【正文】 將此溫度范圍控制在 10℃以內(nèi)，以便形成良好的焊點，減少缺陷。 低毒性 合金及其成分必須無毒，所以此項要求將鎘、鉈和汞排除在考慮范圍之外；有些人也要求不能采用有毒物質(zhì)所提煉的副產(chǎn)品，因而又將鉍排 除在外，因為鉍主要來源于鉛提煉的副產(chǎn)品。由于對波峰進行惰性處理的成本不太高，因此可以接受波峰焊加惰性環(huán)境的使用條件要求；但就 SMT 回流焊而言，合金最好要具備在空氣下進行回流焊的能力，因為對回流焊爐進行惰性處理成本較高。 生產(chǎn)可重復(fù)性 /熔點一致性 電子裝配工藝是一種大批量制造工藝，要求其重復(fù)性和一致性都保持較高的水平，如果某些合金的成分不能在大批量條件下重復(fù)制造，或者其熔點在批量生產(chǎn)時由于成分變化而發(fā)生較大變化，便不能給予考慮。 焊點外觀 焊點的外觀應(yīng)與錫 /鉛焊料接近，雖然這并非技術(shù)性要求，但卻是接受和實施替代方案的實際需要。從技術(shù)的角度而言，銦是一種相當特別的材料，但是如果考慮全球范圍內(nèi)銦的供貨能力，人們很快就會將它徹底排除在考慮范圍之外。 與鉛的兼容性 由于短期之內(nèi)不會立刻全面轉(zhuǎn)型為無鉛系統(tǒng)，所以鉛可能仍會用在某些元件的端子或印刷電路板焊盤上。 金屬及合金選擇 在各種候選無鉛合金中，錫 (Sn)都被用作基底金屬，因為它成本很低，貨源充足，并具備理想的物理特性，如導(dǎo)電 /導(dǎo)熱性和潤濕性，同時它也是 63Sn/37Pb 合金的基底金屬。 p 之所以選擇這些材料是因為它們與錫組成合金時一般會降低熔點，得到理想的機械、電氣和熱性能 。 近 5 年來業(yè)界推出了一系列合金成分建議，幷且對這些無鉛替代方案進行了評估。面對所有候選合金，我們采用一些技術(shù)規(guī)范將選擇縮到一個較小的范圍內(nèi)便于進行挑選?；谶@些原因，含銦合金將被排除在進一步考慮范圍之外。 鋅 鋅非常便宜，幾乎與鉛的價格相同，并且隨時可以得到，同時 它在降低錫合金的熔點方面也具有非常高的效率。也許通過惰性化或特種焊劑配方可以克服這些技術(shù)障礙，但現(xiàn)在人們要求在更大的工藝范圍內(nèi)對含鋅方案進行論證，因此鋅合金在今后考慮過程中也會被排除在外。鉍具有非常好的潤濕性質(zhì)和較好的物理性質(zhì)，但鉍的主要問題是錫 /鉍合金遇到鉛以后其形成的合金熔點會比較低，而在元件引腳或印刷電路板的焊盤上都會有鉛存在，錫 /鉛 /鉍的熔點只有 96℃，很容易造成焊點斷裂。盡管我們也能通過直接開采獲取鉍，但這樣成本會比較高。 四種和五種成分合金 由四種或五種金屬構(gòu)成的合金為我們提供了一系列合金成分組合形式，各種可能性不勝枚舉。 另外一個問題是合金成分時常會發(fā)生變動，因此熔點也會變，這在四或五金屬合金中會經(jīng)常遇到。 所 以多元合金將被排除在進一步考慮范圍之外，除非某種多元合金成分具有比二元系統(tǒng)更好的特性。 表 2 列出一些主要無鉛替代方案，以及最終選用或不選用的原因，表中包括了單位重量價格、單位體積價格 (對焊錫膏而言單位體積價格更具成本意義 )以及熔點等信息，這些合金按照其液相溫度遞增順序排列。 先考慮焊條 (波峰焊 )和焊線 (手工和機器焊接 )。 結(jié)果所有選中的合金都符合波峰焊要求，但 95Sn/5Sb 合金與其它替代方案相比能夠節(jié)省更多成本。 手工焊用錫線的要求與上面焊條應(yīng)用非常相似，成本考慮仍然居于優(yōu)先地位，同時也要求能夠提供較好的潤濕和焊接能 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 14 頁 共 55 頁 力 。 與焊條和焊線相比，焊錫膏較少考慮合金成本，因為金屬成本在使用焊錫膏的制造流程總成本中所占比重較少，選擇焊錫膏合金的主要要求是盡量降低回流焊溫度。 這兩種合金都是較為合適的選擇并各具特點，相比之下Sn/Ag/Cu 合金的液 相溫度更低 (雖然只有 4℃ )，而 Sn/Ag 合金則表現(xiàn)出更強的一致性和可重復(fù)制造性，并已在電子業(yè)界應(yīng)用多年，一直保持很好的可靠性。 實測評估結(jié)果 波峰焊評測 將 Econopak Plus 波峰焊機進行測試，這種波峰焊機配備有 USI 超聲波助焊劑噴涂系統(tǒng)、 Vectaheat 對流式預(yù)熱和“ A”波 CoN2tour 惰性系統(tǒng)。