PCB无铅焊接的问题点和对策.doc

PCB无铅焊接的问题点和对策 众所周知，WEEE & RoHS指令将于2006年7月开始实施。迈入2005年，无铅化的进程更加紧迫了，许多企业对无铅化加工法的要求更加严格了。 无铅化最初的课题是寻找取代锡铅锡丝的无铅焊料。找到有力的组成之后，又发生专利纠纷。还有由于与传统的锡铅锡丝不同的特性导致需要改善加工法，及锡槽烙铁头等的寿命明显缩短的问题。 本文将就当前市场上主流无铅锡丝锡银铜锡丝，针对其一般问题以及从焊接工具端出发的几个重点课题，进行分析并提出解决方法。 2无铅锡丝的特征问题点 无铅锡丝的特征大致归纳了看看。 拉伸强度大体相同。 比重不同 锡铅锡丝 8.4 无铅锡丝 7.4 浸润性延展性变差 溶点变高 锡铅锡丝 183 锡银铜无铅锡丝 217219 烙铁头寿命缩短 约为13(相对于锡铅锡丝) 光泽不同 在焊接完成后，以往的锡铅锡丝表面带有银色的光泽，而无铅锡丝没有光泽。针对这一点，延展率表面裂纹的问题也包括在内，有必要讨论是否应该改变检查基准。 3烙铁头寿命的解析从两方面入手 1先端镀锡层的氧化碳化烙铁头镀锡层的氧化，是指吃锡面被锡的氧化物覆盖了、导致吃不了锡的现象。锡铅锡丝的时候，烙铁头上的附着物只要是助焊剂的碳化物，这些碳化物用海棉或吹气等通常的清洗方法即可除去。而无铅锡丝时，烙铁头上的残留物主要是锡的氧化物。这是因为无铅锡丝中锡的含量大大增多的缘故。在此状态下，锡丝无法溶化，热量就无法传递到焊接物上，事实上无法进行焊接。 这种情况时，只要除去先端表面的碳化物、再次形成镀锡层(预备送锡)就可以恢复。这种锡的氧化物用海棉等清洗方法是无法去除的，请使用氧化铝粉末或者特殊的助焊剂来除去。如果使用锉刀等工具的话，容易削薄镀铁层，导致寿命缩短，因此请勿使用。另外，通过实验证明了采用氮气保护可以明显地抑制烙铁头的氧化。发现锡的氧化物(Sn和O)居多 2由锡造成的镀铁层的侵食这是镀铁层被锡侵食而出现穿孔的现象。烙铁头出现穿孔，就说明了使用寿命到了(通常烙铁头上是在母材铜棒上镀有500微米的镀铁层)。 看到的穿孔，意味着对烙铁头寿命起决定作用的镀铁层已经被消耗完了。此过程是使用实际的烙铁头实验得出的。 为了保证实验的安定性，实验时利用焊接机器人，固定在吃锡面的2处进行送锡，随后进行吹气清洗，此作业反复进行，直到烙铁头上出现穿孔时才停止实验。 实验结果为在32小时后在吃锡面的上部出现穿孔。 锡丝接触时间（h )把已穿孔的烙铁头切开，通过SEM扩大，如(写真3的右图)。写真3中的左图为新烙铁头的断面。 黑色空洞，原来存在有母材铜。镀铁层出现穿孔后，里面的铜母材在很短的时间里就被侵食成空。为此空洞部分的扩大写真。继续放大，对弓形部分进行分析。通过该部位的EPMA(Electron Probe Microanalyzer)写真，在同一个地方检测出铁和锡的存在。由此可确认该部位为铁和锡的反应层。 通过定量分析(表1)，Fe与Sn的原子比约为12，因此可得出该反应层为FeSn2的结论。 烙铁头消耗的过程，实际上是对烙铁头寿命起决定作用的镀铁层，从开始形成锡的反应层，反应层逐渐变厚，直至崩溃消失的过程。接下来研究该反应层与温度和时间的关系。 写真912，是在烙铁头上送锡后进行放置、截面的扩大写真。每张写真的左侧为烙铁头的镀铁层，右侧为无铅锡丝，中间为反应层。经过1小时就已形成反应层；经过4小时后反应层成长了不少。然而，从照片中可以看出，16小时后，与4小时和9小时相比，反应层的成长速度明显变慢。 Fe FeSn2 无铅锡丝 Fe FeSn2 无铅锡丝这是由于该反应为Sn扩散到FeSn2中与Fe接触而起的反应、经过的时间越长FeSn2层就越厚，Sn到达Fe所需的时间也就越长的缘故。 上面是温度为350时的实验。在不同的温度下进行了同样的实验。 通过实验可以得出如下结论 烙铁头的镀铁层，一与锡丝接触就开始被侵食。 无铅锡丝中，锡的含量在95%以上，与锡铅锡丝60%相比要高许多，所以被锡侵食的现象明显显著。 