無鉛焊接工藝技術(shù)與設(shè)備

無鉛學(xué)問、無鉛焊接工藝與設(shè)備第一局部：無鉛根底學(xué)問2其次局部：無鉛焊接工藝技術(shù)與設(shè)備 7第一局部：無鉛根底學(xué)問無鉛的定義RoH指令規(guī)定限制使用的六種有害物質(zhì)是：鉛，汞，鎘，六價鉻，聚溴二苯醚PBD溴聯(lián)苯〔PBB〕在RoHS指令中未包含的六大禁用物質(zhì)限值已由歐盟技術(shù)進(jìn)展委員會(TAC)訂定雖然這些限值0.01%=100ppm(依照歐盟鎘指令91/338/EEC)其它禁用物質(zhì)〔鉛，汞，鎘，六價鉻，聚溴二苯醚〔PBDE，聚溴聯(lián)苯〔PBB〕最大限值則為0.1%=1000ppm這些限值適用于全部電子電氣設(shè)備零件除非是豁免工程。六種有害物質(zhì)在無法用機(jī)械方法分別的同類物質(zhì)中重量百分比需要小于最大濃度限定值〔我司比國際要求的嚴(yán)一些〕禁用物質(zhì) 最大濃度限定值〔凈重比例〕Lead鉛〔Pb〕ChromiumVI六價鉻〔Cr6+〕Cadmium鎘〔Cd〕Polybrominated聚溴聯(lián)苯〔PBB〕Polybrominateddiphenylethers聚溴二苯醚〔PBDE〕無鉛焊接缺陷類型焊點外觀質(zhì)量下降

0.08%，800ppm0.08%，800ppm0.08%，800ppm0.007%，70ppm0.08%，800ppm0.08%，800ppm鉛焊料(SnAgCu為例)焊點外觀不如Sn/37Pb釬料好，外表易消滅凹凸不平〔可參考下頁圖片，這種焊點本身是好的，消滅此問題的緣由普遍認(rèn)為是由于無鉛焊料存在的液相溫度和固相溫度之間的液-固混合區(qū)過大所致。因此，原有產(chǎn)品檢驗標(biāo)準(zhǔn)要作相應(yīng)的調(diào)整。IPC-A-610D在焊接可承受性要求的相關(guān)條文中已作了表述。發(fā)生虛焊的概率高由于無鉛焊料本身的潤濕性差，所以在焊接時假設(shè)助焊劑活性不夠或者焊接的工藝參數(shù)掌握不適宜時，就極易發(fā)生虛焊現(xiàn)象。焊點復(fù)蓋面積削減無鉛焊料粘度大，漫流性差，所以形成的焊點在焊盤外表上不能完全復(fù)蓋，如以下圖〔1〕PCBOSP有機(jī)可焊性保護(hù)涂層時，在焊盤的側(cè)壁上就可能要消滅露銅現(xiàn)象，如以下圖〔2〕錫須錫須的成長現(xiàn)象主要發(fā)生在純錫或富錫無鉛釬料合金軟釬焊接合部。錫須一般能成長到約1mm，極限狀態(tài)下長到約4m，但是由于其直徑很小〔最大約12.5微米肉眼難以檢測。錫須的成長溫度環(huán)境：-40度至數(shù)百度，且隨溫度的上升其生長密度增加。錫須的成長簡潔引起微細(xì)電路的短路，因此嚴(yán)峻影響電子元器件或組件的小型高密度化。不同的錫須形態(tài)：引線間錫須造成短路引線間錫須造成短路無鉛焊接中的工藝問題3無鉛焊接中的工藝問題熔融溫度范圍普遍偏高目前在工業(yè)中獲得推廣應(yīng)用的無鉛合金，其熔融溫度范圍如下表所示。潤濕性較差潤濕性較差63Sn37Pb差，如下表所示。焊接中氧化現(xiàn)象更嚴(yán)峻Sn、Ag、Cu、BiSnPb合金中最常見的氧化物是SnOAg、Cu、Bi等對氧更活潑。因此，工作中必定會形成更多更簡單的氧化物和更多的釬料渣。化學(xué)反響動力學(xué)還告知我們，當(dāng)溫度每增加10℃時，化學(xué)反響速度則增加一倍。無鉛釬料焊接溫度的提高，更是加劇了氧化渣的大量形成。國外有學(xué)者認(rèn)為：在空氣中操作的無鉛焊接過程中產(chǎn)生的焊料渣量將比Sn63/Pb375～790%的焊接本錢都將花費在焊料渣上。焊接工藝過程窗口較小再流焊接溫度窗口無鉛合金的使用直接影響再流焊接的過程溫度，即影響到加熱曲線。釬料熔化溫度的提高，縮小63Sn37Pb、62Sn36Pb2Ag96.5Sn3Ag0.5Cu在再流焊接中，它們之間的工藝溫度窗口比較如以下圖所示。