SMT無鉛焊接工藝過程控制及優(yōu)化

1、SMT無鉛焊接工藝過程控制及優(yōu)化 在實(shí)施無鉛工藝之后，我們必須經(jīng)常跟進(jìn)、監(jiān)察和分析數(shù)據(jù)，以 保持工藝在控制之中。 無鉛焊接已經(jīng)引入了，因此無數(shù)的問題也提出來了。盡管如此， 許多問題還是必須回答的，包括無鉛的定義、它的實(shí)施成本、和甚至 是否所有技術(shù)問題已經(jīng)解決。 但是，實(shí)驗(yàn)繼續(xù)在新的無鉛合金的可靠 性上提供好的數(shù)字。 本文討論成本與能量效應(yīng)， 并展示工藝必須不斷地檢驗(yàn)， 因?yàn)榧?術(shù)與工藝知識在將來會改進(jìn)的。一個標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)模式，比如德明循環(huán) (Demingcycle) ，可用來維護(hù)無鉛焊接工藝的控制， 作出調(diào)整和改進(jìn)， 并在可能的時候?qū)崿F(xiàn)成本的節(jié)約。 材料成本 焊錫 作為一個例子，某種焊接機(jī)的錫鍋含

2、有大約 760 公斤的錫鉛 (SnPb)合金。用SnPb來填滿錫鍋將花大約$3,960美元。SnPb的密度 為8.4g/mm3。用錫銅(SnCu)合金填滿相同的錫鍋需要661公斤，其密 度為 7.31g/mm3: 質(zhì)量=(7.31 - 8.4)x760=661. 結(jié)果是焊錫成本增加 28%或$5,063 美元。其它無鉛替代方案， 如 錫銀(SnAg,135%)和錫銀銅(SnAgCu,145%對焊錫成本的影響甚至更 大。 考慮到焊接點(diǎn)和將SnPb與無鉛進(jìn)行比較，我們可以作下列計(jì)算。 如果形狀相同，那么無鉛合金的質(zhì)量將較少，由于其密度較大。對于 一個SnCU焊接的通孔引腳連接器，焊錫質(zhì)量為：（p

3、SnCuX p SnPb）XmaSSsnPb 因?yàn)楹更c(diǎn)看上去不同，濕潤可能較差，焊點(diǎn)的角度不同，我們必 須驗(yàn)證是否計(jì)算的質(zhì)量差別大約等于焊接點(diǎn)的實(shí)際質(zhì)量增加。 為了證實(shí)，我們焊接一塊有連接器的板（每塊板總共192個引腳）， 稱出焊接前后的重量差別（表一）。重量的增加多少都是所焊接的焊錫。 表一、SnPb與 SnCu的焊接質(zhì)量比較 SnPb SnCu 焊接192個引腳的板， 質(zhì)量增加（克） 1,584 1,296 焊錫成本 100% 128% 焊接470個通孔的板， 每孔的平均質(zhì)量（毫克） 10,382 8,880 焊錫成本 100% 126% 助焊劑 象在所有焊接工藝中一樣，助焊劑起主要的作用

4、?？珊感院秃附?缺陷可以改進(jìn)和減少，如果使用正確的助焊劑。如果我們實(shí)施“綠色” 焊接工藝，我們使用無VOC勺水基助焊劑，它比醇基助焊劑有一些優(yōu) 幾個試驗(yàn)?zāi)壳耙呀?jīng)證明無 VOC的助焊劑與無鉛焊錫比免洗助焊 劑顯示較好的結(jié)果。 特別是對于板上的殘留物和可焊性， 它們是較好 的。一個理由就是應(yīng)用到板上的數(shù)量較少了。 在助焊劑中的活性劑和 化學(xué)物質(zhì)在水中比在醇類中反應(yīng)更有化學(xué)活性。 雖然無VOC的助焊劑 更貴，用這些助焊劑的總成本大約是相同的或甚至更少， 因?yàn)橛糜诤?接的總數(shù)量將減少。 如果可焊性提高， 返工的數(shù)量將減少。 助焊劑數(shù)量減少也將造成 維護(hù)減少。 清潔機(jī)器的零部件將較容易， 可以用熱水而不

