免洗焊接技术的现状.doc

免洗焊接技术的现状摘要：本文主要针对免洗焊剂以及相关材料、设备、工艺的目前水平和免清洗技术如何达到用CFC清洗的效果进行了探讨，并简要介绍了当前国际上在这一领域的发展状况。关键词：免清洗 焊接工艺品 焊接设备绪言由于CFC（氟氯烃）及1.1.1三氯乙烷具有清洗能力强、相容性好、使用安全、工件干燥快等优点，一直被认为是一种理想的清洗剂。长期以石料，电子工业在清洗元器件中一直使用这些产品，尤其是SMT元件的焊后清洗。然而，自80年代中后期，人们发现CFC等清洗剂中的ODS臭氧耗竭物质破坏了生态平衡，严重地威胁着人们的生命。为此，寻找替代ODS物质技术在全球展开。联合国曾就此问题多次召开有关方面会议，并于1987年签署了“蒙特利尔”协议。在这一协议中，对有关使用ODS物质的截止日期作出了明确规定，然而，从目前来看，普遍认为按照“蒙特利尔”协议的要求，行动太慢，必须加快替代ODS物质的步伐。为此，联合国环境保护局在哥本哈根和布鲁塞尔分别召开了会议。在这两个会议上，将“蒙特利尔”协议确定的日期作了修改，并将使用ODS物质的截止日期提前五年。在布鲁塞尔会议上的有关协议如下：CFC：1993年12月31日削减858%，1994年12月31日削减100%1.1.1三氯乙烷：1993年12月31日削减5%，1995年12月31日削减100%。由此可见，保护臭氧层势在必行，也是电子清洗工艺发展的主要方向。根据联合国“蒙特利尔”协议的精神，80年代末90年代初工业发达国家先后研制开发了下列四种主要替代技术，并已广泛应用在目前的电子清洗工艺中。1、 溶剂清洗2、 半水清洗3、 水清洗4、 免清洗然而，寻求合适的替代技术并非易事，任何一种替代技术均不能完全取代ODS的全部用途，必须针对不同产品、不同工艺选用不同的替代技术。此外，还要考虑材料、设备、技术兼容等问题。实践证明，上述几种替代技术中的前三种只是过渡时期的技术，作为逐渐淘汰的过程。从长远来看，还是应采用免清洗技术，以达到最终完全不使用ODS的目的。因为没有了清洗工艺，会大大降低制造成本。为了实现晕一目的，焊后板表面的残余物必须降到最低限度或无残余物。此外，这种技术对于替代ODS的质来说是一步到位的技术，虽然目前需要一些投资，但其带来的优越性和经济效益是显著的。但是要使免清洗技术的应用获得成功，必须解决焊球、桥接、漏焊及其它工艺缺陷。如果焊剂残留物有腐蚀性的话，产品使用寿命就会受到影响。换言之，解决这些问题是实现免清洗焊接技术的关键所在。目前，美国、日本等工业发达国家主要围绕上述问题开发研究了新技术、新工艺。1、 免清洗材料1.1免清洗焊剂 在超细间距组装中，焊剂在电子插件焊接过程中起着决定性的作用。从最初的焊剂印刷阶段的任何缺陷，对合格率均有很大的影响。因为前期生产工序的任何错误都会贯穿到整个生产过程。为此，对焊剂提出下列要求：透过模板极细缝隙的良好印刷性能坍落度小良好的焊球形成过程良好的元件浸湿特性再流后无腐蚀作用溶剂残渣含量低焊剂主要由两种成份组成：焊剂粉料及溶剂，溶剂包括松香（树脂、合成树脂）、激活剂（无卤、含卤）溶解剂及某些添加剂。免清洗剂是一种低固态焊剂，固体含量大约在1.53%的范围。焊剂中的溶剂主要是异丙醇、乙醇或甲醇。这些焊剂残渣少或无残渣，所以，焊后可以不清洗。