無鉛轉化給波峰焊工藝所帶來的問題研究

王玉鵬，楊 潔

（南京信息職業(yè)技術學院，南京 210046）

無鉛轉化給波峰焊工藝所帶來的問題研究

王玉鵬，楊 潔

（南京信息職業(yè)技術學院，南京 210046）

無鉛焊料的應用使得波峰焊設備問題更加突出，其中主要的問題是設備的腐蝕及材料的壽命。無鉛焊料和助焊劑的特性決定了無鉛波峰焊設備在結構和材料選用上有很大不同。無鉛釬料的成分配比不同于有鉛釬料，因此在無鉛釬焊時，其工藝流程、工藝參數(shù)也有所改變。從焊接溫度、波峰高度、浸錫時間、冷卻系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)等方面分析了無鉛波峰焊的工藝要求，分析了無鉛波峰焊對焊接設備的材料及結構、噴霧系統(tǒng)、預熱系統(tǒng)、抽風系統(tǒng)等方面的要求，給出無鉛波峰焊機的改造方法，并對常見的無鉛波峰焊焊接缺陷進行分析，尋求最佳的解決對策。

無鉛焊料；波峰焊；缺陷

1 無鉛波峰焊工藝的變化

1.1 無鉛釬料熔點的變化

目前世界范圍內(nèi)已開發(fā)出的無鉛焊料合金種類繁多，根據(jù)合金成分，大體上分為二元合金、三元合金及其他多元合金。人們對無鉛焊性能的評價基準是基于傳統(tǒng)Sn-Pb焊料的性能，要求無鉛焊料的性能盡可能接近Sn-Pb焊料，并且價格不能太高。相對于傳統(tǒng)的SnPb釬料而言，目前常用的SnCu、SnAg、SnAgCu等釬料的熔點都有所升高，高出40℃左右，這就決定了無鉛波峰焊過程需要更高的工作溫度，如圖1所示。

1.2 無鉛釬料潤濕性的變化

相對于傳統(tǒng)錫鉛釬料而言，無鉛釬料不僅熔點升高，潤濕性也大大下降。這樣就對助焊劑提出了更高的要求，助焊劑不僅要有更高的活性，還要不含VOC 等有害物質(zhì)。

目前廣泛采用水溶性或是免清洗助焊劑。免清洗助焊劑的最大特點是省去清洗工序，減少清洗設備、材料、能源和廢物處理等方面的費用，但需考慮其兼容性方面的因素，即各助焊劑之間以及免清洗助焊劑與現(xiàn)行工藝之間的兼容性問題。

圖1 無鉛和有鉛工藝窗口的對比

2 無鉛波峰焊的工藝要求

2.1 焊接溫度

實驗表明，一般的無鉛釬料合金，最適當?shù)腻a爐溫度為271℃。此時常用的無鉛合金一般存在最小的潤濕時間和最大的潤濕力。當采用不同的助焊劑時，無鉛釬料潤濕性能的最佳錫爐溫度有所不同，但是差別不大。波峰焊錫爐的溫度對焊接質(zhì)量影響很大。溫度若偏低，焊錫波峰的流動性變差，表面張力大，易造成虛焊、拉尖等焊接缺陷，失去波峰焊接所應具有的優(yōu)勢；若溫度偏高，有可能造成元件損傷，增加釬料氧化的幾率。

2.2 波峰高度

波峰高度的升高和降低會直接影響到波峰焊的平穩(wěn)及波峰表面焊錫的流動性。適當?shù)牟ǚ搴父叨瓤梢员ＷCPCB有良好的壓錫深度，使焊點能充分與焊錫接觸。平穩(wěn)的波峰焊可使整塊PCB在焊接時間內(nèi)都能得到均勻的焊接。當波峰偏高時，表面液態(tài)釬料流速增大。雷諾數(shù)值增大將使液態(tài)流體出現(xiàn)湍流狀態(tài)，易導致波峰不穩(wěn)定，造成PCB漫錫，損壞PCB上的電子元件；但是有利于焊縫的填充，易引起拉尖、橋連等焊接缺陷。波峰偏低時，泵內(nèi)液態(tài)釬料流速低為層流態(tài)，因而波峰跳動小、平穩(wěn)。焊錫的流動性變差，容易產(chǎn)生吃錫量不足、焊點不飽滿等缺陷。波峰高度通?？刂圃赑CB板厚度的1/2～1/3。

