無(wú)鉛焊接：控制與改進(jìn)工藝

　　在實(shí)施無(wú)鉛工藝之后，我們必須經(jīng)常跟進(jìn)、監察和分析數據，以保持工藝在控制之中。

　　無(wú)鉛焊接已經(jīng)引入了，因此無(wú)數的問(wèn)題也提出來(lái)了。盡管如此，許多問(wèn)題還是必須回答的，包括無(wú)鉛的定義、它的實(shí)施成本、和甚至是否所有技術(shù)問(wèn)題已經(jīng)解決。但是，實(shí)驗繼續在新的無(wú)鉛合金的可靠性上提供好的數字。

　　本文討論成本與能量效應，并展示工藝必須不斷地檢驗，因為技術(shù)與工藝知識在將來(lái)會(huì )改進(jìn)的。一個(gè)標準改進(jìn)模式，比如德明循環(huán)(Deming cycle)，可用來(lái)維護無(wú)鉛焊接工藝的控制，作出調整和改進(jìn)，并在可能的時(shí)候實(shí)現成本的節約。

　　材料成本

　　焊錫

　　作為一個(gè)例子，某種焊接機的錫鍋含有大約760公斤的錫鉛(SnPb)合金。用SnPb來(lái)填滿(mǎn)錫鍋將花大約$3,960美元。SnPb的密度為8.4 g/mm3。用錫銅(SnCu)合金填滿(mǎn)相同的錫鍋需要661公斤，其密度為7.31g/mm3 :

　　質(zhì)量 = (7.31 ÷ 8.4) x 760 = 661.

　　結果是焊錫成本增加28%或$5,063美元。其它無(wú)鉛替代方案，如錫銀(SnAg, 135%)和錫銀銅(SnAgCu, 145%)對焊錫成本的影響甚至更大。

　　考慮到焊接點(diǎn)和將SnPb與無(wú)鉛進(jìn)行比較，我們可以作下列計算。如果形狀相同，那么無(wú)鉛合金的質(zhì)量將較少，由于其密度較大。對于一個(gè)SnCu焊接的通孔引腳連接器，焊錫質(zhì)量為：(ρSnCux ρSnPb) x massSnPb

　　因為焊點(diǎn)看上去不同，濕潤可能較差，焊點(diǎn)的角度不同，我們必須驗證是否計算的質(zhì)量差別大約等于焊接點(diǎn)的實(shí)際質(zhì)量增加。

　　為了證實(shí)，我們焊接一塊有連接器的板(每塊板總共192個(gè)引腳)，稱(chēng)出焊接前后的重量差別(表一)。重量的增加多少都是所焊接的焊錫。

　　助焊劑

　　象在所有焊接工藝中一樣，助焊劑起主要的作用?？珊感院秃附尤毕菘梢愿倪M(jìn)和減少，如果使用正確的助焊劑。如果我們實(shí)施“綠色”焊接工藝，我們使用無(wú)VOC的水基助焊劑，它比醇基助焊劑有一些優(yōu)勢。

　　幾個(gè)試驗目前已經(jīng)證明無(wú)VOC的助焊劑與無(wú)鉛焊錫比免洗助焊劑顯示較好的結果。特別是對于板上的殘留物和可焊性，它們是較好的。一個(gè)理由就是應用到板上的數量較少了。在助焊劑中的活性劑和化學(xué)物質(zhì)在水中比在醇類(lèi)中反應更有化學(xué)活性。雖然無(wú)VOC的助焊劑更貴，用這些助焊劑的總成本大約是相同的或甚至更少，因為用于焊接的總數量將減少。

　　如果可焊性提高，返工的數量將減少。助焊劑數量減少也將造成維護減少。清潔機器的零部件將較容易，可以用熱水而不是化學(xué)品和儀器來(lái)完成。

　　可是，錫球的數量隨著(zhù)無(wú)VOC助焊劑的使用而增加。這個(gè)增加的部分原因是工藝中較高的溫度，使得阻焊(solder resist)軟化。與錫鉛工藝比較，這些錫球的清除要容易得多。

　　新的無(wú)VOC助焊劑現在正在開(kāi)發(fā)。助焊劑供應商正嘗試將松香溶解與水基助焊劑，在錫球數量上的減少另人贊賞。這些研究將繼續下去，因為大多數助焊劑供應商還沒(méi)有成功地找到正確的配方。

　　元件

　　對于許多元件，改變引腳的最終表面涂層將不是一個(gè)主要問(wèn)題。如果發(fā)生對無(wú)鉛表面涂層的將來(lái)很大的需求，那么元件供應商更可能在將來(lái)轉換而不是現在。因為技術(shù)是現成的，這些元件的價(jià)格預計不會(huì )大幅地增加。

