SMT 贴片加工中为何要采用无铅焊接工艺
SMT 贴片中为什么要用无铅焊接？我们在生产各类电子产品设备时，不管是面向国内市场销售，还是出口到海外各个国家和地区，都会涉及到包括铅在内的多种有害物质的合规性审查，这一行业现状的背后，是全球范围内人们环保意识的不断提升，以及对人体生命健康重视程度的持续加深。铅作为一种重金属，不仅会在电子废弃物的处理过程中对土壤、水源造成长期的环境污染，还会通过食物链进入人体，对神经系统、造血系统造成不可逆的损伤，尤其是对儿童的生长发育有着极大的危害，这也是全球各国陆续出台法规限制电子产品中铅使用的核心原因。上海鉴龙就常接到客户关于 SMT 贴片无铅工艺的各类咨询，今天就带大家详细了解 SMT 贴片加工中的无铅焊接工艺相关内容。
说到无铅焊接的合规要求，就绕不开全球通用的 RoHS 环保指令，尤其是做电子产品出口的从业者，对这个指令都不会陌生。欧盟作为全球核心的电子产品消费市场之一，其针对电子产品进口的审查中，RoHS 合规是必不可少的硬性要求，管控标准也十分严格。和 RoHS 指令配套的还有 WEEE 指令，这两项指令明确了纳入有害物质限制管理和报废回收管理的产品范围，涵盖十大类共 102 种产品，其中前七类都是我国主要的出口电器产品，包括大型家用电器、小型家用电器、信息和通讯设备、消费类产品、照明设备、电器电子工具，除此之外还有玩具、休闲和运动设备、医用设备（被植入或被感染的产品除外）、监测和控制仪器、自动售卖机，全部都在两项指令的管控范围之内。而要满足 RoHS 指令里的无铅管控要求，最核心、最关键的环节，就是在 SMT 贴片加工的全流程中全面采用无铅焊接技术，这其中既包括了无铅焊锡膏、无铅焊料的选型应用，也包括了适配的无铅贴片焊接工艺的全流程落地，国内市场也同样有着对应的管控要求，也就是我们常说的中国 RoHS《电器电子产品有害物质限制使用管理办法》，同样对国内销售的电子产品中的铅等有害物质有着明确的限制要求。
针对无铅电子装配的全流程管控，行业内也形成了一系列成熟统一的国际标准，为全球范围内无铅工艺的落地实施提供了规范依据，其中包括 IPC-1066《确定无铅装配、构件和设备中无铅和其他可报告材料的记号、符号和标签》，IPC/JEDEC J-STD-609《电子组装的焊接端子材料的记号、符号和标签》，还有针对元器件湿度与回流焊敏感性管控的 IPC/JEDEC J-STD-020D《非密闭式固态表面安装组件的湿度 / 回流焊敏感性分类》，同时还有 IPC-1065《材料声明手册》、IPC-1752 系列的材料声明表格与配套用户指南、专门针对印制电路板制造环节的 IPC-1401《材料声明手册》，另外还有针对无铅焊料常见的锡须问题管控的 JESD201《锡及锡合金表面涂层的锡须磁化率环境验收要求》、JESD22-A121《测量锡及锡合金表面涂层的锡须生长的测试办法》，以及针对湿敏元器件储运与使用管控的 J-STD-033《潮湿 / 回流焊敏感表面安装器件的包装、运输和使用》，这些标准共同构成了无铅工艺全流程的规范体系，保障了全球范围内无铅电子产品的生产一致性与合规性。
在实际的 SMT 贴片生产中，无铅焊接和传统有铅焊接在材料性能、工艺特性上有着非常明显的差异，行业内目前主流的无铅焊料以 SAC305 合金为主，也就是锡含量 96.5%、银含量 3%、铜含量 0.5% 的锡银铜共晶合金，它的液相线熔点在 217℃到 221℃之间，比电子行业沿用多年的 Sn63/Pb37 共晶合金的熔点整整高出了 34℃，这一熔点的提升直接导致了焊接工艺参数的大幅调整。就拿 SMT 加工中最常用的回流焊来说，采用无铅焊料后，整个回流焊的平均操作时间要比传统有铅工艺延长 20 秒左右，整个焊接过程中传递给 PCB 基板和贴装元器件的热量大幅增加，对元器件的耐温性能、PCB 基材的 TG 值与耐温等级都提出了更高的要求。传统的 Sn63/Pb37 有铅焊料，回流焊的峰值温度一般设置在 225℃左右，波峰焊的作业温度大约在 250℃，而 SAC305 无铅焊料的回流焊峰值温度通常需要提升到 245℃，波峰焊或是 PCB 喷锡工艺的作业温度也只能控制在 270℃以内，这个温度上限是为了防止持续高温对元器件、PCB 基材造成不可逆的热损伤，即便如此，高温环境下的溶锡效应还是会对焊料的金属成分配比造成一定的破坏，进而导致焊料熔点上升、熔融状态下的流动性变差，给焊接质量的稳定管控带来了新的挑战。除此之外，两种焊料在熔融状态下的润湿性能也有着显著差异，Sn63/Pb37 有铅焊料在 260℃的液态环境下，表面张力约为 380 达因，在铜基焊盘上的接触角约为 11°，而 SAC305 无铅焊料在相同温度下，液态表面张力约为 460 达因，在铜基焊盘上的接触角增大到了 44°。表面张力的增大使得焊料的内聚力明显增加，向外的润湿附着力随之变小，不仅在贴片焊接过程中更容易出现片式元器件立碑的工艺缺陷，还会导致焊料的散锡性和上锡性明显变差，通常来说，Sn63/Pb37 有铅焊料的润湿时间仅为 0.6 秒，而 SAC305 无铅焊料的润湿时间需要 2 秒，这也对无铅工艺的回流焊炉温曲线设置提出了更精细、更严苛的要求。
需要注意的是，RoHS 指令对于铅的使用也设置了对应的豁免条款，在一些特定的应用场景和产品类型中，符合规范要求的情况下可以继续使用含铅材料，这些场景包括 CRT、电子元件和荧光管的玻璃材料中所含的铅，含铅量超过 85% 的高温焊料，还有用于服务器和数据存储器的含铅焊料，用于网络基础设备如交换机、信令设备、传输设备、电信网管设备的含铅焊料，电子陶瓷器件比如压电陶瓷器件中所含的铅，另外，作为合金元素使用的铅，在钢合金中含量不超过 0.35%、铝合金中不超过 0.4%、铜合金中不超过 4% 的情况，也在豁免范围之内。
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