薛競成撰寫
常用的smt工藝中，受到無鉛技術影響最大的是焊接工藝，包括所有常用的波峰、回流和手工焊接。在本文中，我們針對回流工藝技術來進行**，看看在無鉛技術的更嚴格要求下，如何對工藝進行優化和監控。
無鉛的焊接挑戰：
鉛是種特性十分適合焊接工藝的材料。當我們將它除去後，到目前還無法找到一種能夠完滿取代它的金屬或合金。當我們在工藝、質量、資源和成本等考慮上找到比較滿意的代用品時，我們在工藝和成本上都不得不做出讓步。
而在工藝上較不理想的有以下幾個方面。
1． 較高的焊接溫度。大多數的無鉛焊料合金的熔點都較傳統錫鉛焊料合金高。業界有少部份溶點低的合金，但由於其中採用如銦之類的昂***而成本高。
熔點高自然需要更高的溫度來處理，這就帶來了需要較高的焊接溫度。不過熔點只是決定焊接溫度的乙個因素。例如目前被推薦的sac305材料，其熔點為217℃，而事實上我們目前處理錫鉛焊料時多數的焊接溫度是達到225℃，甚至是235℃。
這已經是超出了sac305合金的熔點，為什麼我們還需要提高呢？就是因為熔點並非唯一的考慮。
2． 較差的潤濕性。無鉛合金也被發現具有較不良的潤濕性能。這不利於焊點的形成，並對錫膏印刷工藝有較高的要求。
由於潤濕效果可以通過較高的溫度來提高，這又加強了無鉛對較高溫度的需求。熔化的金屬，一般在其熔點溫度上的潤濕性是很差的，所以實際焊接中我們都需要在熔點溫度上加上20度或以上的溫度以確保能有足夠的潤濕。這也說明了以上我們提到為什麼sac305不能使用剛過217℃的溫度來進行焊接的原因。
美國推薦245到255℃。
3． 較長的焊接時間。由於溫度提高了，為了避免器件或材料經受熱衝擊和確保足夠的恆溫以及預熱，焊接的時間一般也需要增長。
以上這些不理想的地方帶給使用者什麼呢？總結來說就是器件或材料的熱損壞、焊點的外形和形成不良、以及因氧化造成的可焊性問題等工藝故障。這些問題，在錫鉛技術中都屬於相對較好處理的。
所以到了無鉛技術時，我們面對的焊接技術挑戰更大。
工藝視窗：
簡單來說，無鉛的工藝挑戰或工藝難處，在於其工藝視窗相對錫鉛技術來說是縮小了。例如器件的耐熱性，在錫鉛技術中一般為240℃，到了無鉛技術，ipc和jedec標準中建議必須能夠承受260℃的峰值溫度。這提高只是20℃。
但在合金熔點上，從錫鉛（sn37pb）的183℃到sac305的217℃卻是提高了34℃！這就使工藝視窗明顯的縮小。使工藝的設定、調整和控制都更加困難。
如果您不採用較高成本的低溫無鉛合金，你的最低溫度（約235℃），幾乎已經是錫鉛技術中的最高焊接溫度了。而如果你採用美國nemi的建議，也就是使用sac305和焊接溫度在245到255℃時，你的熱-冷點溫度視窗只有10℃，而在錫鉛技術中這溫度視窗有30℃之多。
無鉛器件的耐熱標準，目前多認同確保在260℃最高溫度上（註一），這距離推薦的sac305合金的最高焊接溫度只有5℃。如果我們考慮測量設定的系統誤差（註二）的需要保留6℃，以及業界許多回流的波動性時，我們根本無法使用高達255℃的溫度。
圖一是典型無鉛焊接的峰值溫度（回流）部份。圖中註明了和錫鉛技術不同的地方。而這些差異，都增加了工藝調整的限制和難度。
圖一：典型無鉛回流部份曲線以及和錫鉛技術的引數差異
在回流焊接工藝中，現在的主流裝置是強制熱風回流爐。爐子在整個焊接過程中只有乙個速度（鏈速），爐子的溫區數量和長度是固定的，而整個回流曲線中的5個階段都有不同的要求，pcba上的不同器件和焊點也都有不同的要求。加上在無鉛技術中，我們發現焊接的冷卻工藝引數對某些焊料比錫鉛技術敏感而可能需要加以控制，又增加了一項需要考慮的引數和裝置限制（冷卻區的效率、尺寸等）。
所以使用者想很好的調整到滿足所有焊點的乙個設定其實是不容易的。
工藝設定：
回流焊接的工藝設定，就是通過爐子的各溫區溫度，以及傳送鏈速度的設定來取得最適當的『回流溫度曲線』的工作。最適當的意思，表示沒有單一的曲線是可以供所有使用者使用的。而必須配合使用者的材料選擇，板的設計，錫膏的選擇來決定。
