1、手工無(wú)鉛焊接過(guò)程控制分析         OK國(guó)際集團(tuán)  摘要：本文討論涉及手工焊接的過(guò)程控制的幾個(gè)重要因素并討論如何適應(yīng)滿(mǎn)足完成無(wú)鉛焊接的需要。關(guān)鍵詞：手工無(wú)鉛焊接；過(guò)程；控制分析序言由于很多公司開(kāi)始面對(duì)無(wú)鉛焊接的工藝挑戰(zhàn)，手工焊接以及相關(guān)技術(shù)已經(jīng)被認(rèn)為是制造中的關(guān)鍵因素，需要更過(guò)的研究與發(fā)展。手工焊接一般發(fā)生在生產(chǎn)線的末端，這時(shí)的PCB板已經(jīng)具有很高的內(nèi)在價(jià)值，所以手工焊接的過(guò)程控制是否正確對(duì)生產(chǎn)率與成本的高低有重要的影響。過(guò)程控制現(xiàn)在許多生產(chǎn)商對(duì)衡量手工焊接質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)主要靠檢查烙鐵頭的溫度。隨著無(wú)鉛

2、焊接溫度比傳統(tǒng)焊接溫度的提高，焊接熔點(diǎn)的提高，需要一種更為全面的衡量標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。IPC 要求在一個(gè)固定時(shí)間段，手工焊接根據(jù)經(jīng)驗(yàn)要達(dá)到最佳的焊點(diǎn)連接溫度。它不是強(qiáng)調(diào)絕對(duì)的焊接溫度，而是強(qiáng)調(diào)焊點(diǎn)的熱交換效率。諸如烙鐵頭的形狀尺寸，焊接時(shí)的功率輸出與焊接的時(shí)間長(zhǎng)短都對(duì)焊點(diǎn)的熱交換效率有影響， 所以這些因素在檢測(cè)，控制與分析無(wú)鉛焊接過(guò)程時(shí)都應(yīng)該考慮進(jìn)去。手工焊接過(guò)程可以分為以下幾步：(A) 烙鐵頭應(yīng)該清理干凈，上錫，選擇合適的形狀以保持和焊點(diǎn)/焊盤(pán)最大的接觸面積。(B) 烙鐵頭與焊點(diǎn)的接觸點(diǎn)的溫度應(yīng)該在焊錫絲熔點(diǎn)以上40 保持2-5秒，在此期間助焊劑產(chǎn)生作用并揮發(fā)，焊錫絲熔化。(C) 焊錫絲熔化以后，開(kāi)

3、始覆蓋焊點(diǎn)焊盤(pán)與通孔。(D) 烙鐵頭離開(kāi)焊點(diǎn)，熔化的焊錫凝固。焊接處的溫度 對(duì)任何手工焊接過(guò)程，焊接點(diǎn)形成的正確溫度對(duì)于形成優(yōu)質(zhì)的焊點(diǎn)都是至關(guān)重要的，通過(guò)檢查焊接點(diǎn)金屬層的厚度與內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)可以清楚地分析出焊接中傳遞給焊點(diǎn)的熱量是否正確。焊接表面可以反映出焊點(diǎn)焊盤(pán)在電路板上形成是否良好。控制焊點(diǎn)處金屬層厚度對(duì)于形成可靠的連接是很重要的。焊點(diǎn)內(nèi)部金屬形成速率與焊接溫度與焊接時(shí)間有關(guān)。如果烙鐵提供的熱量過(guò)大，會(huì)增大焊點(diǎn)金屬層的體積，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)產(chǎn)生易脆的缺陷。提供的熱量過(guò)小，會(huì)使焊點(diǎn)熔化不足。如下圖，焊腳處的焊點(diǎn)形狀與外觀可以反映出焊點(diǎn)的質(zhì)量，不幸的是無(wú)鉛焊接焊腳與有鉛焊接的焊腳外觀很不一樣焊點(diǎn)金

4、屬層厚度會(huì)反映出焊點(diǎn)的質(zhì)量（左側(cè)：溫度過(guò)低，中間：溫度合適，右側(cè)：溫度過(guò)高）Pictures Courtesy of Cobar無(wú)鉛焊接的焊腳外觀顏色暗（左側(cè)），且有比較大的濕潤(rùn)角度。助焊劑的考慮烙鐵傳輸?shù)臒崃空_與否也影響到助焊劑的運(yùn)用。普通的助焊劑由以下成分組成，它們的沸點(diǎn)如下：酸 (Adipic, Glutaric) 200C-260C酒精 (Ethanol, Propanol) 78C-180C水 100C酒精與部分酸的沸點(diǎn)低于普通的手工焊接溫度。所以為了避免防止助焊劑過(guò)早地?fù)]發(fā)，使助焊劑有充分的時(shí)間起作用，保證焊接烙鐵不要提供焊點(diǎn)過(guò)多的熱量和過(guò)高的溫度是

