無鉛波峰焊接工藝技術(shù)與設(shè)備

1．無鉛焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著歐盟RHS關(guān)于2006年7月1日無鉛化期限的逼近,日本知名的電子產(chǎn)品制造商: PANASONIC/NATIONAL、SONY、TOSHIBA、PIONEER 、NEC等，從2000年開始導(dǎo)入無鉛化制程，至今已基本實施無鉛化制造，在日本及歐美市場上推出"綠色環(huán)保"家電產(chǎn)品。中國政府已于2003年3月由信息產(chǎn)業(yè)部擬定《電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理法》自2006年7月1日禁止電子產(chǎn)品含鉛（Pb）.
因此，出于對環(huán)保的考慮，市場發(fā)展趨勢是使用含鉛焊料的電子產(chǎn)品將無法進(jìn)入市場。對于電子組裝企業(yè)來說，無鉛焊接技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)是擺在企業(yè)面前必須解決的現(xiàn)實問題.

電子產(chǎn)品制造業(yè)實施無鉛化制程需面臨以下問題；1)焊料的無鉛化；2)元器件及PCB板的無鉛化；3)焊接設(shè)備的無鉛化
1） 焊料的無鉛化
到目前為止，全世界已報道的無鉛焊料成分有近百種，但真正被行業(yè)認(rèn)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。現(xiàn)階段國際上是多種無鉛合金焊料共存的局面，給電子產(chǎn)品制造業(yè)帶來成本的增加，出現(xiàn)不同的客戶要求不同的焊料及不同的工藝，未來的發(fā)展趨勢將趨向于統(tǒng)一的合金焊料。

（1） 熔點高，比Sn-Pb高約30度；
（2） 延展性有所下降，但不存在長期劣化問題；
（3） 焊接時間一般為4秒左右；
（4） 拉伸強度初期強度和后期強度都比Sn-Pb共晶優(yōu)越。
（5） 耐疲勞性強。
（6） 對助焊劑的熱穩(wěn)定性要求更高。
（7） 高Sn含量，高溫下對Fe有很強的溶解性

鑒于無鉛焊料的特性決定了新的無鉛焊接工藝及設(shè)備

2） 元器件及PCB板的無鉛化

在無鉛焊接工藝流程中，元器件及PCB板鍍層的無鉛化技術(shù)相對要復(fù)雜，涉及領(lǐng)域較廣，這也是國際環(huán)保組織推遲無鉛化制程的原因之一，在相當(dāng)時間內(nèi)，無鉛焊料與Sn-Pb的PCB鍍層共存，而帶來 "剝離(Lift-Off)"等焊接缺陷,設(shè)備廠商不得不從設(shè)備上克服這種現(xiàn)象。另外對PCB板制作工藝的要求也相對提高，PCB板及元器件的材質(zhì)要求耐熱性更好。

３）焊接設(shè)備的無鉛化

由于無鉛焊料的特殊性，無鉛焊接工藝進(jìn)行要求無鉛焊接設(shè)備必須解決無鉛焊料帶來的焊接缺陷及焊料對設(shè)備的影響，預(yù)熱／錫爐溫度升高，噴口結(jié)構(gòu)，氧化物，腐蝕性，焊后急冷，助焊劑涂敷，氮氣保護(hù)等。

Ａ）無鉛焊接要求的溫度曲線分析：

通過上述曲線圖和金屬材料學(xué)知識，我們了解到為了獲得可靠、最佳的焊點，溫度T2最佳值應(yīng)大于無鉛錫的共晶溫度，錫液焊接溫度控制在2500C±20度（比有鉛錫的溫度要求更嚴(yán)），一般有高可靠要求的軍用產(chǎn)品，△T＜300C，對于普通民用產(chǎn)品，建議溫差可放寬到△T2＜500度（根據(jù)日本松下的要求）；預(yù)熱溫度T1比有鉛焊要稍高，具體數(shù)值根據(jù)助焊劑和PCB板工藝等方面來定，但△T1必須控制在50度以內(nèi)，以確保助焊劑的活化性能的充分發(fā)揮和提高焊錫的浸潤性；焊接后的冷卻從溫度T32500度 降至溫度T4100～1500度，建議按10～150度/S的降幅梯度控制；溫度曲線在時間上的要求主要是預(yù)熱時間t1、浸錫時間t2、t3及冷卻時間t4，這些時間的具體數(shù)值的確定要考慮元器件、PCB板的耐熱性及焊錫的具體成份等多方面因素，通常t1在1分鐘左右，t2+t3在3～5S之間。

