1、 概述
1.1 RoHS指令
鉛（Pb）是一種有毒的金屬，對人體有害，并且對自然環(huán)境有很大的破壞性，出于環(huán)境保護的要求，歐盟的《限制有毒物質指令》(RoHS)公布的限制的相關內容規(guī)定，2006年7月1日起開始在歐盟市場禁止銷售含有鉛、汞、鎘等6種有害物質電子電氣設備。應對該指令的措施，我國也出臺了這項管理辦法，其禁鉛時間表與歐盟同步，在2006年7月1日起投放市場的國家重點監(jiān)管目錄內的電子信息產品不能含有上述6種有害物質。
因此，世界大多數國家開始禁止在焊接材料中使用含鉛的成分，即無鉛焊接。國外民用元器件端電極外層均采用無鉛(Pb)結構。歐盟的RoHS法案僅含有適用的產品類別，JY與HT不在其列。雖然隨后其法案的修改無論是產品類別還是特定的執(zhí)行細則，很可能將減少豁免，JY與HT還將維持對RoHS的豁免，但受元器件供應鏈的影響，選用商用現貨元器件都會是無鉛元器件。
由于我國JY或HT產品選用了進口商用現貨元器件，由此引發(fā)我國進口元器件的外層錫焊電極引線均為無鉛的錫鍍層。另受RoHS法案影響，國內元器件生產廠也有轉為無鉛錫焊合金。
1.2 無鉛焊接帶來問題
元器件端電極外層是產品質量和可靠性的重要組成部分，端電極起到連接元器件與外圍電路的橋梁作用，元器件端電極外層采用無鉛焊料后，帶來了諸多的質量和可靠性問題，特別困擾了國內JYHT選用進口元器件的產品。其產生最大影響的主要表現在：
a) 外電極的可焊性問題；
b) 焊接溫度提高，引發(fā)對元器件產生過熱損傷問題；
c) 錫晶須生長問題引起短路失效問題。
無鉛焊接帶來的問題很多，上述問題僅是必須首先關注的。
2、 無鉛焊接的可靠性問題
2.1 可焊性問題
a) 焊接溫度比有鉛焊料高
無鉛焊料與傳統的含鉛焊料相比，其原理就是由一些合金混合物來替代原有的鉛，其特點就是這種合金的熔融溫度要高于含鉛焊料。如：
·以無鉛焊料Sn/Ag系合金為例，其熔融溫度為221℃，高于含鉛焊料的183℃熔融溫度。
·無鉛焊料Sn/Ag/Cu系合金熔點為218℃。
·無鉛焊料Sn/Ag/Cu/Sb系合金熔點為217℃。
無鉛焊料的物理特性是根據其添加的微量元素來決定的。另外，由于沒有鉛，使這些無鉛焊料焊接時親和的潤濕性和延展性變差。受添加的微量元素所致，無鉛焊料的焊接溫度比含鉛焊料的焊接溫度高30～45℃，由于元器件生產廠商在產品上或產品命名方法上，不標明其引線是有鉛還是無鉛，如果JY用戶焊接無鉛元器件時還是按有鉛元器件焊接工藝要求，將會產生虛焊的質量問題。且這種質量隱患有時在短時間或低應力工作環(huán)境中很難暴露出來，故產生的質量后果是十分嚴重的。
b) 返修焊點抗機械應力下降
無鉛焊接工具與以往含鉛焊接相比，生產設備方面不會有太多的改變，而對于返修工藝來說，將面臨更大的挑戰(zhàn)。
無鉛焊料中是由一些合金混合物來替代原有的鉛，常用有Sn-Bi、Sn-Cu、Sn-Ag等系合金。在Sn-Cu合金材料的成分中Cu(銅)的使用最多，Cu容易氧化，其氧化物CuO2(二氧化銅)與Cu相比硬度降低，就如同氧化鐵（鐵銹），一旦無鉛焊料中的Cu在焊接過程中焊接時間過長，就容易被氧化，最終會成為產品質量的缺陷，造成焊點的耐機械應力的嚴重下降。
由此可以得出結論，Sn-Cu合金材料焊接過程越短，焊接質量就越為可靠！ 焊接過程越短，產生的過熱損傷就越小。
c) 無鉛焊對環(huán)境條件苛刻
無鉛焊接環(huán)境是指在無鉛焊接過程中，對無鉛焊接成功與否還與周圍環(huán)境有關。較為典型的例子，就是在無鉛回流焊、無鉛波峰焊、無鉛元器件級返修過程中是否有氮氣保護。