波峰焊接溫度窗口波峰焊接溫度窗口SnAgCu63Sn37Pb溫度窗口的差異，如以下圖所示。上圖顯示了焊料槽溫度與焊料液相溫度間的溫度差△T，差異如下：·63Sn37Pb：△T＝52～67℃；·SnAgCu：△T＝30～35℃。其次局部：無鉛焊接工藝技術(shù)與設(shè)備無鉛焊接工藝技術(shù)與設(shè)備無鉛焊接技術(shù)的工藝特點:1)焊料的無鉛化；2)元器件及PCB板的無鉛化;3)焊接設(shè)備的無鉛化、焊料的無鉛化.到目前為止，全世界已報道的無鉛焊料成分有近百種，但真正被行業(yè)認(rèn)可并被普遍承受是Sn-Ag-Cu三元合金，也有承受多元合金，添加In,Bi,Zn等成分?，F(xiàn)階段國際上是多種無鉛合金焊料共存的局面，給電子產(chǎn)品制造業(yè)帶來本錢的增加，消滅不同的客戶要求不同的焊料及不同的工藝，將來的進(jìn)展趨勢將趨向于統(tǒng)一的合金焊料。熔點高，比Sn-Pb高約30度；延展性有所下降，但不存在長期劣化問題；焊接時間一般為4秒左右；拉伸強(qiáng)度初期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度都比Sn-Pb共晶優(yōu)越。耐疲乏性強(qiáng)。對助焊劑的熱穩(wěn)定性要求更高。高Sn含量，高溫下對Fe有很強(qiáng)的溶解性鑒于無鉛焊料的特性打算了的無鉛焊接工藝及設(shè)備元器件及PCB板的無鉛化在無鉛焊接工藝流程中，元器件及PCB織推遲無鉛化制程的緣由之一，在相當(dāng)時間內(nèi)，無鉛焊料與Sn-Pb的PCB鍍層共存，而帶來“剝離(Lift-Off)“等焊接缺陷,PCB板制作工藝的要求也相對提高，PCB板及元器件的材質(zhì)要求耐熱性更好。焊接設(shè)備的無鉛化波峰焊設(shè)備:由于無鉛焊料的特別性，無鉛焊接工藝進(jìn)展要求無鉛焊接設(shè)備必需解決無鉛焊料帶來的焊接缺陷及焊料對設(shè)備的影響，預(yù)熱／錫爐溫度上升，噴口構(gòu)造，氧化物，腐蝕性，焊后急冷，助焊劑涂敷，氮氣保護(hù)等。Ａ〕無鉛焊接要求的溫度曲線分析：通過上述曲線圖和金屬材料學(xué)學(xué)問，我們了解到為了獲得牢靠、最正確的焊點，溫度T2最正確值應(yīng)大于無鉛錫的共晶溫度，錫液焊接溫度掌握在2500C±20度〔比有鉛錫的溫度要求更嚴(yán)〕，一般有高牢靠要求的軍用產(chǎn)品，△T＜300C，對于一般民用產(chǎn)品，建議溫差可放寬到△T2＜50度〔依據(jù)日本松下的要求〕；預(yù)熱溫度T1比有鉛焊要稍高，具體數(shù)值依據(jù)助焊劑和PCB板工藝等方面來定，但△T1必需掌握在50度以內(nèi)，以確保助焊劑的活化性能的充分發(fā)揮和提高焊錫的浸潤性；焊接后的冷卻從溫度T3〔250度〕降至溫度T4〔100～150度〕，建議按7～11度/S的降幅梯度掌握；溫度曲線在時間上的要求主要是預(yù)熱時間t1、浸錫時間t2、t3及冷卻時間t4，這些時間的具體PCBt1在1.5分鐘左右，t2+t3在3～5S之間。Ｂ〕從以上溫度曲線分析可確定設(shè)備的構(gòu)造及掌握要求：預(yù)熱方式預(yù)熱時間t1在1.5分鐘左右輸送ＰＣＢ板的速度1.2m/min,預(yù)熱長度要保障1.8M以上；為保障預(yù)熱的熱穩(wěn)定性析，承受熱風(fēng)預(yù)熱方式比較抱負(fù)，由于承受全熱風(fēng)加熱，可提高熱效率，提高PCB板的溫度均勻性.我公司特別是針對無鉛波峰焊又開發(fā)一種的掌握方式：自適應(yīng)PID控溫方式，解決傳統(tǒng)固定PID及ＯＮ－ＯＦＦ掌握方式對溫度的沖擊，到達(dá)較佳的預(yù)熱曲線，保證預(yù)熱區(qū)與焊接取的溫度下降值在30度以內(nèi)。〔如以下圖示〕錫爐噴口〔鋪展力量兩波峰之間的最低溫度要在２20之間距離的設(shè)計，來到達(dá)這個要求。