【正文】 無(wú)鉛焊接：控制與改進(jìn)工藝 By Gerjan Diepstraten 本文描述怎樣控制與改進(jìn)無(wú)鉛工藝 ...。 在實(shí)施無(wú)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(wú)鉛焊接已經(jīng)引入了，因此無(wú)數(shù)的問(wèn)題也提出來(lái)了。盡管如此，許多問(wèn)題還是必須回答的，包括無(wú)鉛的定義、它的實(shí)施成本、和甚至是否所有技術(shù)問(wèn)題已經(jīng)解決。但是，實(shí)驗(yàn)繼續(xù)在新的無(wú)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)榧夹g(shù)與工藝知識(shí)在將來(lái)會(huì)改進(jìn)的。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)模式，比如 德明循環(huán) (Deming cycle)，可用來(lái)維護(hù)無(wú)鉛焊接工藝的控制，作出調(diào)整和改進(jìn)，并在可能的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)成本的節(jié)約。 材料成本 焊錫 作為一個(gè)例子，某種焊接機(jī)的錫鍋含有大約 760 公斤的錫鉛 (SnPb)合金。用SnPb 來(lái)填滿錫鍋將花大約 $3,960 美元。 SnPb 的密度為 g/mm3。用錫銅 (SnCu)合金填滿相同的錫鍋需要 661 公斤，其密度為 : 質(zhì)量 = ( 247。 ) x 760 = 661. 結(jié)果是焊錫成本增加 28%或 $5,063 美元。其它無(wú)鉛替代方案，如錫銀 (SnAg, 135%)和錫銀銅 (SnAgCu, 145%)對(duì)焊錫成本的影響甚至更大。 考慮到焊接點(diǎn)和將 SnPb 與無(wú)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(wú)鉛合金的質(zhì)量將較少，由于其密度較大。對(duì)于一個(gè) SnCu 焊接的通孔引腳連接器，焊錫質(zhì)量為： (ρ SnCu x ρ SnPb) x massSnPb 因?yàn)楹更c(diǎn)看上去不同，濕潤(rùn)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(gè)引腳 )，稱(chēng)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(gè)引腳的板， 質(zhì)量增加 (克 ) 1,584 1,296 焊錫成本 100% 128% 焊接 470 個(gè)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?？珊感院秃附尤毕菘梢愿倪M(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(wú) VOC 的水基助焊劑，它比醇基助焊劑有 一些優(yōu)勢(shì)。 幾個(gè)試驗(yàn)?zāi)壳耙呀?jīng)證明無(wú) VOC 的助焊劑與無(wú)鉛焊錫比免洗助焊劑顯示較好的結(jié)果。特別是對(duì)于板上的殘留物和可焊性，它們是較好的。一個(gè)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(lèi)中反應(yīng)更有化學(xué)活性。雖然無(wú) 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)橛糜诤附拥目倲?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，可以用熱水而不是化學(xué)品和儀器來(lái)完成。 可是，錫球的數(shù)量隨著無(wú) VOC 助焊劑的使用 而增加。這個(gè)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(wú) VOC 助焊劑現(xiàn)在正在開(kāi)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(méi)有成功地找到正確的配方。 元件 對(duì)于許多元件，改變引腳的最終表面涂層將不是一個(gè)主要問(wèn)題。如果發(fā)生對(duì)無(wú)鉛表面涂層的將來(lái)很大的需求，那么元件供應(yīng)商更可能在將來(lái)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(jià)格預(yù)計(jì)不會(huì)大幅地增 加。 SnAg 與 SnAgCu 錫球?qū)τ?BGA 似乎是 SnPb 的一個(gè)可接受的替代。對(duì)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 (tin whisker)問(wèn)題必須解決。較高的工藝溫度增加對(duì)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 280176。C 5 秒鐘，的塑料現(xiàn)在正在設(shè)計(jì)，將會(huì)把價(jià)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(lái)運(yùn)行無(wú)鉛溫度曲線，滿足較便宜元件的規(guī)格。