錫渣的形成特點和減少措施

韓彬，檀正東，杜君寬，王海明，鄧映柳，杜彬，史建衛(wèi)

(1. 深圳市艾貝特電子科技有限公司，廣東 深圳，518103；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳，518055；3. 中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣東，廣州，510300)

波峰焊生產(chǎn)中使用較多的無鉛釬料為SnAgCu 和SnCu 兩類，其錫含量都在95%以上，熔點都明顯高于傳統(tǒng)的SnPb 釬料。錫含量的增加和焊接溫度的提高，都會使波峰焊生產(chǎn)過程中的釬料氧化程度增加。錫渣的增加不僅造成了釬料的浪費，嚴(yán)重時還會影響焊接質(zhì)量。本文說明了錫渣分區(qū)形成的特點，并介紹了減少錫渣的措施和其實用性。

1 無鉛波峰焊中錫渣的形成與特征

1.1 無鉛波峰焊中釬料的氧化

根據(jù)液態(tài)金屬氧化理論[1]，處于熔融狀態(tài)下的金屬，其表面會強烈地吸附氧，高溫下被吸附的氧氣分子會得到金屬的電子，從而變成氧離子。氧離子與金屬會進一步反應(yīng)生成該金屬的氧化物。氧化物在金屬表面成膜狀分布，進一步的反應(yīng)則需電子或離子穿過該氧化膜，才能接觸到反應(yīng)物。在波峰焊接的情況下，高溫液態(tài)的錫會與空氣中的氧氣反應(yīng)，生成SnO 或SnO2。波峰焊系統(tǒng)廣泛使用雙波峰系統(tǒng)，在噴口處，液態(tài)的錫在不斷流動的過程中與氧接觸形成錫的氧化物。動態(tài)情況下，形成的氧化渣有3 種形態(tài)：

（1）表面氧化膜。錫爐中的液態(tài)釬料在高溫下，與空氣中的氧相互接觸而發(fā)生氧化。這種表面氧化膜主要出現(xiàn)于錫爐中相對靜止的液面，呈皮膜狀分布，主要成分是SnO，可以看做是動態(tài)成膜。

（2）黑色粉末。這種粉末呈較大的顆粒狀，呈圓形堆積分布于液面與機械泵軸的交界處。這種黑色粉末也是錫的氧化物，機械泵軸會使周圍的液態(tài)釬料呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，生成的氧化物在旋轉(zhuǎn)過程中，逐漸形成球狀。同時摩擦?xí)斐赦F料顆粒的表面能升高[2]，而加劇氧化。

（3）氧化渣。在機械泵波峰發(fā)生器中，存在著劇烈的機械攪拌作用，使液態(tài)釬料形成強烈的漩渦運動，可能造成液面劇烈翻滾。液態(tài)釬料在表面的不規(guī)則運動狀態(tài)會將空氣中的氧氣不斷吸入到釬料內(nèi)部，形成氧化渣，并與純錫相互混合包裹，形成銀白色砂礫狀的氧化渣。這種氧化渣形成于液態(tài)釬料內(nèi)部，并上浮到液態(tài)釬料表面，在液面附近大量堆積。

1.2 無鉛波峰焊錫爐表面不同區(qū)域氧化物特征

為研究錫渣生成后在錫爐中的分布情況，選用國內(nèi)Chipbest 公司FMW-350 型波峰焊機，錫爐具有雙噴嘴結(jié)構(gòu)，由電動機帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，使熔融釬料從噴嘴噴出形成波峰。錫爐噴流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 和圖2 所示，所用釬料為Sn3.5Ag0.7Cu。

將錫爐溫度設(shè)定為250 ℃，波峰噴流一段時間后，錫爐釬料表面會形成氧化物。處于不同部位的釬料氧化物會呈現(xiàn)不同的形態(tài)和顏色，它們的分布具有規(guī)律性。氧化物主要產(chǎn)生在噴嘴和葉輪軸周圍，并聚集成一定高度，形狀類似小山丘，如圖3 中紫黑色位置和圖4 黑色粉末。為了分析方便，可以根據(jù)其特征將錫爐表面的氧化物分布分成5 個區(qū)，如圖5 所示。

圖1 錫爐俯視結(jié)構(gòu)