镀铁层受锡侵食的现象，从无铅锡丝与烙铁头接触的瞬间急速开始，随着时间的推移逐渐减缓。 镀铁层受锡侵食的现象，温度越高就速度越快。 由此可知如果可以抑制锡铁的反应抑制烙铁头吃锡面的碳化氧化的话，就能够在一定程度上抑制无铅锡丝时烙铁头的消耗。 3结论 如此通过反复进行各种实验，再加上生产现场的实际经验，我们找到了在与锡铅锡丝同等条件下进行PCB无铅焊接的方法 不要一味地提升温度，在适温下进行焊接 选择最适合的烙铁。不需要把无铅锡丝溶点的上升幅度(与锡铅锡丝相比)全盘转移到烙铁头上。问题的关键，不在于温度的高低，而在于要能够以最快的速度传给焊点所需的热量。是否拥有加热焊接物所需的足够热量、烙铁头的形状是否与焊接物相符等成为解决问题的重点。 使用长寿命的烙铁头 烙铁头镀铁层的厚度和品质很重要。 在短时间内完成焊接作业 要达到此要求，烙铁的性能很关键。要求烙铁头具有快速传热短时间内完成焊接作业的性能。 在休息时间等不进行焊接作业时烙铁头温度能够自动下降 自动待机温度功能很重要。由烙铁部内藏的感应器监控焊接使用状态，若超过设定时间不进行焊接作业时烙铁头温度自动降至待机温度。这样可以抑制残留在烙铁头上的锡对镀铁层的侵食。 作业结束时，清洗后往烙铁头添上预留锡丝，尽快关闭电源。 这样既可以抑制预留锡丝的氧化，又可以抑制锡的侵食。 锡丝的预热，焊接物的预热 在焊接机器人上，利用独自开发的锡丝预热机构，先加热锡丝至100左右再进行焊接作业。由此提高了无铅锡丝初期溶化的速度和锡丝的浸润性，从而可以相对降低烙铁头的设定温度。另外还具有抑制锡球助焊剂飞散的效果。 同时，对焊接对象进行预热，在PCB无铅焊接中也成为一种常用的方法。 在氮气氛围中进行焊接 利用氮气保护，在无铅锡丝出现之前就已被采用的方法，具有改善锡丝浸润性的效果。在氮气氛围中进行焊接，能抑制烙铁头的氧化。同时具有预热效果，降低设定温度和延长烙铁头寿命的作用。总而言之，作为解决焊接天敌氧化的手段，利用氮气保护具有很好的效果。 4最佳工具的选择 在以往的锡铅锡丝焊接中，锡丝的种类、助焊剂的特性、温度、焊接对象等具有相当大的自由度。即使不是最佳的焊接条件，也可以进行焊接作业。 然而，当变成无铅锡丝后，这些问题都随之发生变化了。即使在焊接做到了与锡铅锡丝同样或接近的品质，在随后品质的保持上会出现各种各样的新条件。如果不能遵守那些条件的话，就很难维持与以往一样的品质。 与无铅锡丝出现初期相比，由于厂家的努力研发，焊接的实际效果也与锡铅锡丝接近了，但是因为组成的根本不同而导致的差依然存在着。因此，烙铁的综合能力问题益发显著起来。 针对无铅锡丝而开发的烙铁。具有高效率的新型加热器 压倒性热量的烙铁头构造长寿命的烙铁头自动待机温度安全管理功能氮气保护等最新的功能。5支持无铅化的焊接机器人 以上讲述了手工烙铁的原则，当要进行微细和精密部件的焊接时，就到了焊接机器人的登场时间了。 在焊接条件要比锡铅锡丝严格多的PCB无铅焊接中，对于同种产品、如果可以保持在一致的条件(相同的温度相同的加热时间相同的锡丝量相同的时间内)下达到良好的焊接效果的话，可以称为理想的焊接工具。 配合前面所提到的加热器和烙铁头构造的特征，再通过机器人实现焊接的再现性和一致性，其作业的安定性成为工程管理品质管理的必需品。 最近，短间距的部件不断增多，在其PCB无铅焊接工艺中，配有标准CCD显示器的激光焊接系统能够满足多种多样的需求。最小集光径为0.2mm，根据同轴光学观测可以得到正确的位置，同时还配有保护光学系统免受助焊剂等污染的机构(写真20)。6支持无铅化的开发伙伴 PCB无铅焊接的要求越来越高，越来越的用户就多种多样产品的焊接提出各种不同的问题。至今利用丰富多样的产品和技术及经验解决了许多用户的实际问题。 然而，也还有许多未知的领域。在几千年的锡焊历史中，PCB无铅焊接才出现不长时间。一开始，努力致力于针对无铅化的研究开发(包括独自开发、与研究机关锡丝厂家用户的共同开发)。同时，在公司内外开展关于PCB无铅焊接