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无铅焊接：控制与改进工艺 By Gerjan Diepstraten本文描述怎样控制与改进无铅工艺.。在实施无铅工艺之后，我们必须经常跟进、监察和分析数据，以保持工艺在控制之中。无铅焊接已经引入了，因此无数的问题也提出来了。尽管如此，许多问题还是必须回答的，包括无铅的定义、它的实施成本、和甚至是否所有技术问题已经解决。但是，实验继续在新的无铅合金的可靠性上提供好的数字。本文讨论成本与能量效应，并展示工艺必须不断地检验，因为技术与工艺知识在将来会改进的。一个标准改进模式，比如德明循环(Deming cycle)，可用来维护无铅焊接工艺的控制，作出调整和改进，并在可能的时候实现成本的节约。材料成本焊锡作为一个例子，某种焊接机的锡锅含有大约760公斤的锡铅(SnPb)合金。用SnPb来填满锡锅将花大约$3,960美元。SnPb的密度为8.4 g/mm3。用锡铜(SnCu)合金填满相同的锡锅需要661公斤，其密度为7.31g/mm3 :质量 = (7.31 8.4) x 760 = 661.结果是焊锡成本增加28%或$5,063美元。其它无铅替代方案，如锡银(SnAg, 135%)和锡银铜(SnAgCu, 145%)对焊锡成本的影响甚至更大。考虑到焊接点和将SnPb与无铅进行比较，我们可以作下列计算。如果形状相同，那么无铅合金的质量将较少，由于其密度较大。对于一个SnCu焊接的通孔引脚连接器，焊锡质量为：(SnCu x SnPb) x massSnPb因为焊点看上去不同，湿润可能较差，焊点的角度不同，我们必须验证是否计算的质量差别大约等于焊接点的实际质量增加。为了证实，我们焊接一块有连接器的板(每块板总共192个引脚)，称出焊接前后的重量差别(表一)。重量的增加多少都是所焊接的焊锡。表一、SnPb与SnCu的焊接质量比较SnPbSnCu焊接192个引脚的板，质量增加(克)1,5841,296焊锡成本100%128%焊接470个通孔的板，每孔的平均质量(毫克)10,3828,880焊锡成本100%126%助焊剂象在所有焊接工艺中一样，助焊剂起主要的作用。可焊性和焊接缺陷可以改进和减少，如果使用正确的助焊剂。如果我们实施“绿色”焊接工艺，我们使用无VOC的水基助焊剂，它比醇基助焊剂有一些优势。几个试验目前已经证明无VOC的助焊剂与无铅焊锡比免洗助焊剂显示较好的结果。特别是对于板上的残留物和可焊性，它们是较好的。一个理由就是应用到板上的数量较少了。在助焊剂中的活性剂和化学物质在水中比在醇类中反应更有化学活性。虽然无VOC的助焊剂更贵，用这些助焊剂的总成本大约是相同的或甚至更少，因为用于焊接的总数量将减少。如果可焊性提高，返工的数量将减少。助焊剂数量减少也将造成维护减少。清洁机器的零部件将较容易，可以用热水而不是化学品和仪器来完成。可是，锡球的数量随着无VOC助焊剂的使用而增加。这个增加的部分原因是工艺中较高的温度，使得阻焊(solder resist)软化。与锡铅工艺比较，这些锡球的清除要容易得多。新的无VOC助焊剂现在正在开发。助焊剂供应商正尝试将松香溶解与水基助焊剂，在锡球数量上的减少另人赞赏。这些研究将继续下去，因为大多数助焊剂供应商还没有成功地找到正确的配方。元件对于许多元件，改变引脚的最终表面涂层将不是一个主要问题。如果发生对无铅表面涂层的将来很大的需求，那么元件供应商更可能在将来转换而不是现在。因为技术是现成的，这些元件的价格预计不会大幅地增加。SnAg与SnAgCu锡球对于BGA似乎是SnPb的一个可接受的替代。对于周边封装的替代引脚表面涂层正在研究之中，可靠性和锡须(tin whisker)问题必须解决。较高的工艺温度增加对元件潮湿敏感性性能和封装完整性的要求。可以经受较高温度，如280C 5秒钟，的塑料现在正在设计，将会把价格推高。因此，需要一种具有高精度(T较小和良好的传热)的回流焊接炉来运行无铅温度曲线，满足较便宜元件的规格。如果能将最高峰值温度限制在245C，并且将所有的焊锡按照无铅锡膏的规格带到熔点以上，那么对于用户可以得到元件成本的减少。板的材料除了禁止铅之外，卤化阻燃剂(halogenated flame retardants)也将从板的材料中消除。因此，使用无铅表面涂层的新的板材必须用较高玻璃态转化温度(Tg)来经受较高的工艺温度。这些新的板材，以及无铅表面涂层，将影响价格。现在还不清楚这些价格将增加多少，因为多数电路板供应商还在优化板材的选择与其制造工艺。氮气回流焊接炉。在回流焊接中，人们经常讨论氮气的必要性。一些工艺要求氮气，因为它提高可湿润性，得到较好的焊接点的可靠性。在其它工艺中，氮气可能造成更多的元件竖立，因此禁止或控制在一定水平。即便在回流焊接工艺中惰性气体可能有帮助，但还有问题就是是否成本合理。