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无铅波峰焊接工艺技术和设备比较

一、无铅焊接技术的发展趋势
随着欧盟RHS关于200671无铅化期限的逼近,日本知名的电子产品制造商:PANASONIC/NATIONALSONYTOSHIBAPIONEERNEC等,从2000年开始导入无铅化制程,至今已基本实施无铅化制造,在日本及欧美市场上推出“绿色环保”家电产品。中国政府已于20033月由信息产业部拟定《电子信息产品生产污染防治管理法》自200671禁止电子产品含铅Pb)。因此,出于对环保的考虑,市场发展趋势是使用含铅焊料的电子产品在将来是无法进入市场。对于电子组装企业来说,无铅焊接技术的应用已经是摆在企业面前急切必须解决的现实问题.

二、无铅焊接技术的工艺特点
电子产品制造业实行制程无铅化需面临以下问题:
1焊料的无铅化
到目前为止,全世界已报道的无铅焊料成分有近百种,但真正被行业认可并被普遍采用是Sn-Ag-Cu三元合金,也有采用多元合金,添加InBiZn等成分。现阶段国际上是多种无铅合金焊料共存的局面,给电子产品制造业带来成本的增加(Sn-Ag-Cu的成本是Sn-Pb的三倍),出现不同的客户要求不同的焊料及不同的工艺,未来的发展趋势将趋向于统一的合金焊料。
无铅焊料有以下特点:
1)熔点高,比Sn-Pb高约30度;
2)延展性有所下降,但不存在长期劣化问题;
3)焊接时间一般为4秒左右;
4)拉伸强度初期强度和后期强度都比Sn-Pb共晶优越。
5)耐疲劳性强。
6)对助焊剂的热稳定性要求更高。
7)高Sn含量,高温下对Fe有很强的溶解性。
鉴于以上无铅焊料的特性决定了新的无铅焊接工艺及设备

2
、元器件及PCB板的无铅化
在无铅焊接工艺流程中,元器件及PCB板镀层的无铅化技术相对要复杂,涉及领域较广,这也是国
际环保组织推迟无铅化制程的原因之一,在相当时间内,无铅焊料与Sn-PbPCB镀层共存,而带来剥离(Lift-Off) 等焊接缺陷,设备厂商不得不从设备上克服这种现象。由于无铅焊料的熔融温度较高,所以对PCB板制作工艺的要求也相对提高,PCB板及元器件的材质要求耐热性更好。
工艺良率
专业的生产人员都知道,材料成本和材料对工艺良率的影响相比几乎算不了什么,工艺良率一旦发生跳变,就会对生产线的盈利能力造成非常严重的影响,合约式的电子制造商(CEM)对此感受尤深。
在波峰焊接过程中,焊接缺陷数量与助焊剂、焊料合金、焊料合金纯度、PCB/元件表面处理、PCB设计布局以及环境和工艺设置之间存在原有的内在关联。如前所述,焊料合金的某些主要特性对波峰焊接效果有着显著的影响。
无铅焊料润湿速度较慢和流动性较差,可能转化成焊点漏焊或局部焊点润湿缺陷的增多。漏焊在在线测试(ICT)或功能验证测试(FVT)中可能很难被发现,因为元件引线末端与PCB焊盘之间可能存在断续的电接触。锡桥(连锡)会对电路的电性能造成隐性的影响,不过用人工或自动检验方法都能容易地检测出来。在目前大部分无铅制造工艺中都发现了锡桥缺陷增加,而且主要是由于焊锡合金表面张力较大,造成焊点回流不良。
这两种严重缺陷(锡桥和漏掉)的自然补救方法是减慢焊接传输速度和提高锡炉及预热温度。减慢传输速度确实增加浸润焊点的机会,却增加熔软顶面元件焊点的可能,因此这样做有可能损坏焊点。提高锡槽温度显然会增加合金的流动性,从而改进回流和减少锡桥。但是这种作法也有缺点:增加层压电路板和元件受损与二次回流的机会,并提高铜溶解率和锡渣形成速率。
锡渣对波峰焊接过程的经济性造成很大的影响,虽说重要性比不上工艺良率,但是因为成本问题变得比以前更为重要。因此,设法减小成渣率成为每个工程师注意的焦点。
锡条配方设计将影响合金的固有成渣率(drossing)。有6个易变因素影响成渣率:温度、搅动、周围空气、锡条纯度、锡条调制和锡渣还原剂。就锡条纯度而言,铝、锌和镉含量高会造成过多的锡渣。
未搀杂的纯原材料大多含有较多的悬浮氧化物,在锡条熔融过程中通过多级化学处理对焊锡加以调制,可以去除这些悬浮氧化物。锡渣里饱含锡及其他金属,在焊槽除渣过程中会把有用的金属都除去了。现时市面上的锡渣还原剂,按量添加于波峰焊料中,可以使锡渣分解还原成黑粉。焊锡润湿速度是波峰焊的一个重要因素,加氮可以大大增加润湿速度,这个选择方案可以代替提高锡炉温度。