5、很重要的。 助焊劑的選擇對(duì)于形成良好的焊點(diǎn)也是重要的。隨著焊接溫度的提高，氧化的速度也提高，由于無(wú)鉛焊接具有較弱的親和力，需要助焊劑有較“強(qiáng)”的作用，所以焊錫絲中的助焊劑含量應(yīng)該從普通的1%提高到2%（體積百分比）。  較強(qiáng)的助焊劑的使用，需要更多的對(duì)PCB板的殘余焊接物的清洗，因?yàn)楹芏嗥髽I(yè)已經(jīng)采用非清洗焊錫膏，增加對(duì)殘余焊接物的清洗勢(shì)必增加相應(yīng)的環(huán)境問(wèn)題。助焊劑越強(qiáng)，助焊劑的殘余物越多。加熱曲線為了形成良好的焊接，保證在熔點(diǎn)溫度以上40c 的時(shí)間在2-5 秒， 我們需要烙鐵提供相當(dāng)?shù)臒崃俊４蟛糠制髽I(yè)采用無(wú)鉛焊接時(shí)，選擇的焊錫絲是采用SAC和金（Tin/3.8 Silver/0.7

6、Copper eutectic ）。它的熔點(diǎn)為217C, 焊接溫度則應(yīng)為257C, 選擇SAC合金則為260C.按照以上說(shuō)述，可以得到以下的理論曲線：理論曲線當(dāng)烙鐵頭和焊錫絲與焊點(diǎn)接觸時(shí)，我們從上圖可以看到溫度迅速上升，在這段時(shí)間助焊劑揮發(fā)并起作用。當(dāng)溫度升到熔點(diǎn)以上時(shí)，焊點(diǎn)開(kāi)始熔化。然后維持大約4秒，烙鐵移開(kāi)，焊點(diǎn)凝固。注意上面的曲線，在從液相變?yōu)楣滔鄷r(shí)，曲線有一個(gè)凹段。但是在實(shí)際操作上，操作者很少能夠?qū)⒗予F停留到焊點(diǎn)2秒以上，所以實(shí)際的曲線是下面的，在短時(shí)間內(nèi)，加熱有一個(gè)峰區(qū)，很多的熱量在此傳遞給焊點(diǎn)。實(shí)際的加熱曲線比較上面2個(gè)曲線，可以看到焊點(diǎn)實(shí)際達(dá)到的溫度比推薦的熔點(diǎn)以上40C要高，但

7、時(shí)間要短。然而，如果考慮到烙鐵傳遞的熱量為溫度與時(shí)間的函數(shù)，兩者的熱量應(yīng)該做到差不多才對(duì)。從下圖可以看到2個(gè)曲線在熔點(diǎn)217c 以上的面積是相等的。2條曲線的比較為了進(jìn)一步說(shuō)明問(wèn)題，我們做這樣一系列的曲線在4層PCB板通孔上試驗(yàn)獲得，一個(gè)K型熱電偶穿過(guò)通孔，通孔的選擇是考慮到最少有的手工焊接情況，以適應(yīng)無(wú)鉛焊接的普遍情況。這時(shí)候，將焊接管腳插入4個(gè)同樣的孔進(jìn)行手工焊接。我們進(jìn)行以下比較試驗(yàn)：第一組試驗(yàn)是采用常用的鑿型烙鐵頭，烙鐵頭溫度為395C, 采用60/40 Sn/Pb有鉛合金焊錫和Sn/Ag/Cu無(wú)鉛合金焊錫重復(fù)試驗(yàn)。第2組試驗(yàn)采用無(wú)鉛焊錫Sn/Ag/Cu在2個(gè)不同的烙鐵頭溫度395C

8、and 335C下進(jìn)行比較試驗(yàn)。從第一組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，曲線的峰值溫度和在助焊劑作用區(qū)溫度升高的斜率都是非常相似的。不過(guò)你可以看到采用無(wú)鉛焊接比有鉛焊接在時(shí)間上有0.2-0.5秒的滯后，這很可能是由于無(wú)鉛焊接Sn/Ag/Cu 合金比有鉛焊接Sn/Pb合金有較弱的焊錫親和力。第二組試驗(yàn)比較2個(gè)不同的焊接溫度下的情況。可以看到，較低的烙鐵頭溫度有比較長(zhǎng)的焊接形成時(shí)間，到達(dá)最高溫度也比較低盡管溫度差并不大。令人感興趣的是，在助焊劑作用區(qū)溫度升高的速度對(duì)于較低溫度的烙鐵頭反而比較快，雖然整個(gè)的焊接時(shí)間是相似的。由此我們可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：1. 由于無(wú)鉛焊接的Sn/Ag/Cu 合金焊錫的焊接親和力較弱

