无铅焊锡的焊接技能

1、适应无铅焊锡的焊接技能讲座（教员·操作人员使用教材）平成14年5月11日第3版社团法人 日本焊接协会微焊教育委员会前言 众所周知电子设备的元件组装所使用的焊锡是由锡（Sn）与铅（Pb）的合金所组成之事是，可是人们对铅的毒性不甚了解。日本到明治时代有了铅中毒的问题。因为当时化妆用的白粉其主要成分是铅，所以象歌舞伎演员和电影女演员这种特定职业人中发生铅中毒的情况不少，这成为当时的一种职业病。在产业界中的铅精练行业和铅加工行业，铅中毒事例还在发生。 现今在电子设备工业界中兴起的无铅化动向是这样引起的美国有报告说作为工业废弃物的电气产品，其用剪切机弄成的碎片粉末在酸性雨作用下溶解析出铅，成为

2、地下水的成分。人体有吸收这种溶出的铅的危险性。在地下水中含铅率高的地区，儿童智商低。报告提出的问题是引起很大反响的社会问题。为此，1990年初美国国会提出了限制铅的有关法案。美国国内在无铅焊锡的开发研究上，由此活跃起来。再看欧盟，1998年在作为法制提案的关于电气电子设备废弃物指令案（WEEEProposal for a Directive on Waste Electronic Equipment）中，积极推进焊锡的无铅化，假如按这一法规进行下去，那么到2008年1月，在欧洲就不能销售含铅的产品。 日本从1998年开始，以社团法人日本焊接协会为中心和以社团法人日本电子工业振兴协会为中心分别得

3、到了新能源·产业技术综合开发机构（NEDO）委托的国家项目关于无铅焊锡的基础特性研究和关于无铅焊锡的应用特性研究。如今在日本产业界正快速致力于无铅焊锡的实用化，特别正在积极地进行研究自动焊接工序中的无铅焊锡的实用化。社团法人日本焊接协会的微焊人员认证委员会重视手焊的重要性，决定通过用无铅焊锡进行手焊的培训，来实施技术、技能的鉴定认证制度，为此编辑了本教材用它作为培训的补充教材。目 录项 目 页 无铅焊锡的基础知识1.1请介绍关于无铅焊锡的概要1.2请介绍无铅焊锡合金的机械性质1.3请介绍无铅焊锡的润湿性 使用无铅焊锡进行自动焊接的基础知识2.1请介绍用无铅焊锡进行再流焊的情况2.2请

4、介绍用无铅焊锡进行波峰焊的情况 无铅焊接特有的问题点3.1金属间化合物层的异常生成是怎么回事3.2何谓起翘现象 用无铅焊锡进行手焊的基础知识4.1请介绍用无铅焊锡进行手焊作业与用SnPb共晶焊锡的不同之处4.2请介绍无铅焊锡手焊时的设定温度4.3请具体介绍用无铅焊锡进行手焊的注意事项104.4请说明如何使扁形引脚根部润湿得好114.5请介绍焊接地方得修正方法12 无铅焊锡手焊的接合处外观及其他不良项目的基础知识5.1请说明焊缝轮廓前端的接触角135.2加热过度造成的粗糙表面具有何种外观145.3请介绍无铅焊锡焊接发生的不良项目合对策15无铅焊锡的基础知识Q 1.1请介绍关于无铅焊锡的概要。无铅

5、焊锡是不含铅的焊锡，在本教材中指的是Sn-Pb共晶合金焊锡的不含铅的焊锡的替代物。现在正开发取代铅而用在锡中混合铜（Cu）、银（Ag）、铋（Bi）锌（Zn）等金属的合金焊锡。 表1-1-1列出各合金系列的特征。 另外，表1-1-2列出了合金系列中代表性的成分组成，及其熔点高低排序的机械性质。表1-1-1 无铅焊锡合金系列的特征合金系 列特徴征系列因Sn-0.7Cu合金的熔点高达227，不适合用于再流焊，在波峰焊上研讨，正进入实用化中。系列Sn-3.5Ag合金的熔点为221作为高温焊锡有应用实例，机械强度稍弱，但延伸率大。系列在Sn-Ag合金（Ag:33.5）中添加0.51.0%的Cu。铜添加量