3、焊接设备的无铅化
由于无铅焊料的特殊性,无铅焊接工艺进行要求无铅焊接设备必须解决无铅焊料带来的焊接缺陷及焊料对设备的影响,预热/锡炉温度升高,喷口结构,氧化物,腐蚀性,焊后急冷,助焊剂涂敷,氮气保护等。
A、无铅焊接要求的温度曲线分析:


无铅波峰焊接基板温度曲线图
通过上述曲线图和金属材料学知识,我们了解到为了获得可靠、最佳的焊点,温度T2最佳值应大于无铅锡的共晶熔融温度,锡液焊接温度控制在250℃±20(比有铅锡的温度要求更严)。预热温度T1比有铅焊要稍高,具体数值根据助焊剂和PCB板层数厚度工艺等方面来定,但△T1必须控制在50度以内,以确保助焊剂的活化性能的充分发挥和提高焊锡的浸润性;第一波峰到第二波峰之间△T230,否则易造成冷焊;焊接后的冷却从温度T3250降至温度T4100150℃,建议按1015/秒的降幅梯度来控制;温度曲线在时间上的要求主要是预热时间t1、浸锡时间t2t3及冷却时间t4,这些时间的具体数值的确定要考虑元器件、PCB板的耐热性及焊锡的具体成份等多方面因素,通常t11分钟左右,t2+t335秒之间
B、从以上温度曲线分析可确定设备的结构及控制要求:
预热方式

