间会更快的事实加以解释[15]。另 外，随着温度的提高，元器件和电路板上焊盘镀层金属融 解到熔融焊料中的速度也会提高[16]。

    不同链速的结果比较如图14所示。链速直接决定了 电路板的浸锡时间，链速较慢则浸锡时间更长（如表5所 示）。众所周知，可以通过降低链速（或延长浸锡时间） 来增强润湿，这可以用金属在熔融焊料中的溶解速度取决 于接触时间长短的事实来解释[16]。与其相反的是，提高链速会减少连锡。同样地，根据前面所提的假设，缩短浸锡 时间会让助焊剂的活性得以更好地发挥出来。

验证试验

   验证试验所使用的助焊剂是基于在DOE阶段助焊剂的 总体表现进行选择的。在验证试验中，用最佳链速和锡炉 温度工艺参数组合条件，进行了48块电路板（其中24块焊 盘镀层是OSP，另外24块是ENIG）的组装，一半的电路板 试验用氮气，另一半不用氮气。每块电路板的连锡缺陷平 均数和过孔填充、顶面焊盘润湿结果分布如表7和图15、16所示。

   比较图12和图15可知：与助焊剂的通常表现不同的 是，用助焊剂“C”和验证试验工艺参数组合条件下， 不用氮气比用氮气时的连锡缺陷有所降低。这说明助焊 剂“C”具有更佳的表现，同时使用氮气也通常会造成生产成本的增加。

与SnPb焊接工艺进行对比

   在完成无铅验证试验后，用共晶SnPb焊料和工厂目 前正在量产应用的助焊剂，进行了24块电路板（其中12块 表面处理是OSP，另外12块是ENIG）的组装，焊接不用 氮气，工艺参数设置是根据量产经验确定的，未进一步优 化，锡炉温度为250℃，链速为1.2米／分。无铅和有铅焊 接所用的设备基本相同，只有预热部分的配置有所不同。 有铅试验结果与无铅验证不用氮气试验结果进行了对比（如表8、图17和图18所示）。

    从表8和图18可以看出，SnPb焊料的通孔润湿性要好 些，这符合不同合金有不同润湿特性的常识。以前的研究 也表明，SnPb焊料的通孔填充缺陷比无铅焊料要少[1][4]。

    需要注意的是，无铅焊料的润湿结果仍然符合IPC-A-610检验标准的要求，但是即便板上的通孔润湿符合IPC标 准，如果电路板上焊盘设计不当，润湿结果可能会下降到接 近允收标准的下限。关于电路板底部无铅焊料的焊角、平 滑、润湿角情况已经有所研究[4]。在本研究中，同一元器件 的无铅和有铅焊点表现出的润湿角和焊缝形状差异很小，如 图19和图20所示，表现出的唯一主要差异在于SnAgCu焊点表面粗糙、灰暗，而这只是影响外观问题。

    本研究表明用SnAgCu焊料和特殊设计电路板，可以达 到与SnPb焊接一样的良率。通常，良率在很大程度上取决 于电路板设计、焊接设备和焊料成分控制；因此，在实际生 产环境中，为了达到最优的生产效果，需要综合考虑产品设 计和制造条件。

锡渣形成

   在以前的一些研究中，磷和锗通常会作为掺杂材料 以预防锡渣形成，并形成更干燥、粉状和体积大的锡渣 [6][14]。使用磷或锗的缺陷在于它们会在锡渣中积聚[14]， 因此需要连续监控锡炉中掺杂材料的含量并添加，这增加了工艺成本。在本项目中未添加掺杂材料。

    将锡泵连续运行四小时，通过对两个同等量的锡炉 的锡渣情况进行测量，得到锡渣形成速度。一个锡炉中装 SnPb焊料，一个装SnAgCu焊料。测量间隔时间不会对结果 有很大影响，因为以前的研究表明，锡渣形成的量与时间成 正比[14]。四小时后，将锡渣从锡炉表面清除并进行称重， 对每种情况进行一次取样，结果如表9和图21所示。

    从表9和图21可以看出，SnPb和SnAgCu焊料之间的 锡渣形成速度并没有明显区别。其它的研究也有类似结论 [14]。以前的研究[17]中还表明，使用氮气保护会有助于减 少锡渣，可以减少SnAgCu焊料锡渣约30％。在考虑使用氮 气系统的性价比时，需要综合考虑氮气成本、氮气排气系统 及维护成本、焊料成本，以及使用氮气对电路板生产良率的 影响等。

锡炉中焊料成分的稳定性

   长期生产时，锡炉中焊料会产生铜的富集，从而影响 焊料的流动性，造成焊点连锡[6]。如果焊接SnPb镀层元 器件或PCB上焊盘使用SnPb镀层时，也可能会形成铅的富 集，但铅含量少于1％（重量比）是不会影响焊料特性的[6]。