不論是錫鉛技術還是無鉛技術，其實工藝設定的方法都是一樣的。所不同的是其最終的引數值。基本上，無鉛由於前面提到的工藝視窗縮小的問題，使得工藝設定的工作難度較高。
這需要更高的工藝能力，以及對技術的了解和掌握上做得更完整更細化。
工藝設定的首要條件，是使用者必須知道所要焊接產品的溫度時間要求。對於大多數使用者來說，這就是回流曲線規範。為了方便技術管理，一般只制定了乙個規範，規範中清楚的指出各引數的調整極限。
在錫鉛技術中，絕大多數使用者的這個規範曲線都來自錫膏**商的推薦。在工藝視窗較大的錫鉛技術中，人們遇到的問題似乎不大（但絕非沒有問題）。但進入無鉛後，這做法未必可靠。
原因是錫膏並非決定焊接溫度曲線的唯一因素，以及**商提供的曲線並不精確。例如溫度的上公升速度引數，除了考慮錫膏中焊劑的反應外，我們也必須照顧到所使用器件的耐熱衝擊特性。錫膏**商不可能知道你將選擇什麼器件材料，所以更不可能在其推薦曲線中照顧到使用者的具體情況。
在掌握工藝技術較好的企業中，選擇錫膏前都必須對錫膏等進行測試評估。這工作在無鉛技術中是個必要而非可有可無的工作。只有當使用者具體、清楚的了解錫膏等特性後才能有效的找出最好的曲線特性。
相信有小部份讀者有以下的經歷。在生產過程中某些器件因熱受到損害。而當時所設定的爐溫曲線符合錫膏**商的指標，而器件的耐熱性也高於所設的溫度曲線。
但經過調整較低溫度或縮短焊接時間後問題就獲得解決。從我的經驗中，這有兩個原因。最大的來自爐子的穩定性。
這裡我們不談這裝置的問題。另外乙個問題是目前器件**商們在談論耐熱這一特性時未精確完善的結果。事實上，當我們談論器件的耐熱性時有四個方面的特性。
這些就是『公升溫熱衝擊抗力』（還可分高溫和低溫），『降溫熱衝擊抗力』，『絕對最高溫度』，以及『熱量承受力』。而業界目前常用的方法是以一條焊接溫度曲線來表示器件的耐熱性能。因此缺乏精確。
尤其是第二和第四個特性指標，業界更是缺乏討論和標定。這種情況，將影響我們工藝的準確性。
器件焊端鍍層是另外一項沒有被仔細了解和控制的材料引數。鍍層的材料（例如nipd或sn等等）、鍍層的工藝（例如無極電鍍，浸鍍等等）、以及鍍層的厚度，將決定使用者的庫存能力，可焊性以及質量問題或故障模式。而這些也會因為無鉛技術到來而有所變化。
以往不太需要注意的，現在也許會成為不得不給於關注的。pcb焊盤的鍍層也一樣，材料、工藝和厚度都必須了解和給於適當的控制。讀者可以參考我以往相關的文章，以及去需求更多的知識。
總之，要有良好的工藝設定，使用者必須首先知道自己的材料和設計需求。從需求上制定應該有的溫度曲線標準。
熱耦的設定：
有了工藝標準後，要確保焊接溫度和時間的準確設定，首先我們必須要有較可靠的測量方法來協助判斷。熱耦測量幾乎是smt界統一的做法。雖然歷史悠久，使用者也不陌生，但這方面在無鉛技術中的講求精準上還有需要注意的地方。
首先是pcba上熱冷點的選擇。為了同時照顧到pcba上所有焊點的質量，這是個十分關鍵的工作。因為一旦最熱和最冷點的溫度設定對了，那其他各點的溫度肯定就在合格範圍內。
由於無鉛的溫度視窗小了，以往靠目視判斷熱冷點的方法就越來越不可靠了。必須使用觀察熔化次序的做法來達成目的。再由於溫度的提高，工藝工程師還必須注意一些無法從熔化情況看出而屬於較熱或較敏感的器件封裝的溫度。
例如qfn，bga和一些接插座等等。
接下來就是熱耦的選擇和安裝方法。目前使用的熱耦基本上幾乎都是k類熱耦。這是因為市面上的測溫儀器都設計來對這類熱耦進行測量誤差補償。
但即使都是k類熱耦，也有不同的線直徑和長短之分。選擇適當您安裝熱耦方法的直徑。在不需要利用熱耦的機械或彈力時盡量選擇細小熱耦。
在任何情況下都盡量選擇短些的熱耦，長度只要夠布置測量就行了。安裝熱耦一般有幾種方法，包括高溫焊接、高溫膠紙、固定膠、機械固定等。它們之間在操作性和精度上都有不同的表現。
該注意的，是各種方法都有安裝技巧要掌握。我個人比較推薦兩種做法的配合使用。一是高溫焊接，另一是固定膠+高溫膠紙。