预热时间t11分钟左右输送PCB板的速度1.2m/min,预热长度要保障1.2M以上;为保障预热的热稳定性预热结构必须采用封闭式的结构,预热方式有以下几种:1=热风预热方式;2=远红外线发热管方式;3=陶瓷发热管(或不锈钢发热管)。从国内外设备厂研制的波峰焊及客户使用分析,采用第2种远红外线发热管方式比较理想,因为发热原理是一种红外线辐射,可提高热效率,如果在发热管上部再覆盖耐高温陶瓷玻璃,效果会更佳,安全可靠,避免松香滴落在发热管上,达到较佳的预热曲线,保证预热区与焊接取的温度下降值在5℃以内。如果预热区分成2温区或3温区长度1.6M,焊接预热工艺将灵活。当然针对某些产品适合用热风预热方式。
锡炉喷口
要克服无铅焊料润湿性(铺展能力)差给焊接带来的缺陷,需要4秒以上的浸锡时间,如果采用双波峰焊接,两波峰之间的最低温度要在200以上锡炉喷口结构必须能达到符合以上的温度曲线,设备厂家通过加宽喷口设计,减少两波峰间距来实现。
由于高Sn含量的无铅焊料更易氧化,另外无铅焊料的成本较高,控制锡氧化物生成量是焊接设备厂家必须考虑的问题,一些国内外的厂家已推出新的波峰喷口结构,氧化物生成量同过去相比减少一倍,目前最好的波峰喷口结构为无摇动双波峰喷口结构,已广泛应用到日本公司及国内知名设备制造公司。
腐蚀性
无铅焊料的高Sn含量,在高温下对Fe有佷强的溶解能力,传统的波峰焊焊料槽及喷口大多数采用不锈钢材料,从而发生溶解反应,随着时间的推移,最终导致部件的溶蚀损坏,特别是喷口及叶轮部件。现在国外大多数厂家的焊锡槽采用铸铁并镀防护层,国内大多数厂家采用钛合金材料但合格的很少。
氧化
Sn-Pb合金焊料相比,高Sn含量的无铅焊料在高温焊接中更容易氧化,从而在锡炉液面形成氧化物残渣(SnO2),过多的氧化物不但影响焊接品质,而且使焊料成本浪费,尤其是对现在昂贵的无铅焊料。多数设备厂家除采用改善锡炉喷口结构来减少氧化物外,还要尽量降低喷嘴对锡液的流动阻碍,当然最好的对策是加氮气保护,氮气保护系统设备前期投入较大,但从长远利益考虑是合理的。国外佷多设备厂家都已推出氮气保护的波峰焊,技术已成熟。
焊后急冷却
在无铅焊接工艺应用中,通孔基板的波峰焊接时常常会发生 剥离 缺陷(Lift-off,或Filletlifting),产生的原因在于PCB冷却过程中,焊料合金的冷却速率与印刷电路板的冷却速率不同所致。无铅化推广前期,无铅焊料与镀有Sn-Pb的元器件会有一段时间共存,如果采用的是含Bi无铅焊料此种现象更为突出,解决对策是在波峰焊出出口处加冷却系统,至于冷却方式及冷却速率的要求要根据具体情况而定,因为冷却速率超过60/SEC.设备冷却系统要采用冷源方式,大多数采用冷水机或冷风机,国外的研究有提到用冷液方式,可达到200/SEC.以上的冷却效果,成本非常高,对于大规模电子产品生产厂家是无法承受的,属于早期实验,真正被推广应用的,在日本大多数厂家采用全无铅化方案(焊料/元器件/基板等全部无铅化),设备冷却结构采用强制自然风冷却,对于国内电子产品生产厂家,建议采用Sn-Ag-Cu合金或Sn-Cu合金的焊料,快速冷却速率控制在6~80/SEC.8~120/SEC.,冷却方式采用自然风强制冷却或带冷水机冷源的方式。
助焊剂
无铅焊料的特殊性,在焊接工艺中必须是对应的助焊剂相匹配,基于环保的考虑,醇类溶剂的降低使用,逐步推广VOC-FREE环保助焊剂.
由于无铅焊料润湿性差,克服焊接缺陷在佷大程度上要通过助焊剂成分及喷雾方式来改变,传统的发泡是喷雾结构已不适应现在的工艺,喷雾结构一些设备厂家经过改良,一些厂家喷雾移动采用步进马达方式,助焊剂供给采用衡压系统甚至定量供给系统,强力抽风过滤系统,目的是使喷雾效果均匀,降低挥发性物质的排放量.
控制
控制系统发展的方向主要是数字化控制及管理。
   
