表面組裝技術中的無鉛焊接工藝

任紅星

摘要:電子產品生產中傳統(tǒng)的焊接材料為錫鉛合金,鉛屬于有毒重金屬,對人體健康有害,早在1999年,歐美和日本等發(fā)達國家就已經(jīng)提出了電子產品無鉛化工藝,我國也在2003年做出了無鉛化生產的相關規(guī)定,但由于無鉛焊接工藝推廣會帶來一系列的問題,導致國內好多企業(yè)一直沒有改變傳統(tǒng)的焊接工藝,本文就無鉛焊接材料、工藝以及帶來的新課題談談無鉛焊接的必然性和緊迫性。

關鍵詞:無鉛焊接 Sn/Pb合金 元器件 PCB 助焊劑 焊接設備

0 引言

鉛是一種多親害性、對人體有毒的物質,主要損害人的神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)、消化系統(tǒng),鉛中毒也是引發(fā)白血病、腎病、心臟病、精神異常的重要因素之一。鉛毒不僅對水污染,而且對土壤、空氣均可產生污染,一旦環(huán)境產生嚴重鉛污染,其治理的難度很大、周期甚長、經(jīng)費支出巨大。電子制造業(yè)中大量使用的錫鉛合金焊料(Sn/Pb) 是污染人類生存環(huán)境的重要根源之一。實現(xiàn)電子制造的全面無鉛化,以減少環(huán)境污染,提升綠色制造競爭能力,以適應國內外市場對綠色電子產品的需求,是我國電子制造業(yè)以后勢在必行的舉措。

1 無鉛焊料研究與推廣

目前,無鉛焊料的成分并沒有統(tǒng)一的標準,通常是以錫為主體,添加其他金屬,近幾年來有關無鉛焊料的研究工作發(fā)展很迅速。世界各大著名集團公司和研究機構都投人了相當?shù)牧α块_展無鉛焊料的研發(fā)。替代Sn/Pb合金的無鉛焊錫合金材料有多種。目前已經(jīng)得到應用的主要有Sn-Ag系列、Sn-Zn系列、Sn-Bi系列焊料三大類。國內外專家一致認為,最有可能替代錫鉛合金焊料的無毒合金是錫( Sn)基合金。無鉛焊料主要以錫為主,添加Ag、Zn、Cn、Sd、Bi、In 等幾種金屬元素,通過焊料合金化來改善合金性能,提高可焊性。由于Sn-ln系合金蠕變性差,In極易氧化,且成本太高,Sn—Sb系合金潤濕性差、Sb還稍帶毒性,這兩種合金體系的開發(fā)和應用較少。實際上二元系合金要做成為能滿足各種特性的基本材料是不完善的。目前最常見的無鉛焊料,主要是以Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi為基體,在其中添加適量的其他金屬元素所組成的三元合金和多元合金。

2 無鉛焊接技術引發(fā)的新課題

目前, 無鉛焊技術主要應用在電子元件組裝領域,其存在的形態(tài)為焊條、焊絲、焊膏。其應用范圍主要在各種電子、電器產品,印制電路板(PCB)的組裝。影響無鉛焊接技術的應用的因素很多。要使無鉛焊接技術得到廣泛應用,還必須從電子組裝焊接這個系統(tǒng)工程的角度來解析和研究。

2.1 元器件 目前開發(fā)已用于電子產品組裝的無鉛焊料,熔點一般要比有鉛焊料高,所以要求元器件耐高溫,而且無鉛化,即元器件內部連接和引出端(線)也要采用無鉛焊料和無鉛鍍層。