圖2 錫爐剖面結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 錫爐表面氧化物分布

A 區(qū)位于前波峰噴嘴鄰近區(qū)域，在前噴嘴的兩頭靠爐壁處，它主要是由第一波峰釬料氧化和噴流造成。A 區(qū)氧化渣的形成開始于前波峰" 瀑布" 流入錫爐液面時，主要發(fā)生在前噴嘴和其對面爐壁之間的位置，氧化物呈小“丘陵”狀堆積，表面出現(xiàn)紫灰色顆粒狀，如圖6(a)，其內(nèi)部是黑白交錯的豆腐渣狀混合物，白色的是可用金屬釬料，黑色為金屬氧化物，圖6(b)為氧化物凝固后的內(nèi)部剖面照片。

圖4 葉輪軸根部氧化物

圖5 表面氧化物分區(qū)示意圖

B 區(qū)位于在前后波峰噴嘴中間區(qū)域的兩側(cè)，由前后兩波峰相互作用形成，同樣呈“丘陵”狀分布。它的氧化物表面如圖7(a)所示，呈黑色平行褶皺狀，有較明顯的谷脈分布。從圖7(b)切面圖可以清楚的看到除表層為褶皺外，內(nèi)部與A 相同，依然是豆腐渣狀物質(zhì)。

C 區(qū)氧化物產(chǎn)生于后波噴嘴與錫爐壁之間間隙中，與A 區(qū)類似，分布較少。

D 區(qū)氧化物產(chǎn)生于葉輪軸周圍與錫爐液面交接處，表面呈黑色小顆粒狀物質(zhì)，堆積于軸周圍，且顆粒度并不十分均勻。

E 區(qū)為上述幾區(qū)之外的所有液面，通常這些區(qū)域呈靜止?fàn)顟B(tài)，產(chǎn)生的氧化物呈皮膜狀，膜的顏色隨時間的變化而變化，最開始為黃色，逐漸變?yōu)樽虾谏?，含量最少?/p>

在工業(yè)生產(chǎn)中，多將A、B、C 這三區(qū)的氧化渣稱為錫渣。在多次實驗中，開啟錫爐和波峰，不進行焊接操作，撈取各區(qū)的氧化渣進行稱量，其平均質(zhì)量的比例為：A:B:C:D = 6.9:4:1:1.9。其中，E 區(qū)的氧化渣質(zhì)量很小，可以忽略不計。

可以看出，A 和B 區(qū)的錫渣質(zhì)量最大，約占總量的79%，因此，在生產(chǎn)中對錫渣的處理主要針對這兩部分。在錫渣中，超過90%的物質(zhì)是純金屬釬料，而金屬氧化物的含量將近10%。

圖6 A 區(qū)氧化物狀態(tài)

圖7 B 區(qū)氧化物狀態(tài)

2 無鉛波峰焊中錫渣的減少與分離措施

國內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)對無鉛波峰焊氧化渣減少措施進行了一些研究，主要包括以下幾個方面。

2.1 氮氣保護的采用

氮氣保護可以有效減少氧化渣的產(chǎn)生，利用氮氣將空氣與液態(tài)釬料隔開, 避免了液態(tài)釬料與氧氣的接觸。因無鉛釬料的潤濕性低于傳統(tǒng)有鉛釬料，并易氧化，在氮氣氣氛保護下進行無鉛波峰焊接已經(jīng)成為普遍的技術(shù)之一。圖8 為某設(shè)備的氮氣保護裝置圖。

圖8 波峰焊接過程氮氣保護示意圖

在氮氣保護氣氛下，隨著氧氣濃度的降低，無鉛釬料的氧化量明顯減少。當(dāng)?shù)獨獗Ｗo中的氧氣濃度降至50×10-6或更低，無鉛釬料基本上不被氧化。根據(jù)文獻[3]提供的數(shù)據(jù)，當(dāng)氧濃度更低時，焊接質(zhì)量有了很大的提升。氮氣保護下氧濃度在（50～500）×10-6時，可減少氧化渣達95%左右，其它文獻也給出了高達85%～95%的結(jié)果。表1是國外研究學(xué)者所做的試驗結(jié)果[4]，可以看出，錫渣量的減少非常顯著，高達95%左右，而且根據(jù)Claude Carsac 等人[5]提供的數(shù)據(jù)，對于不同合金釬料種類，氧化渣降低的相對含量差異不大。