5、是化學(xué)品和 儀器來完成。 可是，錫球的數(shù)量隨著無VOC助焊劑的使用而增加。這個增加的 部分原因是工藝中較高的溫度， 使得阻焊 (solderresist) 軟化。 與錫 鉛工藝比較，這些錫球的清除要容易得多。 新的無VOC助焊劑現(xiàn)在正在開發(fā)。助焊劑供應(yīng)商正嘗試將松香溶 解與水基助焊劑， 在錫球數(shù)量上的減少另人贊賞。 這些研究將繼續(xù)下 去，因?yàn)榇蠖鄶?shù)助焊劑供應(yīng)商還沒有成功地找到正確的配方。 元件 對于許多元件，改變引腳的最終表面涂層將不是一個主要問題。 如果發(fā)生對無鉛表面涂層的將來很大的需求， 那么元件供應(yīng)商更可能 在將來轉(zhuǎn)換而不是現(xiàn)在。 因?yàn)榧夹g(shù)是現(xiàn)成的， 這些元件的價格預(yù)計(jì)不 會大幅地增加。

6、 SnAg與 SnAgCi錫球?qū)τ贐GA以乎是SnPb的一個可接受的替代。 對于周邊封裝的替代引腳表面涂層正在研究之中，可靠性和錫須 (tinwhisker) 問題必須解決。 較高的工藝溫度增加對元件潮濕敏感性 性能和封裝完整性的要求?？梢越?jīng)受較高溫度，如 280 C5秒鐘，的 塑料現(xiàn)在正在設(shè)計(jì)，將會把價格推高。因此，需要一種具有高精度(T 較小和良好的傳熱 )的回流焊接爐來運(yùn)行無鉛溫度曲線，滿足較便宜 兀件的規(guī)格。如果能將最咼峰值溫度限制在 245 C,并且將所有的 焊錫按照無鉛錫膏的規(guī)格帶到熔點(diǎn)以上， 那么對于用戶可以得到元件 成本的減少。 板的材料 除了禁止鉛之外，鹵化阻燃劑 (halo

7、genatedflameretardants) 也將從板的材料中消除。 因此，使用無鉛表面涂層的新的板材必須用 較高玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度 (Tg) 來經(jīng)受較高的工藝溫度。 這些新的板材， 以 及無鉛表面涂層，將影響價格。現(xiàn)在還不清楚這些價格將增加多少， 因?yàn)槎鄶?shù)電路板供應(yīng)商還在優(yōu)化板材的選擇與其制造工藝。 氮?dú)?回流焊接爐。在回流焊接中，人們經(jīng)常討論氮?dú)獾谋匾?。一?工藝要求氮?dú)?，因?yàn)樗岣呖蓾駶櫺?，得到較好的焊接點(diǎn)的可靠性。 在其它工藝中， 氮?dú)饪赡茉斐筛嗟呢＜Q立， 因此禁止或控制在一 定水平。 即便在回流焊接工藝中惰性氣體可能有幫助， 但還有問題就是是 否成本合理。在一些國家，氮?dú)獠荒敲促F

8、，如德國，成本大約是 $0.08/m3。在其它國際，比如瑞士，氮?dú)鈨r格大約為 $0.81/m3。相對 勞動力是非常合算的。 最好，一臺爐應(yīng)該可以在空氣和氮?dú)庵羞\(yùn)行?；诔杀镜睦碛?， 應(yīng)該避免惰性氣體。但是， 對于諸如較小與更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，應(yīng)該要有 轉(zhuǎn)向氮?dú)獾哪芰Α?對于氮?dú)鉀]有所謂一般性的說法。 每一個工藝都有其自己特有的 問題與挑戰(zhàn)。 在以可能較高的工藝溫度實(shí)施無鉛焊接之后， 必須回顧 一下氮?dú)獾谋憩F(xiàn)與必要性。 在一個較長的生產(chǎn)時期后， 可以在評估有 關(guān)空氣或一種惰性氣體的決定。 波峰焊接。 和錫鉛焊錫一樣， 當(dāng)焊錫在液體狀態(tài)和高溫時無鉛焊 錫氧化十分迅速。如果不在惰性焊接機(jī)中， 在表面的氧化

