【正文】 焊接?？諝獾稁椭鷮⒅竸┝鞯娇變?nèi)，在裝配上更均勻地分布助焊劑，并幫助去掉過多的材料。為了有效，助焊劑必須滲入孔內(nèi)和涂在引腳上。這些助焊劑不提供較高活性的材料所具有的對可焊性差的幫助。因此，免洗助焊劑可能是一個好的選擇，甚至是必須清洗。低殘留物助焊劑由于留下的殘留物對電路危害的可能性很小。裝配的操作環(huán)境主要決定是否免洗助焊劑可以留在裝配上。松香對活性劑含量的比率可決定活性劑的密封有多好。有些松香基材料的殘留物可以留在焊接的裝配上。松香基助焊劑可能在侵蝕性上變化很大，取決于鹵化物類型與含量。助焊劑、上助焊劑和預(yù)熱　　如圖一中所說明的，助焊劑用來提高能量水平，改善要焊接的表面的可熔濕性。　　有機可焊性保護劑(OSP, organic solderability preservative)和各種通過電解和浸鍍工藝施用的金屬涂料在許多情況中證明是最滿意的。在焊接工藝中短的熔濕(wetting)時間要求用來表面元件損傷和一些焊接缺陷?！　榱诉_到在任何的焊接工藝中的低缺陷率，PWB和元件端子的表面最終涂層都必須提供持久的可焊性。這個不同可能導(dǎo)致在一些要焊接的表面特征上很薄的涂層。在進入的PWB中，可能在阻焊層(solder resist)中吸收HASL助焊劑殘留物對免洗工藝是有問題的。　　對于進化的和較舊的兩種PWB設(shè)計，新的不同的可焊性保護劑正得到波峰焊接和回流焊接工藝的親眛。選擇性焊接托盤(pallet)現(xiàn)在更廣泛地用于傳統(tǒng)的波峰焊接機器上?！　「呙芏劝惭b的混合技術(shù)裝配的增加，驅(qū)使許多工藝的創(chuàng)新。與該方法的經(jīng)驗表明，使用PIH工藝消除波峰焊接的溫度巡回通常是有好處的。這個方法假設(shè)了足夠的元件和印制線路板(PWB, printed wiring board)的可焊性和受控的上助焊劑、預(yù)熱和焊接工藝。焊錫從平整的邊緣斷開，造成橋接。　　兩種方法都從熔化焊錫的表面張力與能力平衡著手。在許多情況中，把焊盤從方形到圓形的設(shè)計轉(zhuǎn)變可減少或解決該問題。對該工藝的輸入　　最近在現(xiàn)場遇到的特別關(guān)注是與底面裝配的表面貼裝電阻元件和頂面安裝的連接器的橋接有關(guān)的焊接問題。達到這個工藝表現(xiàn)是由于新的材料、設(shè)計、程序和態(tài)度?？墒?，它繼續(xù)得到與其復(fù)雜性的克服一起而來的尊重，這個復(fù)雜性是通過所涉及的變量輸入數(shù)量與類型來權(quán)衡的。 波峰焊接 還是可行的By Les Hymes　　本文介紹，新的材料、設(shè)計、程序和態(tài)度正重新燃起對這個成熟工藝的興趣?；氐揭苯饘W(xué)基礎(chǔ)上面來是將來預(yù)測系統(tǒng)的方法，因為尋找更環(huán)境友好材料的動力是政府法規(guī)所追求和所要求的。對焊接應(yīng)用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)共晶焊錫的研究已經(jīng)開展多時，大部分可以接受。不純凈可以和加入低三元素產(chǎn)生同樣的影響，人們發(fā)現(xiàn)這樣會降低焊錫的熔濕(wetting)特性。有集團已經(jīng)開始建議污染的限制，在這個限定之內(nèi)，還可以提供可接受的焊接結(jié)果，而不必完全理解在微結(jié)構(gòu)上發(fā)生什么事情。 規(guī)格　　冶金學(xué)者很想知道當(dāng)各種金屬開始在熔化的焊錫鍋中累積的時候發(fā)生什么，集合體特性將受到怎樣的影響。固化類似于在Sn/Pb共晶合金系統(tǒng)中見到的。該建議的替代金屬的金相圖如圖三所示。 Sn/ Sn/Ag/Cu Sn/Ag/Cu/Sb Sn/ Sn/Bi/Ag Sn/Zn/Bi 過程溫度 5 6 2 1 焊角聳立阻力 可焊性 4 2 3 5 1 10 可處理性 3 5 4 10 可靠性 3 4 5 6 可再生性 5 6 成本 可利用性 3 4 5 6 總分 26 21 23 28 32 46 * 本表為SOLDERTEC所準(zhǔn)許 所相有合金在得到接受之前都必須考慮下面的因素。 