另外作為對照，將同樣的電路板在相同設(shè)備上采用相同條件進行焊接，只是 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 15 頁 共 55 頁 焊料用傳統(tǒng) 63Sn/37Pb 合金。 使用 接的電路板沒有區(qū)別，焊點的光亮程度、焊點成型、焊盤潤濕和通孔上端上錫情況也基本一樣。 ℃溫度條件下焊接非常成功，在245℃條件下也沒有問題。在大批量生產(chǎn)中，電路板的銅吸收情況與用 Sn/Pb 合金時相同。另外如果在空氣中工作，回流焊溫度較高還可能使普通免清洗助焊劑變色，所以這種助焊劑對高溫要有很強的承 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 16 頁 共 55 頁 受能力。 UP 系列焊錫膏在印刷測試中表現(xiàn)非常好，測試時采用的是MPM UP2020 印刷機，印刷條件包括 6mil 厚激光切割網(wǎng)板、印刷速度 25mm/秒、網(wǎng)板開口間距 16～ 50mil以及接觸式印刷，焊膏印出的輪廓非常清晰且表現(xiàn)出良好的脫模性能。 回流焊采用 Electrovert Omniflo 七溫區(qū)回焊爐，在空氣環(huán)境下進行焊接。 得出結(jié)論如下： UP 系列焊錫膏 印刷性。 對測試板而言， ℃最高溫度是可以接受的。 焊點光亮度好，與標準 Sn/Pb 合金相同。 潤濕和擴散特性與 Sn/Pb 標準合金相同。 有些元件經(jīng)高溫回流焊后會出現(xiàn)變色和氧化跡象，將這種無鉛焊料用于兩面都有表面安裝器件的電路板上時，建議在回流焊后再安裝需作波峰焊接的底面 SMD 器件，以免過度受熱影響可焊性。 其它特性 選擇一種簡單普通二元合金的最大好處在于它已經(jīng)完成了大量測試且已被廣泛接受，如 域應(yīng)用了很長的時間。 福特汽車公司對使用 Sn/Ag 合金的測試板和實際電子組件進行了熱循環(huán)試驗 (40℃～ 140℃ )，已完成全面熱疲勞測試研究，另 外他們還將無鉛組件用于整車中，測試結(jié)果顯示 Sn/Ag 合金的可靠性與 Sn/Pb 合金相差無幾甚至更好。 根據(jù)研究結(jié)果， Sn/Ag 和 Sn/Pb 在導(dǎo)電性、表面張力、導(dǎo)熱性和熱膨脹系數(shù)等各方面所取得結(jié)果大致相當 (見表 3)。 對波峰焊應(yīng)用而言，焊錫條可使用 。 雖然上述方案還未能達到研究無鉛替代方案工程師們所確定的每項目標，但基本上能令人滿意，該方案最大限制在于～30℃，因此回流焊對元件的要求也有所提高。 隨著新技術(shù)的發(fā)展，將來還會有更多更好的替代方案推出，這里討論的系統(tǒng)最大價值在于其它復(fù)雜系統(tǒng)可以根據(jù)它提供的標準進行參照比較。危害是指某物質(zhì)存在毒性以及食入、吸入或吸收后對人體的影響，危險更多是指采取正確預(yù)防措施后材料的安全 性或者危害發(fā)生的可能性。在評定鉛的危險性時，通常是通過調(diào)查飲食或呼吸攝入的可能性。 可以采用一些簡單的預(yù)防措施，包括在保養(yǎng)波峰焊錫爐和清理殘渣時戴上面罩，在有鉛區(qū)域禁止抽煙，盡可能減少在工作區(qū)攝入鉛的可能性。 一般地說，從鉛吸收來源來看食入鉛的危險要高于呼吸吸入，所以應(yīng)強調(diào)養(yǎng)成良好衛(wèi)生習(xí)慣的重要性，在含鉛的區(qū)域嚴禁飲食和抽煙以將危險降到最低。 既然在電子工業(yè)中使用鉛的危險如此之小，那么人們?yōu)槭裁催€在考慮徹底消除鉛的使用呢？其實主要的擔(dān)心是含鉛材料的處置問題，如印刷線路板等。 目前存在一些技術(shù)爭論，主要圍繞鉛從 PCB 滲出的可能性以及飲用水可接受的含鉛量 (如果確實含鉛 )應(yīng)該低于多少。由于電子業(yè)所用的鉛在人類鉛使用總量中僅占非常小的份額，而且電子業(yè)在國民生產(chǎn)總值中所占比例非常重要并呈增長趨勢，因此對電子工業(yè)限制用鉛會遇到很大阻力。 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 21 頁 共 55 頁 歐洲則在推動無鉛立法上采取了更為積極的態(tài)度，歐盟計劃進行一項投票表決，要求 2020 年 1 月之前在除車用和某些特殊場合之外的所有電子產(chǎn)品中禁止用鉛，荷蘭和瑞士則早已實施了有關(guān)電子廢料的法令。日本電子產(chǎn)業(yè)開發(fā)協(xié)會和日本電子封裝研究所在 1998 年 1 月制定了無鉛方案的研究原則與計劃，有些 OEM 廠商已經(jīng)成功開發(fā)出回收利用方法，索尼、東芝、松下、日立和 NEC 等大公司也已承諾將遵守 日本的法律，于 2020 年在某些電子產(chǎn)品中實現(xiàn)無鉛化。 