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无铅手工焊接——结束噩梦
2006-08-15    Peter Biocca    EMSNow    点击: 7918
无铅手工焊接——结束噩梦

过渡时期的问题似乎多数都出在手工焊接上

随着各公司纷纷向无铅装配过渡,一定量的手工焊接将始终存在。去年来自Tech Search International的一篇文章曾提到过在广泛使用无铅的亚洲,相对于无铅SMT(表面贴装技术)或波峰焊接,手工焊接问题更加突出。

Kester最近几个月里接到了无数个关于无铅手工焊接的电话。事实上,大多提问的电话和希望通过Kester大学进行培训的请求都与无铅手工焊接和返工相关。许多情况下,装配工使用了来自不同焊料供应商的原料,但所有情况下都会发生类似的问题。通常并不仅仅是原料上的问题。

我们不建议操作人员在星期五使用含铅焊料进行焊接,而星期一上午又转换为无铅。尽管这似乎很好理解,但一些装配工已试过这样做,而在转换为无铅手工焊接后仅几个小时就出现了生产线中断。这时操作员会抱怨,可靠性会降低,还会出现不良的接点质量。这可能是生产工程师的噩梦,但若重新回顾一下基本的手工焊接概念、在转换前后操作员运用了转换前的某些经验、并且经过充分培训后就不会出现这种情况了。

以下是装配工人常常询问到的有关无铅焊料手工焊接的一些问题。实际上这些还是Kester大学进行无铅手工焊接现场审核时提及的一些问题。

适应无铅手工焊接的合金和助焊剂有哪些?
无铅焊料的限制因素或许是其在焊线内的可用性;一些合金不容易引入焊线,锡铋焊料即是如此。

此时用来制成焊线的最普遍的合金是锡银铜和锡铜合金。它正好在此时为行业提供了补充,而68%的SMT装配工和50%的波峰装配工都选择了锡银铜(SAC)焊料。在波峰焊接中,由于无铅锡棒的昂贵费用,他们中的20%选择了锡铜(SnCu)合金。因而这两种合金可提供手工装配中使用的焊线。

SAC和SnCu焊料间主要的不同点在于其熔点;其熔化温度分别为约217摄氏度和227摄氏度。从焊接性能上看,SAC较SnCu焊料更容易润湿,从而也更容易流动,而其它的所有特性基本相同。

SAC和SnCu焊料都可提供免清洗、水洗和松香焊剂配方。免洗配方占总焊线使用的85%以上,而水洗配方小于15%,松香焊剂配方则少于5%。这些数字适用于北美地区。在全球其它地区,免洗配方最为普遍。

选择一条良好的无铅焊线的关键变量是什么?
到目前为止,焊线的焊剂含量将是决定润湿效果的关键因素。

在润湿平衡(Wetting Balance)法测试中,利用类似条件进行对比时,诸如SAC、SnCu的无铅焊料和更高温度选项的锡锑SnSb较63/37润湿稍慢。

按重量计算,无铅焊线应至少含有2%的焊剂。含铅焊料具备较低的焊剂百分比,低至1%(wt/wt);这一低焊剂量不适用于无铅。

  焊线内典型的通量分布中,焊剂密度接近于1 g/cc;因而这一量在横截面中更为明显。有时会用到多重中心,但无铅焊接时使用的比例通常是2%或3%。较少的焊剂会导致焊接过程中出现更多难题。

若润湿仍过于迟缓,可在焊线内试用3%的焊剂,但这将导致产生更多的残渣,免洗设备中便不一定能保持美观了。由于可能出现施用过量的问题,使用塑料挤瓶添加焊剂的做法通常不可取。这种做法不可用于免洗应用。

另一个重点是确保焊剂是专为无铅应用设计,从而其应能经受更高的焊接头温度而不至于焦化、飞溅和分裂。在使用更高的焊接头温度时,一些焊剂比较容易冒烟。

在选择一种焊线时,确保观察其焊剂的IPC分类。许多符合ROL0分类的免清洗焊剂表示其基于松香、活性低且无卤素。这些是IPC规范中最为可靠的焊剂,其通过了SIR和腐蚀性测试。在使用无铅焊剂时有一个倾向是利用更高的活性来补足减少的润湿;这种方法有时并不可取。