在使用免清洗焊剂时需要强调下列几点：在保证极少残余物的同时，还要求焊剂具有足够的活性。难于控制比重（监控和维护焊剂的固体含量）。吸水效果要比一般的固体含量的焊剂明显。发泡难。加工范围要比使用一般固体含量的焊剂时势加工范围小。免洗焊剂的固体含量要比传统焊剂的比例小得多，当固体含量低于5%时，比重控制的灵敏度就会出现明显变化。1.2无挥发性化合物（VOC）焊剂美国对排放VOC限制很严格，而且对此进行各种不同的详尽研究。目前的问题是大多数免洗焊剂中的VOC含量极高。有些焊剂中的酒精含量高达99%。美国的一些公司现已研制出新一代的焊剂，达到了少排放或不排放VOC的目的。这些焊剂以水代替酒精作为溶剂，水溶基焊剂几乎无VOC。这种焊剂除了对环境无污染外，而且不燃，在受热环境下进行喷涂是非常安全的。水溶基焊剂对波峰焊剂的予热能力提出了新的要求。1.3 免清洗焊膏免清洗焊膏可分为四类：普通、低残渣、极低残和超极残渣焊膏。这些焊膏还可进一步化分为松香基焊膏和非松香基焊膏两种（见表1）免洗焊膏类型 固体含量（比重） 气氛普通 3.55% 空气低残渣 2.93.4% 空气含有500ppm的O2氮气可改善湿润性极低残渣 2.12.8% 空气有时O2含量低于500ppm的氮气可改善湿润性超极低残渣 2.0% 要求使用O2低于100ppm的氮气1.3.1普通免洗焊膏普通免洗焊膏是典型松香基焊剂。固体含量的比重为3.55%,不同厂家的产品其残渣含量和颜色有所不同，不过其共同点是颜色在透明 黄色之间。从外观来看，透明残较好，不过残渣颜色与腐性和可靠性无关。普通免清洗焊膏不需要特别的气氛，如象用于再流焊的氮气，其具有良好的可焊性。虽然湿润性是免清洗焊膏的问题，但是这个问题通常是由于元件和基板的可焊性差所致。由于普通免洗焊膏多数都是松香基的，粘性次数及印刷特性可与RMA和OA类焊膏进行比较。残渣的颜色和多少是普通免洗焊膏的主要缺陷。从外观上来说用户不喜欢黄色残渣，而过多残渣阻碍电子测试。1.3.2低残渣免洗焊膏低残渣免洗焊膏不是松香基的，就是合成基的。一般来说，残渣量最少的焊膏是合成的，低残渣焊膏的主要优点是残渣最少，这样就不存在外观方面的问题，同时也减少或消除了控测问题。低残渣焊膏成中的固体含量为比重大约为3.4%，超低残渣焊膏的固体含量比重在2.1-2.8%,超低残渣焊膏的固体含量低于2%。在配制低的、极低的、超低残渣焊膏时，主要是将金属含量提高到91-92%（焊剂含量降到20%）。设计焊剂同时也是研制焊膏的过程。由于大部分焊剂在再流焊中将分解或挥发，所以减少了残渣的形成。由于金属含量高和有时焊剂中溶剂含量高这两种原因，低残渣免洗焊膏的粘性次数和使用寿命比普通的RMA和OA的寿命短。低残渣免洗焊剂的成分要比大多数常用的RMA和OA的化学腐蚀性小。2 免洗焊剂的涂覆工艺及惰性气氛2.1 焊剂涂覆方法目前，采用的涂覆方法主要有二种：发泡和喷雾。根据许多文献报导说明，发泡的方法对于含有高于5%固体含量的焊剂来说，既具有实用性，又可获得可观的经济效益。可通过连续地或间断地监控比重来控制固体含量及在相应的范围不使用用过的焊剂。然而，免洗焊剂和无残渣焊剂的固体含量都低于5%，通常多数免焊剂的固体含量煤炭部2%，这种固体含量低的焊剂泡沫不充分，为此，不适合发泡应用。所以，发泡的方法只能满足一般原焊接要求。