如果能將最高峰值溫度限制在 245176。C ，并且將所有的焊錫按照無(wú)鉛錫膏的規(guī)格帶到熔點(diǎn)以上，那么對(duì)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 (halogenated flame retardants)也將從板的材料中消除。因此，使用無(wú)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(lái)經(jīng)受較高的工藝溫度。這些新的板材，以及無(wú)鉛表面涂層，將影響價(jià)格?，F(xiàn)在還不清楚這些價(jià)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?。一些工藝要求氮?dú)?，因?yàn)樗岣呖蓾駶?rùn)性，得到較好的焊接點(diǎn)的可靠性。在其它工藝中，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(wèn)題就是是否成本合理。在一些國(guó)家，氮?dú)獠荒敲促F，如德國(guó)，成本大約是 $。在其它國(guó)際，比如瑞士，氮?dú)鈨r(jià)格大約為 $。相對(duì)勞動(dòng)力是非常合算的。 最好，一臺(tái)爐應(yīng)該可以在空氣和氮?dú)庵羞\(yùn)行。基于成本的理由，應(yīng)該避免惰性氣體。但是，對(duì)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(duì)于氮?dú)鉀](méi)有所謂一般性的說(shuō)法。每一個(gè)工藝都有其自己特有的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。在以可能較高的工藝溫度實(shí)施無(wú)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(gè)較長(zhǎng)的生產(chǎn)時(shí)期后，可以在評(píng)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(shí)無(wú)鉛焊錫氧化十分迅速。如果不在惰性焊接機(jī)中，在表面的氧化皮去掉之后，在波峰上很快會(huì)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(duì)于無(wú)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(gè)原因。首先，在無(wú)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(jiàn)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(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(guò)減少波的下落高度，錫渣的數(shù)量將會(huì)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?dú)馐浅杀居行У?，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(wú)鉛 焊接要求不同的溫度曲線，因此，不同的能量消耗。 表二、無(wú)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 2176。C/秒 最大坡度： 0 2176。C/秒 最大坡度： 0 2176。C/秒 最大坡度： 0 2176。C/秒 保溫時(shí)間： (150170176。C) 30 60 秒 保溫時(shí)間： (150170176。C) 0 60 秒 保溫時(shí)間： (150170176。C) 0 120 秒 液化以上時(shí)間： 30 60 秒 液化以上時(shí)間： 60 90 秒 液化以上時(shí)間： 30 60 秒 液化以上時(shí)間： 20 60 秒 峰值溫度： 215 220176。C 峰值溫度： 232 245176。C 峰值溫度： 235 2550176。C 峰值溫度： 245 290176。C *計(jì)算面積： 25,158 計(jì)算面積： 29,704 計(jì)算面積： 28,573 計(jì)算面積： 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(gè)試驗(yàn)中， 我們將無(wú)鉛工藝的能量消耗與傳統(tǒng)的 SnPb 比較 (表二 )。使用一個(gè)數(shù)據(jù)記錄儀，溫度曲線逐步顯示在工藝期間裝配的時(shí)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(qū)域有需要用來(lái)加熱裝配的能量有關(guān)部門(mén)。 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(gè)試驗(yàn)中，我們使用一 臺(tái)專(zhuān)門(mén)回流爐和一個(gè)典型的板裝配來(lái)設(shè)定溫度曲線。為了決定功率的消耗，我們?cè)跈C(jī)器上安裝一個(gè)測(cè)量設(shè)備。