對無鉛元器件返修（特別手工焊）時，Sn-Cu合金材料焊由于沒有氮氣保護，Cu在高溫焊接過程中很容易氧化而生成CuO2，使焊點質量下降，還產生了潛藏的質量隱患，直接影響到J品產品的維修性和保障性。
對于無鉛回流焊或無鉛波峰焊均已有成熟的氮氣保護技術，不存在銅氧化問題，因而不存在返修焊點的質量下降。
2.2 焊接溫度提高后對元器件的危害
無鉛焊料的焊接溫度提高了30～45℃，帶來的副作用是元器件在焊接過程受高焊接溫的熱應力影響增加了，產生的后果是主要表現在元器件因受到高于常規(guī)的焊接熱沖擊，元器件內在質量可能會產生質變，從而影響到元器件在壽命周期內的壽命會下降或早期失效，而這些問題隨元器件結構、封裝形式、體積大小不同而不相同。
所有的元器件都怕高溫，元器件提高焊接溫度對被焊元器件產生熱過應力，或對其它相鄰的元器件或印制電路板的銅線條產生過熱應力損傷。例如：高溫使原不耐溫的有機介質電容器的介質軟化，使多層瓷介電容器受高溫聚變應力影響而造成介質開裂，使塑封元器件受高溫沖出而發(fā)生失效等。而這些熱過應力對元器件造成的潛伏性傷害，有時在短時常態(tài)下不容易暴露，這種損傷到失效有一個應力累積過程，此外還會減少元器件的使用壽命。
2.3 錫晶須生長問題
錫與鋅或鎘表面一樣會生長晶須。金屬須的電屬性是短路特征。在電磁繼電器、電連接器、諧振器、電容器、半導體器件等元器件以及焊片等，表面使用了無鉛錫焊的，都發(fā)現有生成錫晶須的案例。在特定的環(huán)境條件下經過一段時間，在其上會生長出許多柱狀錫晶須，見圖1和圖2。
圖1 Sn基鍍層的引腳上長出的錫晶須造成引腳間的短路
圖2錫晶須的各種形態(tài)舉例
錫晶須的生長，會使絕緣電阻下降、電氣短路、尖端放電、飛弧，或短路擊穿，造成電子產品失效的潛在風險。在不同元器件之間錫須生長有所不同，因素有：錫厚度、基底材料、電鍍鎳阻檔層、引出瑞類型、電鍍不一致性、污染、溫度濕度、環(huán)境氣氛、隨加的應力等。
錫晶須生產的潛伏期很長，一般情況下在產品出廠(所) 前的產品生產過程中不會暴露，因此又不被電裝工藝部門重視，往往發(fā)生在產品交付的后期才會暴露。在長期處于嚴酷貯存環(huán)境和休眠狀態(tài)的武器裝備產品中的元器件、材料鍍錫、鋅、鎘表面，更容易生長“毛狀”的金屬須，這是在使用單位或失效分析中常見的嚴重問題。
為尋求防金屬須鍍層，在上世紀中葉，美國貝爾實驗室研究了整個元素周期表以確定其些元素共沉積是否會“抑制”金屬須的產生，得出：按重量在錫中添加0.5%～1%或更高含量的鉛(Pd)，可抑制錫晶須的產生。可以抑制錫晶須的產生的原因是Pb和Sn不會形成金屬間化合物，而且Sn晶界上的Pb阻礙了Sn原晶須生長。
1990年以來，為抑制錫晶須，美國在電子產品J標中規(guī)定錫鍍層中必須添加鉛。對于設計余量，通常按重量比鉛的含量高于2%～3%。
歐洲空間標準化合作組織(ECSS)標準空間產品保證 ECSS-Q-60B《電氣、電子和機電(EEE)元器件》中也規(guī)定：用純錫（對PbSn合金來說Pb含量小于3%）作引線、引出端和外表面涂覆的元器件不得使用。
我國HT應用中也規(guī)定，選用錫焊的含鉛比重不少于3%。
3、 減輕錫晶須產生的方法
3.1 國外成功的幾種方法
a) 焊料蔓延法：把元器件安放在板上的標準回流焊方法。
b) 熱焊料浸蘸(HSD)方法：將元器件電極端部浸入熱錫/鉛焊錫。
