SMT无铅工艺对无铅锡膏的要求
SMT无铅工艺的步伐越来越近，无铅锡膏作为无铅工艺的重要一环，它的性能表现也越来越多引起人们的关注。本文结合汉高乐泰公司的最新无铅锡膏产品Multicore(96SC LF320 AGS88分析无铅锡膏如何满足无铅工艺的几个要求。
众所周知铅是有毒金属，如不加以控制，将会对人体和周围环境造成巨大而深远的影响。欧洲议会2003年底已经通过立法，要求从2006年7月开始，在欧洲销售的电气和电子设备不得含有铅和其它有害物质。中国等国家的相关法律也正在酝酿之中。由此可见，SMT的无铅工艺已经成为我们必然的选择。本文以无铅锡膏的研发为基础，针对无铅工艺带来的几个问题，如合金选择、印刷性、低温回流、空洞水平等展开讨论，同时，向大家介绍了最新一代无铅锡膏产品Multicore(96SC LF320 AGS88相应特性。
一、 无铅合金的选择
为了找到适合的无铅合金来替代传统的Sn-Pb合金，人们曾做过许多的尝试。这是因为无铅合金的选择需要考虑的因素很多，如熔点、机械强度、保质期、成本等。表1列举了三种主要无铅合金的比较结果。
合金类型
熔点（度）
主要问题
Tin Rich
209—227
熔点稍有升高
Tin Zinc (Bi)
190
容易氧化，保质困难
Tin Bi
137
强度很差
表1 三种无铅合金的比较结果
人们最终把目标锁定在富含Tin的合金上，在富含Tin的合金中，Sn/Ag/Cu 系列又成为选择的目标。而Sn，Ag，Cu三种合金成份比例的确定也经历了一段探索的过程，这主要是考虑到焊点的机电性能，如抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、塑性、导电率等等。最终两种具有相同熔点（217°C）且性能相似的合金成分：SnAg3Cu0.5(96.5%Sn,3%Ag,0.5%Cu)和SnAg3.8Cu0.7(95.5%Sn,3.8%Ag,0.7%Cu)成为无铅合金的主要选择。其中，SnAg3Cu0.5被日本、韩国厂商广泛采用，欧美企业更多选择 SnAg3.8Cu0.7合金。以上两种合金Multicore(均可以提供，代号分别为97SC和96SC。
二、 印刷性
由于Sn/Ag/Cu合金的密度(7.5 g/mm3)比Sn-Pb合金的密度 (8.5g/mm3) 低，使用该种合金的无铅焊锡膏的印刷性比有铅锡膏差一些,如容易粘刮刀等。尽管如此，由于保证锡膏的良好的印刷性对于提高SMT的生产效率、降低成本十分重要，在合金成分相同的情况下，只有通过助焊剂成分的调整来提高锡膏的印刷性，如填充网孔能力、湿强度、抗冷/热坍塌及潮湿环境能力等，并最终提高印刷速度、改善印刷效果。
图1为Multicore(96SC LF320 AGS88的印刷实验结果。由图1可知该产品的可印刷速度范围为25 mm/s - 175 mm/s（图中的绿色部分表示印刷效果好）。事实证明，通过调整助焊剂成分和比例，无铅锡膏可以具有与有铅锡膏同样的高速印刷操作窗口。
三、 低温回流的重要性
由于无铅合金的熔点升高（Sn/Ag/Cu合金的熔点为217°C，Sn-Pb合金熔点为183°C），无铅工艺面临的首要问题便是回流焊时峰值温度的提高。在图2中描述了无铅锡膏回流焊接时，在最坏情况假设下（线路板最复杂，系统误差和测量误差为正，以及满足充分浸润的条件），线路板上最热点温度可能达到的温度（265°C）。图中最冷点235°C是为保证充分浸润的建议条件。