控制系统除了要求对运输速度、助焊剂涂敷均匀度、预热温度,锡炉温度、冷却速度等精确控制外,还应该对生产过程中所有的工艺参数(运输速度;助焊剂涂敷厚度、浓度、宽度、角度;预热温度;锡炉温度;冷却速度;氮气浓度等)均实现数字化控制,便于参数的重复利用。采用人机界面对生产过程进行监控,不但能监控、PCB参数、机器参数、PID参数、温度参数,还支持参数设定、打开、保存,方便参数的重复利用,最大限度的减少机种更换时调整参数的时间。在全电脑控制的机型上,随机自带了无铅焊接非常关心的温度曲线测试及分析功能,能测试并分析3条温度曲线的预热时间,预热斜率,预热温度,波峰1时间,波峰2时间,波峰1温度,波峰2温度,跌落时间,跌落温度,冷却时间,冷却斜率,超出时间等,并支持温度曲线测试、打印功能,无铅焊接所关心的所有参数都能一目了然,缺点是操作性比较差,不如触摸控制屏系统那样简单。
控制系统发展的另一个方向是客户成本概念。
客户成本是指客户在生产过程中生产一定数量的产品所消耗的耗材量,时间效率,电能,人力等。一直遵循最大限度降低客户成本原则,从助焊剂消耗,锡炉中的锡渣形成减慢,焊锡氧化量减少,电量损耗,氮气损耗等方面进行综合控制,达到节约客户成本的目的。无论生产焊料的厂家,还是生产设备的厂家,推出的产品既要符合焊接工艺又要兼顾最终用户的成本投入。
目前在普通的双波峰焊接机存在以下缺陷:
喷雾系统
1)  雾系统在波峰焊接机内
2)  有较好的空气过滤装备
3)  运行爪链时间长了助焊剂残留很大并难以清洁,有时残留物还着火燃烧,波峰焊接机本身的清洁系统不足以清洁此种残留。

预热系统
1)  热区很少有分区可调方式,对PCB的适应性较差。

运行爪链
1)绝大部分公司使用不锈钢等等金属材料来做爪链,在浸焊时PCB板与爪链咬合处,因爪链的散热使靠近它的元件焊盆上锡焊接较差。
2)  部分金属爪链的形式很容易挤压坏PCB的板边,而挂链比较容易掉板且在过锡时平整的一致性较差。

炉胆
1)  热管离炉壁太近,使沉淀的锡渣难清。
2)  热管未分组控制。
3)  带有波峰马达的炉胆耗锡大、产生大量黑粉、锡的结渣率惊人。
4)  胆炉机械摇入摇出及升高降低,清洁困难危险。
无铅分体式组合波峰焊机克服以上的弊病,它的较大的缺点就是价格较贵在35-60万元。
目前国际上无铅分体式组合波峰焊机采有电磁炉炉胆,炉胆材料采用钛合金为最好,但炉胆单价太过于昂贵(32-35)。所以国外设备商还使用其他耐腐蚀合金,然后表层进行深层氧化以达到长时间抗腐蚀能力,并降低设备的成本。若您在咨询此类无铅波峰焊机时,有公司钛合金锡炉波峰焊机报价较低的时请多多注意。以下是目前市面较流行的两种波峰焊机的比较:    

比较项目

一体式无铅马达波峰焊机

效果

组合式无铅电磁波峰焊

效果

喷雾系统

步进马达恒压自感喷雾

独立喷雾机环保双滤定量喷雾

良好

预热系统

/三温区分区控制(16-18KW

良好

三温区分区控制(15KW

良好

红外石英/不锈钢管

一般

红外高温烧结黑陶瓷管

良好

运行爪链

爪嘴为不锈钢

一般

爪嘴为非金属树脂

良好

设备操作系统

电脑WINDOWS

美观复杂

LCD触摸显示屏

简洁方便

设备体积

4200L1250W1600H

一般

4960L1250W1600H

较大

锡炉方式

PID发热管马达起波炉

PID发热管电磁起波炉

良好

锡炉温度

MAX300

一般

MAX260

良好

炉胆容量

420-600KG

太大

360KG

良好

锡炉维护保养

困难

一般

方便

良好

炉胆行动方式

手动/电动

/良好

手动+电动

良好

总功率

35-45KVA

 

35KVA

 

使用年限

5-7

 

10

 

客户成本

 

 

维修率

一般

 

 

性价比

一般

 

 

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