2.3 浸錫時間

被焊表面浸入和退出熔化釬料波峰的速度對潤濕質(zhì)量、焊點的均勻性和厚度影響很大。釬料被吸收到PCB焊盤通孔內(nèi)，立即產(chǎn)生熱交換。當印制板離開波峰時，放出潛熱，釬料由液相變?yōu)楣滔?。當錫爐溫度在250℃～260℃時，焊接溫度就在245℃左右，焊接時間為3s～5s?？紤]到環(huán)境溫度的變化，助焊劑性能、釬料的溫度、接觸時間也有所不同。

2.4 冷卻系統(tǒng)

無鉛化之后，通孔基板波峰焊接時常常會發(fā)生剝離缺陷，其原因是在冷卻過程中釬料合金的冷卻與PCB 的冷卻不匹配。此外無鉛釬料與鍍有Sn-Pb合金的元件會共同存在一段時間，如果采用含Bi 無鉛釬料，剝離現(xiàn)象更為突出。目前解決的最好辦法是出口加冷卻系統(tǒng)，采用較大冷卻速率。目前廣泛應用的冷卻方式是強制自然風冷卻，其冷卻速度為3℃/s～4℃/s；另外一種冷卻方式是采用強制冷源冷卻，冷卻速度可達8℃/s～10℃/s。對于表面組裝比較復雜的PCB，或者是多層板、混裝板建議采用這種冷卻方式，其冷卻效果比較好。

2.5 傳輸系統(tǒng)

傳輸帶是一條安放在輥軸上的金屬傳送帶，它支撐PCB 通過波峰焊接區(qū)域。傳輸帶必須平穩(wěn)，并維持一個恒定的速度。傳輸帶的速度和角度可以進行控制。通過傾角的調(diào)節(jié)，可以調(diào)控PCB 與波峰面的焊接時間。適當?shù)膬A角有助于液態(tài)釬料與PCB 更快地脫離，使之返回錫爐內(nèi)。當傾角太小時，容易出現(xiàn)橋連等焊接缺陷；而傾角過大，雖然有利于橋連的消除，但是焊點吃錫量太少，容易產(chǎn)生虛焊。軌道傾角應控制在5°～7°之間。

3 無鉛波峰焊的設備要求

3.1 良好的耐熱性及耐腐蝕性

推薦所有的設備都采用鈦材料。其中葉輪、噴嘴和導管推薦采用全鈦材料，錫爐壁可以使用一個鈦材料做成的襯墊，如圖2所示。Kester公司認為滲氮鋼、鈦、鑄鐵和帶陶瓷涂層的材料都具有良好性能，特別是小的浸漬爐采用鑄鐵材料時受富Sn釬料的影響并不明顯。AIM 公司也認為原有設備的更換并沒有想象中危險，鑄鐵和標準鋼在無鉛釬料中有良好的抗腐蝕性能。

可見，對于不銹鋼替代材料的研究主要集中于鑄鐵、鈦以及帶涂層材料。不同材料各有特點，需根據(jù)不同的需要和實際情況來進行選擇。

3.2 噴霧系統(tǒng)必須與環(huán)保型焊劑（低VOC或無VOC）兼容

助焊劑涂覆分為發(fā)泡和噴霧。無鉛焊接的免清洗焊劑和無殘渣助焊劑，其固體含量一般都低于5%，多數(shù)免清洗助焊劑的固體含量為2%，不適合發(fā)泡應用，故助焊劑涂敷方式優(yōu)選噴霧方式，要求噴霧氣壓穩(wěn)定，電腦控制參數(shù)設置，同時提供便捷的助焊劑更換方法。