由于高Sn含量的無鉛焊料更易氧化，另外無鉛焊料的本錢較高，掌握錫氧化物生成量是焊接設(shè)備廠家必需考慮的問題，一些國內(nèi)外的廠家已推出的波峰噴口構(gòu)造，氧化物生成量同過去相比削減一倍.腐蝕性無鉛焊料的高Sn含量,在高溫下對Fe從而發(fā)生溶解反響，隨著時間的推移，最終導(dǎo)致部件的溶蝕損壞，特別是噴口及葉輪部件。現(xiàn)在國外大多數(shù)廠家的焊錫槽承受鑄鐵并鍍防護(hù)層，國內(nèi)大多數(shù)廠家承受鈦合金材料。氧化同Sn-Pb合金焊料相比，高Sn含量的無鉛焊料在高溫焊接中更簡潔氧化，從而在錫爐液面形成氧化物殘渣〔SnO2〕，過多的氧化物不但影響焊接品質(zhì)，而且使焊料本錢鋪張，尤其是對現(xiàn)在昂貴的無鉛焊料。多數(shù)設(shè)備廠家承受改善錫爐噴口構(gòu)造來削減氧化物,固然最好的對策是加氮氣保護(hù)，氮氣保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備前期投入較大，假設(shè)從長遠(yuǎn)利益考慮是合理的。國內(nèi)外佷多設(shè)備廠家都已推出氮氣保護(hù)的波峰焊，技術(shù)已成熟。焊后急冷卻在無鉛焊接工藝應(yīng)用,通孔基板的波峰焊接時常常會發(fā)生“剝離“缺陷〔Lift-off,或Filletlifting〕,產(chǎn)生的緣由在Sn-PbBi卻系統(tǒng)，至于冷卻方式及冷卻速率的要求要依據(jù)具體狀況而定，由于冷卻速率超過6度/SEC.設(shè)備冷卻系統(tǒng)要承受冷源方式，大多數(shù)承受冷水機(jī)或冷風(fēng)機(jī)，國外的爭論有提到用冷液方式，可到達(dá)20度/SEC.以上的冷卻效果，本錢格外高，對于大規(guī)模電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家是無法承受的，屬于早期試驗，真正被推廣應(yīng)用的，在日本大多數(shù)廠家承受全無鉛化方案〔焊料/元器件/基板等全部無鉛化〕，設(shè)備冷卻構(gòu)造承受強(qiáng)制自然風(fēng)冷卻，對于國內(nèi)電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家，建議承受Sn-Ag-Cu合金或Sn-Cu合金的焊料，快速冷卻速率掌握在6~80度/SEC.或8~120度/SEC.,冷卻方式承受自然風(fēng)強(qiáng)制冷卻或帶冷水機(jī)冷源的方式。助焊劑無鉛焊料的特別性,在焊接工藝中必需是對應(yīng)的助焊劑相匹配,基于環(huán)保的考慮,醇類溶劑的降低使用,逐步推廣VOC-FREE環(huán)保助焊劑.由于無鉛焊料潤濕性差,抑制焊接缺陷在佷大程度上要通過助焊劑成分及噴霧方式來轉(zhuǎn)變,傳統(tǒng)的發(fā)泡是噴霧構(gòu)造已不適應(yīng)現(xiàn)在的工藝,噴霧構(gòu)造一些設(shè)備廠家經(jīng)過改進(jìn),一些廠家噴霧移動承受步進(jìn)馬達(dá)方式,助焊劑供給承受衡壓系統(tǒng),強(qiáng)力抽風(fēng)過濾系統(tǒng),目的是使噴霧效果均勻,降低揮發(fā)性物質(zhì)的排放量.控制掌握系統(tǒng)進(jìn)展的方向主要是數(shù)字化掌握及治理。掌握系統(tǒng)除了要求對運輸速度、助焊劑涂敷均勻度、預(yù)熱溫度,錫爐溫度、冷卻速度等準(zhǔn)確掌握外,還應(yīng)當(dāng)對氮氣濃度等〕均實現(xiàn)數(shù)字化掌握，便于參數(shù)的重復(fù)利用。