每個(gè)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(shí)： 啟動(dòng)期間： 24kWh 每小時(shí)： 8kWh 啟動(dòng)期間： 27kWh 每小時(shí)： 啟動(dòng)期間： 24kWh 每小時(shí)： 9kWh 啟動(dòng)期間： 28kWh 啟動(dòng)時(shí)間： 20分鐘 啟動(dòng)時(shí)間： 20 分鐘 啟動(dòng)時(shí)間： 19分鐘 啟動(dòng)時(shí)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(méi)有板運(yùn)行通過(guò)爐子時(shí)測(cè)量的。 圖二顯示在一班制工藝期間的一臺(tái)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，我們了解到液化以上的長(zhǎng)時(shí)間造成金屬間化合物增長(zhǎng)的增加，在對(duì)可靠性不是所希望的，并且對(duì)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(lái)維持設(shè)定點(diǎn)。 波峰焊接 在波峰焊接工藝中，由于較高的熔點(diǎn)和工藝溫度，有兩個(gè)區(qū)域?qū)?huì)顯示能量消耗的增加。第一個(gè)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(wú) VOC的水基工藝比較，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 280176。C的極高焊接溫度與 250176。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 (Δ波 ) 焊錫 SnPb(250176。C) SnCu(280176。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(shí) 小時(shí) 小時(shí) 在設(shè)定點(diǎn)的每小時(shí)功率消耗 5kWh 5KWh 功率消耗是在沒(méi)有板運(yùn)行通過(guò)焊接機(jī)器時(shí)測(cè)量的。 圖三顯示在一班制生產(chǎn)工藝期間的一個(gè)專(zhuān)門(mén)錫鍋的功率消耗。圖四顯示類(lèi)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 運(yùn)作成本 產(chǎn)出 一般，無(wú)鉛波峰焊接工藝要求較長(zhǎng)的接觸時(shí)間，以達(dá)到焊錫的良好濕潤(rùn)。如果必要，機(jī)器可以安裝一個(gè)不同波形形成器。如果還沒(méi) 有達(dá)到適當(dāng)?shù)臐駶?rùn)，那么傳送帶速度必須減少?？墒?，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?cè)跓o(wú)鉛實(shí)施中所看到的，缺陷數(shù)量沒(méi)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(cè)試沒(méi)有顯示由于焊腳提起的較低的品質(zhì)，因此這些焊點(diǎn)不需要修理。對(duì)于修理工作，烙鐵嘴的氧化物增加也會(huì)發(fā)生。 維護(hù) 由于無(wú)鉛焊接的維護(hù)增加應(yīng)該不是所希望的。無(wú) VOC 的水基助焊劑可能甚至減少維護(hù)時(shí)間和間隔，與免洗助焊劑相比。 對(duì)于回流焊接，一個(gè)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(huì)造成維護(hù)間隔或時(shí)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(jìng)爭(zhēng)性。因此，工程師和所有那些負(fù)責(zé)無(wú)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(lái)引入。 新的材料 雖然一些公司已經(jīng)無(wú)鉛焊接了兩年多，但是對(duì)其合金的選擇應(yīng)該作一些評(píng)述。 如果板的材料中不出現(xiàn)銅，例如銅焊盤(pán)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(lái)越多 的公司選擇SnAgCu 作為 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(jiàn)的未來(lái)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(jí)助焊劑系統(tǒng)，成功消除含鋅合金的氧化問(wèn)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(huì)在無(wú)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) (Deming cycle)(圖五 )。按照這個(gè)模式來(lái)實(shí)施 (或決定不實(shí)施 )新的發(fā)展。例如，一種新的助焊劑將引入到工藝中。跟隨的步驟是： ? 計(jì)劃：計(jì)劃一個(gè)試驗(yàn)來(lái)找出是否該助焊劑將改進(jìn)品質(zhì)、降低成本或達(dá)到已經(jīng)選定的另一個(gè)目標(biāo)。 ? 做：運(yùn)行該試驗(yàn) ? 檢查：分 析試驗(yàn)的輸出和判斷是否該助焊劑滿足期望 ? 行動(dòng)：在工藝中實(shí)施該助焊劑，保持觀察品質(zhì)。 結(jié)論