概述：全球电子电气工业膨勃发展，锡铅焊接逐步向无铅焊接转化，波峰焊接越来越多的向回流焊接发展，但新的“无铅波峰焊接技术”仍是业界研究的一个焦点。在美国由几家公司组成的社团收集了很多无铅波峰焊接过程中的相关数据，并对这些数据进行分析，研究，试图找到适用于无铅波峰焊接的工艺参数。但是对于高可靠性的电子产品，如网络设备，到目前为止还达不到实际所需的高可靠性要求，需通过大量工艺优化来实现无铅波峰焊接的高可靠性。该篇文章聚焦无铅波峰焊接工艺窗口及多层板的选择性波峰焊接，愿我的工作对你的应用有所帮助！
研究工作使用了可以承受无铅焊接温度的新型PCB 材质，厚度为0.125 英寸，该PCB为18 层板，其中8 层为接地层，10 层为信号层，PCB 焊盘镀层分别为浸银（1mm-Ag）和高温防氧化有机涂层（OSP）二种，焊接材料选用SnPb 和SAC305，PCB 为典型的通讯用线路板，布线设计复杂程度高，特制的波峰焊接夹具可以使该PCB 在无铅波峰焊炉上实施选择性波峰焊接，焊后2D X-RAY 和3D X-RAY 检测系统观察焊点可靠性，焊点形状及焊接缺陷。一套可靠的，具有破坏性的试验分析工具（DPA）用来评估焊点质量，并与共晶焊料Sn/Pb 装配结果做质量对比分析，与此同时，详细记录焊接温度，使用的元器件，以及对应的焊点质量。与共晶Sn/Pb 焊料焊接结果相比，首先发现镀通孔润湿性差，通孔内焊锡量不足，桥接增多，焊点内有大量空洞。无铅波峰焊接工艺窗口变窄，要想获得理想的焊锡量，就要不断优化焊接曲线。试验结果发现，浸银的PCB 在镀通孔填充率和可焊性方面均优于OSP PCB。
关键词语：无铅，波峰焊接，SAC，DPA，优化，ROHS
内容介绍：EU 的环境立法，如ROHS《关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》，WEEE《关于报废电子电气设备指令》，明确指明要将铅从电子产品中去除，但Sn/Pb焊料在电子领域中引导潮流几十年，根深蒂固的影响很难从人们的生活中剔除。
对于复杂的线路板装配（PBAS），特别是那些厚的，使用夹具过波峰焊接完成通孔器件焊接的模式在Sn/Pb 焊接中被广泛应用，夹具的使用，可以依照设计者的思路在波峰焊接炉上实现选择性波峰焊接，而这种板型在无铅波峰焊接中实施选择性波峰焊接的确对工艺人员提出了挑战。
要想获得良好的焊点质量和高可靠性焊接结果，在波峰焊接参数设置时，必须考虑以下几个问题：
1. 波峰焊接环境
2. 焊料合金成分
3. 助焊剂，施加助焊剂的方式
4. 预热
5. 导轨速度
6. 波峰特性
7. 锡缸污染度
以上几个因素在Sn/Pb 波峰焊接中已有完整的记录，不只是对无铅焊接要求。其中的几个因素是关于无铅波峰焊接工艺的优化，即本次研究的主要内容。
试验要求与范围：
试验范围-----厚的多层PCB 板，无铅波峰焊接工艺（SMT 装配不在研究范围之内）。
试验板介绍：
测试板由Brocade 和FoxConn 公司设计制作，PCB 上需要安装一系列SMT 器件和通孔器件，是具有代表性的工业电子产品，PCB 焊盘镀层为Sn/Pb 和Pb-Free 二种，目的是通过对非功能性器件的研究优化无铅波峰焊接工艺。板材采用高Tg（175℃）FR4 材料，与无铅工艺兼容的层压方式制作的PCB，尺寸为18inch*12 inch，厚度为0.125 inch，18 层板（其中8 层接地层，10 层信号层），如图1（Topside 装配面）

图1 无铅测试板测试板共36 块，二种PCB 镀层，其中18 块为浸银板，18 块为OSP 处理的测试板，每块板子上面都有相应的编号，新型OSP 处理的PCB 裸板可承受6 次无铅波峰焊接温度冲击，试验中选用了4 种通孔元器件（每一个元器件上也有相应的编号），它们是：
1. 钽电容
2. DIMM 插座连接器
3. 电源连接器
4. LED
为更好的模拟实际生产，器件引脚要焊接到不同的PCB 层面上，如DIMM，有四排引脚如图2，表1 显示引脚的连接对应位置。