氮氣保護也有較為明顯的缺點，它會增加PCB 表面錫珠和運營成本。購買液氮或氮氣發(fā)生器的運行和維護成本通常會高于節(jié)省的釬料成本。當(dāng)要求焊接質(zhì)量較高或使用較昂貴的無鉛釬料的情況下，是否節(jié)約成本又要另當(dāng)別論?？傊?，在使用氮氣保護系統(tǒng)之前，需要經(jīng)過仔細的成本計算。

表1 大氣條件和氮氣保護條件下無鉛釬料氧化渣形成量對比[10]

2.2 防氧化油的使用

防氧化油是一種液態(tài)防氧化劑，在波峰焊生產(chǎn)中應(yīng)用于錫爐內(nèi)液態(tài)金屬釬料的表面，通過物理隔絕作用把液態(tài)釬料和空氣分隔開，起到防止釬料被氧化的作用。同時，防氧化油均勻的覆蓋在液態(tài)釬料的表面，也可以在一定程度上阻止錫爐的熱量向外界散發(fā)，使工藝溫度下降5 ℃左右。防氧化油一般是液態(tài)或者淡黃色的液體，無毒，對環(huán)境無污染，在使用過程中會有少量的顯煙和氣味，錫爐上方要配備良好的抽風(fēng)或通風(fēng)設(shè)備，其單次使用的壽命一般在8 h 左右。

防氧化油的使用溫度一般在220～280 ℃，當(dāng)釬料溫度大于260 ℃的時候，防氧化油揮發(fā)的煙霧會增加，對設(shè)備造成一定的污染。因此，對于一些難焊的插裝器件，如果要求波峰焊的工藝溫度過高，不適宜使用防氧化油。

2.3 電磁泵的使用

機械泵波峰發(fā)生器在設(shè)計時會發(fā)生劇烈的機械攪拌作用，使液態(tài)釬料發(fā)生強烈的漩渦運動和液面的翻滾，形成吸氧現(xiàn)象，空氣中的氧被不斷地吸入釬料內(nèi)部形成氧化渣，然后浮向液面并出現(xiàn)大量堆集。1969年瑞士人R.F.J.PERRIN 首先提出了泵送液態(tài)金屬軟釬料的傳導(dǎo)式液態(tài)金屬電磁泵的新方案，20 世紀(jì)70年代中期瑞士KIRSTN 公司利用此技術(shù)首先推出了配備單相交流傳導(dǎo)式電磁泵的波峰焊接機系列產(chǎn)品(6TF 系列)，1982年法國也在類似技術(shù)上取得專利權(quán)。20 世紀(jì)80年代末我國電子工業(yè)部二十所發(fā)明了單相感應(yīng)式液態(tài)金屬電磁泵，并試制了樣機，為波峰動力技術(shù)的發(fā)展開辟了一個新的途徑。它去掉了機械泵的所有旋轉(zhuǎn)零部件(含電機)，與瑞士人發(fā)明的傳導(dǎo)式電磁泵相比，它完全去掉了傳導(dǎo)電流及其產(chǎn)生系統(tǒng)，技術(shù)上有很大的進步。

電磁泵目前有單相感應(yīng)式和多相感應(yīng)式兩種。電磁泵的主要優(yōu)點包括：

（1）壽命長、永不磨損，維修方便；

（2）波峰溫度，釬料氧化程度低，可以自動對消電網(wǎng)電壓；

（3）能量綜合利用率高；

（4）具有良好的釬料波峰動力學(xué)特性；

（5）波峰釬料溫度跌落小。

但是，目前國內(nèi)電磁泵的價格還比較昂貴，并沒有得到廣泛的應(yīng)用。

2.4 合理波峰發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計

氧化渣的產(chǎn)生與釬料液體的流動行為有很大的關(guān)系，大部分氧化渣的形成屬于動態(tài)成渣。一般情況下，流體越不穩(wěn)定、液面波動越大，越容易吸氧而使氧化量增加。合理設(shè)計錫槽、噴嘴結(jié)構(gòu)和液態(tài)穩(wěn)流系統(tǒng)，可以使錫波層流分量增加、紊流分量減少，進而降低因瀑布效應(yīng)引起的釬料氧化，最終減少氧化渣的含量。在實際的波峰焊生產(chǎn)中，一般可以通過以下幾個方面對波峰焊的結(jié)構(gòu)進行改善：