c) AEM法鍍錫，由美國加州圣地亞哥AEM公司在專用的設備中，采取連續(xù)混鉛法電鍍錫工藝。該工藝經驗證評價表明，錫須生長的風險等級很低。
d) 敷形涂層法：增加保護阻擋層。
·ALD涂覆法：是一種耐J標環(huán)境、且抑制錫須的新型柔性陶瓷敷形涂覆，用于管殼、模塊、印制板、芯片等。此方法低成本，高可靠的商用現貨產品抑制不確定的錫須，消除失效和風險。效果十分有效，ALD涂覆法要用專用的設備。
·NASA戈達德HT飛行中心金屬須減輕研究，敷形涂層2 mil厚的Uralane 5750聚氨酯，在辦公室良好的環(huán)境存貯約9年的試驗，發(fā)現金屬須隆起，并敷形涂層剝離直至金屬須屈曲或涂層失效。對敷形涂層的試驗結論為：
① 2 mil厚的Uralane 5750能夠產生堅實防護。
·在無敷形涂層的表面上涂覆不低于2 mil厚的Uralane 5750，改善效果顯著。
② 即使“差的”涂層，也能產生某些保護作用。
·長的金屬晶須易彎曲，所以即使是施加于遠處導體上敷形涂層，它也不太可能再次穿透。
·敷形涂層能防止跨在一對敷形涂覆的導體之間的斷離金屬須，發(fā)生電橋接。
③ 要了解自己的敷形涂層工藝。
·敷形涂層工藝可能使“薄弱區(qū)域”的涂層低于標稱厚度。
當涂覆涂層時陰影效應可能阻礙完全覆蓋；在完全固化完之前涂層可能會流動或變薄。
·涂層越薄，越容易被金屬須刺破。涂層薄，出現敷形涂層內形成“園形帳蓬” 或刺穿涂層。
3.2 國內解決方案和問題對策
電子組裝的無鉛元器件相關的課題，早在2000年前就全球范圍廣泛深入研究，并取得了成果，至今使用再流焊技術日益成熟，所涉及產品大多在民用產品中。在JYHT等領域，因近年來選用貼片式進口無鉛元器件增多和使用再流焊技術不普及，引發(fā)了不少問題，也引起了JYHT單位重視，開展一系列的活動。
a) 對國內生產廠生產元器件的電極含鉛情況進行了拉網式的普查，當發(fā)現有無鉛情況時，通過簽訂補充技術協議要求提供有鉛元器件；如屬無鉛元器件，在元器件入廠(所) 檢驗報告上作“無鉛”標識，轉工藝部門采取相應的工藝措施。
b) 對進口元器件有無鉛標識的，采取與國產有鉛元器件的相同的處理辦法。但對于產品包裝上沒有標明屬無鉛標識的進口元器件，僅外觀檢查就沒法進行辨別是有鉛還是無鉛元器件。雖然通過能譜試驗能夠方便檢查，但此方法成本很高，對于一些沒有條件的或管理上未作強制規(guī)定的，就很難進行下去，留下了一個遺忘的隱患。
c) 用戶單位如果管理不到位，信息傳遞中斷，工藝部門或電裝車間得不到正確信息，將無鉛元器件當作有鉛元器件焊接，將會產生嚴重的質量隱患，將來JYHT產品在運行中如果出現了故障問題，也很難查清故障發(fā)生的真正原因。
d) 對通孔插件安裝的有引線元器件，可以采用熱焊料浸蘸(HSD)方法。通用的方法是將無鉛元器件引腳在的含鉛錫鍋中進行一次或二次搪錫處理，即可有效解決。此方法優(yōu)點是凡浸焊到錫鉛焊料的能達到有效控制錫晶須的產生和解決不再提高焊接溫度問題。缺點是對一些元器件根部元法浸焊到的部位，就無法保證錫晶須不產生，如果搪錫太靠近元器件本體，就會增加元器件過熱損傷的危險性。
e) 對于無鉛片式多層瓷介電容器，國內也有專業(yè)工廠采用重新進行錫鉛電鍍處理的專用工藝來解決，實踐證明此辦法是可行的。
f) 采用敷形涂層辦法。HT各產品，為解決電子產品在使用過程中的防潮、防霉、防蟲危害問題，對電路板采取噴涂“三防漆”的處理方法，普遍采用噴涂“7385聚氨酯清漆”工藝措施，此方法類似NASA戈達德HT飛行中心的“Uralane 5750聚氨酯” 清漆。因此“Uralane 5750聚氨酯”使用結論同樣適用于“7385聚氨酯清漆”。雖然聚氨酯清漆還存在不足，如果加厚漆層(如將原一次噴涂改為二次噴涂)，其效果也具有減輕錫晶體的產生。