6、越增加，强度越高，但延伸率变小。B系列将Bi添加于Sn-Ag合金中时熔点能够变低，添加量越增加，强度越高，但延伸率变小。另外，还有偏析等问题，故Bi添加量有一定限度。系列Sn-9Zn的熔点为198，最接近共晶焊锡，可按现行的焊接方法进行焊接，但容易形成稳定的氧化膜，润湿性差。在再流焊上的研究正进入实用化。系列Sn-58Bi的熔点为139，是作为低温焊锡而开发的，但因熔点过低不太被使用。表1-1-2代表性的无铅焊锡合金的分类和性质合 金 系 列 组成成分（mass）熔化温度范围性 质固相线温度（）液相线温度（）强 度(kgf/mm)延 伸 率（%）Sn-CuSn-0.75Cu.Sn-AgSn-3

7、.5Ag.Sn-Ag-CuSn-3.5Ag-.0.7Cu.Sn-Ag-BiSn-3Ag-5Bi.Sn-ZnSn-9Zn.Sn-Pb (比较)共晶.Sn-BiSn-58Bi.无铅焊接的基础知识Q 1.2请介绍无铅焊锡合金的机械性质。用无铅焊锡进行手焊时，关键要知晓焊锡材料的性质。特别是关系到可靠性的重要的机械性质，其中有以下项目。 拉伸强度 延伸率 那么，下面以两种代表性的无铅焊锡合金（Sn-Ag-Cu系、Sn-Ag-Bi系）和Sn-Pb共晶焊锡进行比较说明。図图1-2-1 添加Cu对Sn-3.5Ag系合金的 室温机械性质的影响）Sn-Ag-Cu系焊锡合金的机械性质在Sn-3.5Ag合金中添加C

8、u时，合金在室 温下的机械性质示于图1-2-1。拉伸强度Sn-3.5Ag在室温下的强度为4.2kgf/mm，在此合金中即使添加Cu2.0，室温下强度只变化到1.2倍左右，强度受添加量的影响不太大。延伸率添加Cu后延伸率从53降到26，约降低一半。也就是说合金渐渐向脆性变化。图1-2-2Sn-3Ag系合金的室温下的机械性质）Sn-Ag-Bi系焊锡合金的机械性质Sn-3.0Ag合金添加了Bi时，合金在室温下的机械性质示于图1-2-2。 拉伸强度Sn-3.0Ag在室温下的强度为4.7kgf/mm。在此合金中添加Bi后强度大幅提升。 延伸率如图1-2-2所示，添加Bi后延伸率聚减。说明在室温下疲劳寿命

9、随延伸率下降而降低。无铅焊接的基础知识Q 1.3请介绍无铅焊锡的润湿性。过去使用的Sn-Pb焊锡合金中的铅（Pb）成分起降低表面张力的作用，含Pb成分多的焊锡合金润湿性就好，但无铅焊锡合金中几乎全是锡（Sn）的成分，表面张力较大，比Sn-Pb共晶焊锡的润湿性要来得差。表1-3是无铅焊锡和Sn-Pb共晶焊锡在润湿性上的比较。表1-3无铅焊锡与Sn-Pb共晶的润湿性比较合 金 系 列润湿扩展率(%)性質质Sn-Ag-Cu系列(Sn-3.5Ag-0.7Cu)約添加铜几乎无影响Sn-Ag-Bi系列（Sn-3.0Ag-Bi）約添加15Bi，润湿率则改善到80左右Sn-Pb共晶（Sn-37Pb）以上极好