在一些国家，氮气不那么贵，如德国，成本大约是$0.08/m3。在其它国际，比如瑞士，氮气价格大约为$0.81/m3。相对劳动力是非常合算的。最好，一台炉应该可以在空气和氮气中运行。基于成本的理由，应该避免惰性气体。但是，对于诸如较小与更复杂的设计，应该要有转向氮气的能力。对于氮气没有所谓一般性的说法。每一个工艺都有其自己特有的问题与挑战。在以可能较高的工艺温度实施无铅焊接之后，必须回顾一下氮气的表现与必要性。在一个较长的生产时期后，可以在评估有关空气或一种惰性气体的决定。波峰焊接。和锡铅焊锡一样，当焊锡在液体状态和高温时无铅焊锡氧化十分迅速。如果不在惰性焊接机中，在表面的氧化皮去掉之后，在波峰上很快会形成新的氧化物。锡渣中含有由氧化皮发展的焊锡金属单元。对于无铅焊锡，波上的氧化物可能更容易肉眼看到。氧化物更容易看到有几个原因。首先，在无铅焊锡中的锡含量比在锡铅中更高。到目前为止，在焊锡表面上最常见的氧化物是锡氧化物，氧化锡(SnO)和SnO2。其次，温度比在锡铅焊接中更高。较高的温度造成更多的氧化，造成更多的锡渣。锡渣的数量可以减少。某些波峰焊接机装有一种轴向密封，消除在泵轴上形成的锡渣。其它锡渣是在波峰上形成。通过减少波的下落高度，锡渣的数量将会更少。下落高度是在波峰上溢出的焊锡到锡面的距离。氮气的使用也将提供一些优点。氮气是成本有效的，锡渣的数量可以减少。因为氧化物只是锡渣中的一小部分，锡渣应该压缩，从氧化单元中部分地分离出焊锡金属。能量消耗回流焊接炉回流焊接工艺要求许多能量将印刷电路板(PCB)加热，之后，更多的能量需要冷却板。无铅焊接要求不同的温度曲线，因此，不同的能量消耗。表二、无铅与SnPb回流焊接温度曲线的能量消耗SnPb温度曲线线性SnAgCu温度曲线SnAgCu温度曲线SnAg温度曲线最大坡度：0 - 2C/秒最大坡度：0 - 2C/秒最大坡度：0 - 2C/秒最大坡度：0 - 2C/秒保温时间：(150-170C)30 - 60秒保温时间：(150-170C)0 - 60秒保温时间：(150-170C)0 - 120秒液化以上时间：30 - 60秒液化以上时间：60 - 90秒液化以上时间：30 - 60秒液化以上时间：20 - 60秒峰值温度：215 - 220C峰值温度：232 - 245C峰值温度：235 - 2550C峰值温度：245 - 290C*计算面积：25,158计算面积：29,704计算面积：28,573计算面积：26,704参考值：100%参考值：118%参考值：114%参考值：106%*计算面积是加热区域的总热量，冷却不包括在这些计算中。在一个试验中，我们将无铅工艺的能量消耗与传统的SnPb比较(表二)。使用一个数据记录仪，温度曲线逐步显示在工艺期间装配的时间温度特性。图一中显示SnAgCu的线性温度曲线。在加热曲线之下的区域有需要用来加热装配的能量有关部门。图一、线性SnAgCu温度曲线图二、一班制的回流炉功率消耗在另一个试验中，我们使用一台专门回流炉和一个典型的板装配来设定温度曲线。为了决定功率的消耗，我们在机器上安装一个测量设备。每个工艺的功率消耗记录在表三。表三、功率消耗SnPb温度曲线线性SnAgCu温度曲线SnAgCu温度曲线SnAg温度曲线每小时：7.67kWh启动期间：24kWh每小时：8kWh启动期间：27kWh每小时：7.67kWh启动期间：24kWh每小时：9kWh启动期间：28kWh启动时间：20分钟启动时间：20分钟启动时间：19分钟启动时间：21分钟参考值：100%参考值：107%参考值：100%参考值：118%功率消耗是在没有板运行通过炉子时测量的。图二显示在一班制工艺期间的一台回流炉的功率消耗。SnPb曲线与线性的SnAgCu曲线比较。从线性的曲线，我们了解到液化以上的长时间造成金属间化合物增长的增加，在对可靠性不是所希望的，并且对功率消耗有大的影响。SnAg曲线具有高峰值温度设定，要求许多能量来维持设定点。波峰焊接在波峰焊接工艺中，由于较高的熔点和工艺温度，有两个区域将会显示能量消耗的增加。第一个增加是在装配的预热。如果我们将免洗助焊剂应用和无VOC的水基工艺比较，我们将发现在能量消耗上的增加最高达到25%，由于较高的预热温度。其次，因为焊接温度较高，锡锅需要更多的能量。如果我们将一种280C的极高焊接温度与250C的正常的SnPb温度比较，我们发现列于表四的数据。表四、锡锅功率消耗(波)焊锡SnPb(250C)SnCu(280C)达到设定点的功率消耗达到设定点的小时34kWh3.5小时36kWh5.5小时在设定点的每小时功率消耗5kWh5KWh功率消耗是在没有板运行通过焊接机器时测量的。图三显示在一班制生产工艺期间的一个专门锡锅的功率消耗。图四显示类似的锡锅在两班制生产工艺期间的功率消耗。图三、一班制锡锅的功率消耗图四、两班制锡锅的功率消耗运作成本产出一般，无铅波峰焊接工艺要求较长的接触时间，以达到焊锡的良好湿润。