　　SnAg與SnAgCu錫球對于BGA似乎是SnPb的一個(gè)可接受的替代。對于周邊封裝的替代引腳表面涂層正在研究之中，可靠性和錫須(TIn whisker)問(wèn)題必須解決。較高的工藝溫度增加對元件潮濕敏感性性能和封裝完整性的要求?？梢越?jīng)受較高溫度，如280°C 5秒鐘，的塑料現在正在設計，將會(huì )把價(jià)格推高。因此，需要一種具有高精度(ΔT較小和良好的傳熱)的回流焊接爐來(lái)運行無(wú)鉛溫度曲線(xiàn)，滿(mǎn)足較便宜元件的規格。如果能將最高峰值溫度限制在245°C，并且將所有的焊錫按照無(wú)鉛錫膏的規格帶到熔點(diǎn)以上，那么對于用戶(hù)可以得到元件成本的減少。

　　板的材料

　　除了禁止鉛之外，鹵化阻燃劑(halogenated flame retardants)也將從板的材料中消除。因此，使用無(wú)鉛表面涂層的新的板材必須用較高玻璃態(tài)轉化溫度(Tg)來(lái)經(jīng)受較高的工藝溫度。這些新的板材，以及無(wú)鉛表面涂層，將影響價(jià)格?，F在還不清楚這些價(jià)格將增加多少，因為多數電路板供應商還在優(yōu)化板材的選擇與其制造工藝。

　　氮氣

　　回流焊接爐。在回流焊接中，人們經(jīng)常討論氮氣的必要性。一些工藝要求氮氣，因為它提高可濕潤性，得到較好的焊接點(diǎn)的可靠性。在其它工藝中，氮氣可能造成更多的元件豎立，因此禁止或控制在一定水平。

　　即便在回流焊接工藝中惰性氣體可能有幫助，但還有問(wèn)題就是是否成本合理。在一些國家，氮氣不那么貴，如德國，成本大約是$0.08/m3。在其它國際，比如瑞士，氮氣價(jià)格大約為$0.81/m3。相對勞動(dòng)力是非常合算的。

　　最好，一臺爐應該可以在空氣和氮氣中運行?；诔杀镜睦碛?，應該避免惰性氣體。但是，對于諸如較小與更復雜的設計，應該要有轉向氮氣的能力。

　　對于氮氣沒(méi)有所謂一般性的說(shuō)法。每一個(gè)工藝都有其自己特有的問(wèn)題與挑戰。在以可能較高的工藝溫度實(shí)施無(wú)鉛焊接之后，必須回顧一下氮氣的表現與必要性。在一個(gè)較長(cháng)的生產(chǎn)時(shí)期后，可以在評估有關(guān)空氣或一種惰性氣體的決定。

　　波峰焊接。和錫鉛焊錫一樣，當焊錫在液體狀態(tài)和高溫時(shí)無(wú)鉛焊錫氧化十分迅速。如果不在惰性焊接機中，在表面的氧化皮去掉之后，在波峰上很快會(huì )形成新的氧化物。錫渣中含有由氧化皮發(fā)展的焊錫金屬單元。對于無(wú)鉛焊錫，波上的氧化物可能更容易肉眼看到。

　　氧化物更容易看到有幾個(gè)原因。首先，在無(wú)鉛焊錫中的錫含量比在錫鉛中更高。到目前為止，在焊錫表面上最常見(jiàn)的氧化物是錫氧化物，氧化錫(SnO)和SnO2。其次，溫度比在錫鉛焊接中更高。較高的溫度造成更多的氧化，造成更多的錫渣。

　　錫渣的數量可以減少。某些波峰焊接機裝有一種軸向密封，消除在泵軸上形成的錫渣。其它錫渣是在波峰上形成。通過(guò)減少波的下落高度，錫渣的數量將會(huì )更少。下落高度是在波峰上溢出的焊錫到錫面的距離。

　　氮氣的使用也將提供一些優(yōu)點(diǎn)。氮氣是成本有效的，錫渣的數量可以減少。因為氧化物只是錫渣中的一小部分，錫渣應該壓縮，從氧化單元中部分地分離出焊錫金屬。

　　能量消耗

　　回流焊接爐

　　回流焊接工藝要求許多能量將印刷電路板(PCB)加熱，之后，更多的能量需要冷卻板。無(wú)鉛焊接要求不同的溫度曲線(xiàn)，因此，不同的能量消耗。

　　在一個(gè)試驗中，我們將無(wú)鉛工藝的能量消耗與傳統的SnPb比較(表二)。使用一個(gè)數據記錄儀，溫度曲線(xiàn)逐步顯示在工藝期間裝配的時(shí)間溫度特性。圖一中顯示SnAgCu的線(xiàn)性溫度曲線(xiàn)。在加熱曲線(xiàn)之下的區域有需要用來(lái)加熱裝配的能量有關(guān)部門(mén)。

　　在另一個(gè)試驗中，我們使用一臺專(zhuān)門(mén)回流爐和一個(gè)典型的板裝配來(lái)設定溫度曲線(xiàn)。為了決定功率的消耗，我們在機器上安裝一個(gè)測量設備。每個(gè)工藝的功率消耗記錄在表三。