表一列出合金和幾種選擇，分別以一到十來表示好壞。該組織正打算與其它機構(gòu)聯(lián)合為其可制造性開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，其它機構(gòu)的方向集中在選擇替代品，編寫世界范圍的數(shù)據(jù)庫和收集材料特性數(shù)據(jù)。這些法令建議到2002年在裝配中減少鉛，到2004年消除鉛。如果不遵循適當(dāng)?shù)男l(wèi)生要求，對鉛的煙霧的呼吸和手工焊接時的直接接觸也有重要影響。在電子裝配中消除鉛的主要理由 是機器操作員的環(huán)境暴露。雖然電子裝配不是主要使用者，但還是有世界范圍的日益增加的對減少鉛使用的關(guān)注，由于其毒性和再生利用的處理不當(dāng)6。溫度設(shè)定點必須改變和監(jiān)測，以控制可能由于錫鍋合金成分的冶金變化而出現(xiàn)的缺陷。　　隨著波峰焊接機器中的焊錫鍋長時機運行，暴露給所有金屬的焊錫可能具有與原來的不同的作用。在微結(jié)構(gòu)中，有時使用名詞微組元(microconstituent)是方便的，即，具有可確認(rèn)和有特征結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)元素。據(jù)報道，在α片之前沒有溶質(zhì)集結(jié)和結(jié)構(gòu)的集結(jié)，在β片之前溶質(zhì)的耗損。當(dāng)室內(nèi)空氣冷卻固溶體時，剩下的液體可能經(jīng)歷共晶反應(yīng)，在室溫下在非共晶成分中給出共晶微結(jié)構(gòu)。當(dāng)超過固體可溶性極限的成分在室溫下冷卻時，α相的平均成分結(jié)核。合成物是一個平均的成分。非共晶成分　　當(dāng)考慮非共晶合金時，假設(shè)由α+共晶組成，從圖二的扛桿定律支配比值。正如所料，當(dāng)偏離共晶時，各種合金的特性是不同的。在冶金學(xué)上，焊錫可看作是構(gòu)成二元合金的純金屬的簡單混合。更高Sn含量的合成物不能調(diào)節(jié)成本增加與電子裝配性能改善之間的關(guān)系。%Sn，如圖一所示。給共晶焊錫的普通名稱是令人誤解的。Sn提供連接的特性，而Pb是作為填充材料使用的。這個接合對連接是好的，直到其增長完全支配焊接點的特性；這時，這樣的焊點對裝配就是有害的。這些鍵由于有高分子而強度高。Cu來自于PCB的連接面，而Sn來自于焊錫合金。這個金屬間化合層通常是 1 181。增長速度是與在特定溫度的時間的平方根和溫度的指數(shù)成線性。在冷卻之后，保持焊接點?！　∫苯饘W(xué)的因素對焊錫連接有重要的和經(jīng)常是主要的影響3。這些孔通常連接裝配中等電路層，表明：　　液體在毛細(xì)管空間的上升高度隨著表面分開減少而增加。毛細(xì)管作用使焊錫達到PCB的圓形電鍍孔的頂面。表面能量與接觸角度決定熔化的焊錫對暴露金屬的附著。PCB有必要的暴露金屬區(qū)域，從波峰上通過。需要增加的熱量來克服PCB與熔化焊錫池之間的溫度差。氧化物從金屬表面去掉，以保證焊接點與帶有助焊劑的熔化焊錫之間的清潔接觸。 焊接動力學(xué)　　當(dāng)產(chǎn)生一個焊接點時所發(fā)生的反應(yīng)在原理上是基本的。這樣傾斜也允許熔化的焊錫脫落進入錫鍋，減少相鄰焊接點之間的橋接。波峰焊接縮短一半以上的接觸時間。這一整套問題導(dǎo)致波峰焊接的引入。在保證適當(dāng)信號傳輸、消除串音和不可接受的垂直波比的同時，必須分析每一種情況中引發(fā)的溫度與機械應(yīng)力。大規(guī)模的波峰焊接的使用為元件的可焊性提出一個關(guān)注的問題，因為需要第一次就產(chǎn)生適當(dāng)?shù)倪B接，并在裝配上不進行返修，今天的產(chǎn)品不如過去那些較不復(fù)雜裝配那么寬容。加熱去掉助焊劑載體和減少溫度沖擊，將增加的熱量加給構(gòu)成電路裝配的非類似的材料。附著方法基本上只需要助焊劑，熱和焊錫，以形成冶金連接。焊接的基礎(chǔ)仍然是相同的。