高溫焊接可以提供高精度和可靠的測量，但k類熱耦的材料相當難焊接。尤其是使用過和氧化較高的熱耦。對於較冷的點也焊接不容易。
市面上的電烙鐵，雖然標示可以設定到400度或更高，但實際上其熱容量和回溫能力，在較冷的焊點情況下多不足以處理高溫焊接。高溫焊接的另外乙個弱點是無法使用在不可焊的表面上（如器件封裝表面），所以必須配合其他方法來使用。
固定膠的安裝方法也很有效。要點是採用遇熱不會軟化的膠水，以及不能在熱耦上造成太大的膠點。尤其應該避免熱耦和焊點接觸面之間。
否則測量結果會偏低幾度。由於膠點很小，其作用並沒有包括建立防止熱耦脫落的功能。所以安裝時還必須配合使用小片的高溫膠紙來固定。
切記跑線和膠紙的連線不能太改變測試點和周邊上的對流條件。
不良的熱耦安裝可以給您帶來超過5度的測量誤差，而無鉛技術中您並沒有太大的空間容許這些誤差的出現。這是使用者們該記住的。所以以往我們不是太重視的技術，在無鉛中可能就不能不管了。
曲線的設定和調整：
現在您有了溫度曲線規範，也有了準確的測試裝置。您就可以開始測量和調整pcba上的實際溫度曲線了。此時你所需要的，是良好的工藝知識和對裝置效能的足夠了解。
您必須很清楚曲線中的每一段時間和相應的溫度變化是起什麼作用。你必須知道您使用的爐子中有哪些地方有限制（例如冷區域，氣流不足等）。你首先是從傳送鏈速開始定。
然後以初始引數開始，順序從爐子進入部份開始調整。一直到pcba上的熱冷點以及其他敏感或較熱的非焊點都符合您的工藝規範為止。對於乙個新產品來說，以上的決定熱耦點，設定和調製的過程，有經驗的工藝工程師也許要40到60分鐘時間來完成。
雖然工藝可以抓得準，但在時間上稍嫌長了些。尤其對一些加工服務廠來說，這可能是個影響生產力的問題（註三）。
業界目前有**商如美國的kic公司，提供了方便使用者設定和優化溫度曲線的軟體（註四）。該軟體有學習的智慧型，可以在一次測試後，從其以往的經驗中**和推薦該設定的引數。當使用者使用次數達到一定的量後，軟體有可能在第一次推薦值中就達到優化的目的。
這功能雖然還沒有解決目前的所有問題（例如熱冷點的選擇），但已經可以大大的減少了工藝設定和優化的時間。
每個不同型號的回流爐子的對流和加熱效能都不一樣，所以當對爐子的效能還沒摸清楚之前，工藝調整的效率就比較差。也就是說工程師可能需要較多次的嘗試才能得到優化。軟體的學習智慧型比一般的工程師高，能夠較快的掌握所使用爐子的特性，並更快的找到優化點。
除此之外，軟體還可以將優化的結果和產品的質量（重量）關係整理和記錄起來。在往後的應用中，當使用者提供所需焊接pcba的質量（重量）時，就可以很快的從其處理過的歷史經驗中找出最接近的曲線（註五）。減少調整的次數和時間。
當pcba的設計變化不大，而軟體有足夠使用次數或經驗的情況下，軟體是可以在首次建議就滿足工藝視窗要求的。所以這類軟體可以提高使用者的工藝設定準確性和效率。
無鉛焊接工藝研究
作者 趙福德 中國科技博覽 2013年第26期 中圖分類號 tf046.6 文獻標識碼 a 文章編號 1009 914x 2013 26 031 01 序言 無鉛化生產作為一種強制性的環保法令已經在大多數國家開始執行。但鉛是一種非常具有焊接工藝特性的材料，當我們將它去除後，到目前為止還沒有找到一種能...
無鉛技術系列文章六 無鉛器件
另外乙個問題，是從有鉛到無鉛的轉換，所有的 商不會有一致的步伐，所以所有的使用者都必須得面對同一加工組裝過程中有鉛和無鉛的混合情況。這其實比純無鉛還難搞。一來此時的使用者，本身的實際經驗屬於較不足的階段 二來此時的工藝視窗可能是最小的時候 比起純無鉛還可能更小 而同時出現有鉛和無鉛兩種材料，在技術文...
回流焊接工藝及無鉛技術要求
課程目的 無鉛技術帶來的改變和影響，在材料上，尤其是焊料上的變化最大。而在工藝方面，影響最大的是焊接工藝。這主要來自焊料合金的特性以及相應助焊劑的不同所造成的。在被看好的無鉛焊料合金中，熔點都高於目前常用的錫鉛合金。以最被廣泛接受的sac無鉛合金來說，其熔點就高出傳統錫鉛合金34oc。但這並不意味著...