水洗型焊剂通常被归为ORH1类,它将更为有效并更完美地用于无铅焊接。但是建议须确保残渣仍能以热水完全去除;并进行离子污染测试。若水洗后仍有离子污染物残留,应确保改变清洗处理,诸如延长周期时间、增加水温或更换清洗剂等。

SAC和SnCu润湿平衡测试所做的对比性研究显示,在使用同一焊剂类型的情况下,在要求时间内实现最大程度润湿的性能方面,SAC胜过SnCu焊料。在SnCu焊料掺杂镍、钴或其它添加剂时结果亦如此。

在选择一种合金时,确定将装配部件的总体可焊性是很重要的。若部件的老化、氧化程度较高、手工处理的SAC焊料也许是更好的选择。

无铅手工装配焊料相关的主要变化有哪些?
在使用同一焊剂活化标准时,无铅焊料的流动性较63/37稍为缓慢。接触角稍大,因而较少主张逐渐减少焊料量。此焊点较之63/37焊料趋向于具备较小的反射性。在完成向无铅的完全过渡前须进行一些再培训。

在一些情形下会出现如IPC-STD-610D第5部分中所述的某些收缩作用。IPC-610将这些情形定为焊接异常,而不一定是缺陷。

如上述文件的5至22页中所述,若可见破裂底部、收缩孔不与铅、焊盘或焊壁相接触,1、2、3类都非缺陷。以下照片是取自Kester实验室的范例。


无铅SAC和SnCu的最佳焊接头温度是多少?

焊接头温度或接触温度对于减轻无铅手工焊接的操作难度十分重要。当使用63/37焊料时,使用低温650华氏度,但使用无铅焊料时,最佳温度为700至800华氏度。较高的温度的确能弥补这些无铅合金所展示出的较为缓慢的润湿。

在高于800华氏度的温度下,可能发生板和构件损害方面的问题;而较低的温度下,冷焊点和萎缩等又是常见的问题。
 
                  
                 

更高温度和与被焊接部件更长时间的接触也可能增加金属化合物的结合层。从而不建议延长接触时间和重复返工。上图表显示了随着结合层的厚度增加,脆化现象发生的机率就更大。

更高温度会导致反润湿机率的增加。

无铅焊料焊接过程中使用怎样的焊接头?
要求使用无铅焊接头,同样重要的是选择焊接头的设计。
无铅工艺较为严格,使用正确的焊接头对于防止缺陷大有帮助。

选择具备足够热传递能力的焊接头。针尖头不可用于所有应用中,一些情况下诸如凿型头能最佳地传递足够的热量至被焊接部件。
正确的焊接头选择标准范例请见下图表。



无铅焊料焊接过程中的焊接头寿命如何?
使用无铅焊料时焊接头寿命将减少,因而选择真正是为无铅焊接设计的焊接头十分重要。许多焊接头仅涂有无铅焊料,而铁镀层与传统的焊接头无异。高锡焊料易溶解铁,而这会减少焊接头的寿命。一些装配工报告了焊接头寿命的重大缩减,例如,一位制造商报告以63/37进行焊接时,焊接头可使用3个月,而以无铅焊料焊接时,其寿命仅为3周。

并非所有焊接头的溶解性都相同,因而一个良好的习惯做法是仔细选择焊接头并询问更多有关兼容性的信息。

            
   

3周后的无铅焊接头故障    典型无铅焊接头横截面,焊料为无铅
        
如何获得良好的无铅手工焊接工艺以减轻无铅焊接的操作难度?
在Tech Search International2004年12月发布的无铅最新信息中的一项新近研究发现,手工焊接相对于无铅波峰焊接和SMT要更难实现。

