1 免清洗技術是實現完全淘汰ODS的最佳途徑之一
1．1 淘汰ODS清洗是我國政府對國際社會的鄭重承諾
    當今危害人類生存環境的全球問題之一，是臭氧層被破壞。為了保護臭氧層， 國際社會于1987年制定了《關于消耗臭氧層物質蒙特利爾議定書》。我國政府于1991年6月加入了該議定書，承諾履行自己的國際義務，按照國際公約逐步淘汰消耗臭氧層物質(ODS)。1999年12月在北京召開了第十一次締約國大會，全球176個國家和有關組織參加了會議，并通過了《北京宣言》。江澤民主席代表中國政府到會發表了重要講話，闡明了中國政府的立場。保護臭氧層，加快淘汰ODS進程，是我國應盡的國際義務，也是我國經濟建設可持續發展的迫切要求。
    截止到1997年12月，發達國家已經基本停止使ODS，從而使我國成為了目前世界上最大的ODS生產國和消費國，一些西方國家已經對我國的出口產品使用ODS加以限制，出現了對使用ODS產品退貨的情況。電子信息產業眾多企業大量使用ODS清洗劑，而且地域分布廣，規模大小不一，清洗工藝各不相同。我國政府在《中國消耗臭氧層物質逐步淘汰國家方案》中莊嚴承諾，2005年部分淘汰和2009年全部淘汰ODS的生產和消費，到2006年一月一日起清洗行業全部停止使用CFC—113和1．1．1三氯乙烷，這是電子企業面臨的最大挑戰，是一項緊迫而艱巨的任務。
  1.2 淘汰ODS清洗的替代技術
    根據聯合國“蒙特利爾”協議精神，20世紀80年代末90年代初工業發達國家先后研制開發了下列四種主要替代技術，并已廣泛應用在電子清洗工藝中。
    a. 水洗技術
    b．半水洗技術
    c．非ODS有機溶劑清洗
    d. 免清洗技術
    在這些替代技術中，水洗和半水洗的設備投資大，占地面積大，耗電能大 (50100KW)，耗水多，而且還要進行水處理和廢水處理。如果廢水不經處理直接排放，將造成新的污染源。而非ODS有機溶劑清洗，其溶劑本身成本高，存在揮發性有機物(VOC)的污染和工作操作安全等問題，而且HCFC也只是一種過渡性替代物，已被列為2040年最終全部淘汰的清洗溶劑之一。而免清洗技術因具有簡化工藝流程，降低了生產成本(節省了水洗設備和清洗溶劑，而且減少了助焊劑的用量)，節省生產工時，縮短生產周期，對環境無污染等優點，受到各國的普遍重視。實踐證明，前三種清洗技術只是過渡時期的技術，從長遠來看，應首選免清洗技術，以達到最終不使用ODS的目的，對于替代ODS清洗來說是一步到位技術。免清洗技術在國內外電子產品中已經得到用戶的信賴，已成為公認的當今替代ODS清洗的有效途徑，將會得到更加廣泛的應用，是今后發展的方向。
1．3 免清洗焊接技術
    免清洗技術是一個新概念、新技術，不同于不清洗。如果說當人們認識到清洗對提高電子產品質量的重要性，由焊后不清洗發展到清洗是一次飛躍，那么，現再由清洗發展到免清洗將是一次新的飛躍，決不是倒退，更不能以降低產品質量為代價。免清洗工藝是相對于傳統的清洗工藝而言，是建立在保證原有產品質量要求的基礎上簡化工藝流程的一種先進技術，而決不是簡單地取消原來的清洗工藝的不清洗。免清洗技術應用新材料和新工藝來達到以往焊后需要清洗才能達到的質量要求，而不清洗只是適用于某些低檔消費類電子產品，雖然省去了清洗工序，卻相對降低了產品的質量。