如果必要，机器可以安装一个不同波形形成器。如果还没有达到适当的湿润，那么传送带速度必须减少。可是，减少传送带速度可能造成较低的产出。修理 - 失效率焊接点看上去不同，显示不同的形状。从我们在无铅实施中所看到的，缺陷数量没有增加。尽管如此，诸如焊脚提起的新缺陷确有发生。迄今，可靠性测试没有显示由于焊脚提起的较低的品质，因此这些焊点不需要修理。对于修理工作，烙铁嘴的氧化物增加也会发生。维护由于无铅焊接的维护增加应该不是所希望的。无VOC的水基助焊剂可能甚至减少维护时间和间隔，与免洗助焊剂相比。对于回流焊接，一个好的助焊剂管理系统将减少维护成本。新的锡膏将有不同的助焊剂，将在较高的温度下蒸发其它残留物，但是不会造成维护间隔或时间的增加。工艺改进在实施之后，工艺必须持续地控制、改进和重新设计，以节约成本和具有竞争性。因此，工程师和所有那些负责无铅工艺的人都应该知道新的材料、工艺和机器更新将在不远的未来引入。新的材料虽然一些公司已经无铅焊接了两年多，但是对其合金的选择应该作一些评述。如果板的材料中不出现铜，例如铜焊盘上有机可焊性保护涂层(OSP)，那么停留在合金，特别是SnAg，的规格界限内是非常困难的。越来越多的公司选择SnAgCu作为SnPb的替代材料，SnCu由于成本的原因只用在波峰焊接。锡锌(SnZn)与锡锌铋(SnZnBi)在可见的未来还是回流焊接的局外人。如果锡膏供应商能够为这种锡膏设计一种超级助焊剂系统，成功消除含锌合金的氧化问题，那么这些合金由于其低熔点和成本将焕发新的兴趣。图五、德明循环 板的布局因为新的发展将会在无铅焊接工艺的不同区域出现，所以要求持续使用一种标准改进模式，如德明循环(Deming cycle)(图五)。按照这个模式来实施(或决定不实施)新的发展。例如，一种新的助焊剂将引入到工艺中。跟随的步骤是： 计划：计划一个试验来找出是否该助焊剂将改进品质、降低成本或达到已经选定的另一个目标。 做：运行该试验 检查：分析试验的输出和判断是否该助焊剂满足期望 行动：在工艺中实施该助焊剂，保持观察品质。 结论用德明循环，已经达到该实施计划的结尾。虽然无铅焊接是一个热门话题，大部分制造商还正在收集信息，或者只是刚开始其第一个尝试。希望这里的文章将帮助你开发一个稳健的、可重复的无铅焊接工艺，产生持续的高合格率。新型无铅焊锡膏与回流技术 By Jim Raby and David Heller本文介绍，一项新的研究评估了SnAgBi和SnAgCu合金与裸铜和浸锡焊盘表面的性能表现。图一、回流后焊点直径与印刷后焊点直径的比率。注：比率越高，相对湿润率越好图二、日本制造商常用的无铅锡膏温度曲线图三、在镀锡焊盘上基准的SnPb焊点的横截面图四、在镀锡焊盘上SnAgCuSb焊点的横截面图五、在显微透视之前在镀锡焊盘上SnAgCuSb的X射线图图六、在镀锡焊盘上SnAgBi焊点的横截面图七、在镀锡焊盘上SnAgBi焊点的横截面图八、在镀锡焊盘上供应商A的SnAgCu焊点的横截面图九、在裸铜焊盘上供应商A的SnAgCu焊点的横截面图十、在裸铜焊盘上供应商B的SnAgCu焊点的横截面/chinese/nolead-reflow-ch.htm基础冶金学与波峰焊接趋势 By Jason M. Smith 本文介绍，为了使波峰焊接在电子工业中完全被接受，冶金学者、工业与主管机构必须一起工作，进行广泛的研究。 自从开始，波峰焊接一直在不断地进化。在焊接中涉及的基本冶金学原理已经被许多非冶金人士所忽视，他们为了寻找满足今天要求和更加环境友好的适当材料。为了决定与理解对波峰焊接工艺中被广泛接受的焊锡作“插入式”替代的理论基础，作一些研究是必要的。因此在这里有必要回顾一下基础的冶金学原理，开发和理解为将来建议使用的替代材料。波峰焊接的进化从二十年代到四十年代，连接是使用焊接烙铁连线方法。印刷电路板(PCB)的发展需要一个更加经济和稳健的形成焊接连接的方法。最早的大规模焊接概念是在英国的浸焊(dip soldering)。在八十年代，开发出被称为波峰焊接的概念。这个方法今天还广泛使用，但是机器和操作员控制已经变得更好了。焊接的基础仍然是相同的。焊接形成只是变化来满足设备的要求；可是，化学成分和理论动力学还是基本的和简单的。附着方法基本上只需要助焊剂，热和焊锡，以形成冶金连接。助焊剂用来清洁需要焊接的、已被氧化的表面。加热去掉助焊剂载体和减少温度冲击，将增加的热量加给构成电路装配的非类似的材料。在一个装配上发现的材料包括：塑料、陶瓷、金属、涂料、化学品及其广泛不同的化学成分。大规模的波峰焊接的使用为元件的可焊性提出一个关注的问题，因为需要第一次就产生适当的连接，并在装配上不进行返修，今天的产品不如过去那些较不复杂装配那么宽容。需要第一次就正确形成的可靠焊接点来经受PCB所暴露的环境。在保证适当信号传输、消除串音和不可接受的垂直波比的同时，必须分析每一种情况中引发的温度与机械应力。