在八十年代，開發(fā)出被稱為波峰焊接的概念。印刷電路板(PCB)的發(fā)展需要一個更加經(jīng)濟和穩(wěn)健的形成焊接連接的方法。因此在這里有必要回顧一下基礎(chǔ)的冶金學(xué)原理，開發(fā)和理解為將來建議使用的替代材料。在焊接中涉及的基本冶金學(xué)原理已經(jīng)被許多非冶金人士所忽視，他們?yōu)榱藢ふ覞M足今天要求和更加環(huán)境友好的適當(dāng)材料。83 / 84基礎(chǔ)冶金學(xué)與波峰焊接趨勢　　本文介紹，為了使波峰焊接在電子工業(yè)中完全被接受，冶金學(xué)者、工業(yè)與主管機構(gòu)必須一起工作，進行廣泛的研究。 　　自從開始，波峰焊接一直在不斷地進化。為了決定與理解對波峰焊接工藝中被廣泛接受的焊錫作“插入式”替代的理論基礎(chǔ)，作一些研究是必要的。 波峰焊接的進化　　從二十年代到四十年代，連接是使用焊接烙鐵連線方法。最早的大規(guī)模焊接概念是在英國的浸焊(dip soldering)。這個方法今天還廣泛使用，但是機器和操作員控制已經(jīng)變得更好了。焊接形成只是變化來滿足設(shè)備的要求；可是，化學(xué)成分和理論動力學(xué)還是基本的和簡單的。助焊劑用來清潔需要焊接的、已被氧化的表面。在一個裝配上發(fā)現(xiàn)的材料包括：塑料、陶瓷、金屬、涂料、化學(xué)品及其廣泛不同的化學(xué)成分。需要第一次就正確形成的可靠焊接點來經(jīng)受PCB所暴露的環(huán)境。1　　最早的浸焊方法有一些問題：很難重新產(chǎn)生所希望的合格率；將板放在熔化的焊錫上在底下夾住氣體，干擾熱傳導(dǎo)與焊錫接觸；焊錫只能熔濕(wet)到金屬表面；錫渣(氧化物與燃燒的助焊劑的化合物)必須撇去，不斷地阻礙生產(chǎn)2。該方法使用從錫鍋升起的熔化焊錫波或大塊表面來匯合PCB，然后PCB從波上傳送過去。傳送帶系統(tǒng)通常在一個角度上，因此當(dāng)板通過波峰時，不會夾住任何東西在PCB下面。因為熔化的金屬是從熔化池表面之下泵出的，只有清潔、無氧化的金屬引入裝配。焊錫合金加熱到其液相線區(qū)域，以提高焊接點的熔濕(wetting)。然后助焊劑預(yù)熱從PCB去掉助焊劑溶劑(一般為水或酒精)。加熱PCB來補償溫差差，不對元件引起傷害。焊錫以適當(dāng)?shù)慕雍吓c熔濕角度熔濕到金屬。如果固體的表面能量相當(dāng)高于液態(tài)和固體/液態(tài)界面表面能量的總和，那么液態(tài)熔濕并流走。　　在一些系統(tǒng)中，氮氣惰性化的焊接環(huán)境用來提高熔濕/毛細(xì)管作用?！? 進入焊點的流動速度隨著表面分開的減少而減少。熔化的焊錫在焊錫鉛與加入形成連接的熔化焊錫之間形成金屬間化合層。 金屬間化合的形成與增長　　直到連接冷卻到可以處理，金屬間化合層還在增長。這說明增長是通過交互原子向界面擴散來控制的。m的Cu6Sn5。　　金屬間化合物具有從金屬與共價鍵的混合物升起的特性。因此，自擴散系數(shù)和更大的擴散控制特性的穩(wěn)定性是強鍵結(jié)合和有序結(jié)構(gòu)的結(jié)果4。焊接材料　　今天，波峰焊接工藝首選的合金是共晶(eutectic)合金： Sn63/Pb37，因為其價格與可獲得的量。產(chǎn)量的增強要求使用快速固化的和可以在幾秒鐘內(nèi)形成數(shù)百焊接點的材料。指定的組成成分不是真正的共晶成分。這個 差異來自于早期對共晶成分的錯誤計算。只有當(dāng)裝配使用在腐蝕性環(huán)境時，成本才調(diào)節(jié)過來。其合金圖是二元合金系統(tǒng)的典型圖，適用于基本的冶金學(xué)原理。隨著合金中Sn含量減少，液化溫度增加、密度增加、硬度減少、溫度膨脹系數(shù)(CTE)增加、溫度與電氣傳導(dǎo)性減少。有實例證明，沒有樹枝狀晶體出現(xiàn)的固化是可能的，整體的微結(jié)構(gòu)符合共晶。怎樣在非共晶合成物中獲得共晶結(jié)構(gòu)？固化的冷卻速率快于轉(zhuǎn)化動能。轉(zhuǎn)換固相的轉(zhuǎn)化動能被固體轉(zhuǎn)變遠遠超過。