（1）增加導(dǎo)流裝置，防氧化套及可變噴口，如圖9 所示。T 型防氧化套能夠較好的避免液態(tài)釬料從噴口流下時被氧氣氧化，直接減少了氧化渣的生成。改進的導(dǎo)流裝置和可變噴口使液態(tài)釬料的流動更穩(wěn)定，與空氣的接觸面減少，也減少了氧化渣的生成。

圖9 改進的導(dǎo)流裝置，T 型防氧化罩，可變噴口

（2）波峰焊噴嘴流道的改進，如圖10 所示。對噴嘴流道的改進，可以降低液態(tài)錫流從噴嘴流出后到液面的速度，減弱錫流對液面的沖擊力，從而可以減少在錫流流入液面處液態(tài)釬料與空氣之間的擾動，最終減少氧化量。

圖10 噴嘴流道的改進

（3）傾斜式導(dǎo)流，如圖11 所示。傾斜式導(dǎo)流裝置可以使液面處錫流的循環(huán)流動更加平穩(wěn)，與空氣之間的擾動較少，可以更好的減少液面處錫的氧化物形成，也使液態(tài)釬料對已形成的錫氧化物的沖擊減少，從而減少錫渣的生成。

圖11 傾斜式導(dǎo)流

2.5 錫渣還原劑（粉）的研究

在波峰焊接過程中，錫渣還原劑(粉)可使生成的氧化物重新被還原成金屬，或者將釬料的氧化物與液態(tài)釬料分隔開來，有效的減少了錫渣的生成量。

臺灣某公司研制出一種錫渣還原粉，主要吸收液態(tài)釬料中的雜質(zhì)及各種氧化物，避免熔錫氧化，減少散熱損失。據(jù)報道抗氧化粉末的使用可使錫氧化量降低95%以上。P.Kay 金屬Fein-Line 合伙公司研制出的液態(tài)釬料表面活性劑，與熔化釬料相接觸有兩個功能：一是在釬料表面形成單層膜保護表面釬料不被空氣氧化，其活性成分可以與金屬氧化物反應(yīng)形成有機金屬化合物，漂浮于液態(tài)釬料表面。隨著時間延長，藥劑被消耗掉，清理周期一般為一周?；钚詣┮话悴慌c金屬發(fā)生反應(yīng)，只與氧化渣反應(yīng)，無煙無味。當(dāng)氧化渣中的金屬氧化物被溶解時，相互連接的金屬氧化物則被分散開，任何夾在渣中有用的金屬被分散流回到熔錫中，并且不會受到活性劑的影響。據(jù)報道這種新技術(shù)可降低釬料成本40%～75%，工作中的狀態(tài)如圖12。

圖12 還原劑在波峰焊中的使用

目前，錫渣還原劑也有一些缺點。其直接加入到錫爐中使用，存在一定的安全隱患，可能會造成離子污染，也容易對錫爐內(nèi)膽等處造成一定的腐蝕。同時，液態(tài)釬料的溫度較高，某些還原劑也會揮發(fā)出少量刺激性氣體，其成本也隨著使用連續(xù)增加。

2.6 錫渣分離設(shè)備

日本學(xué)者Tadashi Takemoto 等人在試驗中研制了一種錫渣分離再利用裝置，如圖13 該裝置可以附在錫爐上使用。波峰焊機工作8 h 而錫渣分離系統(tǒng)（OSS）只運行半小時即可。據(jù)稱該系統(tǒng)可減少錫渣產(chǎn)生量達50%。日本千駐公司研發(fā)出一款焊錫回收設(shè)備，將氧化渣放入設(shè)備中加熱后，加入經(jīng)特殊加工的芝麻，將氧化渣與其混合攪拌均勻，芝麻油將氧化物從氧化渣混合物中全部還原出來，并吸附在芝麻上，這樣實現(xiàn)了焊錫和氧化物分開。據(jù)報道其分離效果在90%左右。

圖13 錫渣分離系統(tǒng)示意圖(OSS)[6]