9、皮去掉之后， 在波峰上很快會形成新的氧化物。 錫渣中含有由氧化皮發(fā)展的焊錫金 屬單元。對于無鉛焊錫，波上的氧化物可能更容易肉眼看到。 氧化物更容易看到有幾個原因。 首先，在無鉛焊錫中的錫含量比 在錫鉛中更高。 到目前為止， 在焊錫表面上最常見的氧化物是錫氧化 物，氧化錫（Sn0）和SnO。其次，溫度比在錫鉛焊接中更高。較高的 溫度造成更多的氧化，造成更多的錫渣。 錫渣的數(shù)量可以減少。 某些波峰焊接機(jī)裝有一種軸向密封， 消除 在泵軸上形成的錫渣。 其它錫渣是在波峰上形成。 通過減少波的下落 高度，錫渣的數(shù)量將會更少。 下落高度是在波峰上溢出的焊錫到錫面 的距離。 氮?dú)獾氖褂靡矊⑻峁┮恍﹥?yōu)點(diǎn)。 氮

10、氣是成本有效的， 錫渣的數(shù)量 可以減少。因?yàn)檠趸镏皇清a渣中的一小部分，錫渣應(yīng)該壓縮，從氧 化單元中部分地分離出焊錫金屬。 能量消耗 回流焊接爐 回流焊接工藝要求許多能量將印刷電路板（PCB）加熱，之后，更 多的能量需要冷卻板。無鉛焊接要求不同的溫度曲線，因此，不同的 能量消耗。 表二、無鉛與SnPb回流焊接溫度曲線的能量消耗 SnPb溫度曲線 線性SnAgCu溫度 曲線 Sn AgCu溫度曲 線 SnAg溫度曲線 最大坡度： 最大坡度： 最大坡度： 最大坡度： 0-2 C/秒 0-2 C/秒 0-2 C/秒 0-2 C/秒 保溫時間： 保溫時間： 保溫時間： (150- 170 C) (15

11、0- 170 C) (150- 170 C) 30-60 秒 0-60 秒 0-120 秒 液化以上時間： 液化以上時間： 液化以上時間： 液化以上時間： 30-60 秒 60-90 秒 30-60 秒 20-60 秒 峰值溫度： 峰值溫度： 峰值溫度： 峰值溫度： 215-220C 232-245C 235-2550C 245-290C *計(jì)算面積： 計(jì)算面積： 計(jì)算面積： 計(jì)算面積： 25,158 29,704 28,573 26,704 參考值：100% 參考值：118% 參考值：114% 參考值：106% 計(jì)算面積是加熱區(qū)域的總熱量，冷卻不包括在這些計(jì)算中 在一個試驗(yàn)中，我們將無鉛工藝

12、的能量消耗與傳統(tǒng)的SnPb比較 （表二）。使用一個數(shù)據(jù)記錄儀，溫度曲線逐步顯示在工藝期間裝配的 時間溫度特性。圖一中顯示 Sn AgCU勺線性溫度曲線。在加熱曲線之 下的區(qū)域有需要用來加熱裝配的能量有關(guān)部門 圖一、線性SnAgCi溫度曲線 圖二、一班制的回流爐功率消耗 在另一個試驗(yàn)中，我們使用一臺專門回流爐和一個典型的板裝配 來設(shè)定溫度曲線。為了決定功率的消耗，我們在機(jī)器上安裝一個測量 設(shè)備。每個工藝的功率消耗記錄在表三。 表三、功率消耗 SnPb溫度曲線 線性SnAgCu溫度 曲線 SnAgCu溫度曲 線 Sn Ag溫度曲線 每小時：7.67kWh每小時：8kWh 啟動期間：24kWh啟動期

13、間：27kWh 每小時：9kWh 每小時：7.67kWh 啟動期間： 啟動期間：24kWh 28kWh 啟動時間：20分 鐘 啟動時間：20分鐘 啟動時間：19分 鐘 啟動時間：21 分鐘 參考值：100% 參考值：107%參考值：100% 參考值：118% 功率消耗是在沒有板運(yùn)行通過爐子時測量的。 圖二顯示在一班制工藝期間的一臺回流爐的功率消耗。SnPb曲 線與線性的SnAgCi曲線比較。從線性的曲線，我們了解到液化以上 的長時間造成金屬間化合物增長的增加，在對可靠性不是所希望的， 并且對功率消耗有大的影響。SnAg曲線具有高峰值溫度設(shè)定，要求 許多能量來維持設(shè)定點(diǎn)。 波峰焊接 在波峰焊接工