值得注意的是：一方面，若无铅锡膏所要求的峰值温度较高，线路板最热点便容易达到265°C，而该温度已超过了目前所有元器件的耐温极限；另一方面，若系统误差和测量误差为负，同时锡膏的最低峰值温度较高，便会有冷焊问题的发生。因此为了保证元器件的安全性、以及焊点的可靠性，无铅锡膏的最低峰值温度应尽量低，即无铅锡膏低温回流特性在无铅焊接工艺中十分重要。
值得一提的是，Multicore(的领先技术、独特配方成功地解决了这一难题，无铅锡膏96SC LF320 AGS88的最低回流温度仅为229°C，这就意味着应用该款锡膏进行焊接时，可以仅比217°C 的合金熔点高出3°C（保证一定的回流时间）。这样不但可以很好地解决可靠性、冷焊等问题，更可以减少生产工艺方面的调整，以节约成本。图3为该款无铅锡膏的回流操作窗口。由图3可知，96SC LF320 AGS88 拥有很宽的操作窗口：从熔点以上时间60秒/峰值温度229°C，到熔点以上时间80秒/峰值温度245°C的范围内均可以获得极佳的焊接效果,较宽的回流窗口可以更好地满足生产方面的不同需求。
四、 空洞水平
空洞是回流焊接中常见的一种缺陷，尤其在BGA/CSP等元器件上的表现尤为突出。由于空洞的大小、位置、所占比例以及测量方面的差异性较大，至今对空洞水平的安全性评估仍未统一起来。有经验的工程师习惯将空洞比例低于15%-20%，无较大空洞，且不集中于连接处的有铅焊点认为是可接受的。
在无铅焊接中，空洞仍然是一个必需关注的问题。这是因为在熔融状态下，Sn/Ag/Cu合金比Sn-Pb合金的表面张力更大。如图4所示。表面张力的增加，势必会使气体在冷却阶段的外溢更加困难，使得空洞比例增加。这一点在无铅锡膏的研发过程中得到证实，早期无铅锡膏的主要问题之一便是空洞较多。作为新一代的无铅锡膏产品，Multicore(96SC LF320 AGS88增加了助焊剂在高温的活性，实现了技术上的长足飞跃，使得无铅焊点的空洞水平可降低到7.5%。
五、 结论
1）Sn/Ag/Cu 系列合金成为无铅锡膏合金的主要选择；
2）助焊剂介质的合理调整，可使无铅锡膏的印刷性与有铅锡膏几乎相同；
3）无铅锡膏的低温回流特性对SMT无铅工艺意义重大；
4）新一代的无铅锡膏，使得空洞问题得到明显改善。
贴片胶与滴胶工艺
表面贴片胶(SMA, surface mount adhesives)用于波峰焊接和回流焊接，以保持元件在印刷电路板(PCB)上的位置，确保在装配线上传送过程中元件不会丢失。
PCB装配中使用的大多数表面贴片胶(SMA)都是环氧树脂(epoxies)，虽然还有聚丙烯(acrylics)用于特殊的用途。在高速滴胶系统引入和电子工业掌握如何处理货架寿命相对较短的产品之后，环氧树脂已成为世界范围内的更主流的胶剂技术。环氧树脂一般对广泛的电路板提供良好的附着力，并具有非常好的电气性能。
希望的特性
环氧树脂贴片胶的配方对使用者提供较多好处，包括：良好的可滴胶性能、连续一致的胶点轮廓和大小、高的湿强度和固化强度、快速固化、灵活性和抗温度冲击。环氧树脂允许非常小的胶点的高速，提供很好的板上固化电气特性，在加热固化周期，不拖线、不塌落。(由于环氧树脂是热敏感的，必须在冷藏条件下储存，以保证最大的货架寿命。)
使用视觉检查或自动设备，SMA必须和典型的绿色或棕色电路板形成对比，由于使用自动视觉控制系统来帮助检查过程，因此红色和黄色已成为两种基本的胶的颜色。可是，理想的颜色决定于板与胶之间的视觉比较。
典型地，环氧树脂的加热固化是在线(in-line)发生的，红外(IR)通道炉内。开始固化的最低温度是100°C，但事实上固化温度范围在110~160°C。160°C以上的温度会加快固化过程，但容易造成胶点脆弱。
，SMT无铅工艺对无铅锡膏的要求（推荐）