1最早的浸焊方法有一些问题：很难重新产生所希望的合格率；将板放在熔化的焊锡上在底下夹住气体，干扰热传导与焊锡接触；焊锡只能熔湿(wet)到金属表面；锡渣(氧化物与燃烧的助焊剂的化合物)必须撇去，不断地阻碍生产2。这一整套问题导致波峰焊接的引入。该方法使用从锡锅升起的熔化焊锡波或大块表面来汇合PCB，然后PCB从波上传送过去。波峰焊接缩短一半以上的接触时间。传送带系统通常在一个角度上，因此当板通过波峰时，不会夹住任何东西在PCB下面。这样倾斜也允许熔化的焊锡脱落进入锡锅，减少相邻焊接点之间的桥接。因为熔化的金属是从熔化池表面之下泵出的，只有清洁、无氧化的金属引入装配。焊接动力学当产生一个焊接点时所发生的反应在原理上是基本的。焊锡合金加热到其液相线区域，以提高焊接点的熔湿(wetting)。氧化物从金属表面去掉，以保证焊接点与带有助焊剂的熔化焊锡之间的清洁接触。然后助焊剂预热从PCB去掉助焊剂溶剂(一般为水或酒精)。需要增加的热量来克服PCB与熔化焊锡池之间的温度差。加热PCB来补偿温差差，不对元件引起伤害。PCB有必要的暴露金属区域，从波峰上通过。焊锡以适当的接合与熔湿角度熔湿到金属。表面能量与接触角度决定熔化的焊锡对暴露金属的附着。如果固体的表面能量相当高于液态和固体/液态界面表面能量的总和，那么液态熔湿并流走。毛细管作用使焊锡达到PCB的圆形电镀孔的顶面。在一些系统中，氮气惰性化的焊接环境用来提高熔湿/毛细管作用。这些孔通常连接装配中等电路层，表明：1、液体在毛细管空间的上升高度随着表面分开减少而增加。2、进入焊点的流动速度随着表面分开的减少而减少。冶金学的因素对焊锡连接有重要的和经常是主要的影响3。熔化的焊锡在焊锡铅与加入形成连接的熔化焊锡之间形成金属间化合层。在冷却之后，保持焊接点。金属间化合的形成与增长直到连接冷却到可以处理，金属间化合层还在增长。增长速度是与在特定温度的时间的平方根和温度的指数成线性。这说明增长是通过交互原子向界面扩散来控制的。这个金属间化合层通常是 1 m的Cu6Sn5。Cu来自于PCB的连接面，而Sn来自于焊锡合金。金属间化合物具有从金属与共价键的混合物升起的特性。这些键由于有高分子而强度高。因此，自扩散系数和更大的扩散控制特性的稳定性是强键结合和有序结构的结果4。这个接合对连接是好的，直到其增长完全支配焊接点的特性；这时，这样的焊点对装配就是有害的。焊接材料今天，波峰焊接工艺首选的合金是共晶(eutectic)合金： Sn63/Pb37，因为其价格与可获得的量。Sn提供连接的特性，而Pb是作为填充材料使用的。产量的增强要求使用快速固化的和可以在几秒钟内形成数百焊接点的材料。给共晶焊锡的普通名称是令人误解的。指定的组成成分不是真正的共晶成分。共晶成分按重量百分比是61.9%Sn，如图一所示。这个差异来自于早期对共晶成分的错误计算。更高Sn含量的合成物不能调节成本增加与电子装配性能改善之间的关系。只有当装配使用在腐蚀性环境时，成本才调节过来。在冶金学上，焊锡可看作是构成二元合金的纯金属的简单混合。其合金图是二元合金系统的典型图，适用于基本的冶金学原理。正如所料，当偏离共晶时，各种合金的特性是不同的。随着合金中Sn含量减少，液化温度增加、密度增加、硬度减少、温度膨胀系数(CTE)增加、温度与电气传导性减少。非共晶成分当考虑非共晶合金时，假设由+共晶组成，从图二的扛杆定律支配比值。有实例证明，没有树枝状晶体出现的固化是可能的，整体的微结构符合共晶。合成物是一个平均的成分。怎样在非共晶合成物中获得共晶结构？固化的冷却速率快于转化动能。当超过固体可溶性极限的成分在室温下冷却时，相的平均成分结核。转换固相的转化动能被固体转变远远超过。当室内空气冷却固溶体时，剩下的液体可能经历共晶反应，在室温下在非共晶成分中给出共晶微结构。当共晶成分的纯二元液体冷冻时，形成的固体平均成分与液体是一致的。据报道，在片之前没有溶质集结和结构的集结，在片之前溶质的耗损。这些溶质轮廓可产生结构过冷，尽管这个现象不是平面不稳性的充分条件5。在微结构中，有时使用名词微组元(microconstituent)是方便的，即，具有可确认和有特征结构的微结构元素。在图二中，主要微组元的颗粒结核，形成的共晶微组元的百分率大于焊锡合金当量条件。随着波峰焊接机器中的焊锡锅长时机运行，暴露给所有金属的焊锡可能具有与原来的不同的作用。氧化和金属间化合的形成随着时间改变着焊锡锅中的成分，也改变了特性。温度设定点必须改变和监测，以控制可能由于锡锅合金成分的冶金变化而出现的缺陷。无铅波峰焊接世界上，大约每年使用60,000吨的焊锡。虽然电子装配不是主要使用者，但还是有世界范围的日益增加的对减少铅使用的关注，由于其毒性和再生利用的处理不当6。转换到无铅不是被工业所广泛接受。在电子装配中消除铅的主要理由是机器操作员的环境暴露。