2023年无铅焊接：控制与改进工艺.doc

無鉛焊接：控制與改進工藝 By Gerjan Diepstraten 　　本文描述怎樣控制與改進無鉛工藝...。 　　在實施無鉛工藝之後，我們必須經常跟進、監察和分析資料，以保持工藝在控制之中。 　　無鉛焊接已經引入了，因此無數的問題也提出來了。儘管如此，許多問題還是必須答复的，包括無鉛的定義、它的實施本钱、和甚至是否所有技術問題已經解決。但是，實驗繼續在新的無鉛合金的可靠性上提供好的數位。 　　本文討論本钱與能量效應，並展示工藝必須不斷地檢驗，因爲技術與工藝知識在將來會改進的。一個標準改進模式，比方德明迴圈(Deming cycle)，可用來維護無鉛焊接工藝的控制，作出調整和改進，並在可能的時候實現本钱的節約。 材料本钱 　　焊錫 　　作爲一個例子，某種焊接機的錫鍋含有大約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的密度爲8.4 g/mm3。用錫銅(SnCu)合金填滿相同的錫鍋需要661公斤，其密度爲7.31g/mm3 : 質量 = (7.31 ÷ 8.4) x 760 = 661. 　　結果是焊錫本钱增加28%或$5,063美元。其他無鉛替代方案，如錫銀(SnAg, 135%)和錫銀銅(SnAgCu, 145%)對焊錫本钱的影響甚至更大。 　　考慮到焊接點和將SnPb與無鉛進行比較，我們可以作以下計算。如果形狀相同，那麽無鉛合金的質量將較少，由於其密度較大。對於一個SnCu焊接的通孔引腳連接器，焊錫質量爲：(ρSnCu x ρSnPb) x massSnPb 　　因爲焊點看上去不同，濕潤可能較差，焊點的角度不同，我們必須驗證是否計算的質量差別大約等於焊接點的實際質量增加。 　　爲了證實，我們焊接一塊有連接器的板(每塊板總共192個引腳)，稱出焊接前後的重量差別(表一)。重量的增加多少都是所焊接的焊錫。 表一、SnPb與SnCu的焊接質量比較 　 SnPb SnCu 焊接192個引腳的板， 質量增加(克) 1,584 1,296 焊錫本钱 100% 128% 焊接470個通孔的板， 每孔的平均質量(毫克) 10,382 8,880 焊錫本钱 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。可焊性和焊接缺陷可以改進和減少，如果使用正確的助焊劑。如果我們實施“綠色〞焊接工藝，我們使用無VOC的水基助焊劑，它比醇基助焊劑有一些優勢。 　　幾個試驗目前已經證明無VOC的助焊劑與無鉛焊錫比免洗助焊劑顯示較好的結果。特別是對於板上的殘留物和可焊性，它們是較好的。一個理由就是應用到板上的數量較少了。在助焊劑中的活性劑和化學物質在水中比在醇類中反應更有化學活性。雖然無VOC的助焊劑更貴，用這些助焊劑的總本钱大約是相同的或甚至更少，因爲用於焊接的總數量將減少。 　　如果可焊性提高，返工的數量將減少。助焊劑數量減少也將造成維護減少。清潔機器的零部件將較容易，可以用熱水而不是化學品和儀器來完成。 　　可是，錫球的數量隨著無VOC助焊劑的使用而增加。這個增加的局部原因是工藝中較高的溫度，使得阻焊(solder resist)軟化。與錫鉛工藝比較，這些錫球的去除要容易得多。 　　新的無VOC助焊劑現在正在開發。助焊劑供應商正嘗試將松香溶解與水基助焊劑，在錫球數量上的減少另人讚賞。這些研究將繼續下去，因爲大多數助焊劑供應商還沒有成功地找到正確的配方。 　　元件 　　對於許多元件，改變引腳的最終外表塗層將不是一個主要問題。如果發生對無鉛外表塗層的將來很大的需求，那麽元件供應商更可能在將來轉換而不是現在。因爲技術是現成的，這些元件的價格預計不會大幅地增加。 　　SnAg與SnAgCu錫球對於BGA似乎是SnPb的一個可接受的替代。對於周邊封裝的替代引腳外表塗層正在研究之中，可靠性和錫須(tin whisker)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。可以經受較高溫度，如280°C 5秒鐘，的塑膠現在正在設計，將會把價格推高。因此，需要一種具有高精度(ΔT較小和良好的傳熱)的回流焊接爐來運行無鉛溫度曲線，滿足較廉价元件的規格。如果能將最顶峰值溫度限制在245°C，並且將所有的焊錫按照無鉛錫膏的規格帶到熔點以上，那麽對於用戶可以得到元件本钱的減少。 　　板的材料 　　除了禁止鉛之外，鹵化阻燃劑(halogenated flame retardants)也將從板的材料中消除。因此，使用無鉛外表塗層的新的板材必須用較高玻璃態轉化溫度(Tg)來經受較高的工藝溫度。這些新的板材，以及無鉛外表塗層，將影響價格。現在還不清楚這些價格將增加多少，因爲多數電路板供應商還在優化板材的選擇與其製造工藝。 　　氮氣 　　回流焊接爐。在回流焊接中，人們經常討論氮氣的必要性。一些工藝要求氮氣，因爲它提高可濕潤性，得到較好的焊接點的可靠性。在其他工藝中，氮氣可能造成更多的元件豎立，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本钱合理。在一些國家，氮氣不那麽貴，如德國，本钱大約是$0.08/m3。在其他國際，比方瑞士，氮氣價格大約爲$0.81/m3。相對勞動力是非常合算的。 　　最好，一台爐應該可以在空氣和氮氣中運行。基於本钱的理由，應該防止惰性氣體。但是，對於諸如較小與更複雜的設計，應該要有轉向氮氣的能力。 　　對於氮氣沒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。在以可能較高的工藝溫度實施無鉛焊接之後，必須回顧一下氮氣的表現與必要性。在一個較長的生産時期後，可以在評估有關空氣或一種惰性氣體的決定。 　　波峰焊接。和錫鉛焊錫一樣，當焊錫在液體狀態和高溫時無鉛焊錫氧化十分迅速。如果不在惰性焊接機中，在外表的氧化皮去掉之後，在波峰上很快會形成新的氧化物。