也有許多公司將實施無鉛工藝作為一種營銷戰(zhàn)略，他們希望在營銷過程中將其電子產(chǎn)品作為無鉛和環(huán)保產(chǎn)品進行宣傳。 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 22 頁 共 55 頁 在過去十年里，電子裝配制造商已經(jīng)迅速地采用 了免洗助焊劑技術(shù)。隨著低固體、免洗助焊劑技術(shù)的采用，出現(xiàn)了幾個明顯的挑戰(zhàn)。這兩種缺陷的頻率經(jīng)常伴隨片狀元件波峰焊接(wave solder)的使用而大大增加。 片狀元件波峰焊接的難題是什么？ 使用傳統(tǒng)的 λ 或“ A”型焊接波峰來焊接底面的表面貼裝元件 (SMD)，經(jīng)常產(chǎn)生不滿意的焊接結(jié)果。因此，在許多情況下，這兩種波型不具有適當?shù)慕佑|作用或動力，來打破在底面 SMD的元件引腳與焊盤界面之間焊錫的表面張力。這個現(xiàn)象有時叫做“陰影 (shadowing)”，是那些通常叫做“漏焊(skip)”的缺陷的主要原因。在這種波峰焊接機器類型中，片狀波峰 (chip wave)后面跟著傳統(tǒng)的焊接波峰，構(gòu)成雙波峰焊接工藝。這種作用允許焊錫的表面張力更容易地打破，保 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 23 頁 共 55 頁 證焊錫適當?shù)娜蹪窈副P與元件的界面，形成焊接點。 可是，當片狀波峰要求用于底面 SMD 的適當焊接和與傳統(tǒng)低固 (lowsolids)、免洗 (noclean)助焊劑一起使用時，其它的焊接問題是常見的。在雙波峰工藝中經(jīng)常與這些助焊劑的使用有關(guān)的缺陷是錫球 (solder ball)和錫橋 (solder bridge)。 如果使用片狀波峰，會出現(xiàn)過多的焊錫球和錫橋。 注意，在這種情況下遇到的錫球通常叫做非隨機錫球。它們的發(fā)生和焊錫與阻焊層之間的表面張 力有關(guān)。結(jié)果形成錫球。當使用雙波峰工藝時，表現(xiàn)差是常見的，因為片狀波峰大大地增加了 PCB 與熔化的焊錫之間的接觸時間。 F 熔化 的焊錫接觸的時間增加了，比單波峰工藝增加 25~40%。 例如，對于 5 ft/，“ A”波比“ A”波加片狀波峰的接觸時間是 秒比 秒。 傳統(tǒng)的低固、免洗助焊劑不是設(shè)計忍耐這么長的溫度暴露。這里，助焊劑發(fā)揮其在焊接工藝中最好的和關(guān)鍵的作用。另外，剩余的助焊劑必須幫助焊錫從元件引腳排放掉，以減少錫橋的頻率。 解決片狀波峰的難題 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 25 頁 共 55 頁 有幾種選擇來解決片狀波峰的難題。在多個研究中，與平滑的阻焊層相比較，不光滑表面的阻焊層的使用顯示 50~90%的錫球數(shù)量的大大減少?？墒?，這些 方法不總是可以辦到的，有時可能產(chǎn)生其它焊接問題。不象傳統(tǒng)的不能忍耐焊接中駐留時間延長的低固免洗助焊劑，已經(jīng)開發(fā)出更新的助焊劑技術(shù)，提供溫度更穩(wěn)定的活性劑系統(tǒng)。這個能力保證助焊劑將在波峰出來時還有，以 減少焊錫的表面張力，大大地減少非隨機錫球與錫橋的發(fā)生。圖二比較一種傳統(tǒng)的低固免洗助焊劑與一種較新的更溫度穩(wěn)定的基于溶劑的低固免洗助焊劑的 TGA 圖。 TGA 測試從樣品的已知數(shù)量開始，用圖繪出隨著 `溫度與時間的增加樣品質(zhì)量的損失。 在圖二中比較的兩種助焊劑的情況中，每一個都是以急下坡開始，這表示每個助焊劑樣品的大多 數(shù)已經(jīng)揮發(fā)。畫圈的區(qū)域是比較的更關(guān)鍵區(qū)域。在這個溫度范圍助焊劑溫度穩(wěn)定性的差別幫助預(yù)測助焊劑性能的差別。因為揮發(fā)較慢，在焊錫波峰的剝離區(qū)域或出口還有助焊劑，來減少焊錫的表面張力，結(jié)果減少非隨機錫球和錫橋。非隨機錫球與錫橋的發(fā)生經(jīng)常隨著片狀波峰的使用而大大增加。 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權(quán)歸原作者所有 ) 第 27 頁 共 55 頁