g) 聚氨酯清漆與ALD涂覆法存在差距，ALD公司涂覆法是一種耐J標環(huán)境、且抑制錫須的新型柔性陶瓷敷形涂覆，國內還未見有類似工藝的產品，我們“不要落后于人”，也應組織拿出更好的產品，確保產品在整個壽命周期中的質量和可靠性。
h) 對微波組件產品，噴涂聚氨酯清漆后可能會影響產品電性能，一般不噴涂聚氨酯清漆。對于這種情況，設計、工藝人員在擬定元器件采購清單時，就應該對所用元器件的電極表面材料提出要求，最佳的辦法是選用鍍金材料，如果不注意這細節(jié)，最終用產將會吃大虧。
4、 無鉛焊接中的注意事項
4.1 問題的嚴重性
當今電子產品向小型化、高性能化、高功能化、高密度化組裝發(fā)展之際，但在JY或HT工程中，目前還有大量使用著通孔插裝的電路板，即使用有引線的元器件，極少使用片式元器件；或使用了表面貼裝元器件，但沒有再流焊接手段，還依靠著手工電烙鐵焊接有鉛貼片元器件。
表貼元器件安裝技術與通孔板安裝技術不是同一種技術，要確保表貼元器件的焊接質量的措施之一是采用再流焊。從元器件失效分析案例也可看到，表貼元器件變小了，由于存在表面貼裝技術的脫節(jié)，在電裝手工焊接中出現很多問題。現在又出現了無鉛元器件，因其焊接溫度又提高了近50℃等一系列問題，且在JYHT產品中大量混合使用有鉛和無鉛的元器件，元器件表面又沒有無鉛標識，且這種特殊狀況還會延續(xù)很長時間，這將對HT產品可靠性造成重大的挑戰(zhàn)。
4.2 無鉛焊料手工焊接的缺點
民用產品中多年來對無鉛焊料手工焊接試驗和實踐，與傳統的有鉛錫料(Sn-Pd)相比得出以下結果：
a) 焊料開始熔化的時間較遲緩。
b) 潤濕擴展性差，要增加烙鐵頭在焊接中的移動次數。
c) 焊料供給量的控制困難。
d) 對通孔內的潤濕、可焊性較差。
e) 在焊接失敗的場合，要去除通孔內的焊料十分困難。
f) 烙鐵頭易產生黑化，增加了清潔的次數。
g) 與Sn-Pd共晶焊料相比，對過熱現象不易顯示，因而不容易區(qū)分加熱溫度的適宜性，對焊點的質量判斷帶來困難。
4.3 對結果分析
a) 原來焊料中的鉛屬于柔軟的親和性金屬，對加熱的接合部分(焊區(qū))用焊料壓入接觸時，因鉛有良好的潤濕性和延展性，相應的接觸面形成激烈的熱傳遞，可在瞬時間達到熔融溫度。無鉛焊料由于錫成分多，焊接操作中的手感缺少強烈的親和性。
b) 有鉛焊料中的鉛可以降低熔融焊料的表面張力，其潤濕擴展性較容易獲得。有無鉛焊料則相反，只能通過焊接操作時通過烙鐵頭的反復移動來進行修正，這樣又增加了焊接時間。要選用合適烙鐵頭端部來增加接觸面積，為促進焊接時焊料的潤濕通過增加焊劑的涂敷來增加其焊接性能。
c) 由于無鉛焊料的潤濕擴展性較差，產生了焊料供給量控制的困難，這只有多練習逐步加以克服。
d) 原因同c)。如增加焊接時間會對元器件產生過熱應力損傷。
e) 由于焊盤內孔徑小、孔金屬化深，熱阻增大，使焊接孔內溫度達不到熔點，增加了焊接時間，使多余的錫去除就會變得十分困難；如增加焊接溫度，又會對元器件產生過熱應力損傷。
f) 是焊接溫度高引起烙鐵頭氧化，解決辦法是盡量縮短焊接時間和不斷除去烙鐵頭氧化層，增加焊接操作的動作次數。
g) 設置烙鐵頭的溫度盡可能控制在低端，隨著操作工熟練程度不斷提高，要將焊接作業(yè)的時間盡量縮短，以抑制焊接中過熱的產生。
考慮到無鉛焊料焊接時的加熱溫度，要撐握三個重要溫度因素：