10、图1-3表示用无铅焊锡焊接时，焊锡流向印制线路板表面（元件组装面）的焊锡的扩伸性可区分为、四种模式。图1-3 焊锡润湿扩展情况的分类B模式A模式阻焊绿油铜箔焊盘焊锡焊盘看不见D模式C模式 用Sn-Pb共晶焊锡焊接时，表示出良好的润湿性，但用无铅焊锡时，大部分是B模式和C模式，不能确保充分的模式C的润湿性。鉛因无铅焊锡的润湿性差，故焊锡通过通孔向上润湿的能力不行，这种状态称为扩伸量不足。 在手焊工序上，要充分理解无铅焊锡的不易润湿的性质并熟悉加热温度、焊锡供给量以及作业时间安排，做到使润湿性达到最佳也是重要的。使用无铅焊锡进行自动焊接的基础知识Q 2.1请介绍用无铅焊锡进行再流焊的情况。无铅焊锡

11、熔点高这一点是个问题。例如Sn-3.5Ag-0.7Cu（熔点219）比Sn-Pb共晶焊锡（熔点183）高36。这样，焊接温度的设定值高，至今不成为问题的印制电路板和组装元件受热损伤的危险性就将提高。因此，不能过高提高加热温度。另外，因搭载元件的热容量不同，所以焊接接合部温度会产生偏差。无铅焊的要点是严格管理使这种温度偏差尽量小。図图2-1举例示出了无铅焊温度履历曲线一例。加热温度分为预热温度和主加热温度，对温度和时间要进行正确的设定管理。特别是从开始加热到达图中的A点后，过去进行的方法是在不变的温度下进行预热，然后从B点开始上升到焊接温度C，用此方法难于作到到达C点为止的温度偏差最小。因此，现

12、在从A点开始，温度徐徐上升，到达C点前，基板各处接合处温度偏差将最小，这种方法是现在的主流。这时，从A点到C点的温度上升是重要的管理项目。温度焊接温度 250 230无铅 预备加热 183Sn-Pb时间（） 图2-1 再流焊的温度履历曲线一例使用无铅焊锡进行自动焊接的基础知识Q 2.2请介绍用无铅焊锡进行波峰焊的情况。与用Sn-Pb共晶焊锡相比，用无铅焊锡进行波峰焊时因熔点高，对印制线路板和组装元件都将导致热损伤，成为问题。一般说元件的耐热性（耐热可靠性）随元件而异，但大大超过250是危险的。因此，无铅焊锡的加热温度也以250以下作为目标。図 图2-2为用无铅焊锡进行波峰焊的温度履历曲线的一例

13、。预热温度 基板背面（焊接面）120焊锡槽温度 240250 焊接时间 约35秒另外，受装置的构造和周围的室温环境的影响很大，焊槽的表面温度下降和表面氧化物（焊渣）的大量产生等都是无铅焊特有的问题。秒约秒焊接时间波波焊接温度240120预备加热传送带移动方向図图2-2波峰焊的温度履历曲线 在波峰焊焊接时发生的主要不良现象如下所定润湿扩展率未润湿的幅度焊缝轮廓线的高度桥接起翘等等。 影响波峰焊装置焊接特性的管理要点如下所示焊锡组成成分的管理（元件电极上银或铜的镀层的溶解等）气氛（室温、N2环境）的管理输送带速度的管理焊渣（氧化物）的管理接合温度的管理助焊剂的管理等等。无铅焊接特有的问题点Q 3.

14、1金属间化合物层的异常生成是怎么回事。図图3-1QFP引脚接合部的反射电子图像 （Sn-3.5Ag-5Bi焊锡、再流焊温度230）()再流焊后（镀有Sn-10Pb的引脚）()高温放置1000小时後(镀有Sn-10Pb的引脚)（C）高温放置1000小时後(镀有Au/Pd/Ni的引脚）照片尺寸20m用Sn-Pb焊锡焊接时，在熔化焊锡和引脚或焊垫的界面，适度地生成Cu3-Sn或Cu6-Sn5等金属间化合物层从而得以接合。用无铅焊锡焊接时金属间化合物层生成的机理也是相同的。但是，在焊锡和被接合材料表面的镀层成分组合上，由于金属间化合物的异常成长，可能会引起可靠性的劣化。已经知道，镀Sn-Pb焊锡的元件