    免清洗技術包括免清洗波峰焊技術和免清洗回流焊技術。前者由傳統波峰焊接發展而成，通過對原有的波峰焊設備進行技術改造或更新波峰焊機，采用低固物含量，不含任何鹵化物，焊后僅有微量無腐蝕性殘留物，而且焊后表面絕緣電阻高的免清洗助焊劑，以達到免清洗效果，主要解決通孔插裝元器件和混裝聯技術中固化表面元器件的波峰焊接。后者是SMT裝配中的重要工藝環節，通過采用低固物含量，不含任何鹵化物、焊后僅有微量無腐蝕性殘留物。而且焊后絕緣電阻高的免清洗焊膏和工藝控制來達到免清洗效果，主要解決表面貼裝元器件的回流焊接。
1．4 免清洗焊接技術是一個系統工程
    免清洗工藝的實現不僅依賴于免清洗助焊劑(焊膏)，還依賴于焊接設備、元器件、PCB板、工藝流程和工藝參數、工藝環境、工藝管理等諸多因素。免清洗焊接技術是將材料、設備、工藝、環境和人力因素結合在一起的綜合性技術，是一個系統工程，其核心內容有：
  1．4．1 選擇合適的免清洗助焊劑(焊膏)
    免清洗焊接材料的核心是免清洗助焊劑(焊膏)。隨著免清洗技術的發展，低固物含量、無鹵化物、無松香或有機合成樹脂的免清洗助焊劑(焊膏)已經商品化，并且國內市場上銷售的品牌和種類越來越多，因此，如何根據產品質量要求和企業現有的設備狀況選擇合適的免清洗助焊劑(焊膏)是成功應用免清洗技術的關鍵因素之一。應該首選經電子工業材料質量監督檢測中心(天津電子46所)按免清洗類助焊劑(焊膏)技術條件檢測合格的產品，可以多選幾種進行焊接質量對比實驗，擇優選取性能價格比好、供貨及時、質量穩定、售后服務好的生產企業作為合格供應商。另外，要注意助焊劑的貯存期，以保證免清洗助焊劑(焊膏)的效能。
  1．4．2 選擇恰當的涂敷工藝及其焊接設備
    采用免清洗助焊劑后，助焊劑的涂敷就變得十分重要，這將會直接影響到焊后質量。實踐證明以下二種助焊劑涂敷方式在免清洗工藝中都是成功的。
  a) 發泡式
    目前眾多的生產企業使用的波峰焊機裝有發泡式涂敷助焊劑裝置。這些設備只要清洗干凈，對發泡裝置不加改造或稍加改造即可用于免清洗工藝，投資少。采用發泡工藝的缺點是助焊劑的用量不易控制，涂敷不均勻，在PCB板上有殘留助焊劑，給免清洗工藝帶來明顯的影響。更換孔徑細密的發泡管(20m，北京晶英公司可提供)，使發泡細密，調節發泡高度為不超過PCB板厚度的1／3，使泡沫正好沾著PCB板底部，不翻上PCB板頂部，涂敷均勻，則能使焊劑殘留減至最少，又能獲得較好的焊接效果。另外，發泡式裝置是開啟式的，助焊劑中溶劑極易揮發，需定時測量助焊劑的密度，添加稀釋劑來調正其密度，以保證達到最佳焊接效果。同時因吸收空氣中水分和落入灰塵等雜質極易使助焊劑變質，使用一段時間后需要更換助焊劑，造成一定的浪費。
  b)噴霧式
    通過噴霧裝置將霧狀的助焊劑送到PCB板焊接面上，其霧化程度，噴霧寬度、噴霧量、預熱溫度等均可調節，這種涂敷工藝，涂敷很均勻，而且可以節約助焊劑 (比發泡式可以節省50—65％)，焊后板面相當干凈，也不需要象發泡式那樣定期更換助焊劑或添加稀釋劑。助焊劑是完全封閉在加壓的容器中，不必考慮溶劑的揮發和吸收大氣中的水分，這樣助焊劑成分不變，一次加入后可以直到用完為止。使用噴霧涂敷工藝，需要具有良好的通風裝置，將揮發的易燃的溶劑蒸氣排除出去。噴霧式涂敷助焊劑的優點是顯著的，是實現免清洗工藝最佳涂敷方式，是今后涂敷助焊劑工藝的主流。對于老式的發泡式波峰焊接機，可以拆除發泡裝置改裝噴霧裝置來實現噴霧涂敷助焊劑工藝，但是如果設備已經陳舊，到了需要更新的階段，這種辦法是不可取的，也不經濟，不如直接更新改造，購置一臺帶噴霧裝置的新式波峰焊接機更好。