錫渣中含有由氧化皮發展的焊錫金屬單元。對於無鉛焊錫，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。到目前爲止，在焊錫外表上最常見的氧化物是錫氧化物，氧化錫(SnO)和SnO2。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。 　　錫渣的數量可以減少。某些波峰焊接機裝有一種軸向密封，消除在泵軸上形成的錫渣。其他錫渣是在波峰上形成。通過減少波的下落高度，錫渣的數量將會更少。下落高度是在波峰上溢出的焊錫到錫面的距離。 　　氮氣的使用也將提供一些優點。氮氣是本钱有效的，錫渣的數量可以減少。因爲氧化物只是錫渣中的一小局部，錫渣應該壓縮，從氧化單元中局部地分離出焊錫金屬。 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，之後，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 SnAgCu溫度曲線 SnAg溫度曲線 最大坡度： 0 - 2°C/秒 最大坡度： 0 - 2°C/秒 最大坡度： 0 - 2°C/秒 最大坡度： 0 - 2°C/秒 保溫時間： (150-170°C) 30 - 60秒 　 保溫時間： (150-170°C) 0 - 60秒 保溫時間： (150-170°C) 0 - 120秒 液化以上時間： 30 - 60秒 液化以上時間： 60 - 90秒 液化以上時間： 30 - 60秒 液化以上時間： 20 - 60秒 峰值溫度： 215 - 220°C 峰值溫度： 232 - 245°C 峰值溫度： 235 - 2550°C 峰值溫度： 245 - 290°C x計算面積： 25,158 計算面積： 29,704 計算面積： 28,573 計算面積： 26,704 參考值：100% 參考值：118% 參考值：114% 參考值：106% x計算面積是加熱區域的總熱量，冷卻不包括在這些計算中。 　　在一個試驗中，我們將無鉛工藝的能量消耗與傳統的SnPb比較(表二)。使用一個資料記錄儀，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SnAgCu的線性溫度曲線。在加熱曲線之下的區域有需要用來加熱裝配的能量有關部門。 圖一、線性SnAgCu溫度曲線 圖二、一班制的回流爐功率消耗 　　在另一個試驗中，我們使用一台專門回流爐和一個典型的板裝配來設定溫度曲線。爲了決定功率的消耗，我們在機器上安裝一個測量設備。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 SnAg溫度曲線 每小時：7.67kWh 啓動期間：24kWh 每小時：8kWh 啓動期間：27kWh 每小時：7.67kWh 啓動期間：24kWh 每小時：9kWh 啓動期間：28kWh 啓動時間：20分鐘 啓動時間：20分鐘 啓動時間：19分鐘 啓動時間：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行通過爐子時測量的。 　　圖二顯示在一班制工藝期間的一台回流爐的功率消耗。SnPb曲線與線性的SnAgCu曲線比較。從線性的曲線，我們瞭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，並且對功率消耗有大的影響。SnAg曲線具有顶峰值溫度設定，要求許多能量來維持設定點。 　　波峰焊接 　　在波峰焊接工藝中，由於較高的熔點和工藝溫度，有兩個區域將會顯示能量消耗的增加。第一個增加是在裝配的預熱。如果我們將免洗助焊劑應用和無VOC的水基工藝比較，我們將發現在能量消耗上的增加最高達到25%，由於較高的預熱溫度。 　　其次，因爲焊接溫度較高，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，我們發現列於表四的資料。 表四、錫鍋功率消耗(Δ波) 焊錫 SnPb(250°C) SnCu(280°C) 達到設定點的功率消耗 達到設定點的小時 34kWh 3.5小時 36kWh 5.5小時 在設定點的每小時功率消耗 5kWh 5KWh 功率消耗是在沒有板運行通過焊接機器時測量的。 　　圖三顯示在一班制生産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産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 運作本钱 　　産出 　　一般，無鉛波峰焊接工藝要求較長的接觸時間，以達到焊錫的良好濕潤。如果必要，機器可以安裝一個不同波形形成器。如果還沒有達到適當的濕潤，那麽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産出。 　　修理 - 失效率 　　焊接點看上去不同，顯示不同的形狀。從我們在無鉛實施中所看到的，缺陷數量沒有增加。儘管如此，諸如焊腳提起的新缺陷確有發生。迄今，可靠性測試沒有顯示由於焊腳提起的較低的品質，因此這些焊點不需要修理。對於修理工作，烙鐵嘴的氧化物增加也會發生。 　　維護 　　由於無鉛焊接的維護增加應該不是所希望的。無VOC的水基助焊劑可能甚至減少維護時間和間隔，與免洗助焊劑相比。 　　對於回流焊接，一個好的助焊劑管理系統將減少維護本钱。新的錫膏將有不同的助焊劑，將在較高的溫度下蒸發其他殘留物，但是不會造成維護間隔或時間的增加。 工藝改進 　　在實施之後，工藝必須持續地控制、改進和重新設計，以節約本钱和具有競爭性。因此，工程師和所有那些負責無鉛工藝的人都應該知道新的材料、工藝和機器更新將在不遠的未來引入。 　　新的材料 　　雖然一些公司已經無鉛焊接了兩年多，但是對其合金的選擇應該作一些評述。 　　如果板的