15、引脚或元件电极和含Bi的无铅焊锡组合时，这种现象会显著出现。図图3-1(a),(b)是用Sn-3Ag-5Bi焊锡对Sn-10Pb镀层的引脚进行再流焊的例子。図 图（a）是表示再流焊后的组织结构図 图（b）表示在高温下放置（125的气氛中放置试验）1000小时后的接合处组织。引脚焊垫间厚厚地生成Cu6-Sn5，并有裂缝发生。図图(C)表示镀有Au/Pd/Ni引脚用Sn-3Ag-5Bi焊锡进行焊接，在高温下放置1000小时后的接合处组织。这里未发现有金属加化合物层的异常成长。无铅焊接特有的问题点Q 3.2何谓起翘现象。焊接时，在焊接凝固过程中，焊缝边缘有时从印制线路板焊盘上剥离，称此为起翘现象。特

16、别在使用含Bi的熔点低的焊锡合金进行焊接时，这种现象会经常发生。但是，严格地说不仅是Bi，其他焊锡也发生。不含Bi的Sn-Ag-Cu焊锡，Sn-Cu焊锡的场合，当元件引脚表面镀有Sn-Pb时，这种现象也会发生。用图3-2说明在进行插入组装时，发生起翘现象的道理。图3-2 在插入组装基板上的起翘现象元件引脚焊缝轮廓Bi缺乏凝固方向热收缩焊垫热收缩熱収縮基板 板Bi浓印制线路板上的焊锡凝固比较慢时，凝固进行的不均匀，在凝固过程中，会有低温凝固部分的产生，这一部分最后凝固。另外，印制线路板的接合处会发生焊缝边缘的凝固收缩和引脚的热收缩，以至最后在凝固的部分产生了使焊锡边缘剥起的拉力。例如含Bi的焊锡

17、在凝固过程中Bi的浓度变浓，以至这部分最后凝固，这时就可以考虑是熔融状态的焊锡在焊盘处隆起导致剥离的发生。用无铅焊锡进行手焊的基础知识Q 4.1 请介绍用无铅焊锡进行手焊作业与用Sn-Pb共晶焊锡的不同之处。手焊时用无铅焊锡与用Sn-Pb共晶焊锡两者相比较的不同点（注意点）示于表4-1。用无铅焊锡进行焊接，有使作业性变坏的倾向，为了弥补这一点，就需要有焊接技巧。表-鉛用无铅焊锡和用Sn-Pb共晶焊锡进行手焊的不同点No不同点（注意点）对対策熔化的时限慢。这是熔点高引起的，熟练最重要。润湿性差。移动烙铁头，使接合处全体温度上升，须对润湿性给予弥补。焊锡供给量难控制。选择对于接合处恰当的线状焊锡直

18、径和烙铁。加热和焊锡供给的时机重要。通孔内部的润湿扩展特别差。烙铁头对准近通孔处，极快地给通孔供给焊锡。修正焊接时，从通孔去除焊锡困难。采取恰当地使用吸焊带的方法和加热方法,另外，还希望使用吸引式器具。烙铁头极易炭化。因为设定温度高，烙铁头上的助焊剂容易炭化，所以作业后烙铁头要用焊锡覆盖。与Sn-Pb系焊锡相比，表面无光泽，难于判断是否是过热现象。因此，难于区分加热温度的好坏。认识用无铅合金焊接的表面为如图4-1所示的外观。Sn-3.0Ag-3.0BiSn-37Pb 共晶Sn-3.5Ag-0.7Cu図图4-1鉛无铅焊锡与Sn-Pb共晶的外观比较用无铅焊锡进行手焊的基础知识Q 4.2请介绍无铅焊

19、锡手焊时的设定温度。如图4-2 所示，无铅焊接有3个重要温度。焊锡熔融温度 Sn-Pb共晶焊锡的熔点为183，但无铅焊锡Sn-Ag-Cu系时的熔点约为220，高30以上。恰当的接合温度所谓恰当的接合温度，不是指进行焊接的热源温度，而是指接合地方的实际温度。由焊锡熔点和元件的耐热温度决定。焊锡的熔点10恰当的接合温度元件的耐热温度烙铁头的设定温度手焊时，从加热的烙铁头向焊接接合处传热，加热到恰当的接合温度。烙铁头温度过高时，接合处温度上升过快，焊锡供给以及烙铁离开的时间短才行、因而难于掌握。另外，烙铁头温度过低时，接合处温度上升慢，但此时热也同时传给元件，元件将会由于过热而损坏。因此，须考虑加热