锡渣副产品的处理可能对环境有严重影响，如果处理、运输、再生不当的话。如果不遵循适当的卫生要求，对铅的烟雾的呼吸和手工焊接时的直接接触也有重要影响。 对要接受的无铅替代品，必须提供下列： 有足够数量的来源 与现有的工艺可兼容 足够的熔化温度 良好的焊点强度 热和电的传导性类似Sn/Pb 容易修理 非毒性 低成本 许多公司正在开发合适的替代合金，作为“插入式”的替代品，以遵守欧洲和日本的法令。这些法令建议到2002年在装配中减少铅，到2004年消除铅。在北美的国家电子制造协会(NEMI, National Electronics Manufacturing Initiative)的目标是到2001年用生产无铅替代品的能力装备北美。该组织正打算与其它机构联合为其可制造性开发标准，其它机构的方向集中在选择替代品，编写世界范围的数据库和收集材料特性数据。工艺上关注的问题国际锡研究协会(ITRI, International Tin Research Institute)开办了SOLDERTEC，一个无铅焊接技术中心，来传播前缘信息和收缩可利用的选择。表一列出合金和几种选择，分别以一到十来表示好坏。表一、焊锡合金比较*Sn/3.5AgSn/Ag/CuSn/Ag/Cu/SbSn/0.7CuSn/Bi/AgSn/Zn/Bi过程温度53.53.5621焊角耸立阻力可焊性4235110可处理性31.51.55410可靠性31.51.5456可再生性2.556成本可利用性1.5341.556总分262123283246* 本表为SOLDERTEC所准许所相有合金在得到接受之前都必须考虑下面的因素。 在制造产品中使用的材料 当在运行中使用产品时的材料消耗 在制造产品与过程中使用的能量 在产品寿命终结时的可再生性和重复利用性 在包括材料提取、制造和报废/再生的整个生命周期中的辐射 在制造废料流中的可再生性 Sn/0.7Cu合金选作波峰焊接工艺应用的材料，主要是由于其低金属成本和来源。该建议的替代金属的金相图如图三所示。在极度富锡的区域，0.7%重量的的铜有一个共晶点，这使得这种合金与用于当今装配中的现有材料兼容。固化类似于在Sn/Pb共晶合金系统中见到的。铜和锡两种金属都是来源丰富的，该二元系统减少当使用三元合金成分时出现的低熔化相。规格冶金学者很想知道当各种金属开始在熔化的焊锡锅中累积的时候发生什么，集合体特性将受到怎样的影响。很高量的污染可看作第三元素。有集团已经开始建议污染的限制，在这个限定之内，还可以提供可接受的焊接结果，而不必完全理解在微结构上发生什么事情。发现引起大多数负作用的不纯净金属是那些金属，它们或者与Sn在合金中形成金属间化合物的或者以特性改变的方式来改变合金成分。不纯净可以和加入低三元素产生同样的影响，人们发现这样会降低焊锡的熔湿(wetting)特性。结论在对所建议的焊锡替代合金的冶金学研究方面有许多工作要做。对焊接应用的工业标准共晶焊锡的研究已经开展多时，大部分可以接受。可是，这似乎对那些不可避免要出现的新时期焊接合金不一定是正确的。回到冶金学基础上面来是将来预测系统的方法，因为寻找更环境友好材料的动力是政府法规所追求和所要求的。冶金学者、工业与政府机构必须携手合作，找出更稳健的解决方案。 怎样清洁才足够清洁？ By Jane Koh 本文介绍，对清洁度标准的回顾显示，对于清洁度问题经常没有快捷简易的答案。经常通过我们的技术支持热线询问的一个问题是，“IPC关于清洁度的标准是什么？”。这是一个经常被工业新手所问的简单直率的问题，因此简单直率的答案一般是他们所想要的。可是，在大多数情况中，这对他们个人需要还不够专业。为了回答这个问题，首先要了解简单标准：正在使用的IPC标准、残留物类型、适用范围和清洁度标准。表一回答了这些问题，古老的方式 - 快捷简单。表一、IPC清洁度要求总结标准残留物类型适用范围清洁度标准IPC-6012离子所有类别电子的阻焊涂层前的光板1.56g/cm2NaCl当量IPC-6012有机物*所有类别电子的阻焊涂层前的光板无污染物析出J-STD-001所有类型所有类别电子的阻焊涂层前的光板足够保证可焊性J-STD-001颗粒所有电子类别的焊后装配不松脱、不挥发、最小电气间隔J-STD-001松香*1 类电子的焊后装配2 类电子的焊后装配3 类电子的焊后装配 200g/cm2100g/cm240g/cm2 J-STD-001离子*所有电子类别的焊后装配1.56g/cm2NaCl当量IPC-A-160可见残留物所有电子类别的焊后装配视觉可接受性* 当要求测试时但这些答案提供了必要的事实吗？不幸的是，很少满足到打电话的人。事实上，这些答案通常引发更多的问题，比如：“就这个吗？”；“如果污染物有更多的氯化物怎么办？”；“免洗工艺中的助焊剂残留物怎么办？”；“假设用共形涂层 (conformal coat) 保护装配会怎么样？”；或者，“其它的非离子污染物怎么办？”