无铅波峰焊的要求

1、 无铅波峰焊接工艺简介一 、 无 铅 制 程 的 发 展焊料从发明到使用,己有几千年的历史。 Sn/Pb焊料以其优异的性能和低廉的成本,一 直得到人们的重用,现己成为电子组装焊接中的主要焊接材料。但是,铅及其化合物属于有 毒物质,长期使用会给人类生活环境和安全带来较大的危害。从保护地球环境和人类的安全 出发, 限制使用甚至禁止使用有铅焊料的呼声越来越强烈, 这种具有悠久应用的 Sn/Pb焊料, 将逐渐被新的绿色焊料所替代,在进入二十一世纪时,将成为可能。人体通过呼吸、进食、皮肤吸收等都有可能吸收铅或其化合物。铅被人体器官摄取后, 将抑制蛋白质的正常合成功能,损害人体中枢神经,造成精神混乱、呆滞

2、、生殖功能障碍、 贫血、高血压等慢性疾病。铅对儿童的危害更大,会影响智商和正常发育。电子工业中大量使用的 Sn/Pb合金焊料是造成污染的重要来源之一,在制造和使用 Sn/Pb焊料的过程中,由于熔化温度较高,有大量的铅蒸气逸出,将直接严重影响操作人员 的身体健康。波峰焊设备在工作中产生的大量的富铅焊料废渣,对人类生态环境污染极大。 近年来有关地下水中铅的污染更引起人们的关注。除了废弃的蓄电池大量含铅外,丢弃的各 种电子产品 PCB 上所含的铅也不容忽视。 以美国为例, 每年随电子产品丢弃 PCB 约一亿块, 按每块含 Sn/Pb焊料 10克,其中铅含量为 40%计算,每年随 PCB 丢弃的铅量即

3、为 400吨。 当下雨时这些铅变成溶于水的盐类,逐渐溶解污染水,特别是在遇酸雨时,雨中所含的销酸 和盐酸, ,更促使铅的溶解。对于食用地下水的人们,随着时间的延长,铅在人体内的逐渐积 累,就会引起铅中毒。1987年国际标准化组织 (ISO颁布了世界上第一部质量管理与质量保证标准 ISO9000, 并在国际上取得了成功 ,1993年 ISO 又起草了全面环境管理标准 ISO14000.ISO9000与 ISO14000存在着必然的联系 , 虽然前者着重于产品质量管理 , 而后者着重于环境管理 , 但它们 都是着眼于在企业建立科学的规范和程序化的管理系统 , 通过加强管理达到质量保证和良好 的环境

4、形象 . 因此 ISO 已考虑将 ISO9000和 ISO14000并轨 , 从而促使企业在质量管理上达到 ISO9000, 同时在环境管理上达到 ISO14000. 一个现代企业要想得到健康发展 , 必须要由质量 第一转移到质量第一 , 环保第一 , 安全第一 , 由以质量评价标准为中心向行为控制标准过渡 , 由三 废末端处理向清洁生产转移 . 强调清洁生产就是要在追求经济效益的前提下解决污染问题, 它 要求在生产过程中节能、降耗、减污,从而在源头上预防和消减污染,同时给企业带来经济 效益和环境效益.清洁生产过程要求尽量少用和不用有毒有害的原料;无毒、无害的中间品; 少废、无废的工艺和高效设

5、备.清洁产品在使用过程中以及使用后不会危害人体健康和生态 环境,既产品的整个生命期都不应存在对环境和人类健康有危害的因素. ISO14000是国际 标准化组织 TC207环境管理委员会制定的一系列环境管理体系标准 , 以规范企业与团体的环 境行为 . 我国在 1996年标准草案化阶段就开始引进 , 并在全国范围内试点实施 , 目前国内已有 少部分企业通过认证 , 信息产业部也制定了控制污染措施 . 显然在世界范围内全面贯彻执行 ISO14000已经是势在必行 .二十世纪九十年代初,由美国国会提出了关于铅的限制法案,并由工作小组着手进行无 铅焊料的研究开发活动。目前,美国已在汽车、汽油、罐头、自

6、来水管等生产和应用中禁止 使用铅和含铅焊料。但该法案对电子工作产生的效能并不大,在电子产品中禁止使用含铅焊 料进展缓慢。欧洲和日本等发达国家对焊料中限制铅的使用也很关注。在对于居住环境安全 意识较强的欧洲; 欧盟于 1998年通过法案, 己明确从而 2004年 1月 1日起任何制品不可使 用含铅焊料,但因技术等方面的原因,在电子产品中完全禁止使用铅有可能推迟至 2008年 后执行。在无铅焊料研究和应用方面,日本走得最快;为了适应市场的需要,扩大市场份额, 日本提出了生产绿色产品的概念。松下电器、日立、 NEC 、富士通等各大公司纷纷降低了铅 的使用,并制订了无铅化的进程计划,从去年开始己在部分

