任紅星

摘要:電子產(chǎn)品生產(chǎn)中傳統(tǒng)的焊接材料為錫鉛合金,鉛屬于有毒重金屬,對(duì)人體健康有害,早在1999年,歐美和日本等發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)提出了電子產(chǎn)品無鉛化工藝,我國也在2003年做出了無鉛化生產(chǎn)的相關(guān)規(guī)定,但由于無鉛焊接工藝推廣會(huì)帶來一系列的問題,導(dǎo)致國內(nèi)好多企業(yè)一直沒有改變傳統(tǒng)的焊接工藝,本文就無鉛焊接材料、工藝以及帶來的新課題談?wù)劅o鉛焊接的必然性和緊迫性。

關(guān)鍵詞:無鉛焊接 Sn/Pb合金 元器件 PCB 助焊劑 焊接設(shè)備

0 引言

鉛是一種多親害性、對(duì)人體有毒的物質(zhì),主要損害人的神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)、消化系統(tǒng),鉛中毒也是引發(fā)白血病、腎病、心臟病、精神異常的重要因素之一。鉛毒不僅對(duì)水污染,而且對(duì)土壤、空氣均可產(chǎn)生污染,一旦環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重鉛污染,其治理的難度很大、周期甚長、經(jīng)費(fèi)支出巨大。電子制造業(yè)中大量使用的錫鉛合金焊料(Sn/Pb) 是污染人類生存環(huán)境的重要根源之一。實(shí)現(xiàn)電子制造的全面無鉛化,以減少環(huán)境污染,提升綠色制造競爭能力,以適應(yīng)國內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)綠色電子產(chǎn)品的需求,是我國電子制造業(yè)以后勢(shì)在必行的舉措。

1 無鉛焊料研究與推廣

目前,無鉛焊料的成分并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),通常是以錫為主體,添加其他金屬,近幾年來有關(guān)無鉛焊料的研究工作發(fā)展很迅速。世界各大著名集團(tuán)公司和研究機(jī)構(gòu)都投人了相當(dāng)?shù)牧α块_展無鉛焊料的研發(fā)。替代Sn/Pb合金的無鉛焊錫合金材料有多種。目前已經(jīng)得到應(yīng)用的主要有Sn-Ag系列、Sn-Zn系列、Sn-Bi系列焊料三大類。國內(nèi)外專家一致認(rèn)為,最有可能替代錫鉛合金焊料的無毒合金是錫( Sn)基合金。無鉛焊料主要以錫為主,添加Ag、Zn、Cn、Sd、Bi、In 等幾種金屬元素,通過焊料合金化來改善合金性能,提高可焊性。由于Sn-ln系合金蠕變性差,In極易氧化,且成本太高,Sn—Sb系合金潤濕性差、Sb還稍帶毒性,這兩種合金體系的開發(fā)和應(yīng)用較少。實(shí)際上二元系合金要做成為能滿足各種特性的基本材料是不完善的。目前最常見的無鉛焊料,主要是以Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi為基體,在其中添加適量的其他金屬元素所組成的三元合金和多元合金。

2 無鉛焊接技術(shù)引發(fā)的新課題

目前, 無鉛焊技術(shù)主要應(yīng)用在電子元件組裝領(lǐng)域,其存在的形態(tài)為焊條、焊絲、焊膏。其應(yīng)用范圍主要在各種電子、電器產(chǎn)品,印制電路板(PCB)的組裝。影響無鉛焊接技術(shù)的應(yīng)用的因素很多。要使無鉛焊接技術(shù)得到廣泛應(yīng)用,還必須從電子組裝焊接這個(gè)系統(tǒng)工程的角度來解析和研究。

2.1 元器件 目前開發(fā)已用于電子產(chǎn)品組裝的無鉛焊料,熔點(diǎn)一般要比有鉛焊料高,所以要求元器件耐高溫,而且無鉛化,即元器件內(nèi)部連接和引出端(線)也要采用無鉛焊料和無鉛鍍層。

2.2 PCB 無鉛焊接要求PCB的基礎(chǔ)材料耐更高溫度,焊接后不變形,表面鍍覆的無鉛共晶合金材料與組裝焊接用無鉛焊料兼容, 而且要考慮低成本。

2.3 焊接工藝與設(shè)備 焊接設(shè)備要適應(yīng)新的焊接溫度的要求, 例如需要加長預(yù)熱區(qū)或更換新的加熱元件。若采用波峰焊,則波峰焊焊槽、機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)裝置都要適應(yīng)新的要求,錫鍋的結(jié)構(gòu)材料與焊料的一致性(兼容性)要重新匹配。采用再流焊時(shí),為了提高焊接質(zhì)量和減少焊料的氧化,有必要采用行之有效的抑制焊料氧化技術(shù)和采用惰性氣體( 如N2) 保護(hù)焊技術(shù)。同時(shí),采用先進(jìn)的再流焊爐溫測(cè)控系統(tǒng)也是解決無鉛焊工藝窗口較窄帶來的工藝問題的重要途徑。