噴霧法可以設計成單通路系統(tǒng)，由單通路系統(tǒng)中的非再循環(huán)封閉容器供給焊劑，這樣就不需要監(jiān)控焊接的固體含量。噴霧涂覆工藝具有涂覆均勻、用量少、不需進行任何滴定或比重的監(jiān)控、不需定期排放舊助焊劑、可控制板上的助焊劑沉積量及封閉式系統(tǒng)消除了助焊劑污跡問題等優(yōu)點。

3.3 預熱部分要加長

預熱階段主要是蒸發(fā)多余熔劑和PCB 制造過程中夾帶的水分，增加粘性并起到活化助焊劑的作用。如果黏度太低，助焊劑會被熔融釬料過早地擠出，造成表面潤濕不良。預熱階段干燥助焊劑也可加強其表面活性，加快焊接過程。并且基板和元器件在預熱階段加熱到100℃以上，可以降低熱沖擊，減少基板翹曲的可能。另外，預熱階段可以加快PCB 板及元器件上揮發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā)，避免在波峰上引起焊錫飛濺和PCB 上的錫球。預熱時間不足和溫度過低會造成焊后殘留或活性不足，造成潤濕性差。預熱低可能會導致焊接時水蒸氣、液體助焊劑等氣體排放，從而造成釬料球，這種情況在低揮發(fā)性有機化合物（VOC）的水基助焊劑上特別明顯。過高則會導致助焊劑在到達波峰之前就已經(jīng)失去作用，從而導致焊錫表面張力增大，造成橋連或冰柱。因助焊劑使用量增大時，必須配備良好的抽風系統(tǒng)。

4 無鉛波峰焊的改造

無鉛波峰焊的改裝適用于一些產(chǎn)品要求不高且目前預算不足的情況。改裝主要有三個部分：預熱部分的改裝、錫缸部分的改裝、冷卻部分的改裝。

（1）預熱部分的改裝

如果舊設備的機身長度不足以將預熱部分延長到至少1.2m，則不建議改裝。通常是將內(nèi)置噴霧機移出以獲得空間加長預熱器。

（2）錫缸部分的改裝

舊的錫缸如果用來做無鉛，噴嘴和錫缸都會在很短的時間內(nèi)被蝕穿，如圖3所示。按照前面講述的要求對錫缸進行更換。

（3）加裝冷卻裝置，以提高冷卻速率。

5 常見的無鉛波峰焊焊接缺陷及對策

5.1 焊點浮離

由于無鉛波峰焊（SAC或SCN）焊接溫度的大大提高，造成板材的Z膨脹系數(shù)（55×10-6/℃～60×10-6/℃）與焊料本身熱膨脹系數(shù)（CTE）之間產(chǎn)生很大的落差和失配，以致在膨脹后的快速冷卻收縮中，當焊點焊料跟不上板材的回縮速度時，一旦其間的IMC生長不良，將會造成銅盤與焊料之間的分離，如圖4所示。由于PCB板的Z膨脹遠超過焊料，所以冷卻收縮過程中會出現(xiàn)銅盤翹起（圖4左）、焊料與銅盤分離（圖4中）以及焊料本身的撕裂（圖4右）等不同情況。

焊點浮離的解決對策有：（1）由于鉍合金焊料的冷卻收縮率很大，所以在波峰焊過程中應避免使用鉍合金焊料；（2）避免鉛污染；（3）焊接后應加速冷卻，以減少CTE落差出現(xiàn)的機會。

5.2 橋連（Bridging）

當SAC或SCN等合金焊料發(fā)生銅污染時，將帶來熔點上升的負面效應，并導致熔融焊料的黏度增加。在原定傳動速度下，會引發(fā)前后相鄰引腳間的橋連，如圖5所示。