7、产品生产中使用无铅焊料。 此外,随着微细间距器件的发展,组装密度愈来愈高,焊点愈来愈小,而其所承载的力 学、电学、和热学负荷则愈来愈重,对可靠性要求日益提高,但传统的 Sn/Pb合金的抗蠕变 性差,不能满足近代电子工业对可靠性的要求。因此,无铅焊料的开发和应用,不仅对环境 保护有利,而且还担负着提高电子产品质量的重要任务。近几年来有关无铅焊料的研究工作发展很快,世界上各大著名公司、国家实验室和研究 院所投入了相当的力量开展无铅焊料的研究。国内外己有的研究成果表明,最有可能替代 Sn/Pb焊料的无毒合金是 Sn 基合金。无铅焊料主要以 Sn 为主,添加 Ag 、 Zn 、 Cu 、 Sb 、 B

8、i 、 In 等金属元素。通过焊料合金化来改善合金性能,提高可焊性。由于 Sn-In 系合金蠕变 性差, In 极易氧化,且成本太高; Sn-Sb 系合金润湿性差, Sb 还稍具毒性,这两种合金体系 的开发和应用较少。实际上二元系合金要做成为能满足各种特性的基本材料是不完善的。目 前最见的无铅焊料主要是以 Sn-Ag 、 Sn-Zn 、 Sn-Bi 为基体,在其中添加适量的其它金属元素 所组成的三元合金和多元合金。 如果单纯考虑可能性, 能替代 Sn/Pb共晶焊料的无铅料很多, 如下表所示。无铅焊料合金的融点和成本比较 综观 Sn-Ag 、 Sn-Zn 、 Sn-Bi 三个体系元铅焊料,与 S

9、n-Pb 共晶焊料相比,各有优缺点。 Sn-Ag 系焊料,具有优良的机械性能,拉伸强度、蠕变特性及耐热化性都比 Sn-Pb 共晶焊料 优越,延展性比 Sn-Pb 共晶焊料稍差,但不存在延展性随时间加长而劣化的问题。 Sn-Ag 系 焊料,熔点偏高,通常比 Sn-Pb 共晶焊料要高 30-40,润湿性差,而且成本高。熔点和成 本是 Sn-Ag 系焊料存在的主要问题。 Sn-Zn 系焊料,机械性能好, 拉伸强度比 Sn-Pb 共晶焊 料好,与 Sn-Pb 焊料一样,可以拉制成线材使用;具有良好的蠕变特性,变形速度慢,至断 裂的时间长。该体系最大的缺点是 Zn 极易氧化,润湿性和稳定性差,且具有腐蚀

10、性。 Sn-Bi 系焊料,实际上是以 Sn-Ag(Cu系合金为基体,添加适量的 Bi 组成的焊料合金,合金的最大 优点是降低了熔点,使其与 Sn-Pb 共晶焊料相近;蠕变特性好,并增大了合金的拉伸强度, 但延展性变坏,变得硬而脆,加工性差,不能加工成线材使用。总之,目前虽然己开发出许 多要以替代 Sn-Pb 合金的焊料, 但尚未开发出一种完全能替代 Sn-Pb 合金的高性能低成本的 无铅焊料。为了实现保护环境和提高产品质量的目的,并考虑电子组装工艺条件的要求,无铅焊料 应满足以下条件:1. 熔点低 , 合金共晶温度近似于 Sn63/Pb37的共晶温度 183 220之间。1. 无毒或毒性很低,

11、所选用的材料现在和将来都不会污染环境。2. 热传导率和导电率要与 Sn63/Pb37的共晶焊料相当,具有良好的润湿性。3. 机械性能良好,焊点要有足够的机械强度和抗热老化性能。 4. 要与现有的焊接设备和工艺兼容, 可在不更换设备, 不改变现行工艺的条件下进行焊 接。5. 焊接后对各焊点检修容易。6. 成本要低,所选用的材料能保证充分供应这是研制开发无铅焊料的方向,要做到满足以上七点要求,有一定的难度。另外,电子 组装焊接是一个系统工程,对无铅焊接技术的应用,其影响因素很多,要使无铅焊接技术获 得广泛应用,还必须从系统工程的角度来解析和研究以下几个方面的问题:1.组件:目前己用于电子组装的无铅

12、焊料,溶点一般要比 Sn63/Pb37的共晶焊料高, 所以要求组件耐高温,而且要求组件也无铅化,即组件内部连接和引出端(线也要 采用无铅焊料和无铅镀层。2. PCB :要求 PCB 板的基础材料耐更高温度,焊接后不变形,表面镀覆的无铅共晶合 金材料与组装焊接用无铅焊料兼容,而且要考虑低成本。3. 助焊剂:要开发新型的氧化还原能力更强和润湿性更好的助焊剂, 以满足无铅焊料焊 接的要求。助焊剂要与焊接预热温度和焊接温度相匹配,而且要满足环保的要求。迄 今为止,实际测试证明免清洗助焊剂用于无铅焊料焊接更好。4.焊接设备:要适应新的焊接温度的要求,预热区的加长或更换新的加热组件、波峰焊 焊槽,机械结构

