表面组装技术中的无铅焊接工艺

任红星

摘要:电子产品生产中传统的焊接材料为锡铅合金,铅属于有毒重金属,对人体健康有害,早在1999年,欧美和日本等发达国家就已经提出了电子产品无铅化工艺,我国也在2003年做出了无铅化生产的相关规定,但由于无铅焊接工艺推广会带来一系列的问题,导致国内好多企业一直没有改变传统的焊接工艺,本文就无铅焊接材料、工艺以及带来的新课题谈谈无铅焊接的必然性和紧迫性。

关键词:无铅焊接 Sn/Pb合金 元器件 PCB 助焊剂 焊接设备

0 引言

铅是一种多亲害性、对人体有毒的物质,主要损害人的神经系统、造血系统、消化系统,铅中毒也是引发白血病、肾病、心脏病、精神异常的重要因素之一。铅毒不仅对水污染,而且对土壤、空气均可产生污染,一旦环境产生严重铅污染,其治理的难度很大、周期甚长、经费支出巨大。电子制造业中大量使用的锡铅合金焊料(Sn/Pb) 是污染人类生存环境的重要根源之一。实现电子制造的全面无铅化,以减少环境污染,提升绿色制造竞争能力,以适应国内外市场对绿色电子产品的需求,是我国电子制造业以后势在必行的举措。

1 无铅焊料研究与推广

目前,无铅焊料的成分并没有统一的标准,通常是以锡为主体,添加其他金属,近几年来有关无铅焊料的研究工作发展很迅速。世界各大著名集团公司和研究机构都投人了相当的力量开展无铅焊料的研发。替代Sn/Pb合金的无铅焊锡合金材料有多种。目前已经得到应用的主要有Sn-Ag系列、Sn-Zn系列、Sn-Bi系列焊料三大类。国内外专家一致认为,最有可能替代锡铅合金焊料的无毒合金是锡( Sn)基合金。无铅焊料主要以锡为主,添加Ag、Zn、Cn、Sd、Bi、In 等几种金属元素,通过焊料合金化来改善合金性能,提高可焊性。由于Sn-ln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还稍带毒性,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。目前最常见的无铅焊料,主要是以Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi为基体,在其中添加适量的其他金属元素所组成的三元合金和多元合金。

2 无铅焊接技术引发的新课题

目前, 无铅焊技术主要应用在电子元件组装领域,其存在的形态为焊条、焊丝、焊膏。其应用范围主要在各种电子、电器产品,印制电路板(PCB)的组装。影响无铅焊接技术的应用的因素很多。要使无铅焊接技术得到广泛应用,还必须从电子组装焊接这个系统工程的角度来解析和研究。

2.1 元器件 目前开发已用于电子产品组装的无铅焊料,熔点一般要比有铅焊料高,所以要求元器件耐高温,而且无铅化,即元器件内部连接和引出端(线)也要采用无铅焊料和无铅镀层。

2.2 PCB 无铅焊接要求PCB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。

2.3 焊接工艺与设备 焊接设备要适应新的焊接温度的要求, 例如需要加长预热区或更换新的加热元件。若采用波峰焊,则波峰焊焊槽、机械结构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)要重新匹配。采用再流焊时,为了提高焊接质量和减少焊料的氧化,有必要采用行之有效的抑制焊料氧化技术和采用惰性气体( 如N2) 保护焊技术。同时,采用先进的再流焊炉温测控系统也是解决无铅焊工艺窗口较窄带来的工艺问题的重要途径。

2.4 助焊剂 为满足无铅焊料焊接的要求,需要开发新型的氧化还原能力更强和润湿性更好的助焊剂。新开发的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效果更好。

2.5 工艺流程 在SMT工艺流程中,无铅焊料的涂敷印刷、元件贴装、焊接和住焊接残留物清洗以及焊接质量检验都是新的课题。

2.6 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合金又是一新课题。

3 影响SMT无铅焊技术的几个因素

3.1 工艺温度 在无铅回流焊接中,无铅焊锡影响工艺温度,因此影响到加热温度曲线。为了以较低的维护停机时间保持机器的清洁,需要一个适当的助焊剂流动管理系统。

3.2 冷却系统 无铅焊接中推荐一个受控的冷却系统,因为一旦炉子具有适当的冷却能力,液化以上的时间,晶粒结构和板子出来的温度都可以界定自然需要更多的室温风扇。而推荐使用的是一个高级的直接空气、完全集成的、排热系统。这个系统设计用于以较低的氮气消耗提供良好的冷却。

3.3 助焊剂的选择 由于较高的工艺温度,无铅焊接要求与含铅焊锡不同的助焊剂。助焊剂类型决定哪一种预热配置最适合干该工艺。选择一种具有快速变换配置灵活性的波峰焊接机器。预热模块应该容易交换,以找到对每个个别工艺的最佳安排。

3.4 焊脚和空洞 在无铅焊接中,会发生一些特别的缺陷,诸如焊脚提起和焊须。但其他缺陷,如焊点中的空洞,也似乎比Sn/Pb 中发生的多。焊脚开起是在冷却阶段,它是焊接元脚从电镀通孔周围铜焊盘的一种分离。焊脚开起的主要原因是合金化合物、铜焊盘、板厚度与材料的温度膨胀系数的不匹配。焊脚开起主要发生在含秘合金与铅污染结合的时候空洞形成的原因很多。空洞可能是固化期间电镀孔的排气可能会在焊锡中产生空洞,空洞也可能是焊接点润湿不够的结果。

3.5 回流工艺 回流工艺中的变量包括机器和数据记录参数。机器参数包括传带速度、参考温度以上的时间、平均温度、最低温度、最高温度和达到最高温度的时间。特征是指焊接缺陷,如空洞、跳焊、焊球,焊桥和元件竖立。提高合格率和降低机器停机时间是无铅焊接引人之后必须达到的目标。在开始无铅工艺之后,要努力建立一个可以重复测量的工艺,一个合理计算工艺的能力,一个合理计算工艺能力值的方法和一个使用该数据校准机器的方法。

4 结束语

本文阐述了SMT中无铅焊料的组分系列和无铅焊接工艺引发的一些新课题,以及SMT焊接技术,希望业内人士批评指正,以供相互交流探。

参考文献:

[1]王卫平,陈粟宋.电子产品制造工艺.

[2]金平.SMT无铅焊接工艺.科技咨询2008 NO 13.

[3]鲜飞.SMT/THT混装焊接技术综述.电子工业专用设备.