14、藝中，由于較高的熔點(diǎn)和工藝溫度，有兩個區(qū)域?qū)?會顯示能量消耗的增加。第一個增加是在裝配的預(yù)熱。如果我們將免 洗助焊劑應(yīng)用和無VOC 勺水基工藝比較，我們將發(fā)現(xiàn)在能量消耗上的 增加最高達(dá)到25%由于較高的預(yù)熱溫度。 其次，因?yàn)楹附訙囟容^高，錫鍋需要更多的能量。如果我們將一 種280 C的極高焊接溫度與250 C的正常的SnPb溫度比較，我們 發(fā)現(xiàn)列于表四的數(shù)據(jù)。 表四、錫鍋功率消耗（波） 焊錫 SnPb(250 C) SnCu(280 C) 達(dá)到設(shè)定點(diǎn)的功率消耗 34kWh 36kWh 達(dá)到設(shè)定點(diǎn)的小時 3.5小時 5.5小時 在設(shè)定點(diǎn)的每小時功率消耗 5kWh 5KWh 功率消耗是在沒有板運(yùn)行

15、通過焊接機(jī)器時測量的 圖三顯示在一班制生產(chǎn)工藝期間的一個專門錫鍋的功率消耗。圖 四顯示類似的錫鍋在兩班制生產(chǎn)工藝期間的功率消耗。 圖三、一班制錫鍋的功率消耗 圖四、兩班制錫鍋的功率消耗 7si Fis 運(yùn)作成本 產(chǎn)出 一般，無鉛波峰焊接工藝要求較長的接觸時間，以達(dá)到焊錫的良 好濕潤。如果必要，機(jī)器可以安裝一個不同波形形成器。如果還沒有 達(dá)到適當(dāng)?shù)臐駶?，那么傳送帶速度必須減少。可是，減少傳送帶速度 可能造成較低的產(chǎn)出。 修理-失效率 焊接點(diǎn)看上去不同，顯示不同的形狀。從我們在無鉛實(shí)施中所看 到的，缺陷數(shù)量沒有增加。盡管如此，諸如焊腳提起的新缺陷確有發(fā) 生。迄今，可靠性測試沒有顯示由于焊腳提起的較

16、低的品質(zhì)，因此這 些焊點(diǎn)不需要修理。對于修理工作，烙鐵嘴的氧化物增加也會發(fā)生。 維護(hù) 由于無鉛焊接的維護(hù)增加應(yīng)該不是所希望的。無VOC的水基助焊 劑可能甚至減少維護(hù)時間和間隔，與免洗助焊劑相比。 對于回流焊接， 一個好的助焊劑管理系統(tǒng)將減少維護(hù)成本。 新的 錫膏將有不同的助焊劑， 將在較高的溫度下蒸發(fā)其它殘留物， 但是不 會造成維護(hù)間隔或時間的增加。 工藝改進(jìn) 在實(shí)施之后，工藝必須持續(xù)地控制、改進(jìn)和重新設(shè)計(jì)，以節(jié)約成 本和具有競爭性。 因此，工程師和所有那些負(fù)責(zé)無鉛工藝的人都應(yīng)該 知道新的材料、工藝和機(jī)器更新將在不遠(yuǎn)的未來引入。 新的材料 雖然一些公司已經(jīng)無鉛焊接了兩年多， 但是對其合金的選擇應(yīng)該 作一些評述。 如果板的材料中不出現(xiàn)銅，例如銅焊盤上有機(jī)可焊性保護(hù)涂層 (OSP),那么停留在合金，特別是SnAg的規(guī)格界限內(nèi)是非常困難的。 越來越多的公司選擇SnAgCU乍為SnPb的替代材料，SnCu由于成本 的原因只用在波峰焊接。 錫鋅(SnZn)與錫鋅鉍(SnZnBi)在可見的未來還是回流焊接的局 外人。如果錫膏供應(yīng)商能夠?yàn)檫@種錫膏設(shè)計(jì)一種超級助焊劑系統(tǒng)， 成 功消除含鋅合金的氧化問題， 那么這些合金由于其低熔點(diǎn)和成本將煥 發(fā)新的興趣。 圖五、德明循環(huán) 板的布局 因?yàn)樾碌陌l(fā)展將會在無鉛焊接工藝的不同區(qū)域出現(xiàn)， 所以要求持 續(xù)使用一種標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)模式，如德明循環(huán)（Demingcy