    除上述二種助焊劑涂敷方式外，國內尚有浸涂或刷涂的方式涂敷助焊劑，這種方式很難控制助焊劑的涂敷量，極易造成因涂敷助焊劑過多而造成焊后殘留物多，影響PCB板的表觀質量。因此需要經過工藝試驗，包括適當增加稀釋劑用量來減少焊后的殘留物。
  1．4．3 選擇合適的工藝參數
    焊接工藝參數主要有：助焊劑活性(PH值)、預熱溫度、波峰焊接溫度、助焊劑的發泡高度(或噴物量)、釬料的波峰高度(H)及壓錫深度、牽引角、傳動速度和焊接時間、釬料槽中的合金成分等，這些都是保證焊接質量的諸多因素。采用免清洗助焊劑，調正好波峰焊接設備的各項參數顯得尤為重要，預熱溫度是達到其成功運作效果的重要環節。免清洗助焊劑是一種低固含量的助焊劑，其活性較松香助焊劑弱，在焊接過程中，隨著預熱溫度的升高，助焊劑逐漸開始激活，當達到預熱溫度時，活性物質釋放出來，同時溶劑成分開始氣化，在PCB板上只留下微量的殘余物。由此可見，預熱溫度是免清洗工藝中最重要的環節。預熱溫度一般在95105(指元件面溫度)，焊接溫度在25015。
    實踐證明，在空氣中進行免清洗工藝是可以獲得良好的焊接效果的。但是，因為免清洗助焊劑的活性相對于松香助焊劑等高固含量助焊劑的活性要弱一些，因此采用惰性氣體(如N2)保護焊可以進一步提高焊接質量。其優點是，減少焊時的氧化，提高焊點質量，減少焊接缺陷，減少焊后殘留物，提高產品的外觀質量，尤其是細間距器件的焊接效果更為明顯。
  1．4．4 配以適當的工藝準備和工藝管理
    要獲取良好的免清洗工藝效果，除了焊接過程中設備和工藝參數的調整、控制外，在工藝準備階段的材料控制和裝焊過程中的環境控制同樣十分重要。
    首先元器件引線(焊接端面)應符合可焊性要求，最好能在恒溫干燥的條件下保存，使其免受污染和老化，存放期一般不超過六個月；PCB板應在有效存放時間內保證其表面潔凈度和可焊性要求，插裝(貼裝)前進行干燥處理。這是獲取免清洗焊接成效的首要條件。在裝焊過程中，要注意控制生產環境，盡量避免人為的污染，如手跡、汗跡、灰塵等。因此加強工藝管理十分重要，否則會影響免清洗工藝的效果。
1．4．5 應選用免清洗焊錫絲與之配套
    手工焊接或波峰焊接、回流焊后的焊點返修，應選用免清洗焊劑芯的焊錫絲，減少手工焊或返修后的殘留物。采用免清洗波峰焊(回流焊)后用非免清洗焊錫絲進行手工焊或修補焊點是不可取的，這樣會造成板面污染。
1．5 免清洗焊接技術的新發展
    目前使用的免清洗助焊劑的溶劑均為醇類溶劑，如乙醇、異丙醇等，都是揮發性有機物(VOC)，對生態環境有一定的影響。隨著人們環境意識的不斷提高和切
  實保護地球村環境不受侵害，歐洲已提出了限制使用VOC，在不久的將來對使用VOC要征收生態環境稅，這必將增加產品的制造成本。在此背景下，比利時INTERFLUX公司成功地開發了以水替代醇類溶劑的IF2008免清洗助焊劑，使之成為真正的綠色環保產品。
    IF2008水基免清洗助焊劑，不含任何鹵化物，無毒、無刺激性氣味，而且水不會燃燒和爆炸，消除了使用現有焊劑會產生火災和爆炸的危險。無VOC，不污染環境，也不會與PCB的阻焊膜發生化學反應。IF2008水基免清洗助焊劑更適用于無鉛焊接工藝中使用。采用水基免清洗助焊劑完全滿足ISO14000標準的要求。