① 焊料的熔點。不同的焊料熔點均不相同。無鉛焊料一股為215℃或218℃，比Sn-Pd共晶焊料高出32～35℃，相應提高烙鐵的溫度是必須的。
② 最適合的焊接溫度。有鉛焊料的焊接溫度一般比焊料的熔點高40～60℃。針對無鉛焊料的焊接，采用的溫度將達到255～278℃，這對耐熱溫度只有250℃的元器件是很危險的問題。
在焊接操作中，主要是要把握好最適宜的加熱溫度。根據無鉛焊接試驗得到的經驗，通常先考慮到組裝元器件的耐熱性問題，不使加熱量超過250的界限是必要的。手工焊接的溫度設定一般在245～255℃(熔點＋30～40℃)，時間1.5秒。
③ 加熱設定溫度(烙鐵設定溫度)。無鉛焊料的焊接，烙鐵的設定程序要盡可能采取低端溫度。采用的焊接方過度比焊料熔點高出30～40℃是比較合適的。
從上可看出，要確保焊接質量，控制焊接溫度很重要，同樣選用一把符合控溫精度顯示的調溫控溫防靜電的低電壓的電烙鐵很重要。
此外，良好焊接技巧對焊接質量也十分重要。
5、 展望
5.1 JYHT開展對無鉛焊接技術的研究
國內外JYHT對元器件端電極無鉛問題十分重視，均規(guī)定了禁用無鉛的規(guī)定，但全面禁用是禁不住的，因為受元器件生產鏈的影響，選用無鉛元器件的量和品種在不斷增加，為此必須開展了相關無鉛焊接的研究，其研究不能僅局限于可焊性、錫晶須問題，在民用產品上已取得大量有用的信息，但還有研究不夠的地方，我們應該結合JYHT的特點，深入研究相關問題，如：
a) 焊點能否抗得住JYHT高強度的振動、沖擊、碰撞的機械應力；
b) 提高焊接溫度后對各類封裝元器件產生的熱應力損傷問題。這問題往往是工藝技術不能涉及到的專業(yè)，這要與元器件失效分析專家合作，對元器件開展相關的可靠性試驗和評估才能完成。
c) 研究對長壽命高負荷應用的影響程度。
d) 開展對再流焊技術的學習和培訓。
5.2 開展對新型敷形涂覆的研究
由于聚氨酯類涂層內因錫晶須生產頂起而形成“園形帳蓬”，嚴重時會頂穿而出，表明涂層還不堅固，與JYHT要求耐J標環(huán)境、且抑制錫晶須有差距，這對長期存放在高溫高濕且長期不通電或不工作狀態(tài)的武器裝備尤為重要，經常通電，還有可能把錫晶須擊穿燒斷，如不通電錫晶須生長嚴重，弱電流不能把錫晶須燒斷，其后果就是短路故障。為確保JYHT產品長壽命，必須開發(fā)新型敷形涂覆材料，這是與民品產品的最大不同處。
5.3 要識別無鉛元器件
HT產品中普通存在有鉛元器件和無鉛元器件混裝情況，如何讓工藝人員或電裝人員在電裝前知道元器件的含鉛情況，應采取下列措施：
a) 在元器件訂貨合同中明確要求；
b) 在元器件驗檢報告上注明是有鉛還是無鉛元器件；
c) 物資部門按工藝部門規(guī)定，對無鉛元器件外協作有鉛處理；
d) 使用單位檢驗部門轉開合格證時，在合格證上加蓋有鉛還是無鉛的專用印章；
e) 電裝部門按工藝要求，對裝機合格上標明無鉛標識的元器件，按無鉛元器件焊接工藝要求進行焊接。
6、 結束語
隨看JY產品產品以快速地逐步小型化，適用符合JYHT需求的高質量等級元器件越來越困難，元器件的封裝結構發(fā)生了本質的變化。許多原大尺寸氣密封的金屬或陶瓷封裝變?yōu)榉菤饷芊獾馁N片式塑封結構，元器件質量等級或失效率從高跌到全無，元器件的耐環(huán)境條件又從-65℃～+125℃跌到-40℃～+85℃或更低，而這類元器件大多數屬于無鉛類，而無鉛元器件存在的問題還有很多，因此我們JYHT事業(yè)遇到前所未遇的重大挑戰(zhàn)。我們必須重視無鉛焊料元器件引發(fā)的種種可靠性問題，去關注它，研究它，解決它。
