无铅焊接：实施无铅制造

本文将描述怎样开始无铅生产、检测工艺过程和对整个工艺作必要的改变...。

无铅制造(Lead-Free Manufacturing)

　　  对于一个无铅工艺，必须着手几种考虑，必须建立一定的条件。首先，一些设备选项和不同的材料可以改进工艺，这些必须在开始无铅焊接之前准备好。例如，在波峰焊接中，焊锡必须更换。

　　  其次，开始无铅工艺要求一个好的计划，关键问题必须提出，如“我们可能遇到什么焊接缺陷？”“接受与拒绝的标准是什么？”和“在焊锡中允许什么水平的污染？”

回流焊接设备(Reflow Soldering Equipment)

　　助焊剂流动管理
　　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。由于较高的温度与不同的锡膏化学成分，在焊接期间，不同的残留物将蒸发。为了以较低的维护停机时间保持机器的清洁，将需要一个适当的助焊剂流动管理系统。该系统必须在开始无铅回流焊接工艺之前安装与测试(图一)。

图一、助焊剂流动的管理防止污染进入冷却区

　　受控的冷却达到优化的温度曲线
　　在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、晶粒结构和板的出来温度都可以得到界定。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。该系统通过再循环蒸馏水和丙二醇的混合物来冷却。这种环境友好的混合物不要求频繁的更换。

　　板的处理
　　由于在炉中较高的温度，板倾向于翘曲。可以在炉内安装板的支撑来保持板更平整，结果减少缺陷。

波峰焊接材料与设备(Wave Soldering Materials and Equipment)

　　预热优化
　　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。助焊剂类型将决定哪一种预热配置最适合于该工艺。如果使用水作为助焊剂溶剂，那么推荐用一种石英棒加热器在第一预热区来迅速将板加热。在第二与第三区，可以用一种强制对流加热模块来在PCB进入波峰之前将水从助焊剂中蒸发出去。

　　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。(图二)

图二、灵活的预热设定优化工艺

　　焊锡更换
　　以无铅合金替换锡/铅合金要求不只是排放和重新充满焊锡锅。所有铅都必须完全地从焊锡锅中清除。任何留下的铅的残留物都将污染无铅合金，从而超出规格范围。考虑到最大允许的含铅量不超过0.2%。改变合金的时候必须小心。

　　焊锡换掉的程序必须严格遵守。首先，锡锅中的所有锡/铅焊锡必须排放干净。可用收集箱来收集焊锡。因为多数锡锅都是设计有专门的容室来帮助维持稳定的焊锡波，这种工作是相当困难的和劳动强度大。

　　一旦锡锅变空了，必须以纯锡装填。锡锅，包括所有辅助零件与表面，必须用锡彻底冲刷。之后，将锡排放出来。最后，可以熔化无铅焊锡。

　　系统的控制软件也必须调整，以防止对叶轮的任何损害。特别是，叶轮的起动温度必须提高，否则在焊锡没有完全熔化的时候叶轮就可能会转动。

　　另一种做法是用一个新的锡锅来替代锡/铅的锡锅。交换锡锅的一个优点是，锡铅的锡锅还可以交换回来，作为失控行动计划的一部分。还有，锡铅的锡锅还留着用于非无铅焊接的产品。

　　材料兼容性
　　还没有什么发表的东西，谈到有关无铅的实际经验，与新型无铅合金材料兼容性的有关的专门问题，这些问题有时更加进取。目前我们所了解到的是，由于无铅合金的高锡含量，象经常用于锡锅零件的不锈钢304再不能使用了，因为这些零件在无铅生产几个月后就会损坏。

　　焊接机器的零件可能不得不转向一种更加抗腐蚀的不锈钢316。这种材料足以可靠地用于焊接速率低的那些锡锅零件。对其它零件，可在SS 316和叶轮上使用用一种专门抗腐蚀涂层(图三)。不是用钛，而是用不锈钢做那些极端条件的零件，部分原因是钛的成本很高，而且用钛制造这些特殊零件要求很高的技术水平。