    無VOC免清洗助焊劑是發展方向，它的推廣應用促使了免清洗焊接的新發展。目前IF2008綠色環保型水基免清洗助焊劑的應用工藝瓶頸已經突破，為推廣應用水基免清洗助焊劑鋪平了道路。
1．6 存在的主要問題
  1．6．1 企業缺少對淘汰ODS重要性的認識，沒有緊迫感。
    有關部門調查表明，我國許多企業仍在大量使用ODS，有的企業不知道什么是ODS，不知道淘汰ODS的重要性和緊迫性，甚至在新建項目中還準備采用ODS清洗工藝。因此，除了加大政府的宏觀調控作用，加強對清洗行業的指導作用外，當務之急是要提高企業對淘汰ODS工作的重要性的認識和參與工作的積極性，加速全面淘汰ODS清洗劑的進程。
  1．6．2 觀念模糊，概念不清，免清洗尚無確切的定義和相關標準。
    免清洗技術與傳統的清洗技術相比，其優點是顯而易見的。這種新工藝的實施不僅可以保護環境，改善生產條件，而且可以降低生產成本，保證產品質量，這已被國內外廣泛證明。但是，它畢竟是一項全新的工藝技術，習慣于舊有模式的人會提出諸如新工藝的實施能為企業和制造工藝技術帶來什么影響，會不會提高制造成本。實際上，推廣這項新工藝關鍵在于徹底改變人們對焊接工藝的認識，充分掌握免清洗技術的內涵，提高解決實際問題的能力，正確選擇關鍵材料，主要是免清洗助焊劑和焊膏，這是至關重要的。目前存在的主要問題是免清洗尚無確切的定義，有關免清洗焊接技術和免清洗焊接材料的產品標準不全，沒有形成系列標準，有關焊后清潔度等級標準和檢測方法也沒有制定，給推廣應用免清洗技術增加了難度，迫切需要編制免清洗技術的相關標準，以便規范免清洗材料的生產和應用。免清洗技術是發展方向，是淘汰ODS的最佳途徑之一。該技術的大力推廣和應用，將會推動我國盡早淘汰ODS的進程，這對增加企業經濟效益和對保護地球環境的貢獻具有深遠的意義。
  2．無鉛焊接技術是軟釬焊的發展方向
  2．1 無鉛焊料的研制與應用動態
    焊料從發明到使用，已有幾千年的歷史。Sn／Pb焊料以其優異的性能和低廉的成本，一直得到人們的重用，現已成為電子組裝焊接中的主要焊接材料。但是，鉛及其化合物屬于有毒物質，長期使用會給人類生活環境和安全帶來較大的危害。從保護地球村環境和人類的安全出發，限制使用甚至禁止使用有鉛焊料的呼聲越來越強烈，這種具有悠久應用歷史的Sn／Pb焊料，將逐漸被新的綠色焊料所替代，在進入二十一世紀時，這將成為可能。
    人體通過呼吸，進食，皮膚吸收等都有可能吸收鉛或其化合物，鉛被人體器官攝取后，將抑制蛋白質的正常合成功能，捐害人體中樞神經，造成精神混亂、呆滯、生殖功能障礙、貧血、高血壓等慢性疾病。鉛對兒童的危害更大，會影響智商和正常發育。
    電子工業中大量使用的Sn／Pb合金焊料是造成污染的重要來源之一，在制造和使用Sn／Pb焊料的過程中，由于熔化溫度較高，有大量的鉛蒸氣逸出，將直接嚴重影響操作人員的身體健康。波峰焊設備在工作中產生的大量的富鉛焊料廢渣，對人類生態環境污染極大。近年來有關地下水中鉛的污染更引起人們的關注，除了廢棄的蓄電池大量含鉛外，丟棄的各種電子產品PCB上所含的鉛也不容忽視。以美國
為例，每年隨電子產品丟棄的PCB約一億塊，按每塊含Sn／Pb焊料10克，其中鉛含量為40％計算，每年隨PCB丟棄的鉛量即為400噸。當下雨時這些鉛變成溶于水的鹽類，逐漸溶解污染水，特別是在遇酸雨時，雨中所含的硝酸和鹽酸，更促使鉛的溶解。對于欽用地下水的人們，隨著時間的延長，鉛在人體內的積累，就會引起鉛中毒。