不象过去松香助焊剂主宰工业的“那段好时光”，新的表面涂层、助焊剂、焊接与清洗系统正不断出现。很明显，没有“万能的”答案。由于这个理由，标准与规格强调用来证明可靠性的测试规程，而不是一个简单的通过/失效数字。再仔细地看一下IPC标准 - 特别是IPC-6012，刚性印刷板的的技术指标与性能 - 揭示了，应该在文件中规定上阻焊层、焊锡或替代的表面涂层之后的对光板的清洁度要求。这意味着装配制造商必须告诉电路板制造商他们希望光板有多清洁。它也给使用免洗工艺的装配制造商留有余地来对进来的电路板规定一个更加严格的清洁度要求。装配制造商不仅需要规定进来的板的清洁度，而且要与用户对装配好的产品的清洁度达成一致。按照J-STD-001，除非用户规定，制造商应该规定清洁要求(或者免洗或一个或两个装配面要清洗)和测试清洁度(或者不要求测试、表面绝缘电阻测试、或者测试离子、松香或其它有机表面污染物)。那么清洁系统是在焊接工艺与产品的兼容性的基础上选择的。清洁度测试将取决于使用的助焊剂和清洁化学品。如果使用松香助焊剂，J-STD-001提供了 1、2、3 类产品的数字标准。否则，离子污染测试是最简单和最小成本的。J-STD-001也有一般的数字要求，如表一所述。如果氯化物含量是一个关注，涉及离子色谱分析的工业研究结果已经显示，下面的指引是氯化物含量的合理断点。当氯化物含量超过下列水平是，增加了电解失效的危险性： 对低固体助焊剂，小于0.39g/cm2 对高固体松香助焊剂，小于0.70g/cm2 对水溶性助焊剂，小于0.75 - 0.78g/cm2 对锡/铅金属化的光板，小于0.31g/cm2 对清洁的讨论经常得出这个最终答案：真正的清洁度决定于产品和所希望的最终使用环境。但是怎么决定什么清洁对一个特定的最终使用环境是足够的呢？通过彻底和严格的分析，研究每一个潜在的污染物与最终使用情形，进行长期的可靠性测试。但是有没有更简易的方法呢？通过引进其它人的经验来缩短增加学习的弯路。诸如IPC、EMPF和 Naval Avionics Center(美国海军航空中心)已经进行了各种清洁度情况的一系列测试与工业研究；其中一些发现可在公共领域得到。这些技术论文和手册指导个人或公司理解这个微妙的，也很关键的，工艺测试与效果的元素。一个好的例子就是，IPC、美国环保局(EPA, Environmental Protection Agency)、美国国防部(DOD, Department of Defense)主办的，八十年代后期完成的深入的清洁与清洁度测试程序。这个程序调查研究了在电子制造清洁工艺中使用的、减少氟氯化碳(CFC, chlorofluorocarbon) 水平的新的材料与工艺。电子工业中下一个大的波动 - 无铅焊锡与无卤化物绝缘层的运动 - 可能将触发另一次对清洁与清洁度的广泛的工业范围内的研究。直到那时，读者与电话咨询者将需要在掌握IPC规格的基础上，从各种销售材料、个案研究、报告与告诉他们个别清洁度要求应该是什么的指引中看清楚。下一代的回流焊接技术 By Hiro Suganuma and Alvin Tamanaha 本文介绍，世界范围内无铅锡膏的实施出现加快，随着元件变得更加形形色色，从大的球栅阵列(BGA)到不断更密间距的零件，要求新的回流焊接炉来提供更精确控制的热传导。 表一、典型的无铅焊锡特性合金熔点蠕变强度熔湿热阻Sn/3.5Ag216221C良好一般良好Sn/3.5Ag/0.7Cu共晶Sn/3.5Ag/4.8BiSn/5.8Bi139200C一般一般良好Sn/7.5Bi/2.0Ag/0.5CuSn/0.7Cu227C一般？Sn/9.0Zn190199C良好一般良好Sn/8.0Zn/3.0Bi共晶表一与表二列出了典型的无铅(lead-free)锡膏(solder paste)的特性和熔湿(wetting)参数。显示各种无铅材料(不包括那些含铋)的主要金属成分和特性的表一，揭示它们具有比传统的Sn/Pb锡膏更高的熔化温度。从表二中在铜上的熔湿参数可以清楚地看到，它们也不如Sn63/Pb37锡膏熔湿得那么好。更进一步，其它的试验已经证明当Sn63/Pb37锡膏的可扩散能力为93%时，无铅锡膏的扩散范围为7377%。Sn63/Pb37锡膏的回流条件是熔点温度为183C，在小元件上引脚的峰值温度达到240C，而大元件上得到210C。可是，大小元件之间这30C的差别不影响其寿命。这是因为焊接点是在高于锡膏熔化温度的2757C时形成的。由于金属可溶湿性通常在较高温度时提高，所以这些条件对生产是有利的。可是，对于无铅锡膏，比如Sn/Ag成分的熔点变成216221C。这造成加热的大元件引脚要高于230C以保证熔湿。如果小元件上引脚的峰值温度保持在240C，那么大小元件之间的温度差别减少到小于10C。这也戏剧性地减少锡膏熔点与峰值回流焊接温度之间的差别，如图一所示。