原因可能是手工焊接比回流和波峰焊接更依赖于操作人员,且无铅焊料中的表面张力也稍一些。相对于63/37,其润湿或伸展也都较为缓慢。

减少操作员问题、防止焊接工艺中适当润湿最优化的减少是关键。为了避免出现问题,在焊线中使用重量占2%至3%的焊剂含量,将焊接头温度设为700至800华氏度。而且,锡银铜(SAC)焊料比锡铜(SnCu)焊料更加易于流动。

无铅手工焊接遇见的主要问题是冷焊点、不良润湿、萎缩和反润湿。这些都可以避免。

可按以下方法一步步地进行工艺过渡:
——确保焊接头是为无铅而设计
——确保温度设定为700至800华氏度
——确保焊线中焊剂含量的重量至少占2%
——使用具有最长寿命的LF焊接头
——使用正确的焊接头
——确保使用被选焊剂时部件易于焊接
——避免接触时间过长
——避免不必要的焊点返工
——避免使用另外的液体焊剂

可能出现怎样的缺陷和问题?如何避免?

报告与无铅相关的普遍问题有:
——焊点不平滑
——冷焊点
——反润湿
——萎缩
——不良润湿和灯芯效应
——助焊剂焦化和残渣颜色变暗
——残渣清洗困难

焊点不平滑的原因可能是焊接头温度过高导致出现未接合的金属溶解物。

冷焊点出现的原因可能有几点:例如焊接头温度过低、焊剂强度不够或焊线中焊剂不足。

反润湿出现的原因可能是焊接头接触时间延长,从而使得电镀金属熔化并暴露出难焊表面。过高温度也会导致这个问题。

使用过高焊接头温度或焊线内焊剂量过少都会导致萎缩。也可能由于焊剂活性较低,铁头的接触时间延长使其无效。

焊剂、尤其是使用了可水洗焊剂的地方发生焦化导致免洗和清洗困难的原因可能由于焊接温度过高或焊剂未良好地设计来适用于无铅所需的较高温度。避免延长时间的接触和使用更低焊接温度可减轻这种状况。

我在使用无铅焊线时,我的烙铁头焦化、变黑和反润湿了,我该怎么办?
并非所有焊剂都完全相同,从热性能上看,一些焊剂不能经受无铅焊料使用的较高焊接温度。最近来自OK国际的一个视频剪接便很好地证明了这一点,其对两条焊线进行了对比,而这被称做"黑头症状"。热稳定性较差的焊剂使焊接头变黑,并使重新镀锡变得更为困难。

"黑头症状"一旦出现,传热的减少使无铅手工焊接变得困难,焊接头寿命减少、焊接头成本增加、操作员的挫败感上升、可靠性降低等问题都会随之出现。

合适的焊剂选择,使用无铅焊接头和对操作员进行无铅手工焊接工艺培训等将避免这些成本支出。帮助避免这些问题的重点如下。
——使用带无铅设计的焊剂的无铅焊线
——避免使用过高温度
——若使用了烙铁头保护膏,以干净海绵擦去多余的保护膏
——勿用应力来补偿润湿的不足
——使用正确形状的焊接头
——使用正确的线直径
——隔离无铅和含铅工作区
——确认无铅烙铁和工作点
——对所有操作员进行培训

这些就是使用无铅装配的客户询问过的一些问题。进行适当的培训对于避免手工焊接工艺的重大问题大有帮助。

尽管此工艺对操作员比较有依赖性,使用上述的技巧能使操作员和工程师手工焊接的困难程度大减。因而,维持与他们所习惯的含铅焊接相同程度的可靠性是十分可行的,同时再无不良焊点或生产产量降低的噩梦。




关于作者:
Peter Biocca是位于伊利诺斯州Plaines的Kester的高级市场拓展工程师。他是一位化学家,在焊接科技领域拥有24年的经验。他在世界各地提出了有关工艺最优化和装配的问题。他在无铅领域已投入9年多的时间。

他还参与了众多公会,并成功支持了许多公司实施其无铅工艺。他是IPC、SMTA(表面安装技术协会)和ASM的积极成员。他在全球发表了许多技术论文。他还是一位经认证的SMT工艺工程师。

可发邮件至pbiocca@kester.com联系Peter Biocca

责任编辑: skylee
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