Ｂ）從以上溫度曲線分析可確定設(shè)備的結(jié)構(gòu)及控制要求：

預(yù)熱方式

預(yù)熱時間t1在1分鐘左右輸送ＰＣＢ板的速度1.2m/min,預(yù)熱長度要保障1.2M以上；為保障預(yù)熱的熱穩(wěn)定性預(yù)熱結(jié)構(gòu)必須采用封閉式的結(jié)構(gòu)，預(yù)熱方式建議采用：１）熱風(fēng)預(yù)熱方式；２）遠(yuǎn)紅外線發(fā)熱管方式；３）陶瓷發(fā)熱管（或不銹鋼發(fā)熱管）　。從國內(nèi)外設(shè)備廠研制的波峰焊及客戶使用分析，采用第２種遠(yuǎn)紅外線發(fā)熱管方式比較理想，因為發(fā)熱原理是一種紅外線輻射，可提高熱效率，如果在發(fā)熱管上部再覆蓋耐高溫陶瓷玻璃，效果會更佳，安全可靠，避免松香滴落在發(fā)熱管上，日東公司生產(chǎn)的設(shè)備已有２０００臺使用此種方式（自１９９８年），特別是針對無鉛波峰焊又開發(fā)一種新的控制方式：PID+模擬量調(diào)壓方式，解決傳統(tǒng)ＯＮ－ＯＦＦ控制方式對溫度的沖擊，達(dá)到較佳的預(yù)熱曲線，保證預(yù)熱區(qū)與焊接取的溫度下降值在５0度以內(nèi)。如果預(yù)熱區(qū)分成２溫區(qū)或３溫區(qū)長度1.6M，焊接預(yù)熱工藝將靈活。當(dāng)然針對某些產(chǎn)品適合用熱風(fēng)預(yù)熱方式。

錫爐噴口

????要克服無鉛焊料潤濕性（鋪展能力）差給焊接帶來的缺陷，需要４秒以上的浸錫時間，如果采用雙波峰焊接，兩波峰之間的最低溫度要在２００0度以上錫爐噴口結(jié)構(gòu)必須能達(dá)到符合以上的溫度曲線，設(shè)備廠家通過加寬噴口設(shè)計，減少兩波峰間距來實現(xiàn)。　　　
???? 由于高Sn含量的無鉛焊料更易氧化，另外無鉛焊料的成本較高，控制錫氧化物生成量是焊接設(shè)備廠家必須考慮的問題，一些國內(nèi)外的廠家已推出新的波峰噴口結(jié)構(gòu)，氧化物生成量同過去相比減少一倍，日東公司在日本松下公司的協(xié)助下推出的無搖動雙波峰噴口結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用到包括松下公司在內(nèi)的眾多日本公司及國內(nèi)知名公司，并得到客戶的認(rèn)可。

腐蝕性

????無鉛焊料的高Sn含量,在高溫下對Fe有佷強的溶解能力，傳統(tǒng)的波峰焊焊料槽及噴口大多數(shù)采用不銹鋼材料，從而發(fā)生溶解反應(yīng)，隨著時間的推移，最終導(dǎo)致部件的溶蝕損壞，特別是噴口及葉輪部件。現(xiàn)在國外大多數(shù)廠家的焊錫槽采用鑄鐵并鍍防護(hù)層，國內(nèi)大多數(shù)廠家采用鈦合金材料。

氧 化

同Sn-Pb合金焊料相比，高Sn含量的無鉛焊料在高溫焊接中更容易氧化，從而在錫爐液面形成氧化物殘渣（SnO2），過多的氧化物不但影響焊接品質(zhì)，而且使焊料成本浪費，尤其是對現(xiàn)在昂貴的無鉛焊料。多數(shù)設(shè)備廠家采用改善錫爐噴口結(jié)構(gòu)來減少氧化物，例如上面提到的日東公司的新款噴口。當(dāng)然最好的對策是加氮氣保護(hù)，氮氣保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備前期投入較大，如果從長遠(yuǎn)利益考慮是合理的。國內(nèi)外佷多設(shè)備廠家都已推出氮氣保護(hù)的波峰焊，技術(shù)已成熟。