　　圖二顯示在一班制工藝期間的一臺回流爐的功率消耗。SnPb曲線(xiàn)與線(xiàn)性的SnAgCu曲線(xiàn)比較。從線(xiàn)性的曲線(xiàn)，我們了解到液化以上的長(cháng)時(shí)間造成金屬間化合物增長(cháng)的增加，在對可靠性不是所希望的，并且對功率消耗有大的影響。SnAg曲線(xiàn)具有高峰值溫度設定，要求許多能量來(lái)維持設定點(diǎn)。

　　波峰焊接

　　在波峰焊接工藝中，由于較高的熔點(diǎn)和工藝溫度，有兩個(gè)區域將會(huì )顯示能量消耗的增加。第一個(gè)增加是在裝配的預熱。如果我們將免洗助焊劑應用和無(wú)VOC的水基工藝比較，我們將發(fā)現在能量消耗上的增加最高達到25%，由于較高的預熱溫度。

　　其次，因為焊接溫度較高，錫鍋需要更多的能量。如果我們將一種280°C的極高焊接溫度與250°C的正常的SnPb溫度比較，我們發(fā)現列于表四的數據。

　　圖三顯示在一班制生產(chǎn)工藝期間的一個(gè)專(zhuān)門(mén)錫鍋的功率消耗。圖四顯示類(lèi)似的錫鍋在兩班制生產(chǎn)工藝期間的功率消耗。

　　運作成本

　　產(chǎn)出

　　一般，無(wú)鉛波峰焊接工藝要求較長(cháng)的接觸時(shí)間，以達到焊錫的良好濕潤。如果必要，機器可以安裝一個(gè)不同波形形成器。如果還沒(méi)有達到適當的濕潤，那么傳送帶速度必須減少?？墒?，減少傳送帶速度可能造成較低的產(chǎn)出。

　　修理 - 失效率

　　焊接點(diǎn)看上去不同，顯示不同的形狀。從我們在無(wú)鉛實(shí)施中所看到的，缺陷數量沒(méi)有增加。盡管如此，諸如焊腳提起的新缺陷確有發(fā)生。迄今，可靠性測試沒(méi)有顯示由于焊腳提起的較低的品質(zhì)，因此這些焊點(diǎn)不需要修理。對于修理工作，烙鐵嘴的氧化物增加也會(huì )發(fā)生。

　　維護

　　由于無(wú)鉛焊接的維護增加應該不是所希望的。無(wú)VOC的水基助焊劑可能甚至減少維護時(shí)間和間隔，與免洗助焊劑相比。

　　對于回流焊接，一個(gè)好的助焊劑管理系統將減少維護成本。新的錫膏將有不同的助焊劑，將在較高的溫度下蒸發(fā)其它殘留物，但是不會(huì )造成維護間隔或時(shí)間的增加。

　　工藝改進(jìn)

　　在實(shí)施之后，工藝必須持續地控制、改進(jìn)和重新設計，以節約成本和具有競爭性。因此，工程師和所有那些負責無(wú)鉛工藝的人都應該知道新的材料、工藝和機器更新將在不遠的未來(lái)引入。

　　新的材料

　　雖然一些公司已經(jīng)無(wú)鉛焊接了兩年多，但是對其合金的選擇應該作一些評述。

　　如果板的材料中不出現銅，例如銅焊盤(pán)上有機可焊性保護涂層(OSP)，那么停留在合金，特別是SnAg，的規格界限內是非常困難的。越來(lái)越多的公司選擇SnAgCu作為SnPb的替代材料，SnCu由于成本的原因只用在波峰焊接。

　　錫鋅(SnZn)與錫鋅鉍(SnZnBi)在可見(jiàn)的未來(lái)還是回流焊接的局外人。如果錫膏供應商能夠為這種錫膏設計一種超級助焊劑系統，成功消除含鋅合金的氧化問(wèn)題，那么這些合金由于其低熔點(diǎn)和成本將煥發(fā)新的興趣。

　　板的布局

　　因為新的發(fā)展將會(huì )在無(wú)鉛焊接工藝的不同區域出現，所以要求持續使用一種標準改進(jìn)模式，如德明循環(huán)(Deming cycle)(圖五)。按照這個(gè)模式來(lái)實(shí)施(或決定不實(shí)施)新的發(fā)展。例如，一種新的助焊劑將引入到工藝中。跟隨的步驟是：

　　計劃：計劃一個(gè)試驗來(lái)找出是否該助焊劑將改進(jìn)品質(zhì)、降低成本或達到已經(jīng)選定的另一個(gè)目標。

　　做：運行該試驗

　　檢查：分析試驗的輸出和判斷是否該助焊劑滿(mǎn)足期望

　　行動(dòng)：在工藝中實(shí)施該助焊劑，保持觀(guān)察品質(zhì)。

　　結論

　　用德明循環(huán)，已經(jīng)達到該實(shí)施計劃的結尾。雖然無(wú)鉛焊接是一個(gè)熱門(mén)話(huà)題，大部分制造商還正在收集信息，或者只是剛開(kāi)始其第一個(gè)嘗試。希望這里的文章將幫助你開(kāi)發(fā)一個(gè)穩健的、可重復的無(wú)鉛焊接工藝，產(chǎn)生持續的高合格率。