20、时间，来设定烙铁头的温度。现在使用的烙铁头的设定温度是以比恰当的接合温度约高100作为标准的。但是，要对照实际的接合部分的大小选择恰当的烙铁头形状和大小（热容量）。最佳焊接温度烙铁头的设定温度a.过量加热(焊接部位的热容量比烙铁的热量要来得小时)C.加热不足(焊接部位的热容量比烙铁的热量要来得大时)b.加热恰当(焊接部位的热容量与烙铁的热量处于最佳时)焊接的时间烙铁的温度焊锡的熔融温度图4-2 关于烙铁头温度和恰当接合温度以及焊锡熔融温度的说明图 （无铅焊锡手焊的一个例子）用无铅焊锡进行手焊的基础知识Q 4.3请具体介绍用无铅焊锡进行手焊的注意事项）烙铁头的维护 用无铅焊锡进行手焊时，因为烙铁

21、头设定温度高，所以烙铁头附着的助焊剂的炭化进行得很快。焊接时即使用力按着覆盖着炭化膜的烙铁头使其与焊点接触，热也不能充分传过去。重要的是，不使用时，烙铁头一定用焊锡覆盖烙铁头，有黑炭化发生时用酒精及其他熔剂浸湿的棉纸轻轻擦使焊锡润湿扩展。烙铁头的维护对焊接作业效率和接合处的质量有很大的影响。）对基板和元件的均匀加热 当用润湿性差的无铅焊锡焊接大幅电路和焊垫，或设计的焊盘比元件电极要大得多时为了使其全面润湿，烙铁头移动范围要比过去大，须使接合处全体温度上升。图4-3表示在插入组装中焊垫的焊接步骤。烙铁头前端对准接合处，按的顺序供给焊锡。这时折弯引脚前端附近边缘润湿扩展差，容易产生润湿不良。离开烙

22、铁头的地方，加热不足，成为润湿不良的原因。45°(a) 折弯圆型焊盘45°(b) 椭圆型焊盘图4-3 举例插入组装的焊盘焊接这种情况，要按图4-3-（a）所示，将烙铁头向折弯引脚前端方向移动，以至接合处全体都均匀地得以加热。 另外，如图4-3(b)所示，在大焊盘上焊接时，焊锡要大范围移动着供给。用无铅焊锡进行手焊的基础知识Q 4.4请说明如何使扁形引脚根部润湿得好？无铅焊锡与Sn-Pb共晶焊锡相比，润湿性差，如以上所说明。特别是对表面组装中的QFP和小型晶体管这种扁引脚的焊接，烙铁头对着引脚头部进行焊接时，引脚根部远离热源。正是这一原因，即使用Sn-Pb共晶焊锡时，根部焊垫

23、也有润湿不到的倾向，操作人员鉴定考核中认可借助液体助焊剂进行焊接。在无铅焊接中，润湿扩展不到的现象特别显著。因此,由于加热方法的关系，在焊锡润湿差的扁形引脚场合，可预先在焊垫上涂敷助焊剂。烙铁头热源温度降低，润湿性差図图4-4表示表面组装元件的扁形引脚的焊接步骤。烙铁头前端对准引脚头，边向供给焊锡，边把烙铁头向箭头方向移动。焊锡量供给的控制需很熟练，可在实际技能训练中熟练起来。对这种微细焊盘和印制线路板进行焊接时，因为很容易由于过热而使电路部分发生剥离，所以重要的是用极短的时间加热。另外，扁形引脚上部润湿不到时，预先涂敷液体助焊剂是有效的。45°SOP或小型晶体管时，预先涂敷助焊剂図