焊后急冷卻

在無鉛焊接工藝應(yīng)用,通孔基板的波峰焊接時常常會發(fā)生"剝離"缺陷（Lift-off,或Fillet lifting）,產(chǎn)生的原因在于冷卻過程中，焊料合金的冷卻速率與印刷電路板的冷卻速率不同所致。無鉛化推廣前期，無鉛焊料與鍍有Sn-Pb的元器件會有一段時間共存，如果采用的是含Bi無鉛焊料此種現(xiàn)象更為突出，解決對策是在波峰焊出出口處加冷卻系統(tǒng)，至于冷卻方式及冷卻速率的要求要根據(jù)具體情況而定，因為冷卻速率超過60度/SEC.設(shè)備冷卻系統(tǒng)要采用冷源方式，大多數(shù)采用冷水機或冷風(fēng)機，國外的研究有提到用冷液方式，可達(dá)到200Ｃ/SEC.以上的冷卻效果，成本非常高，對于大規(guī)模電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家是無法承受的，屬于早期實驗，真正被推廣應(yīng)用的，在日本大多數(shù)廠家采用全無鉛化方案（焊料/元器件/基板等全部無鉛化），設(shè)備冷卻結(jié)構(gòu)采用強制自然風(fēng)冷卻，日東公司在給日本松下提供的波峰焊設(shè)備是采用的此種結(jié)構(gòu)，對于國內(nèi)電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家，建議采用Sn-Ag-Cu合金或Sn-Cu合金的焊料，快速冷卻速率控制在6~80度/SEC.或8~120度/SEC.,冷卻方式采用自然風(fēng)強制冷卻或帶冷水機冷源的方式。

助焊劑

無鉛焊料的特殊性,在焊接工藝中必須是對應(yīng)的助焊劑相匹配,基于環(huán)保的考慮,醇類溶劑的降低使用,逐步推廣VOC-FREE環(huán)保助焊劑 .

由于無鉛焊料潤濕性差,克服焊接缺陷在佷大程度上要通過助焊劑成分及噴霧方式來改變,傳統(tǒng)的發(fā)泡是噴霧結(jié)構(gòu)已不適應(yīng)現(xiàn)在的工藝, 噴霧結(jié)構(gòu)一些設(shè)備廠家經(jīng)過改良,一些廠家噴霧移動采用步進(jìn)馬達(dá)方式,助焊劑供給采用衡壓系統(tǒng) ,強力抽風(fēng)過濾系統(tǒng),目的是使噴霧效果均勻,降低揮發(fā)性物質(zhì)的排放量.

控 制

控制系統(tǒng)發(fā)展的方向主要是數(shù)字化控制及管理。

控制系統(tǒng)除了要求對運輸速度、助焊劑涂敷均勻度、預(yù)熱溫度,錫爐溫度、冷卻速度等精確控制外,還應(yīng)該對生產(chǎn)過程中所有的工藝參數(shù)（運輸速度；助焊劑涂敷厚度、濃度、寬度、角度；預(yù)熱溫度；錫爐溫度；冷卻速度；氮氣濃度等）均實現(xiàn)數(shù)字化控制，便于參數(shù)的重復(fù)利用。我公司推出的SA系列及CN系列波峰焊均以數(shù)字化控制為核心目標(biāo)，采用人機界面或工業(yè)控制計算機對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控,不但能監(jiān)控、PCB參數(shù)、機器參數(shù)、PID參數(shù)、溫度參數(shù),還支持參數(shù)設(shè)定、打開、保存,方便參數(shù)的重復(fù)利用，最大限度的減少機種更換時調(diào)整參數(shù)的時間。在全電腦控制的機型上,隨機自帶了無鉛焊接非常關(guān)心的溫度曲線測試及分析功能,能測試并分析3條溫度曲線的預(yù)熱時間,預(yù)熱斜率,預(yù)熱溫度，波峰1時間,波峰2時間,波峰1溫度,波峰2溫度,跌落時間,跌落溫度,冷卻時間,冷卻斜率,超出時間等,并支持溫度曲線測試、打印功能,無鉛焊接所關(guān)心的所有參數(shù)都能一目了然。

控制系統(tǒng)發(fā)展的另一個方向是客戶成本概念。

客戶成本是指客戶在生產(chǎn)過程中生產(chǎn)一定數(shù)量的產(chǎn)品所消耗的材料，時間，能源等。日東公司的產(chǎn)品一直遵循最大限度降低客戶成本原則，從助焊劑消耗，焊錫氧化量減少，電量損耗，氮氣損耗等方面進(jìn)行綜合控制，達(dá)到節(jié)約客戶成本的目的。 無論生產(chǎn)焊料的廠家，還是生產(chǎn)設(shè)備的廠家，推出的產(chǎn)品既要符合焊接工藝又要兼顧最終用戶的成本投入，隨著技術(shù)的發(fā)展，無鉛焊接工藝會逐步走向成熟，

日東公司通過與日本松下株式會社的合作，針對上述特性開發(fā)出適合無鉛要求的專用型雙波峰焊機SA系列, CN系列(氮氣型)，并已被松下、SONY、東芝、先鋒、SANYO、嘉財 、EMERSON ASTEC等日本公司及國內(nèi)外知名公司所采用.技術(shù)方面已達(dá)到國際水平，并銷往國際市場。