無鉛技術對回流焊的要求.doc

日趨成熟的無鉛技術對回流焊的要求 論文作者 謝健浩 ERSA亞太區(qū)辦事處副總經理根據(jù)歐盟的RoHS指令（歐洲議會和歐盟理事會關于在電子電氣設備中限制使用某些有害物質的指令法案），指令要求自2006年7月1日起在歐盟市場上禁止銷售含有鉛等6種有害物質的電子電氣備為“綠色制造”的無鉛化工藝已是不可逆轉的發(fā)展潮流。無鉛化工藝從準備階段起至今已有兩年多的時間，中國的很多電子產品制造商在積極進行的從有鉛焊接向無鉛焊接的轉換進程中積累了大量寶貴的經驗?，F(xiàn)在，無鉛工藝日趨成熟，大多數(shù)制造商的工作重點已從簡單地能夠實施無鉛生產轉變?yōu)槿绾螐脑O備、材料、質量、工藝和能耗等多方面考慮全面提高無鉛焊的工藝水平。無鉛回流焊工藝是當前表面貼裝技術中最重要的焊接工藝，它已在包括手機，電腦，汽車電子，控制電路和通訊等許多行業(yè)得到了大規(guī)模的應用。越來越多的電子原器件從通孔轉換為表面貼裝，回流焊在相當范圍內取代波峰焊已是焊接行業(yè)的明顯趨勢。那么回流焊設備究竟在日趨成熟的無鉛化SMT工藝中會起到什么樣的作用呢？讓我們從整條SMT表面貼裝線的角度來看一下：整條SMT表面貼裝線一般由絲網印刷機，貼片機和回流焊爐等三部分構成。對于貼片機而言，無鉛與有鉛相比，并沒有對設備本身提出新的要求；對于絲網印刷機而言，由于無鉛與有鉛錫膏在物理性能上存在著些許差異，因此對設備本身提出了一些改進的要求，但并不存在質的變化；無鉛的挑戰(zhàn)壓力重點恰恰在于回流焊爐。大家知道，有鉛錫膏（Sn63Pb37）的熔點為183度，如果要形成一個好的焊點就必須在焊接時有0.5-3.5um厚度的金屬間化合物生成，金屬間化合物的形成溫度為熔點以上10-15度，對于有鉛焊接而言也就是195-200度。線路板上的電子原器件的最高承受溫度一般為240度。因此，對于有鉛焊接，理想的焊接工藝窗口為195-240度。無鉛焊接由于無鉛錫膏的熔點發(fā)生了變化，因此為焊接工藝帶來了很大的變化。目前常用的無鉛錫膏為Sn96Ag0.5Cu3.5 ，熔點為217-221度。好的無鉛焊接也必須形成0.5-3.5um厚度的金屬間化合物，金屬間化合物的形成溫度也在熔點之上10-15度，對于無鉛焊接而言也就是230-235度。由于無鉛焊接電子原器件的最高承受溫度并不會發(fā)生變化，因此，對于無鉛焊接，理想的焊接工藝窗口為230-240度。工藝窗口的大幅減少為保證焊接質量帶來了很大的挑戰(zhàn)，也對無鉛焊接設備的穩(wěn)定性和可靠性帶來了更高的要求。由于設備本身就存在橫向溫差，加之電子原器件由于熱容量的大小差異在加熱過程中也會產生溫差，因此在無鉛回流焊工藝控制中可以調整的焊接溫度工藝窗口范圍就變得非常小了，這是無鉛回流焊的真正難點所在。具體的有鉛與無鉛回流焊工藝窗口比較請見圖1所示。 圖1 無鉛、有鉛回流焊工藝窗口比較綜上所述，回流焊爐從整個無鉛工藝角度看對最后的產品質量起著至關重要的作用。但是，從整條SMT生產線的投資角度看，無鉛焊爐的投資往往只占到整條SMT線投資額的10-25%。這也就是為什么很多電子制造商在轉入無鉛生產后馬上將原有回流焊爐更換成更高品質回流焊爐的原因。 日趨成熟的無鉛工藝究竟對回流焊爐提出了哪些新的要求呢？我們從下列幾個方面來加以分析：對焊接品質提出的要求如何獲得更小的橫向溫差由于無鉛焊接工藝窗口很小，因此橫向溫差的控制非常重要?；亓骱竷鹊臏囟纫话闶艿剿膫€因素的影響：(1) 熱風的傳遞 目前主流的無鉛回流焊爐均采取100%全熱風的加熱方式。在回流焊爐的發(fā)展進程中也出現(xiàn)過紅外加熱的方式，但由于紅外加熱存在不同顏色器件的紅外吸收反射率不同和由于相鄰原器件遮擋而產生陰影效應，而這兩種情況都會造成溫差而使無鉛焊接存在跳出工藝窗口的風險，因此紅外加熱技術在回流焊爐的加熱方式中已被逐漸淘汰。 在無鉛焊接中，需要重視熱傳遞效果。特別對于大熱容量的原器件，如果不能得到充分的熱傳遞，就會導致升溫速度明顯落后于小熱容量器件而導致橫向溫差。