   在本研究过程中，对锡炉中焊料成分进行了连续14天 的监控。在这14天，锡炉温度一直处于焊接温度，每天会 进行8～10小时的试验，未发现焊料成分有明显变化，银含 量从3.68％提高到3.80％，铜含量从0.77％降到0.72％。监 控期太短，还不足以反映量产时焊料成分的变化情况。另 外，元器件和电路板的焊盘镀层金属材料情况、电路板尺 寸和产能都会影响锡炉成分的变化。基于已有研究成果， 锡渣不会明显改变锡炉成分，因为SnAgCu焊料的锡渣中所 含有的银和铜成分与锡炉中的相应成分比例大致一样[14]。

无铅焊接的电路板设计考虑

   通过用SnAgCu焊料进行48块电路板的组装试验，研究 了四种布局（如表2）中的最佳通孔器件的焊盘设计，连锡 是评估用的响应参数。试验结果如表10所示。 结果表明，设计3（其孔环和孔径最小）的效果最好， 然而，设计3也有其限制条件，它不适于元器件自动插装。 设计2，虽然据称可以减少连锡[5]，却没有表现出明显优势。

   从表10可以看出，平行过板方向要比垂直过板方向要 好。通孔器件的布局方向对良率的影响要大于焊盘设计优 化对良率的影响。

焊点机械测试

   无铅焊点的可靠性已有许多研究。对于波峰焊焊点， 温度循环试验并没有表现出明显失效[4]，甚至有研究表 明，与SnPb焊点相比，无铅焊点的可靠性反而有较大提高[3]。

    在本研究中，用拉力测试来调查焊点的机械性能， 拉力测试的对象是设计3和设计4的通孔插装器件，平行或 垂直过板方向焊接得到的焊点，试验板来自于SnAgCu焊 料验证试验，没有使用氮气焊接。对使用共晶S n P b和SnCu0.7焊料的通孔插装器件焊点（焊接没有使用氮气） 也进行同样的测试。SnPb焊点所用的工艺参数和助焊剂如 上（见“与SnPb焊接工艺进行对比”部分）。SnCu焊点 所用助焊剂是助焊剂“C”，链速为0.85米／分，锡炉温度 为260℃。三种焊点加工所用的焊接设备除预热部分外完全 相同。图22中的值是最少10次测量的平均值。每个引脚都 是从电路板顶面进行直接向上拉拔，拉拔速度为10毫米／ 分，记录失效前的最大拉力。

    图22中的结果表明：破坏SnAgCu焊点的拉力要比 SnPb和SnCu焊点的大。另外，也记录了拉力测试后的失效 模式，失效分为四种类型，如表11所示。

   焊盘镀层为E N I G和O S P的相应失效模式分布如图 23和24所示。从图23中可以看出，与SnAgCu焊点相比， SnPb焊点发生焊料失效的比例更高。图24表明SnCu焊点的 焊料失效通常比SnPb或SnAgCu焊点高，因此在本试验中，SnCu焊料是较弱的。

切片研究

   当焊接SnPb镀层元器件时，无论使用含铋焊料合金或 其它无铅合金（包括SnAgCu），都会发生焊角边缘剥离问 题[2]～[5]。然而，在有些研究中根本就没有发现焊角边缘 剥离[1]。焊接边缘剥离通常出现在焊点的顶面[2]。焊接边 缘剥离可以解释为在焊料／焊盘界面上形成一种低熔点成 分[3]。板厚、焊盘尺寸、PCB与焊料的CTE不匹配、焊料中铅／铋／铜含量越大，发生焊角边缘剥离的概率越高[4]。

   在本研究中，在任何元器件或任何PCB表面处理方式 上，都未观察到焊角边缘剥离现象。用SnAgCu和SnCu焊 料焊接SnPb镀层元器件形成焊点的切片图如图25, 26, 27, 28 & 29。

结论

   本文研究了SnAgCu合金波峰焊的几个重要方面的问 题。无铅波峰焊工艺的关键在于选择具有宽工艺窗口的助 焊剂。DOE试验揭示了在不同工艺条件下几种助焊剂的表 现，发现其中一种水基助焊剂系统的焊接效果最好。提高 浸锡时间或锡炉温度，使用空气焊接通常会降低助焊剂的性能。

    用最佳的助焊剂和优化后的工艺参数进行的验证试验 表明：与共晶SnPb焊接相比，SnAgCu焊料焊接的效果可以 接受。SnAgCu焊料的通孔润湿比SnPb焊料的要差些，但仍 然符合IPC-A-610标准。然而需要注意的是，如果电路板 复杂度较高，SnAgCu焊料的润湿结果可能会下降到接近允 收标准的下限。

    SnAgCu焊料的锡渣形成速度与SnPb焊料基本相当。 在监控的14天期间，锡炉中焊料成分未产生显著变化。 对于通孔插装类的元器件，提高良率的最佳设计是减 少孔环和孔径尺寸。设置脱锡焊盘和修正焊盘形状的效果 不大。然而，最重要的影响因素是板上通孔插装元件的布 局方向，与垂直过板方向相比，平行过板方向的焊接良率 高很多。

    本研究中的拉力测试表明：SnAgCu焊点强度要略高于 共晶SnPb和SnCu0.7焊点。另外，无论是哪种元器件类型或镀层材料，都未发现焊角边缘剥离问题。