这里，回流焊接炉必须减少大小元件之间的峰值温度差别，和维持稳定的温度曲线在整个印刷电路板(PCB)在线通过的过程中，以得到高生产率水平。表二、铜上的熔湿参数*合金温度C接触角度时间(s)63Sn/37Pb260173.896.5Sn/3.5Ag260362.095.0Sn/5.0Sb280433.342.0Sn/58.0Bi195439.350.0Sn/50.0In2156314.2*From IPC Works99, Lead-free Solders by Dr. J. Hwang.峰值温度维护也必须考虑要加热的零件的热容量和传导时间。这对BGA特别如此，其身体(和PCB)首先加热。然后热传导到焊盘和BGA锡球，以形成焊点。例如，如果230C的空气作用在包装表面 - 焊盘与BGA锡球将逐渐加热而不是立即加热。因此，为了防止温度冲击，包装元件一定不要在回流区过热，在焊盘与BGA锡球被加热形成焊接点的时候。回流炉加热系统两种最常见的回流加热方法是对流空气与红外辐射(IR, infrared radiation)。对流使用空气作传导热量的媒介，对加热那些从板上“凸出”的元件，比如引脚与小零件，是理想的。可是，在该过程中，在对流空气与PCB之间的一个“边界层”形成了，使得热传导到后者效率不高，如图二所示。用IR方法，红外加热器通过电磁波传导能量，如果控制适当，它将均匀地加热元件。可是，如果没有控制，PCB和元件过热可能发生。IR机制，如灯管和加热棒，局限于表面区域，大多数热传导集中在PCB的直接下方，妨碍均匀覆盖。因为这个理由，IR加热器必须大于所要加热的板，以保证均衡的热传导和有足够的热量防止PCB冷却。三种热传导机制中 - 传导、辐射和对流 - 只有后两者可通过回流炉控制。通过辐射的热传导是高效和大功率的，如下面的方程式所表示：T(K) e = bT4这里热能或辐射的发射功率 e 是与其绝对温度的四次方成比例的，b 是Stefan-Boltzman常数。因为红外加热的热传导功率对热源的温度非常敏感，所以要求准确控制。而对流加热没有辐射那么大的功率，它可以提供良好的、均匀的加热。IR + 强制对流加热今天的最先进的回流炉技术结合了对流与红外辐射加热两者的优点。元件之间的峰值温度差别可以保持在8C，同时在连续大量生产期间PCB之间的温度差别可稳定在大约1C。IR + 强制对流的基本概念是，使用红外作为主要的加热源达到最佳的热传导，并且抓住对流的均衡加热特性以减少元件与PCB之间的温度差别。对流在加热大热容量的元件时有帮助，诸如BGA，同时对较小热容量元件的冷却有帮助。在图三中，(1)代表具有大热容量的元件的加热曲线，(2)是小热容量的元件。如果只使用一个热源，不管是IR或者对流，将发生所示的加热不一致。当只有IR用作主热源时，将得到实线所示的曲线结果。可是，虚线所描述的加热曲线显示了IR/强制对流系统相结合的优点，这里增加强制对流的作用是，加热低于设定温度的元件，而冷却已经升高到热空气温度之上的那些零件。先进回流焊接炉的第二个特点是其更有效地传导对流热量给PCB的能力。图四比较传统喷嘴对流加热与强制对流加热的热传导特性。后面的技术可均匀地将热传导给PCB和元件，效率是喷嘴对流的三倍。最后，不象用于较旧的回流焊接炉中的加热棒和灯管型IR加热器，这个较新一代的系统使用一个比PCB大许多的IR盘式加热器，以保证均匀加热(图五)。PCB加热偏差一个试验设法比较QFP140P与PCB之间的、45mm的BGA与PCB之间在三种条件下的温度差别：当只有IR盘式加热器的回流时、只有对流加热和使用结合IR/强制对流加热的系统。对流回流产生在QFP140P与PCB之间22C的温度差(在预热期间PCB插入后的70秒)。相反，通过结合式系统加热结果只有7C的温度不一致，而45mm的BGA对流加热结果是9C的温度差别，结合式系统将这个温度差减少到3C。另外，在PCB与45mm的BGA之间的峰值温度差别当用结合式系统回流时只有12C，使用的是传统的温度曲线设定。这个差别使用梯形曲线可减少到8C，如后面所述。(在连续大生产中，回流炉中的温度不稳定在使用无铅锡膏时将有重大影响。试验已经显示尺寸为250x330x1.6mm的PCB、分开5cm插入，其峰值温度在大约1C之内。) 最佳回流温度曲线对于无铅锡膏，元件之间的温度差别必须尽可能地小。这也可通过调节回流曲线达到。用传统的温度曲线，虽然当板形成峰值温度时元件之间的温度差别是不可避免的，但可以通过几个方法来减少：延长预热时间。这大大减少在形成峰值回流温度之前元件之间的温度差。大多数对流回流炉使用这个方法。可是，因为助焊剂可能通过这个方法蒸发太快，它可能造成熔湿(wetting)差，由于引脚与焊盘的氧化。提高预热温度。传统的预热温度一般在140160C，可能要对无铅焊锡提高到170190C。提高预热温度减少所要求的形成峰值温度，这反过来减少元件(焊盘)之间的温度差别。