13、和传动装置都要适应新的要求,锡锅的结构材料与焊料的一致性(兼 容性要匹配。为了提高焊接质量和减少焊料的氧化,采用新的行之有效的抑制焊料 氧化技术和采用隋性气体(例如:N 2保护焊技术是必要的。5.废料回收:从含 Ag 的 Sn 基无铅无毒的绿色焊料中分离 Bi 和 Cu 将是非常困难的, 如何回收 Sn-Ag 合金是一个新课题。二 . 目 前 实 际 应 用 的 无 铅 焊 料 的 特 性 :以目前普遍使用的 Sn-Ag-Cu 为例:1. Sn-Ag-Cu 合金的熔点 (218 较高 , 比 Sn-Pb 合金的熔点 (183 高了 35,锡炉 温度应为 260±3。2. 比重略小,接

14、近锡的比重。3. 相比 Sn-Pb 合金流动性略差。4. 无毒 , 没有腐蚀性,现在和将来都不会污染环境。5. 具有优良的机械性能,拉伸强度、蠕变特性及耐热化性。 三 . 无 铅 焊 接 需 要 面 对 的 问 题 :1. 金 本 身 的 结 构 , 使 它 跟 有 铅 焊 料 相 比 , 比 较 脆 , 弹 性 不 好 。Sn-Zn 合金的液相线和固相线的熔点会增高,但随着 Bi 的质量数的增大,焊料的 熔化间隔即固液间隔增大,所以 Bi 就会使合金熔点降低,脆性也稍有 (相比有铅 增大。2. 润 湿 性 差 , 只 会 扩 张 , 不 会 收 缩 . 。Sn-Ag 系合金添加铜时,共晶点会

15、改变。当 Ag 的质量数增加到 4.8%、 Cu 增加约 1.8%时产生共晶。 如果在合金添加 In 时, 将会造成提高合金微细化强度和扩张特 性的同时,表面会形成氧化膜,所以浸润性稍差。3. 色 泽 暗 淡 , 光 泽 度 稍 差 . 。因为在无铅焊料的搭配中,磷的元素限制了使用,所以光泽度稍差,但不影响其 采用国外最新喷雾技术(压力喷雾,不受外界因素干扰,使喷雾更加精细、均匀. 程序化制程设定,自动配合生产线速度与基板宽度作最适当的调整 内设气体管理系统，使喷雾系统减少的环境及设备污染和清洁时间 2. 预 热 系 统: 抛弃传统的远红外预热方式，采用新式远红外石英发热管预热方式适当延 长预

16、热的预热时间，预热太快一方面会引起热冲击，不利于减少在形成峰值再流 温度之前，元器件之间的温度差。因此，适当延长预热的预热时间（我公司新型无 铅波峰焊预热区为1800） 使被焊元器件温度平滑升到预定的预热温度。 ， 采用远 红外加石英发热管预热方式，能有效减少通过预热区时的温度差，横向三 段式自动开关，可根据PCB宽度自动调整。而且可以节省电能（如下图示） =28 120 100 80 60 40 20 0 1 2 3 120 100 80 60 40 20 0 1 3 2 1 2 3 1 2 3 时间 只用远红外预热 远红外+热风预热 条件:PCB板厚1.6mm 运输速度1.2m/min 远

17、红外预热补偿系统，防止温度下降太快在预热区与锡炉之间加装远红外发热管，以 保证温度于过锡槽时不会失温下降（如下图示） 远红外发热管 预热区 锡炉 温度补偿系统示意图 =5 时间 2. 波 峰 系 统: 采用新开发的上锡系统（缩短第一喷头与第二喷头之间的距离，喷头间的距离由原来的 减小到现在的5） 有效防止第一喷头与第二喷头之间的温度降低， ， 提高通孔印制 板的上锡效果 （如下图示） 氧化物过滤系统无铅焊锡比有铅焊锡所产生的氧化物多，如无过滤装置，氧化物就会被喷 流到印制板，增大不良现象的发生并有可能阻塞流道，增加维修保养时间（如下图示） 单槽式设计，有效避免爆锡现象，减少锡的氧化量。可调式多

18、节流筏喷嘴，减缓锡流速度和 行程，大幅度降低锡渣产生率，可调式后流平台，减少瀑布效应。 （如下图示） d . 锡炉采用外置式加热 、PID控温,控温精度±3。 e . 锡炉电动升降及电动移进、移出，提高了保养操作性。 .冷 却 系 统: 通过工业气体冷却喷嘴， 可吹出2-10的冷风使印制板急速冷却， 最大限度地抑制iftoff, 丝巢现象的发生.并非常有效地减少无铅工艺中的虚焊，焊点剥落的现象。 五、 六、 操作系统： 2003 年全新WINDOWS2000 操作介面。PID 闭环控制，能准确控制及显示温度变化。 。 氮气在焊接中的工艺应用： 1 氮气具有如下的七大优点 氮气的物理性能佳 在大多数液体中的等低溶性 高顺时流量 正常条件下的化学惰性 膨胀性能好，安全，适用