    二十世紀九十年代初，由美國國會提出了關于鉛的限制法案，并由工作小組著手進行無鉛焊料的研究開發活動。目前，美國已在汽車、汽油、罐頭、自來水管等生產和應用中禁止使用鉛和含鉛焊料。但該法案對電子工業產生的效能并不大，在電子產品中禁止使用含鉛焊料進展緩慢。歐洲和日本等發達國家對焊料中限制鉛的使用也很關注。對于居住環境意識較強的歐洲，歐盟于1998年通過法案，已明確從2004年1月1日起任何制品中不可使用含鉛焊料，但因技術等方面的原因，在電子產品中完全禁止使用鉛有可能推遲至2008年執行。在無鉛焊料研究和應用方面，日本走得最快。為了適應市場的需要，擴大市場份額，日本提出了生產綠色產品的概念。松下電器、日立、NEC、富士通等各大公司紛紛降低了鉛的使用，并制訂了無鉛化的進程計劃，從2000年開始已在部分產品生產中使用無鉛焊料。
    此外，隨著微細間距器件的發展，組裝密度愈來愈高，焊點愈來愈小，而其所承載的力學、電學和熱學負荷則愈來愈重，對可靠性要求日益提高，但傳統的Sn／Pb合金的抗蠕變性差，不能滿足近代電子工業對可靠性的要求。因此，無鉛焊料的開發和應用，不僅對環境保護有利，而且還擔負著提高電子產品質量的重要任務。
    近幾年來有關無鉛焊料的研究工作發展很快，世界上各大著名公司、國家實驗室和研究院所都投入了相當的力量開展無鉛焊料的研究。國內外的已有的研究成果表明，最有可能替代Sn／Pb焊料的無毒合金是Sn基合金。無鉛焊料主要以Sn為主，添加Ag、Zn、Cu、Sb、Bi、In等金屬元素。通過焊料合金化來改善合金性能，提高可焊性。由于Sn—In系合金蠕變性差，In極易氧化，且成本太高；Sn—Sb系合金潤濕性差，Sb還稍具毒性，這兩種合全體系的開發和應用較少。實際上二元系合金要做成為能滿足各種特性的基本材料是不完善的，目前最常見的無鉛焊料主要是以Sn—Ag、Sn—Zn、Sn—Bi為基體，在其中添加適量的其它金屬元素所組成的三元合金和多元合金。如果單純考慮可焊性，能替代Sn／Pb共晶焊料的無鉛焊料很多，如下表所示。
    綜觀Sn—Ag、Sn—Zn、Sn—Bi三個體系無鉛焊料，與Sn—Pb共晶焊料相比，各有優缺點。Sn—Ag系焊料，具有優良的機械性能，拉伸強度，蠕變特性及耐熱老化性都比Sn—Pb共晶焊料優越，延展性比Sn／Pb共晶焊料稍差，但不存延展性隨時間加長而劣化的問題。Sn—Ag系焊料，熔點偏高，通常比Sn—Pb共晶焊料要高30—40℃，潤濕性差，而且成本高。熔點和成本是Sn—Ag系焊料存在的主要問題。Sn—Zn系焊料，機械性能好，拉伸強度比Sn—Pb共晶焊料好，與Sn—Pb焊料一樣，可以拉制成線材使用；具有良好的蠕變特性，變形速度慢，至斷裂的時間長。該體系最大的缺點是Zn極易氧化，潤濕性和穩定性差，且具有腐蝕性。Sn—Bi系焊料，實際上是以Sn—Ag(Cu)系合金為基體，添加適量的Bi組成的焊料合金，合金的最大的優點是降低了熔點，使其與Sn—Pb共晶焊料相近；蠕變特性好，并增大了合金的拉伸強度，但延展性變壞，變得硬而脆，加工性差，不能加工成線材使用。總之，目前雖然已開發出許多可以替代Sn—Pb合金的焊料，但尚未開發出一種完全能替代Sn／Pb合金的高性能低成本的無鉛焊料。
2．2 無鉛焊料應具有的基本性能
    為了實現保護環境和提高產品質量為目的，并考慮電子組裝工藝條件的要求，無鉛焊料的基本性能應滿足以下條件：
    a)熔點低，合金共晶溫度近似于Sn63／Pb37的共晶溫度183，大致在180℃220℃之間。