橋連的解決對策：

（1）降低熔融焊料中的銅含量，或在添加焊料時改用不含銅的焊料（例如SAC300或SN等）作為補充，這樣便可以降低熔融焊料的黏度，提高焊料的流動性；

（2）此外，良好的助焊劑也可以減少橋連的發(fā)生；

（3）如果是焊盤設計出現(xiàn)問題，導致兩焊盤之間的距離過近，則可以將兩個焊盤之間的距離變大；

（4）采用氮氣可以增加熔融焊料的活性從而減少橋連。

5.3 錫珠（Solder Balling）

不管是波峰焊接還是回流焊接，無論是有鉛焊接還是無鉛焊接，錫珠一直是難以根除的缺陷，如圖6所示，其成因多半是由于濺錫引起的。通常助焊劑中的熔劑在預熱中未能完全揮發(fā)，則易在PCB板頂面從孔內(nèi)向外濺出焊料。若綠漆硬化不足致使高溫中變軟，則易在PCB板底面發(fā)生黏著現(xiàn)象，需要注意的是，PCB板兩面發(fā)生錫珠的原因不同。有時OSP皮膜處理不均或放置太久會導致銅盤發(fā)生氧化（例如庫存超過半年），錫膏清洗后又重新印刷，其OSP皮膜已經(jīng)被醇類溶劑所蝕除，導致裸銅被氧化，這些原因都將導致粘錫不良，造成濺錫。

5.4 錫尖

當無鉛錫池因熔融的銅過多而導致黏度過大時，容易出現(xiàn)牽拖拉扯的短路或錫尖。錫池中熔銅量增加0.1%（by wt）時，其熔點將上升3℃。在原本焊接溫度已無法同步提高的情況下，由于熱量不足必然將造成錫池中焊料的流動性變差。焊點末端離開熔融的波峰時，錫池熔融的焊料將無法及時把焊點末端多余的焊料順利拉回，最終形成錫尖，如圖7所示。焊接溫度過低或傳送帶速度過快，使熔融焊料的黏度過大，也易形成錫尖。

錫尖的解決對策：

（1）定期測量銅的含量，不讓銅的含量超過0.9%（by wt），否則就要進行除銅以增加熔融焊料的流動性；

（2）建議錫波溫度為250℃±5℃，焊接時間3s～5s，溫度略低時，傳送帶速度應調(diào)慢一些。

［1］胡強，李忠鎖，趙智力.無鉛波峰焊工藝與設備的技術特點探討[J].電子工藝技術，2004，9.

［2］曹繼漢. 電子組裝無鉛化過渡的問題及對策[J]. 電子電路與貼裝，2008，2.

［3］圖士捷，夏晶.波峰焊工藝常見問題分析[J]. 熱加工工藝，2010，9.

Research on the Soldering Related Issues with the Wave Soldering Process During Lead-free Conversion

WANG Yu-peng,YANG Jie
（Nanjing College of Information Technology,Nanjing210046,China）

With the application of lead-free solder, wave soldering equipment problems become more and more prominent. The main problem is corrosion of equipment and material life. Because of the characteristics of leadfree solder and flux, lead-free wave soldering equipment must adopt different structural design and materials,and process and process parameters must be changed. This paper analyzes the requirements of lead-free wave soldering equipment and processes, give the transformation method of lead-free wave soldering machine, analyzes the lead-free soldering defects in wave soldering.

lead-free; wave soldering; weld defects

TN305.94

A

1681-1070（2011）05-0001-04

2011-03-25

王玉鵬（1980—），男，山東萊州人，南京信息職業(yè)技術學院講師，碩士，研究方向為5S應用、SMT工藝；

楊 潔（1982—），女，河南安陽人，南京信息職業(yè)技術學院講師，碩士，研究方向為SMT設備，SMT工藝。

封 裝 、 組 裝 與 測 試