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无铅焊接:控制与改进工艺


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 是必須回答的,包括無鉛的

定義、它的實施成本、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。

本文討論成本與能量效應,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,比如德明迴圈(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成本的節約。

材料成本

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.

結果是焊錫成本增加 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%)對焊錫成本的影響甚至更大。

考慮到焊接點和將 SnPb 與無鉛進行比較,我們可以作下列計算。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, 1,584 1,296 質量增加(克) 焊錫成本 100% 128%

焊接 470 個通孔的板, 10,382 8,880 每孔的平均質量(毫克) 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。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,用這些助焊劑的總成本大約是相同的或 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。這個增加的部分原因是 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 球的清除要容易得多。

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,改變引腳的最終表面塗層將不是一個主要問題。如果發生對 無鉛表面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 封裝的替代引腳表面塗層正在研究之中,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,滿足較便宜元件的規格。如果能將最高峰值溫度限制在 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成本的 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 使用無鉛表面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,以及無鉛表面塗層,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成本合 理。在一些國家,氮氣不那麽貴,如德國,成本大約是$0.08/m3。在其他國際, 比如瑞士,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。基於成本的理由,應該避免惰 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,在表面的氧化皮去掉之後,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,在焊錫表面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。氮氣是成本有效的,錫渣的數量可以減少。 因爲氧化物只是錫渣中的一小部分,錫渣應該壓縮,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 保溫時間: (150-170°C) 30 - 60 秒

最大坡度: 0 - 2°C/秒

最大坡度: 0 - 2°C/秒 保溫時間: (150-170°C) 0 - 60 秒 液化以上時間: 30 - 60 秒 峰值溫度: 235 - 2550°C 計算面積: 28,573 參考值:114%

最大坡度: 0 - 2°C/秒 保溫時間: (150-170°C) 0 - 120 秒 液化以上時間: 20 - 60 秒 峰值溫度: 245 - 290°C 計算面積: 26,704 參考值:106%

液化以上時間: 液化以上時間: 30 - 60 秒 峰值溫度: 215 - 220°C *計算面積: 25,158 參考值:100% 60 - 90 秒 峰值溫度: 232 - 245°C 計算面積: 29,704 參考值:118%

*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
每小時:7.67kWh

線性 SnAgCu 溫度曲線 SnAgCu 溫度曲線 SnAg 溫度曲線
每小時:8kWh 每小時:7.67kWh 每小時:9kWh

啓動期間:24kWh 啓動期間:27kWh 啓動時間:20 分鐘 啓動時間:20 分鐘 參考值:100% 參考值:107%

啓動期間:24kWh 啓動期間:28kWh 啓動時間:19 分鐘 啓動時間:21 分鐘 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 曲線具有高峰值溫度設定,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( 波) 焊錫
達到設定點的功率消耗 達到設定點的小時

SnPb(250°C) SnCu(280°C)
34kWh 3.5 小時 36kWh 5.5 小時 5KWh

在設定點的每小時功率消耗 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

運作成本

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成本。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,以節約成本和具有競 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。

如果板的材料中不出現銅,例如銅焊盤上有機可焊性保護塗層(OSP),那麽 停留在合金,特別是 SnAg,的規格界限內是非常困難的。越來越多的公司選擇 SnAgCu 作爲 SnPb 的替代材料,SnCu 由於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 膏供應商能夠爲這種錫膏設計一種超級助焊劑系統,成功消除含鋅合金的氧化問 題,那麽這些合金由於其低熔點和成本將煥發新的興趣。

圖五、德明迴圈

板的佈局
因爲新的發展將會在無鉛焊接工藝的不同區域出現,所以要求持續使用一種 標準改進模式,如德明迴圈(Deming cycle)(圖五)。按照這個模式來實施(或決 定不實施)新的發展。例如,一種新的助焊劑將引入到工藝中。跟隨的步驟是:


計劃:計劃一個試驗來找出是否該助焊劑將改進品質、降低成本或達到已經選定的 另一個目標。 做:運行該試驗 檢查:分析試驗的輸出和判斷是否該助焊劑滿足期望 行動:在工藝中實施該助焊劑,保持觀察品質。

結論

用德明迴圈,已經達到該實施計劃的結尾。雖然無鉛焊接是一個熱門話題, 大部分製造商還正在收集資訊,或者只是剛開始其第一個嘗試。希望這裏的文章 將幫助你開發一個穩健的、可重復的無鉛焊接工藝,産生持續的高合格率。 Gerjan Diepstraten is a senior process engineer with Vitronics Soltec BV in The Netherlands; e-mail: gdiepstraten@nl.vitronics-soltec.com. (Aaron 08/30/2001)


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