另外日本及香港的廠家推出了靠機械攪拌作用分離的錫渣分離器，其分離出的釬料成份與原成份幾乎相同。

深圳市艾貝特電子科技有限公司推出了多款錫渣分離機，根據(jù)設(shè)備功能的不同，可以分為在線自動型與手動型，全部采用物理分離的方法，在分離過程中不添加任何其他的物質(zhì)。其工作原理是將錫渣放置于設(shè)備的爐腔內(nèi)，利用濕式或干式法將錫渣熔化，由于錫的氧化物和錫渣中的純錫密度不同，錫渣將自動分成兩部分，上部分為錫的氧化物，下部分為純錫。純錫可以通過自動排放裝置分離出來，可以繼續(xù)使用。根據(jù)設(shè)備類型，錫渣中的錫含量和錫渣撈取方式的不同，錫渣中純錫的綜合分離率可達65%～85%。與氮氣保護法或者化學(xué)還原法相比，采用錫渣分離機具有一次性投入，后續(xù)成本基本為零的優(yōu)點。錫渣分離機屬于外置型設(shè)備，占地面積小，對于原波峰焊系統(tǒng)沒有任何的影響。在采用還原劑或者其他需要人工打撈錫渣反應(yīng)產(chǎn)物的方法中，由于操作者技術(shù)水平的差異，在打撈過程中也會帶走一定量的液態(tài)釬料，造成一定的額外損失，在選擇減少錫渣設(shè)備和材料的時候，這一方面也要加以考慮。

2 結(jié)束語

本文介紹了波峰焊生產(chǎn)中錫渣的形成機理和分布情況，并簡要分析了目前市場上減少錫渣的各種方法和設(shè)備。

對于使用波峰焊的電子廠商，需要根據(jù)自己生產(chǎn)的規(guī)模、生產(chǎn)節(jié)拍、成本等多個方面綜合考慮選用減少錫渣的方法，并根據(jù)實際情況對波峰焊設(shè)備進行改進，最終減少錫渣造成的損失，獲得最大的經(jīng)濟效益。從生產(chǎn)成本上看，如果采用氮氣保護、還原劑（粉）、防氧化油等方法，需連續(xù)投入資金來購買原材料，成本隨著使用而增加。對波峰焊噴流系統(tǒng)的合理設(shè)計和改進，以及新型電磁泵的使用能夠在一定程度上減少錫渣的生成，但無法將已形成的錫渣中的純錫分離出來，與其他方法相比，效果不是很明顯。錫渣分離機具有資金一次性投入，連續(xù)回收成本，操作簡單，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，并可將人工打撈產(chǎn)生的含較多純錫的錫渣進行最終分離，在電子廠商中得到了一致的認可，也受到了越來越廣泛的應(yīng)用。

[1] 吳申慶，邵力為，劉潔美，等. 用俄歇電子譜法研究錫鉛釬料的抗氧化機理[J]. 東南大學(xué)學(xué)報，1989，19(4)：74-78.

[2] 樊融融. 感應(yīng)式電磁泵波峰焊技術(shù)的發(fā)展及對環(huán)境保護[J]. 電子工藝技術(shù)，2001，22(5).197-201.

[3] 史建衛(wèi)，杜彬，廖廳，王衛(wèi). 氮氣保護在無鉛電子組裝中的應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2013，42(10)：27-34.

[4] 王修利，史建衛(wèi)，王樂，錢乙余.無鉛波峰焊釬料氧化渣的減少措施[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備，2007，36 (2)：44-51.

[5] 王修利，史建衛(wèi)，錢乙余，謝軍. 無鉛波峰焊釬料氧化渣動態(tài)形成特點[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備，2007，36(8)：36-44.

[6] C.Carsac，J. Uner and M.Theriault.Inert soldering with lead-free alloys：review and evaluation[R].IPC SMEMA Council，APEX 2001：3-7.

[7] Claude Carsac etc.Inert Soldering With Lead-Free Alloys Review And Evaluation[R]. IPCSMEMA Council APEXSM 2001.

[8] Tadashi Takemoto，Yeon Jun Joo，Shohei Mawatari，Rikiya Kato. Reduction of dross formation during wave soldering using lead-free solders[C].0-7695-1266-6/01 2001IEEE.1131-1136.