图三、叶轮的比较：左边一个半年生产后的有锡铜焊锡的叶轮
右边一个专门涂敷的叶轮

　　这种防腐蚀涂层是首选的，而不是一种陶瓷涂层，由于其优越的硬度(± 2000 Vickers)。不象陶瓷涂层，这种专门的涂层不会由于偶尔的不小心维护而损坏。另一个优点是，由于这种涂层光滑的表面，焊锡不粘附到金属，这使得任何有涂层的零件都非常容易清洁。

　　对于锡锅本身，使用钢，因为其优越的导热性。一种阻热涂层防止铁熔进焊锡中。我们注意到，铁在无铅合金中的熔化速率决定于下列因素：

使用的材料

使用的无铅合金

焊锡的温度

焊锡的速度

污染水平

　　象在传统的锡/铅焊接工艺中一样，许多金属将溶解在无铅合金中。这个溶解速度决定于基质材料、焊锡成分、焊锡温度和焊锡流动速度。一种特殊金属的溶解速率较低，如果该金属已经出现在无铅焊锡中。对于无铅焊锡，三个主要的污染是铅、铜和铁。

　　铅的污染
　　在今后几年期间，将使用无铅韩锡，但是对元件和板的表面涂层是含铅的。结果，含有铋的任何无铅合金都将从表面涂层中吸收铅，造成焊锡的不同熔点。

图四、被1.5%的铅污染的锡/银焊锡的结果

　　另一个例子，图四显示一种受1.5%铅污染的锡/银合金。特别是，原来合金的179°C的熔点提高到“新的”锡/铅/银合金的218-211°C范围。

　　铜的污染
　　高锡合金比低锡合金更迅速地吸收铜，在无铅合金中的铜数量决定多少铜将被溶解。从锡/铅工艺，我们知道0.2%或更高的铜含量造成诸如锡桥增加的问题。在锡/铅中最大允许的铜污染一般规定为0.3%。

　　这个0.3%也是在一些对锡/银合金的现在规定中最大的。在锡/银合金中的高锡含量(96.5%)造成在生产期间铜含量水平的相当迅速的增加，特别是在有无数铜焊盘的板上。一些工艺在四五个月后将超出规格。在锡/铅波峰焊接中，我们可以从锡/铅中分离出铜，将它去掉。不幸地是，在无铅焊接中，我们必须更换焊锡。

　　对于锡/银/铜合金，情况就不同了。首先，这种合金已经含有铜，因此铜的吸取较慢。其次，试验已经显示含有1%或更多铜的锡/银/铜合金不再吸取铜。铜稳定在1%的水平。

　　铁的污染
　　铁在锡/铅中的溶解速度慢。与无铅合金，数量大约是高于10倍的因素。例如，在一个工厂中，锡/银/铋/锑焊锡的污染在一年中为0.002%的铁。

　　一般，两种无铅波峰焊接工艺涉及污染。首先，使用无铅焊锡的一些公司会经常检查合金的化学成分。在大约一年之后，它们发现污染多少稳定了。如果金属水平还在其规格之内，控制数量的间隔时间将增加。

　　相比之下，其它工艺对焊锡污染有真正的关注。一些使用锡/银合金焊接，这种合金对吸取铜非常敏感。持续地超出规格运行将会让这些公司寻找替代品。

　　剩下的问题还有，允许什么污染水平？因为，合金化学成分的改变，熔点将漂移，熔化范围将增加。有时，会出现在焊锡内的不同合金的新熔点(图四)。

焊接缺陷(Soldering Defects)

　　在无铅焊接中，会发生一些特使的缺陷，诸如焊脚提起(fillet lifting)和锡须(tin whisker)。但其它缺陷，如焊点中的空洞，也似乎比锡铅工艺中发生的多。到今天为止，没有对无铅焊接点内缺陷的国际标准，这使得定义什么可接受更加困难。