2.4 助焊劑 為滿足無鉛焊料焊接的要求,需要開發(fā)新型的氧化還原能力更強(qiáng)和潤濕性更好的助焊劑。新開發(fā)的助焊劑要與焊接預(yù)熱溫度和焊接溫度相匹配,而且要滿足環(huán)保的要求。迄今為止,實(shí)際測(cè)試證明,免清洗助焊劑用于無鉛焊料焊接效果更好。

2.5 工藝流程 在SMT工藝流程中,無鉛焊料的涂敷印刷、元件貼裝、焊接和住焊接殘留物清洗以及焊接質(zhì)量檢驗(yàn)都是新的課題。

2.6 廢料回收 從含Ag的Sn基無鉛無毒的綠色焊料中分離Bi 和Cu將是非常困難的,如何回收Sn-Ag合金又是一新課題。

3 影響SMT無鉛焊技術(shù)的幾個(gè)因素

3.1 工藝溫度 在無鉛回流焊接中,無鉛焊錫影響工藝溫度,因此影響到加熱溫度曲線。為了以較低的維護(hù)停機(jī)時(shí)間保持機(jī)器的清潔,需要一個(gè)適當(dāng)?shù)闹竸┝鲃?dòng)管理系統(tǒng)。

3.2 冷卻系統(tǒng) 無鉛焊接中推薦一個(gè)受控的冷卻系統(tǒng),因?yàn)橐坏t子具有適當(dāng)?shù)睦鋮s能力,液化以上的時(shí)間,晶粒結(jié)構(gòu)和板子出來的溫度都可以界定自然需要更多的室溫風(fēng)扇。而推薦使用的是一個(gè)高級(jí)的直接空氣、完全集成的、排熱系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于以較低的氮?dú)庀奶峁┝己玫睦鋮s。

3.3 助焊劑的選擇 由于較高的工藝溫度,無鉛焊接要求與含鉛焊錫不同的助焊劑。助焊劑類型決定哪一種預(yù)熱配置最適合干該工藝。選擇一種具有快速變換配置靈活性的波峰焊接機(jī)器。預(yù)熱模塊應(yīng)該容易交換,以找到對(duì)每個(gè)個(gè)別工藝的最佳安排。

3.4 焊腳和空洞 在無鉛焊接中,會(huì)發(fā)生一些特別的缺陷,諸如焊腳提起和焊須。但其他缺陷,如焊點(diǎn)中的空洞,也似乎比Sn/Pb 中發(fā)生的多。焊腳開起是在冷卻階段,它是焊接元腳從電鍍通孔周圍銅焊盤的一種分離。焊腳開起的主要原因是合金化合物、銅焊盤、板厚度與材料的溫度膨脹系數(shù)的不匹配。焊腳開起主要發(fā)生在含秘合金與鉛污染結(jié)合的時(shí)候空洞形成的原因很多?？斩纯赡苁枪袒陂g電鍍孔的排氣可能會(huì)在焊錫中產(chǎn)生空洞,空洞也可能是焊接點(diǎn)潤濕不夠的結(jié)果。

3.5 回流工藝 回流工藝中的變量包括機(jī)器和數(shù)據(jù)記錄參數(shù)。機(jī)器參數(shù)包括傳帶速度、參考溫度以上的時(shí)間、平均溫度、最低溫度、最高溫度和達(dá)到最高溫度的時(shí)間。特征是指焊接缺陷,如空洞、跳焊、焊球,焊橋和元件豎立。提高合格率和降低機(jī)器停機(jī)時(shí)間是無鉛焊接引人之后必須達(dá)到的目標(biāo)。在開始無鉛工藝之后,要努力建立一個(gè)可以重復(fù)測(cè)量的工藝,一個(gè)合理計(jì)算工藝的能力,一個(gè)合理計(jì)算工藝能力值的方法和一個(gè)使用該數(shù)據(jù)校準(zhǔn)機(jī)器的方法。

4 結(jié)束語

本文闡述了SMT中無鉛焊料的組分系列和無鉛焊接工藝引發(fā)的一些新課題,以及SMT焊接技術(shù),希望業(yè)內(nèi)人士批評(píng)指正,以供相互交流探。

參考文獻(xiàn):

[1]王衛(wèi)平,陳粟宋.電子產(chǎn)品制造工藝.

[2]金平.SMT無鉛焊接工藝.科技咨詢2008 NO 13.

[3]鮮飛.SMT/THT混裝焊接技術(shù)綜述.電子工業(yè)專用設(shè)備.