我公司推出的WS系列無鉛波峰焊均以數(shù)字化掌握為核心目標(biāo)，承受人機(jī)界面或工業(yè)掌握計算機(jī)對生產(chǎn)過程進(jìn)展監(jiān)控,不但能監(jiān)控、PCB參數(shù)、機(jī)器參數(shù)、PID參數(shù)、溫度參數(shù),還支持參數(shù)設(shè)定、翻開、保存,便利參數(shù)的重復(fù)利用，最大限度的削減機(jī)種更換時調(diào)整參數(shù)的時間。在全電腦掌握的機(jī)型上,隨機(jī)自帶了無鉛焊接格外關(guān)心的溫度曲線測試及分析功能,能測試并分析3條溫度曲線的預(yù)熱時間,預(yù)熱斜率,預(yù)熱溫度，波峰1時間,波峰2時間,波峰1溫度,波峰2溫度,跌落時間,跌落溫度,冷卻時間,冷卻斜率,超出時間等,并支持溫度曲線測試、打印功能,無鉛焊接所關(guān)心的全部參數(shù)都能一目了然。掌握系統(tǒng)進(jìn)展的另一個方向是客戶本錢概念?？蛻舯惧X是指客戶在生產(chǎn)過程中生產(chǎn)肯定數(shù)量的產(chǎn)品所消耗的材料，時間，能源等。我公司的產(chǎn)品始終遵循最大限度降低客戶本錢原則，從助焊劑消耗，焊錫氧化量削減，電量損耗，氮氣損耗等方面進(jìn)展綜合掌握，到達(dá)節(jié)約客戶本錢的目的。無論生產(chǎn)焊料的廠家，還是生產(chǎn)設(shè)備的廠家，推出的產(chǎn)品既要符合焊接工藝又要兼顧最終用戶的本錢投入，隨著技術(shù)的進(jìn)展，無鉛焊接工藝會逐步走向成熟.回流焊設(shè)備:無鉛再流焊技術(shù)是應(yīng)用再流焊對無鉛錫膏進(jìn)展再流的焊接技術(shù)。傳統(tǒng)錫膏的共晶成份是錫和鉛，錫鉛比為Sn63/Pb37的錫膏再流共晶溫度為183℃，錫比為Sn62/Pb36加2%的錫膏再流共晶溫度為179℃。對于無鉛錫膏，在合金成份中去掉了鉛，接近共晶的合金是錫/銀/銅合金。多數(shù)無鉛合金，包括Sn-Ag-Cu其熔點都超過200℃，高于傳統(tǒng)的錫/鉛合金的共晶溫度。這使再流焊接溫度上升。這是無鉛再流焊的一個主要特點。傳統(tǒng)的鉛/鉛合金再流時，共晶溫度為179℃~183℃，焊接時小元器件上引腳的峰值溫度到達(dá)240℃，而大元器件上溫度210℃左右，大/小元器件溫度差近30℃。這個差異不會影響元器件壽命。當(dāng)使用無鉛錫膏時，由于無鉛錫膏的熔點溫度高于錫/鉛的共晶溫度。例如：Sn/Ag成份的錫膏熔點范圍是216℃~221℃。這就使得被加墊的大元器件引腳溫度要高于230240差小于10℃。這是無鉛再流焊的另一個主要特點。鑒于無鉛再流焊的主要特點，技術(shù)上要解決的主要問題是再流溶融溫度范圍內(nèi)，盡可能小地減小被焊元器件之間的溫度差，確保熱沖擊不影響元器件的壽命。解決方法是先用多溫區(qū)、高控溫精度的氮氣保護(hù)再流焊爐、準(zhǔn)確調(diào)試再流焊曲線。因此，在無鉛回流焊的設(shè)計中，在各獨立溫區(qū)尺寸減小的同時增加溫區(qū)數(shù)目，增加助焊劑分別及回收裝置，設(shè)計型中心支撐.再流焊曲線調(diào)試應(yīng)留意①提高預(yù)熱溫度無鉛再流焊接時，再流焊爐的預(yù)熱區(qū)溫度應(yīng)比錫/鉛合金再流的預(yù)熱溫度要高一些。通常高30℃左右，在170℃-190℃〔傳統(tǒng)的預(yù)熱溫度一般在140℃-160℃〕提高預(yù)熱區(qū)溫度的目的是為了削減峰值溫度以削減元器件間的溫度差。②延長預(yù)熱時間適當(dāng)延長預(yù)熱的預(yù)熱時間，預(yù)熱太快一方面會引起熱沖擊，不利于削減在形成峰值再流溫度之衫，元器件之間的溫度差。因此，適當(dāng)延長預(yù)熱的預(yù)熱時間，使被焊元器件溫度平滑升到預(yù)定的預(yù)熱溫度。③延長再流區(qū)梯形溫度曲線延長再流區(qū)梯形溫度曲線。在掌握最高再流溫度的同時，增加再流區(qū)溫度曲線寬度，延長小熱容量元器件的峰值時間，使大小熱容量的元器件均到達(dá)的要求的回流溫度，并避開小元器件的過熱。④調(diào)整溫度曲線的全都性測試