b)無毒或毒性很低，所選用的材料現在和將來都不會污染環境。
  c)熱傳導率和導電率要與Sn63／Pb37的共晶焊料相當。
  d)具有良好的潤濕性。
  e)機械性能良好，焊點要有足夠的機械強度和抗熱老化性能。
  f)要與現有的焊接設備和工藝兼容，可在不更新設備不改變現行工藝的條件下進行焊接。
  g)與目前使用的助焊劑兼容。
  h)焊接后對各焊點檢修容易。
  i)成本要低，所選用的材料能保證充分供應。
    這是研制開發無鉛焊料的方向，要做到滿足以上七點要求，有一定的難度。因此，對性能、成本均理想的綠色焊料的研制已成為研究的熱點。
2．3 影響無鉛焊接技術應用的有關因素
    電子組裝焊接是一個系統工程，對無鉛焊接技術的應用，其影響因素很多，要使無鉛焊接技術獲得廣泛應用，還必須從系統工程的角度來解析和研究以下幾個方面的問題：
  a)元件：目前開發已用于電子組裝用的無鉛焊料，熔點一般要比Sn63／Pb37的共晶焊料高，所以要求元件耐高溫，而且要求元件也無鉛化，即元件內部連接和引出端(線)也要采用無鉛焊料和無鉛鍍層。
  b)PCB：要求PCB板的基礎材料耐更高溫度，焊接后不變形，表面鍍覆的無鉛共晶合金材料與組裝焊接用無鉛焊料兼容，而且要考慮低成本。
  c)助焊劑：要開發新型的氧化還原能力更強和潤濕性更好的助焊劑，以滿足無鉛焊料焊接的要求。助焊劑要與焊接預熱溫度和焊接溫度相匹配，而且要滿足環保的要求。迄今為止，實際測試證明免清洗助焊劑用于無鉛焊料焊接更好。
  d)焊接設備：要適應新的焊接溫度的要求，預熱區的加長或更換新的加熱元件、波峰焊焊槽，機械結構和傳動裝置都要適應新的要求，錫鍋的結構材料與焊料的一致性(兼容性)要匹配。為了提高焊接質量和減少焊料的氧化，采用新的行之有效的抑制焊料氧化技術和采用隋性氣體(例如N2)保護焊技術是必要的。
  e)廢料回收：從含Ag的Sn基無鉛無毒的綠色焊料中分離Bi和Cu將是非常困難的，如何回收Sn—Ag合金又是一個新課題。
    所以，無鉛焊料的實用化進程是否順利，與焊接設備制造商、焊料制造商、助焊劑制造商和元器件制造商四者間的協調作用有很大關系，其中只要有一方配合不好，就會對推廣應用無鉛焊料產生障礙。目前，焊接設備制造商已經開始行動，正在推出或即將推出適應無鉛焊料焊接的回流焊爐。
    此外，采用無鉛焊料替代Sn／Pb焊料在解決污染的同時，可能會出現一系列新的問題。例如Sn／Pb系列焊料中，Sn與Pb對H、Cl等元素的超電勢都比較高，而無鉛焊料中Ag、Zn、Cu等元素對H、Cl的超電勢都很低，由于超電勢的降低而易引起焊接區殘留的H、Cl離子遷移產生的電極反應，從而會引起集成電路元件短路。
    盡管當前無鉛焊料的研究開發和應用正走向深入研究階段，但根據世界各國的開發狀況來看，要在短時間內研制出使用性能超過Sn—Pb共晶焊料的高性能的無鉛焊料是一件困難的事情。全面考慮成本、性能的新型無鉛焊料標準尚未制定，其測試方法和性能綜合評定方法也有待于在繼續的研制及應用過程中得以解決，還有許多工作要做。但是焊接材料的無鉛、無毒化方向已定，沒有別的選擇，只有行動起來，投身到研究、開發、推廣應用無鉛材料的行列中去，為推動我國無鉛焊料的開發和應用，為地球村的環境保護作出應有的貢獻。

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