图2 DIMM 引脚插针

表1 DIMM 引脚插针对应PCB 连接位置
表2，3，4 分别给出了钽电容，LED，电源连接器对应的连接位置。

表2 钽电容引脚对应PCB 连接位置

表3 LED 引脚对应PCB 连接位置

表4 电源连接器引脚对应PCB 连接位置
波峰焊接工艺：
助焊剂在焊接过程中对于良好焊点的形成，足够的镀通孔填充率起着至关重要的作用，因无铅焊料的润湿性较Sn/Pb 焊料要差，相对Sn/Pb 焊料焊接，应增加助焊剂的活性，使助焊剂能迅速润湿镀通孔，增大镀通孔填充率，减少焊接缺陷。水溶性无VOC 助焊剂广泛用于无铅波峰焊接，助焊剂采用喷涂方式能起到更好的助焊效果，SS316 可编程的On/Off 时间控制能让助焊剂渗透到镀通孔表面，留下薄薄一层助焊剂，使用PCB 跟踪器，记录使用单向/双向喷雾﹑喷涂到PCB 通孔中的助焊剂量。
试验用波峰焊接炉有三个预热区，在线连接、全自动，满足无铅波峰焊接锡缸温度要求。
试验时将PCB 安装在焊接夹具上，经助焊剂喷涂进入预热区，预热区总厂为1.8 米，三个预热区预热模式为底部预热，前二个预热区加热方式为强制热风对流加热，第三个区加热方法为红外辐射加热，底部预热为PCB 进入波峰区实施焊接做好温度准备，该波峰焊接设备没有顶部加热装置，顶部加热对厚的PCB，特别是板上有大的吸热器件时很有帮助。
接下来PCB 匀速进入波峰区，实施焊接。使用不同的波峰形状达到最好的焊接效果，因无铅焊接镀通孔的填充率对波形提出更高的要求，只有波形控制严格，才能有好的通孔填充。
图3 为波峰焊接PCB 夹具，目的是传输PCB 过波峰，并实现选择性波峰焊接，箭头指示部分为选择性波峰焊接要焊接的器件（PTH）

图 3 选择性波峰焊接使用的传输夹具

如图4，PCB 置于传输夹具上，在不同位置固定温度曲线测试点

图 4 置于传输夹具上的PCB 测温板

试验用无铅焊接材料：锡银铜（SAC305）无铅焊料，是业界推荐使用的焊料组合成分，在无铅波峰焊接材料中SAC305 具有一定的代表性。
装配工艺：
首先在36 块测试板上贴装SMT 器件，其中第一组为10PCS PCB，所用SMT 器件镀层为Sn/Pb 器件，焊接材料为Sn/Pb 焊膏，采用锡铅回流焊接工艺进行焊接，这10PCS 板用于后面基础对比分析时使用。第二组有4PCS PCB，SMT 器件为无铅器件，采用锡铅焊接工艺；第三组22PCS PCB，SMT 器件为无铅器件，采用无铅回流焊接工艺，所用材料及工艺组合要求见表5

表5 PCB 与焊接工艺组合参照表
回流过程完成后，36PCS PCB 进入波峰焊接步骤。第一组的10PCS PCB 仍然采用锡铅波峰焊接，这10 块板主要用于分析比较材料的可焊性及镀通孔焊锡填充量，第二组的4 块板仍采用锡铅波峰焊接工艺，锡缸温度设置为260℃，第三组无铅波峰焊接时，锡缸温度设置为285℃，并在氮气保护环境下实施焊接。
观察：
下列三个因素是焊接工艺中需重点考虑优化的因素：
1. 传输速度
2. 锡缸温度
3. 波峰形状
试验是按PCB 镀层分类进行的，根据不同的PCB 镀层，不同的工艺条件，分类，分组地进行观察。
A OSP 处理的PCB
OSP 处理的PCB 分三组，分别按表6 工艺参数实施焊接：

表6 OSP 处理的PCB 波峰焊接工艺参数
Run 1 中，锡缸设置温度为265℃，传输速度为66cm/min，OSP 处理的PCB 经焊接后，目检焊接缺陷。目检结果：PCB 的TOP 面焊锡量不足，润湿性差，用3D X-Ray 进一步观察镀通孔填充量（按IPC Ⅱ，Ⅲ 级标准，镀通孔填充率必须>50%），大多数的焊点，镀通孔填充量小于50%，图5 是X-RAY 影像图，很显然，镀通孔填充率不能满足IPC 中对镀通孔焊点焊料填充率的要求。

图5 X-RAY 观察到的电源连接器引脚镀通孔填充量
RUN 2 中，锡缸温度设置为285℃，传输速度为78cm/min，接下来的5PCS PCB，焊接参数设置时主波峰锡波速度增加10rnp,达到315 rnp 的柔和波峰，观察焊接结果，锡缸温度达到285℃时，按IPC 标准判别，缺陷率明显减少。
RUN3 中，锡缸设置温度保持再285℃，传输速度为85cm/min,主波峰采用振动幅度最大的冲击波，观察焊接结果，焊点好于RUN 1，2 的结果，很明显振动幅度大的冲击波要明显好于振动幅度小的柔和波。
分析观察结果时，特别注意器件连接到PCB 不同层面的引脚焊点填充情况。试验结果显示，与地线或信号线连接的器件引脚，其镀通孔填充量小于没有任何和布线层相连的器件焊料不足引脚镀通孔填充量，就是说，和地线或信号层相连的器件引脚，焊接时部分热量传到地线或信号线上，过波峰时焊点处因热量散失温度下降较快，焊料很快在焊点处固化，而未能浸入到镀通孔内壁，引起填充量不足，不同器件引脚形状不同，形成焊点的镀通孔填充量也有一定的差异，在不同的器件上也能观察到焊点填充量的差异。
钽电容
用3D X-RAY 检测，分析该器件镀通孔填充量，表2 是器件引脚连接到PCB 的位置，结合表2 中引脚连接位置观察填充量，分析总结PCB 布线设计对无铅波峰焊接的影响。
分析显示，5，6 号电容，产生的焊接缺陷较多，图6 是X-RAY 影象图，可以看到器件引脚处镀通孔填充不足，表4 是钽电容引脚与各PCB 层面的连接情况，5，6 号电容镀通孔填充量不足，与其连接到PCB 上的位置有直接关系，另外，器件在PCB 中间位置比在周边位置焊接时对热量的要求更多一些。

图 6 X-RAY 显示的焊接缺陷