我們看一看圖2和圖3中的兩種熱風傳遞方式。 圖2 熱風傳遞方式1圖3 熱風傳遞方式2 圖2中的熱風從加熱板的孔中吹出，熱風的流動沒有明確的方向，顯得比較雜亂，因此熱傳遞效果不佳。圖3的設計由于加裝了熱風的定向多點噴嘴，熱風的流動集中且有明確的方向性。這樣的熱風加熱熱傳遞效果增加15%左右，而熱傳遞效果的增加對減少大小熱容量器件的橫向溫差會起到較大的作用。圖3的設計由于熱風的流動具有明確的方向性，因此還可以減少側向風對線路板焊接的干擾。最大限度的減少側向風不僅可以避免線路板上的0201等小器件被吹跑，還可以減少不同溫區(qū)之間的相互干擾。 (2)鏈速的控制鏈速的控制會影響線路板的橫向溫差。常規(guī)而言，降低鏈速，會給予大熱容量的器件更多的升溫時間，從而使橫向溫差減小。但是畢竟爐溫曲線的設置取決于焊膏的要求，所以無限制的降低鏈速在實際生產中是不現(xiàn)實的。(3) 風速與風量的控制 圖 4我們做過這樣一個實驗，保持回流焊爐內的其他條件設置不變而只將回流焊爐內的風扇轉速降低30%，線路板上的溫度便會下降10度左右（圖4）。可見風速與風量的控制對爐溫控制的重要性。為了實現(xiàn)對風速與風量的控制，需要注意兩點：a.風扇的轉速應實行變頻控制，以減小電壓波動對它的影響；b.盡量減少設備的抽排風量，因為抽排風的中央負載往往是不穩(wěn)定的，容易對爐內熱風的流動造成影響。c.設備的穩(wěn)定性即時我們獲得了一個最佳的爐溫曲線設置，但要實現(xiàn)他還是需要用設備的穩(wěn)定性，重復性和一致性來給予保證。特別是無鉛生產，爐溫曲線如果由于設備原因稍有漂移，便很容易跳出工藝窗口導致冷焊或原器件損壞。所以，越來越多的生產廠家開始對設備提出穩(wěn)定性測試的要求。 氮氣的使用無鉛時代的到來使回流焊是否充氮變成了一個熱門的討論話題。由于無鉛焊料的流動性，可焊性，浸潤性都不及有鉛焊料，尤其是當電路板焊盤采用OSP工藝（有機保護膜的裸銅板）時，焊盤容易氧化，常常造成焊點的潤濕角太大和焊盤露銅現(xiàn)象。為了提高焊點質量，我們有時需要在回流焊時使用氮氣。氮氣是一種惰性保護氣體，可以保護電路板焊盤在焊接中不被氧化 ，對提高無鉛焊料的可焊性起到明顯的改善效果（圖5）。 圖5 充氮環(huán)境下金屬屏蔽罩焊接 不充氮環(huán)境下的金屬屏蔽罩焊接（變色）盡管目前不少電子產品制造商出于運行成本考慮暫時沒有使用氮氣，但是隨著對無鉛焊接質量要求的不斷提高，氮氣的使用會越來越普遍。所以比較好的選擇是雖然目前實際生產不一定使用氮氣，但設備最好留有充氮接口，以保證設備具備未來滿足充氮生產要求的靈活性。有效的冷卻裝置和助焊劑管理系統(tǒng)無鉛生產的焊接溫度明顯高于有鉛，這就對設備的冷卻功能提出了更高的要求。此外，可控的較快冷卻速度可以使無鉛焊點結構更致密，對提高焊點機械強度帶來幫助。特別是當我們生產如通訊背板等大熱容量的線路板時，如果我們僅僅使用風冷方式，線路板在冷卻時將很難達到3-5度/秒的冷卻要求，而冷卻斜率達不到要求將使焊點結構松散而直接影響到焊點的可靠性。因此，無鉛生產更建議考慮采用雙循環(huán)水冷裝置，同時設備對冷卻斜率應可以按要求設置并完全可控。無鉛錫膏中往往加有較多的助焊劑，助焊劑殘留物容易堆積在爐子內部，影響到設備的熱傳遞性能，有時甚至會掉到爐內的線路板上面造成污染。要在生產過程中將助焊劑殘留排出有兩種方式;(1) 抽排風抽排風是排出助焊劑殘留物的最簡單的方式。但是，我們在前文中已提到，過大的抽排風會影響到爐腔內熱風氣流的穩(wěn)定性。此外，增加抽排風量會直接導致能耗（包括用電和用氮）的上升。(2) 多級助焊劑管理系統(tǒng) 助焊劑管理系統(tǒng)一般包括過濾裝置和冷凝裝置（圖6和圖7）。過濾裝置將助焊劑殘留物中的固體顆粒部分進行有效分離過濾，而冷裝置凝則是在熱交換器中將氣態(tài)的助焊劑殘留物冷凝成液態(tài)，最后匯集在收集盤中集中處理。 