2.2 PCB 無鉛焊接要求PCB的基礎材料耐更高溫度,焊接后不變形,表面鍍覆的無鉛共晶合金材料與組裝焊接用無鉛焊料兼容, 而且要考慮低成本。

2.3 焊接工藝與設備 焊接設備要適應新的焊接溫度的要求, 例如需要加長預熱區(qū)或更換新的加熱元件。若采用波峰焊,則波峰焊焊槽、機械結構和傳動裝置都要適應新的要求,錫鍋的結構材料與焊料的一致性(兼容性)要重新匹配。采用再流焊時,為了提高焊接質量和減少焊料的氧化,有必要采用行之有效的抑制焊料氧化技術和采用惰性氣體( 如N2) 保護焊技術。同時,采用先進的再流焊爐溫測控系統(tǒng)也是解決無鉛焊工藝窗口較窄帶來的工藝問題的重要途徑。

2.4 助焊劑 為滿足無鉛焊料焊接的要求,需要開發(fā)新型的氧化還原能力更強和潤濕性更好的助焊劑。新開發(fā)的助焊劑要與焊接預熱溫度和焊接溫度相匹配,而且要滿足環(huán)保的要求。迄今為止,實際測試證明,免清洗助焊劑用于無鉛焊料焊接效果更好。

2.5 工藝流程 在SMT工藝流程中,無鉛焊料的涂敷印刷、元件貼裝、焊接和住焊接殘留物清洗以及焊接質量檢驗都是新的課題。

2.6 廢料回收 從含Ag的Sn基無鉛無毒的綠色焊料中分離Bi 和Cu將是非常困難的,如何回收Sn-Ag合金又是一新課題。

3 影響SMT無鉛焊技術的幾個因素

3.1 工藝溫度 在無鉛回流焊接中,無鉛焊錫影響工藝溫度,因此影響到加熱溫度曲線。為了以較低的維護停機時間保持機器的清潔,需要一個適當?shù)闹竸┝鲃庸芾硐到y(tǒng)。

3.2 冷卻系統(tǒng) 無鉛焊接中推薦一個受控的冷卻系統(tǒng),因為一旦爐子具有適當?shù)睦鋮s能力,液化以上的時間,晶粒結構和板子出來的溫度都可以界定自然需要更多的室溫風扇。而推薦使用的是一個高級的直接空氣、完全集成的、排熱系統(tǒng)。這個系統(tǒng)設計用于以較低的氮氣消耗提供良好的冷卻。

3.3 助焊劑的選擇 由于較高的工藝溫度,無鉛焊接要求與含鉛焊錫不同的助焊劑。助焊劑類型決定哪一種預熱配置最適合干該工藝。選擇一種具有快速變換配置靈活性的波峰焊接機器。預熱模塊應該容易交換,以找到對每個個別工藝的最佳安排。

3.4 焊腳和空洞 在無鉛焊接中,會發(fā)生一些特別的缺陷,諸如焊腳提起和焊須。但其他缺陷,如焊點中的空洞,也似乎比Sn/Pb 中發(fā)生的多。焊腳開起是在冷卻階段,它是焊接元腳從電鍍通孔周圍銅焊盤的一種分離。焊腳開起的主要原因是合金化合物、銅焊盤、板厚度與材料的溫度膨脹系數(shù)的不匹配。焊腳開起主要發(fā)生在含秘合金與鉛污染結合的時候空洞形成的原因很多。空洞可能是固化期間電鍍孔的排氣可能會在焊錫中產生空洞,空洞也可能是焊接點潤濕不夠的結果。

3.5 回流工藝 回流工藝中的變量包括機器和數(shù)據(jù)記錄參數(shù)。機器參數(shù)包括傳帶速度、參考溫度以上的時間、平均溫度、最低溫度、最高溫度和達到最高溫度的時間。特征是指焊接缺陷,如空洞、跳焊、焊球,焊橋和元件豎立。提高合格率和降低機器停機時間是無鉛焊接引人之后必須達到的目標。在開始無鉛工藝之后,要努力建立一個可以重復測量的工藝,一個合理計算工藝的能力,一個合理計算工藝能力值的方法和一個使用該數(shù)據(jù)校準機器的方法。

4 結束語

本文闡述了SMT中無鉛焊料的組分系列和無鉛焊接工藝引發(fā)的一些新課題,以及SMT焊接技術,希望業(yè)內人士批評指正,以供相互交流探。

參考文獻:

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