无铅波峰焊接工艺技术与设备

无铅波峰焊接工艺技术与设备

1．无铅焊接技术的发展趋势

随着欧盟RHS关于2006年7月1日无铅化期限的逼近,日本知名的电子产品制造商: PANASONIC/NATIONAL、SONY、TOSHIBA、PIONEER 、NEC等，从2000年开始导入无铅化制程，至今已基本实施无铅化制造，在日本及欧美市场上推出"绿色环保"家电产品。中国政府已于2003年3月由信息产业部拟定《电子信息产品生产污染防治管理法》自2006年7月1日禁止电子产品含铅（Pb）.
因此，出于对环保的考虑，市场发展趋势是使用含铅焊料的电子产品将无法进入市场。对于电子组装企业来说，无铅焊接技术的应用已经是摆在企业面前必须解决的现实问题.

电子产品制造业实施无铅化制程需面临以下问题；1)焊料的无铅化；2)元器件及PCB板的无铅化；3)焊接设备的无铅化
1） 焊料的无铅化
到目前为止，全世界已报道的无铅焊料成分有近百种，但真正被行业认可并
被普遍采用是Sn-Ag-Cu三元合金，也有采用多元合金，添加In,Bi,Zn等成分。现阶段国际上是多种无铅合金焊料共存的局面，给电子产品制造业带来成本的增加，出现不同的客户要求不同的焊料及不同的工艺，未来的发展趋势将趋向于统一的合金焊料。

（1） 熔点高，比Sn-Pb高约30度；
（2） 延展性有所下降，但不存在长期劣化问题；
（3） 焊接时间一般为4秒左右；
（4） 拉伸强度初期强度和后期强度都比Sn-Pb共晶优越。
（5） 耐疲劳性强。
（6） 对助焊剂的热稳定性要求更高。
（7） 高Sn含量，高温下对Fe有很强的溶解性

鉴于无铅焊料的特性决定了新的无铅焊接工艺及设备

2） 元器件及PCB板的无铅化

在无铅焊接工艺流程中，元器件及PCB板镀层的无铅化技术相对要复杂，涉及领域较广，这也是国际环保组织推迟无铅化制程的原因之一，在相当时间内，无铅焊料与Sn-Pb的PCB镀层共存，而带来 "剥离(Lift-Off)"等焊接缺陷,设备厂商不得不从设备上克服这种现象。另外对PCB板制作工艺的要求也相对提高，PCB板及元器件的材质要求耐热性更好。

３）焊接设备的无铅化

由于无铅焊料的特殊性，无铅焊接工艺进行要求无铅焊接设备必须解决无铅焊料带来的焊接缺陷及焊料对设备的影响，预热／锡炉温度升高，喷口结构，氧化物，腐蚀性，焊后急冷，助焊剂涂敷，氮气保护等。

Ａ）无铅焊接要求的温度曲线分析：

通过上述曲线图和金属材料学知识，我们了解到为了获得可靠、最佳的焊点，温度T2最佳值应大于无铅锡的共晶温度，锡液焊接温度控制在2500C±20度（比有铅锡的温度要求更严），一般有高可靠要求的军用产品，△T＜300C，对于普通民用产品，建议温差可放宽到△T2＜500度（根据日本松下的要求）；预热温度T1比有铅焊要稍高，具体数值根据助焊剂和PCB板工艺等方面来定，但△T1必须控制在50度以内，以确保助焊剂的活化性能的充分发挥和提高焊锡的浸润性；焊接后的冷却从温度T32500度 降至温度T4100～1500度，建议按10～150度/S的降幅梯度控制；温度曲线在时间上的要求主要是预热时间t1、浸锡时间t2、t3及冷却时间t4，这些时间的具体数值的确定要考虑元器件、PCB板的耐热性及焊锡的具体成份等多方面因素，通常t1在1分钟左右，t2+t3在3～5S之间。

Ｂ）从以上温度曲线分析可确定设备的结构及控制要求：

预热方式

预热时间t1在1分钟左右输送ＰＣＢ板的速度1.2m/min,预热长度要保障1.2M以上；为保障预热的热稳定性预热结构必须采用封闭式的结构，预热方式建议采用：１）热风预热方式；２）远红外线发热管方式；３）陶瓷发热管（或不锈钢发热管）　。从国内外设备厂研制的波峰焊及客户使用分析，采用第２种远红外线发热管方式比较理想，因为发热原理是一种红外线辐射，可提高热效率，如果在发热管上部再覆盖耐高温陶瓷玻璃，效果会更佳，安全可靠，避免松香滴落在发热管上，日东公司生产的设备已有２０００台使用此种方式（自１９９８年），特别是针对无铅波峰焊又开发一种新的控制方式：PID+vwin 量调压方式，解决传统ＯＮ－ＯＦＦ控制方式对温度的冲击，达到较佳的预热曲线，保证预热区与焊接取的温度下降值在５0度以内。如果预热区分成２温区或３温区长度1.6M，焊接预热工艺将灵活。当然针对某些产品适合用热风预热方式。

锡炉喷口

????要克服无铅焊料润湿性（铺展能力）差给焊接带来的缺陷，需要４秒以上的浸锡时间，如果采用双波峰焊接，两波峰之间的最低温度要在２００0度以上锡炉喷口结构必须能达到符合以上的温度曲线，设备厂家通过加宽喷口设计，减少两波峰间距来实现。　　　
???? 由于高Sn含量的无铅焊料更易氧化，另外无铅焊料的成本较高，控制锡氧化物生成量是焊接设备厂家必须考虑的问题，一些国内外的厂家已推出新的波峰喷口结构，氧化物生成量同过去相比减少一倍，日东公司在日本松下公司的协助下推出的无摇动双波峰喷口结构已广泛应用到包括松下公司在内的众多日本公司及国内知名公司，并得到客户的认可。