圖6 助焊劑管理系統(tǒng)中的過濾裝置圖7 助焊劑管理系統(tǒng)中的冷凝裝置 對設備材料和構造提出的要求無鉛高溫對設備材料的要求無鉛生產使設備必須承受比有鉛生產更高的溫度。如果設備用材出現(xiàn)問題，那么就會產生爐腔翹曲，軌道變形，密封性能變差等一系列問題，最終嚴重影響生產。因此，無鉛回流焊爐所使用的軌道應該經過硬化等特殊處理，而且板金接縫處應經過X光掃描確認沒有裂縫和氣泡，以免長時間使用后出現(xiàn)損壞和泄漏。 有效防止爐腔翹曲和軌道變形無鉛回流焊爐的爐腔應使用整塊板金加工而成，如果爐腔是使用小塊板金拼接而成，那么在無鉛高溫下很容易發(fā)生爐腔翹曲。在高溫和低溫情況下的軌道平行度測試是非常必要的。如果由于用材和設計導致軌道在高溫情況下發(fā)生變形，那么卡板和掉板情況的發(fā)生將無法避免。避免擾動焊點的產生以往的Sn63Pb37有鉛焊料是一種共晶合金，其熔點及凝固點溫度是相同的，均為183。而SnAgCu的無鉛焊點不是共晶合金，其熔點范圍為217221，溫度低于217為固態(tài)，溫度高于221為液態(tài)，當溫度處在217至221之間時合金呈現(xiàn)出一種不穩(wěn)定狀態(tài)。當焊點處在這種狀態(tài)時設備的機械振動很容易使焊點形態(tài)發(fā)生改變，造成擾動焊點，這在電子產品可接受條件IPCA610D標準中是一種不能接受的缺陷。因此無鉛回流焊設備的傳送系統(tǒng)應該具備良好的免震動結構設計以避免擾動焊點的產生。對降低運營成本提出的要求 爐腔的密封性爐腔的翹曲，設備的泄漏都會直接造成用電用氮量的直線上升，所以，設備的密封性對生產成本的控制至關重要。實踐證明，一個小小的泄漏，哪怕只有螺絲孔大小的漏氣孔，就可能使氮氣消耗量從每小時15立方米增加到每小時40立方米。設備的熱絕緣性能觸摸回流焊爐的設備表面（回流區(qū)對應的位置）應不覺得燙手（表面溫度應低于60度）。如果覺得燙手則說明回流焊爐的熱絕緣性能不佳，大量的電能轉變?yōu)闊崮苌⑹С鰜碓斐蔁o謂的能源浪費。如果在夏天，散失在車間內的熱能會導致車間溫度升高，我們還不得不將這些熱能再用空調裝置排放到室外，這就直接導致雙倍的能源浪費。 抽排風如果設備沒有好的助焊劑管理系統(tǒng)，助焊劑的排出全靠抽排風完成，那么設備在抽出助焊劑殘留的同時也排出了熱量和氮氣，從而直接造成能耗的上升。維護成本回流焊爐在大批量連續(xù)生產中具有極高的生產效率，每小時可以生產幾百塊手機電路板，如果爐子的維護間隔時間短，維護工作量大，維護時間長，就必然會占用較多的生產時間，造成生產效率浪費。為了降低維護成本，無鉛回流焊設備應盡量采用模塊化設計，為設備的維護和維修提供方便（圖8）。 圖8無鉛回流焊爐的模塊化構造目前，國內外很多先進的電子產品制造商為進一步降低維護對生產效率造成的影 響，提出了一個全新的設備維護理念“同步維護”。即在回流焊爐滿負荷工作時，利用設備的自動維護切換系統(tǒng)，使回流焊爐的保養(yǎng)與維護能與生產完全同步進行。這樣的設計完全摒棄了原來“停機維護”的理念，使SMT整線的生產效率獲得了進一步的提升。對工藝實施提出的要求高品質的設備只有通過專業(yè)的使用才能產生效益。目前廣大生產廠家在無鉛焊接的生產過程中所遇到的很多問題已不僅僅來自于設備本身，而是需要通過工藝的調整來解決。爐溫曲線的設置由于無鉛焊接工藝窗口非常小，而我們又必須保證所有焊點在回流區(qū)同時處在工藝窗口之內，因此，無鉛回流曲線往往會設置一個“平頂”（見圖9）。 圖9 爐溫曲線設置中的“平頂”如果線路板上的原器件熱容量差異不大而對熱沖擊卻比較敏感，則比較適合采用“線性”爐溫曲線。（見圖10）圖10“線性”爐溫曲線爐溫曲線的設置與調整取決于設備，原器件，錫膏等多種因素，設置方式不是千篇一律，必須通過實驗來積累經驗。爐溫曲線模擬軟件那么有沒有一些方法能夠幫助我們快速準確地設置爐溫曲線呢？我們可以考慮借助于爐溫曲線模擬生成軟件。通常情況下，只要我們把線路板的情況，原器件的情況，進板間隔，鏈速，溫度設置和