此外，末封闭原焊剂可使酒精熔剂快速挥发，使焊剂固体含量上升，这样就不需要焊剂比重测试仪来控制固体含量，因为焊剂和稀释剂的比重相差甚大，因此需用滴定法来监控焊剂。发泡涂覆工艺要使用松香基焊剂，使压缩空气通过泡管，使焊剂变为泡沫涂覆在印制板上，其优点是波峰焊机不需要改型，节省投资，缺点是涂覆不均匀，印制板上有残余物，不能控制焊剂用量，需要时常监视焊剂的变化及经常更换焊剂，焊剂耗量大。焊剂喷雾方法是免洗焊接工艺中一种颇受欢迎的方法，它可以精确地控制焊剂沉积量。焊剂喷雾系统可设计成单通路系统，由单通路系统中的非再循环的封闭容器供给焊剂。为此就不需要监控焊剂的固体含量。喷雾涂覆工艺是利用喷雾装置，将焊剂雾化后喷到印制板上，予热后进行波峰焊。喷雾涂覆工艺由于具有涂覆均匀，用量度少，不需进行任何滴定/比重的监控，不需定期排放旧焊剂，可控制板上的焊剂沉积量及封闭式设计，消除了焊剂污染问题等优点，被众多的用户认可，但喷雾设备需花费一定的资金，如在原有的发泡设备上改进，投资相对就少些。通过比较可看出，喷雾方式比发泡方式有许多优越性国外众多企业为此将发泡式改为喷雾式是焊剂 涂覆设备的一个新突破。用喷雾方式进行免洗焊剂的涂覆成为今后的发展方向。2.2惰性气氛焊接如上所述，在免洗焊剂工艺中存在着焊球、桥接、漏焊、氧化、可焊性差、湿润性欠佳等诸多的缺陷，尤其是在普通的气氛下进行波峰和再流焊时，焊料氧化尤为突出。目前，美国、日本等国都是采用惰性气氛来克服这些问题的。应选择哪种气氛，要进行全面的衡量，不但要考虑到气体成本，还要考虑安全以及其它的物理特性。每单位体积的氢气和氦气都比氮气贵得多。氢气比氮气要贵5-10倍，而氦气要贵20-30倍。同时，氢气又是一种可燃气体，在大气中的爆炸限4-75%。如果再流焊炉使用氢气，就需另配安全系统，比如联锁器、废气燃烧装置和适当的操作程序。二氧化碳虽然在价格上比氮气稍灰便宜一点，但可能会引起一些氧化问题，影响到可焊性。通过评估和实验应用，使人们认识到氮气是真正的惰性气体，其价格低廉，而且在使用过程中没有大的安全问题，为此受到人们的青睐。采用惰性气体，相对于采用大气气氛有明显的优点，可友明显减少板上的残留物。不过使用不同的焊膏，减少残留物的效果是不同的。尽管完全消除残留物还做不到，但是，如果将可控制气体环境技术与焊膏和焊剂化学的新发展结合起来便可以实现低残留物的新的焊接技术。要使免洗焊接工艺的推广应用迅速展开，普遍采用的方法是用氮气使整个或部分波峰焊机惰性化。许多资料说明，在没有氧化的条件下进行焊接会提高湿润力，并减少湿润时间。还观察到，当焊接波峰惰性化时，就不会出现焊料毛刺。在氮气保护下形成的焊点，外观较漂亮，即平整光亮又降低了漏焊率。波峰焊接工艺惰性化效果最佳的方法是不用焊剂时，是对涂覆有焊料的组件进行波峰焊接。由于氮气改善了焊料波峰的表面条件，使接触焊料的时间和予热温度的最佳值具有很大的调节余地。焊接工艺惰性化十分有利的一面是焊料渣显著下降（8095%），减少焊料的耗用，更重要的是减少了维修量。在许多情况下，节约在资金林焊接工艺中使用氮气所支付的资金要多。最近又出现了一个新技术，这种技术只使焊接波峰惰性化，被称为惰性边界焊接。不需要防护罩和通道，将气体供给与组件接触的每个焊接的每个焊接波峰的进口端和出口端，实际上，覆盖住通过波峰的组件，使焊接波峰各点的含量低于10ppm.