腐蚀性

????无铅焊料的高Sn含量,在高温下对Fe有佷强的溶解能力，传统的波峰焊焊料槽及喷口大多数采用不锈钢材料，从而发生溶解反应，随着时间的推移，最终导致部件的溶蚀损坏，特别是喷口及叶轮部件。现在国外大多数厂家的焊锡槽采用铸铁并镀防护层，国内大多数厂家采用钛合金材料。

氧 化

同Sn-Pb合金焊料相比，高Sn含量的无铅焊料在高温焊接中更容易氧化，从而在锡炉液面形成氧化物残渣（SnO2），过多的氧化物不但影响焊接品质，而且使焊料成本浪费，尤其是对现在昂贵的无铅焊料。多数设备厂家采用改善锡炉喷口结构来减少氧化物，例如上面提到的日东公司的新款喷口。当然最好的对策是加氮气保护，氮气保护系统设备前期投入较大，如果从长远利益考虑是合理的。国内外佷多设备厂家都已推出氮气保护的波峰焊，技术已成熟。

焊后急冷却

在无铅焊接工艺应用,通孔基板的波峰焊接时常常会发生"剥离"缺陷（Lift-off,或Fillet lifting）,产生的原因在于冷却过程中，焊料合金的冷却速率与印刷电路板的冷却速率不同所致。无铅化推广前期，无铅焊料与镀有Sn-Pb的元器件会有一段时间共存，如果采用的是含Bi无铅焊料此种现象更为突出，解决对策是在波峰焊出出口处加冷却系统，至于冷却方式及冷却速率的要求要根据具体情况而定，因为冷却速率超过60度/SEC.设备冷却系统要采用冷源方式，大多数采用冷水机或冷风机，国外的研究有提到用冷液方式，可达到200Ｃ/SEC.以上的冷却效果，成本非常高，对于大规模电子产品生产厂家是无法承受的，属于早期实验，真正被推广应用的，在日本大多数厂家采用全无铅化方案（焊料/元器件/基板等全部无铅化），设备冷却结构采用强制自然风冷却，日东公司在给日本松下提供的波峰焊设备是采用的此种结构，对于国内电子产品生产厂家，建议采用Sn-Ag-Cu合金或Sn-Cu合金的焊料，快速冷却速率控制在6~80度/SEC.或8~120度/SEC.,冷却方式采用自然风强制冷却或带冷水机冷源的方式。

助焊剂

无铅焊料的特殊性,在焊接工艺中必须是对应的助焊剂相匹配,基于环保的考虑,醇类溶剂的降低使用,逐步推广VOC-FREE环保助焊剂 .

由于无铅焊料润湿性差,克服焊接缺陷在佷大程度上要通过助焊剂成分及喷雾方式来改变,传统的发泡是喷雾结构已不适应现在的工艺, 喷雾结构一些设备厂家经过改良,一些厂家喷雾移动采用步进马达方式,助焊剂供给采用衡压系统 ,强力抽风过滤系统,目的是使喷雾效果均匀,降低挥发性物质的排放量.

控 制

控制系统发展的方向主要是数字化控制及管理。

控制系统除了要求对运输速度、助焊剂涂敷均匀度、预热温度,锡炉温度、冷却速度等精确控制外,还应该对生产过程中所有的工艺参数（运输速度；助焊剂涂敷厚度、浓度、宽度、角度；预热温度；锡炉温度；冷却速度；氮气浓度等）均实现数字化控制，便于参数的重复利用。我公司推出的SA系列及CN系列波峰焊均以数字化控制为核心目标，采用人机界面或工业控制计算机对生产过程进行监控,不但能监控、PCB参数、机器参数、PID参数、温度参数,还支持参数设定、打开、保存,方便参数的重复利用，最大限度的减少机种更换时调整参数的时间。在全电脑控制的机型上,随机自带了无铅焊接非常关心的温度曲线测试及分析功能,能测试并分析3条温度曲线的预热时间,预热斜率,预热温度，波峰1时间,波峰2时间,波峰1温度,波峰2温度,跌落时间,跌落温度,冷却时间,冷却斜率,超出时间等,并支持温度曲线测试、打印功能,无铅焊接所关心的所有参数都能一目了然。

控制系统发展的另一个方向是客户成本概念。

客户成本是指客户在生产过程中生产一定数量的产品所消耗的材料，时间，能源等。日东公司的产品一直遵循最大限度降低客户成本原则，从助焊剂消耗，焊锡氧化量减少，电量损耗，氮气损耗等方面进行综合控制，达到节约客户成本的目的。 无论生产焊料的厂家，还是生产设备的厂家，推出的产品既要符合焊接工艺又要兼顾最终用户的成本投入，随着技术的发展，无铅焊接工艺会逐步走向成熟，

日东公司通过与日本松下株式会社的合作，针对上述特性开发出适合无铅要求的专用型双波峰焊机SA系列, CN系列(氮气型)，并已被松下、SONY、东芝、先锋、SANYO、嘉财 、EMERSON ASTEC等日本公司及国内外知名公司所采用.技术方面已达到国际水平，并销往国际市场。