24、图4-4 表面组装电子元件的焊接例子为使焊垫和引脚同时加热，烙铁头要对准引脚前端，用这一方法进行的话，引脚前端也易润湿。用无铅焊锡进行手焊的基础知识Q 4.5请介绍焊接地方的修整方法焊接失败时，或用钳式加热机将片状元件取出，或用手动焊锡吸引机、自动焊锡吸引机以及吸焊带等去除焊锡。本教材对操作人员考核中使用的吸焊带有关问题进行说明。吸焊带按图4-5所示的步骤使用。吸焊带用过的部分留着继续作业时，吸焊带会夺取热量，焊锡有时会有不熔化的现象发生。使用完的部分需每次都只留少量焊锡，其余都要剪掉是重要的。特别是由于无铅焊锡熔点高，对往常的作法要补充的是吸焊带或烙铁头需慎重地操作。例如，对在除去通孔内焊锡

25、困难时，进一步提高加热温度虽可能去除焊锡，但从组装元件或基板材料的耐热性考虑，若任意提高加热温度，则是危险的。另外，在作业时，烙铁头长时间在焊垫上擦动加热的话，焊盘会有被损坏的危险。这种情况时的修整方法为先尽量把焊锡予以除去，向元件侧的通孔内涂敷助焊剂，然后再从焊接面正式焊接。(a)前端加少量焊锡(b)约45度剪断(c)使用过部分剪断（）使用部分切断（）(d)吸焊带的使用方法）吸焊带的前端按如图（a）所示那样加上焊锡。）按图（b）所示那样，沿大约45度角切断，前端留下少量焊锡。）将剪尖的吸焊带前端放在要修正地方的焊锡上，按图（d）所示那样，将烙铁头放在吸焊带上并保持与印制电路板板面平行，使吸焊

26、带在慢慢移动过程中吸取焊锡，这样就可在不损伤基板的情况下，将焊锡去除。）吸焊作业后，按图（c）所示那样，吸焊带前端只留少量焊锡，其余剪掉。図图4-5用吸焊剂去除焊锡的方法无铅手焊的接合处外观及其他不良项目的基础知识Q 5.1请说明焊缝轮廓前端的接触角。図图5-1-1焊缝轮廓前端的润湿接触角（）直插引脚的润湿情况（）折弯引脚的润湿情况电路 元件引脚 焊盘 线条 焊缝轮廓加热不足造成的极端润湿不足应评为不良焊盘元件引脚（）折弯引脚的润湿情况（）直插引脚的润湿情况図图5-1-2 润湿不良实例无铅焊锡与Sn-Pb焊锡相比，表面张力大，润湿性差，因而引脚和焊锡界面处的焊锡接触角大。因此，在如图5-1-1

27、（）（）所示的实例中，若用肉眼观察焊缝轮廓，则在母材和焊锡的分界线可观察到线条，有时会误认为是润湿不良。特别在折弯引脚的侧面这一现象明显出现。图5-1-2示出润湿不良的实例。在润湿界面处，焊锡接触角超过90度的情况为润湿不良。元件引脚焊锡未润湿焊线焊线元件引脚焊锡无铅焊锡手焊的接合处外观及其他不良项目的基础知识Q 5.2加热过度造成的粗糙表面具有何种外观？用无铅合金焊锡特别是Sn-Ag和Sn-Ag-Cu系的合金焊锡焊接后会在表面呈现白色粒状模样。这是冷却时生成的特有的表面组织。在恰当的作业条件下进行焊接时，在表面呈现银色细微组织。但加热时间非常长或反复几次进行修整作业时，随着表面的氧化，表面呈现鲨鱼片状或粒状极端粗糙的外观。这种情况就判断为不良。加热中止加热开始焊锡供给焊锡熔融温度恰当的加热温度12秒通常秒(最大秒以内)尽可能短的时间图5-2 加热温度和焊接図图5-2所示，接合处温度一般从加热、焊锡开始熔化起约12秒时到达最佳接合温度。加热时间长，则接合处温度再上升就成为过热，元件和基板就有劣化损坏的危险。焊接时最