可是，如果助焊剂不能接纳较高的温度水平，它又将蒸发，造成熔湿差，因为焊盘引脚氧化。梯形温度曲线(延长的峰值温度)。延长小热容量元件的峰值温度时间，将允许元件与大热容量的元件达到所要求的回流温度，避免较小元件的过热。使用梯形温度曲线，如图六所示，一个现代结合式回流系统可减少45mm的BGA与小型引脚包装(SOP, small outline package)身体的之间的温度差到8C。氮气回流炉无铅锡膏可能出现熔湿的困难，因为其熔化温度通常高，而在峰值回流温度之间的温度差不是很大。另外，无铅锡膏的金属成分一般特性是可扩散性差。而且，高熔点的无铅锡膏在贴装顶面和底面PCB时将产生问题。在A面回流焊接期间，越高的温度B面焊盘氧化越严重。在200C之上，氧化膜的厚度迅速增加，这可能导致在回流B面时熔湿性差。具有Sn/Zn成分的锡膏也可能出现问题(Zn容易氧化)。如果氧化发生，焊锡将不能与其它金属融合。因此，将要求氮气的使用，以维持无铅工艺的高生产力。在以IR盘式加热器为主要热源的结合式IR/强制对流系统中(对流是均匀加热媒介)，氮气的消耗可减少到少于现在全对流回流炉所要求的一半数量。(可接纳450mm宽度PCB的炉的最大氮气消耗为每分钟200升。)一个可选的内部氮气发生器可消除大的氮气桶的需要。自动过程监测除了要求下一代的炉子技术之外，窄小的无铅工艺窗口使得必须要做连续的工艺过程监测，因为甚至很小的工艺偏离都可能造成不合规格的焊接产品。监测回流焊接工艺的最有效方法是用自动、连续实时的温度管理系统。该实时温度管理系统允许装配者通过连续的监测在回流炉中的过程温度，获得和分析其焊接过程的实时数据。这种系统通常由30个嵌入两个细长不锈钢探测器的热电偶组成，探测器永久地安装在刚好传送带的上方或下方。热电偶连续地监测过程温度，每五秒记录读数。这些温度在炉子控制器的PC屏幕上作为过程温度曲线显示出来(图七)。实时温度管理系统通过产生一个由穿过式测温仪测定的温度曲线与由实时温度管理热电偶探测器所测量的过程温度之间的数学相关性，来提供对每个处理板的产品温度曲线。来自实时温度管理系统的数据也可通过互联网来发送到远方位置，最大利用这种稀有工程资源的价值。实时连续温度记录的其它优点包括，消除使用标准穿过式温度记录器的生产停顿，和所需要的预防性维护的计划。研究已经发现，现代强制对流炉可以有效地工作时间延长，而不需要维护。实时温度管理系统的使用立即提醒使用者炉的性能变差，允许要求时的预防性维护计划。最后，严密控制的温度过程可大大减少焊接点缺陷，和有关的昂贵的返工。事实上，实时温度管理已经成为工业范围的专用品质指示器。回流温度曲线优化现在先进的软件可简化转换到无铅装配的任务。在较新的软件中，有一个自动温度曲线预测工具，它允许使用者在数分钟内决定最佳的温度曲线。该工具将曲线放在由希望设定规定界限的使用者设定的窗口中央。一个例子是前面提到的梯形曲线 - 即，如果装配不能忍受高于240C的温度但必须最少230C，那么该自动预测工具将找出一条最佳的温度曲线，介于高限位与低限位之间的中央。结论无铅锡膏的使用将大大减少回流工艺窗口，特别是对于要求的峰值温度。元件之间的温度差必须减少，在连续生产期间回流炉的变化必须达到最小，为了高品质与高生产力的制造。为了达到这一点，通过回流炉的温度传导必须精确控制。一个具有单独与精密控制的各个加热单元的结合式IR/强制对流系统，提供要求用来可靠地处理无铅装配的方法。当与自动温度曲线预测工具和连续实时温度管理系统相结合时，该回流技术为未来的无铅电子制造商提供零缺陷生产的潜力。无铅焊接：如何确定工艺 By Gerjan Diepstraten 本文将研究确定什么参数对无铅焊接有最大和最小影响的方法。目的是要建立一个质量和可重复性受控的无铅工艺.。开发一套有效的方法既然生产线中的无铅焊接即将来临，那么我们应该开发出一套有效的方法，来决定正确的工艺设定。无铅焊接不仅仅是以另一种合金来取代一种合金，不存在“插入式”的取代。一种新材料的引入影响着整个工艺，因此，所有机器设定都必须再检查。在回流焊接中，目标是要满足或再现锡膏的正确设定，保持在元件和电路板材料的规格之内。我们面临的挑战是使用现在生产中使用的机器并保持现有的产量，来达到这个目标。为了实现这个目标，机器应该具有良好的热传导特性和均匀性(板上的温度差别小)。大多数今天的热风/氮气对流炉能够焊接无铅合金。可是，红外灯的炉子将很可能需要取代，因为板上的加热均匀性能差和温度差别大。对于波峰焊接工艺，转变到无铅也将影响大多数机器参数。对于这个工艺，目标是在与无挥发性有机化合物(VOC, volatile organic compound)的水基助焊剂的结合中实施无铅合金(消除卤化阻燃剂)，而不减低生产率或产量。我们必须设计一个适当的试验来决定是否计划中的生产设备可以接纳转换到无铅焊接的目标。DOE(Design of