这种方法与具有防护罩、通道、完全惰性焊机相比有一定的优点，与普通的波峰焊氮接系统比较，具有能见度和可接近性好。由于不需要氮气密封门和帘门，所以不影响生产量。最近的研究焦点是将惰性气体用于下一代的产品，新的工艺包括通过采用免清洗工艺来取代CFC，0.5微米以下的精细间距器件的生产，符合环保原则的无VOC组装制程及越来越流行的BGA和PCMICA工艺技术。 3. 免清洗焊接设备3.1 波峰焊设备免洗波峰设备主要有三种：最老式的一种是旋转鼓形的，运转成本最低。这种类型的设备采用的是不锈钢或塑料丝网鼓，在焊剂槽中旋转，为转鼓上装有热风刀，在焊剂活化时，丝网上的焊剂就被吹到PCA上。焊剂沉积量由鼓旋转速度来控制。这种简易的系统具有较高的一致性及可重复性。缺点是没有密封，因此，焊剂溶剂有蒸发的可能。“高档”的密封型焊剂喷涂设备主要分为两大类一超声型或喷枪型。这种类型的焊剂喷涂机是将压力容器中的焊剂抽出，或用泵抽取密封容器中的焊剂。超声焊剂喷涂机是把液体焊剂输送到超声振子，在超声振子的作用下，焊剂破裂为极小的液滴，呈雾状。雾化的液滴由喷气口导入PCA。通过改变流向，超声喷头的焊剂流动率可控制焊剂沉积量。焊剂喷枪是采用商品化的喷头。通常，喷头使用的焊剂由压力容器供给。最流行和一种焊剂喷枪是往复运行的摆动型喷枪。该系统由安装在机械装置上的单喷头构成，它能随波峰焊机传送带的支宪而前后运行。根据PCA的规格，将喷涂控制在相应范围。通过调节焊剂槽的压力，可控制焊剂沉积量。超声和喷枪这两种喷涂设备都是密封的、单路系统，所以不需要监控焊剂的固体含量。虽然这两种涂布设备价格昂贵，但是，这些焊剂涂布设备能很快取得效益，这是由于焊剂及稀释剂的消耗减少了，而且制焊剂涂层密度（503000g/in）的能力提高了，可重复性为10%，使得这种技术得到很快的推广应用。在波峰焊中，为了克服焊料合金的氧化问题，通常都是在波峰焊接设备中氮，使其惰性化，以获得优质的焊接。惰性化的液峰焊机有几种不同的类型。完全惰性化的焊机很贵，很复杂。不过，使用氮气的效果是很明显的。通常，消耗量在6001200CFH（标准立方英寸）的范围。替代完全惰性焊要贩设备成本较低，在普通波峰焊机上，装上一个惰性气体保护装置包括焊槽或予热器焊槽。这种技术的另一个优点是可对现有焊机进行改型。这种类型焊机消耗的氮气在14002400CFH的范围。为了解决氧化等问题，除了采用氮气外，波峰焊机在形成波峰的喷口结构上作了许多改造，因而形成了象双波峰、波、波、形波、波、W波以及各种波等多种波峰形式。3.2 再流焊接设备红外加热再流焊机的结构为隧道式炉膛，设有23个予热区，一个焊接区，在炉膛山口端外面还有一个冷风冷却区。PCB用链条或网带传动通过炉膛，传动速度根据工艺需要可以无级调整。为适应双面PCB的焊接，采用了上下同时加热。红外辐射加热采用板式陶瓷约外辐射元件。波长为2.55m炉膛内的温度曲线可以设定，焊接实际温度曲线也可以进行测量，设定曲线和实测温度曲线都要可以在显示屏上显示出来。如实测焊拉线与理想焊接温度曲线不一致，可以调整设定曲线，使最后实际焊接曲线与理想的焊接相接近。一般再流焊机的传输系统中没有手摇机构，一旦发生问题，可用手摇传送链将产品送出炉膛，便可以在突然停电或出现故障时，能立即把炉中的产品取出。此外为了防止氧化，保证焊接质量，有部分再流焊机增加了氧化保护。在较高档的电路组装再流焊接