9、，焊接的時(shí)間有一點(diǎn)延長(zhǎng)。2. 助焊劑的活化作用與焊點(diǎn)的最高溫度受合金成分的影響很小。3. 焊點(diǎn)的最高溫度受烙鐵頭溫度的影響比較大，如果你選擇了合適的烙鐵頭尺寸，并且在焊點(diǎn)處有良好的熱傳導(dǎo)，這一影響在焊接的開(kāi)始時(shí)間會(huì)有所減小。客戶(hù)必須在焊接時(shí)間，消耗成本，正確的焊接數(shù)量之間選擇最佳的平衡點(diǎn)。提高焊接溫度可以改善無(wú)鉛焊接的合金焊錫親和力比較弱的缺點(diǎn)，并且試焊接的時(shí)間縮短，但是這樣做的危險(xiǎn)性是有可能損壞PCB板和芯片，同時(shí)會(huì)影響助焊劑的作用效果。另一個(gè)選擇是設(shè)法 增加和維持較高的熱傳導(dǎo)效率，這樣既可以減少損壞PCB板和芯片的危險(xiǎn)，又可以使焊接成本保持盡可能低的水平。最佳的熱傳導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)的烙鐵頭是由以下成

10、分構(gòu)成：現(xiàn)在的烙鐵頭可以用無(wú)鉛焊錫所覆蓋注：chrome( 鉻)nieckel( 鎳)iron ( 鐵)copper (銅) tin ( 錫)采用銅的原因是它有良好的熱傳導(dǎo)特性，鐵的作用是可以防止銅的耗散并保護(hù)銅的外形，最外側(cè)的涂層（必須是無(wú)鉛焊材料）使烙鐵的焊接具有好的沾錫特性-形成好的熱傳導(dǎo)特性。對(duì)這涂層的保護(hù)對(duì)于形成最佳的熱傳導(dǎo)極為關(guān)鍵。(鉻與鎳的作用是防止在焊接中焊錫滲入烙鐵頭內(nèi)部)另外一個(gè)重要的選擇是挑選正確的烙鐵頭幾何形狀，它的大小應(yīng)當(dāng)與被焊接的元件相當(dāng)，平的烙鐵頭比圓的烙鐵頭有更大的接觸面積，從而有更好的熱傳導(dǎo)特性。烙鐵頭的形狀應(yīng)當(dāng)與被焊接物體有類(lèi)似的形狀與尺寸（左：形狀合適，中

11、：型狀太小, 右：形狀太大）烙鐵頭壽命一般來(lái)說(shuō)，所有的烙鐵頭當(dāng)采用無(wú)鉛焊合金涂敷表面以后，壽命都要有所下降，因?yàn)椋?. 錫的含量增大，而錫會(huì)腐蝕烙鐵頭中鐵的的涂層。2. 無(wú)鉛合金的熔點(diǎn)較高。烙鐵頭被腐蝕的速度與溫度成比例。3. 鐵的涂層有較高的氧化率。4. 助焊劑有更強(qiáng)的腐蝕性。由于材料本身的特性，烙鐵頭的被腐蝕是無(wú)法避免的。所有的涂層表面都有缺陷存在，如下圖的裂縫所示。焊錫熔化以后勢(shì)必沿這些裂縫往里面滲透這種損壞被稱(chēng)為初始的損傷，大部分使用時(shí)間（約90%）導(dǎo)致烙鐵頭的這種損傷。裂縫的擴(kuò)散破壞一旦熔化的焊錫穿透鐵的鍍層進(jìn)入到銅的內(nèi)部，銅材料就會(huì)迅速被破壞，烙鐵頭的壽命就終止。10%的使用時(shí)間導(dǎo)

12、致烙鐵頭這種損壞裂縫的擴(kuò)散破壞增加貼得鍍層厚度雖然可以增加烙鐵頭的使用壽命，但是將導(dǎo)致烙鐵的熱傳導(dǎo)特性下降，所以并不能以為鍍層厚度越厚越好。良好的鍍層與對(duì)烙鐵頭很好的維護(hù)對(duì)改善烙鐵頭的熱傳導(dǎo)特性與延長(zhǎng)烙鐵頭的使用壽命有重要的影響。無(wú)鉛焊點(diǎn)的外觀一般來(lái)說(shuō)，無(wú)鉛焊點(diǎn)的外觀與有鉛焊點(diǎn)的外觀完全不同。IPC正在開(kāi)始制定關(guān)于焊點(diǎn)外觀的標(biāo)準(zhǔn)，不過(guò)許多公司有他們自己的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于生產(chǎn)者來(lái)說(shuō)，實(shí)施這種新的標(biāo)準(zhǔn)與培訓(xùn)也是同樣重要的，不然操作者與質(zhì)量檢測(cè)人員會(huì)抵觸這種新的標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致不必要的返工。以下是典型的無(wú)鉛焊點(diǎn)的例子。總的結(jié)論如果要避免因?yàn)檫^(guò)高的溫度對(duì)元器件的損壞，在手工焊接時(shí)必須考慮以下條件：1. 烙鐵頭的幾何形狀與尺寸要選合適，以保證烙鐵頭對(duì)焊點(diǎn)有良好的熱傳導(dǎo)。2. 焊錫絲中的助焊劑含量與作用強(qiáng)度要選擇合適。增加助焊劑的含量有助于改善熱傳導(dǎo)，但會(huì)增加清理的困難。助焊劑的作用強(qiáng)度適當(dāng)是重要的。3. 烙鐵頭的溫度要能夠