當(dāng)共晶成分的純二元液體冷凍時，形成的固體平均成分與液體是一致的。這些溶質(zhì)輪廓可產(chǎn)生結(jié)構(gòu)過冷，盡管這個現(xiàn)象不是平面不穩(wěn)性的充分條件5。在圖二中，主要微組元的顆粒結(jié)核，形成的共晶微組元的百分率大于焊錫合金當(dāng)量條件。氧化和金屬間化合的形成隨著時間改變著焊錫鍋中的成分，也改變了特性。 無鉛波峰焊接　　世界上，大約每年使用60,000噸的焊錫。轉(zhuǎn)換到無鉛不是被工業(yè)所廣泛接受。錫渣副產(chǎn)品的處理可能對環(huán)境有嚴(yán)重影響，如果處理、運輸、再生不當(dāng)?shù)脑?。　　對要接受的無鉛替代品，必須提供下列： 有足夠數(shù)量的來源 與現(xiàn)有的工藝可兼容 足夠的熔化溫度 良好的焊點強度 熱和電的傳導(dǎo)性類似Sn/Pb 容易修理 非毒性 低成本 　　許多公司正在開發(fā)合適的替代合金，作為“插入式”的替代品，以遵守歐洲和日本的法令?！?在北美的國家電子制造協(xié)會(NEMI, National Electronics Manufacturing Initiative)的目標(biāo)是到2001年用生產(chǎn)無鉛替代品的能力裝備北美。 工藝上關(guān)注的問題　 國際錫研究協(xié)會(ITRI, International Tin Research Institute)開辦了SOLDERTEC，一個無鉛焊接技術(shù)中心，來傳播前緣信息和收縮可利用的選擇。 表一、焊錫合金比較* 在制造產(chǎn)品中使用的材料 當(dāng)在運行中使用產(chǎn)品時的材料消耗 在制造產(chǎn)品與過程中使用的能量 在產(chǎn)品壽命終結(jié)時的可再生性和重復(fù)利用性 在包括材料提取、制造和報廢/再生的整個生命周期中的輻射 在制造廢料流中的可再生性 　　Sn/，主要是由于其低金屬成本和來源。在極度富錫的區(qū)域，%重量的的銅有一個共晶點，這使得這種合金與用于當(dāng)今裝配中的現(xiàn)有材料兼容。銅和錫兩種金屬都是來源豐富的，該二元系統(tǒng)減少當(dāng)使用三元合金成分時出現(xiàn)的低熔化相。很高量的污染可看作第三元素?！　“l(fā)現(xiàn)引起大多數(shù)負(fù)作用的不純凈金屬是那些金屬，它們或者與Sn在合金中形成金屬間化合物的或者以特性改變的方式來改變合金成分。 結(jié)論　　在對所建議的焊錫替代合金的冶金學(xué)研究方面有許多工作要做?？墒?，這似乎對那些不可避免要出現(xiàn)的新時期焊接合金不一定是正確的。冶金學(xué)者、工業(yè)與政府機構(gòu)必須攜手合作，找出更穩(wěn)健的解決方案?！　〔ǚ搴附?，作為批量焊接技術(shù)的長期伙伴，可能已經(jīng)不會得到象回流焊接那么多的注意了。隨著產(chǎn)品設(shè)計與技術(shù)的進化，作為對新工藝需求的反應(yīng)，波峰焊接繼續(xù)以良好的結(jié)果適應(yīng)和完成新的任務(wù)。結(jié)果，對問題和由這個“陳舊但良好的”工藝所提供的解決方案的興趣還在 繼續(xù)。在焊接方向線上的間隔近的焊盤橋接是存在多時的一個問題。另一種方法，使用非活性的、靠近在線最后焊盤后面的“掠錫”焊盤經(jīng)常達到目的。對于方形焊盤，當(dāng)焊盤離開熔化的焊錫時，焊錫不能夠呈現(xiàn)一個低能量的外形。掠錫焊盤為焊錫提供一個“斷開”的地方，或許防止了危害?！　″a膏通孔(PIH, pin/pasteinhole)工藝是用來減少在制造一些混合技術(shù)裝配中的工藝步驟的一種方法。其中一個優(yōu)點是消除了大的通孔(throughhole)連接器所出現(xiàn)的橋接。特制的“點”或“面”波峰焊接設(shè)備的數(shù)量越來越多。這些托盤針對那些在裝配的底面上有已經(jīng)焊接的、大型、溫度敏感有源元件、球柵陣列(BGA, ball grid array)和QFP(quad flat pack)的通孔元件。傳統(tǒng)的熱