　　焊脚升起
　　焊脚升起是在冷却阶段，焊接圆脚从电镀通孔(PTH, plated through hole)周围铜焊盘的一种分离。焊脚升起的主要原因是合金化合物、铜焊盘、板厚度与板材料的温度膨胀系数(CTE, coefficient of thermal expasion)的不匹配。焊脚升起发生在含铋合金与铅污染结合的时候。但是焊脚升起也在其它合金如锡/铜上观察到。虽然可以预计焊接点的可靠性降低，但是在大多数情况中温度循环试验还显示是好的。锡/银/铋/锑焊点强度非常好，而且显示温度循环次数高。因此，加上没有无铅焊接电子装配的标准，许多的公司在其产品上接受焊脚升起。

　　空洞
　　在无铅焊接工艺中发生的空洞数量在增加，特别是当使用水基无VOC助焊剂时。空洞的直径范围从10µm - 1 mm。一般，多空不影响焊接点的可靠性。可是，大的空洞可能降低抗裂强度。空洞可能降低互连线路的导电与导热性能，造成热失效。

　　空洞形成的原因有许多。空洞可能是固化期间焊锡收缩的结果。在焊接期间电镀通孔的排气可能会在焊锡中产生空洞。另外，空洞可能是焊接点湿润不够的结果。

　　锡须
　　纯锡表面容易受到自然晶体增长的攻击。这些晶体(锡须)可有0.1-5µm的直径，可增长到几毫米长。锡须可以在电镀之后或甚至在几年之后开始增长。由于其尺寸和不同的形状，锡须可能造成短路。

　　锡须增长取决于温度与湿度。关键的温度是在50°C以上，相对湿度50%。

　　为了避免锡须，在焊接工艺中引入的温度应力应该尽可能低；这也是采用直线升温回流曲线的另一个理由。还有，锡的含量是很重要的；锡纯度水平越高，形成锡须的机会就越大。

生产的开始(Production Start-up)

　　在有任何数据可以分析之前，必须要作测量。这些程序对机器的特征化和校准是重要的。需要收集好的数据，以获得有用的分析。你可以区分变量(有单位的测量数据)和特性(计数的数据)。

　　回流焊接
　　回流工艺中的变量包括机器和数据记录参数。机器参数包括传送带速度、加热区温度、冷却单元的温度和水温度区。

　　数据记录参数包括到达参考温度的时间、参考温度以上的时间、平均温度、最小坡度、最大坡度、平均坡度、最低温度、最高温度、和到达最高温度的时间。特征是指焊接缺陷，如空洞、跳焊、锡球、锡桥和元件竖立。

　　提高合格率和降低机器停机时间是在无铅焊接引入之后必须达到的目标。在开始无铅工艺之后，要努力建立一个可重复测量的工艺，一个合理计算工艺能力(Cp, process capability)值的方法和一个使用该数据校准机器的方法。

　　对于大多数公司，6σ是一个“不可思议的”词。这6σ等于2的Cp值；0.002的每百万零件(ppm, parts per million)缺陷数。在统计上，如果Cp=1，一个工艺是有能力的。可是，这个Cp值相当于2700ppm的缺陷水平。因为这个数字相当高，其它一些公司考虑Cp=1.33作为目标值。这个数字相当于64ppm的缺陷水平。

　　回流机器的校准
　　一个可靠的校准程序要求测量一块合适的PCB。例如，FR-4板是不应该用作校准测量的，因为玻璃态转化温度(Tg)值将在几次运行之后下降；并且这些板由于无铅中的温度高得多而会翘曲。还有，在多次回流循环之后可能发生脱层。

　　结果，安装在FR-4校准板上的热电偶可能松脱，测量的是气体温度，而不是板的材料温度。从炉堂中通过的作曲线用的传感器设备可得到更可靠的结果与较好的数据。用于校准工艺的所有工具本身都必须定期校准。

　　热电偶
　　不要使用高温胶带来连接热电偶。用Kapton胶带连接的热电偶有±5°C的精度，非常依靠操作员的技术。高温焊锡或树脂得到更持续一致的结果和±1°C的精度。

　　波峰焊接
　　在波峰焊接中，在机器和数据记录参数之间存在一个重要区别。机器参数包括传送带速度、预热器温度和焊接温度。数据记录参数包括温度坡度(最大与最小)、平均坡度、最高温度、波峰上的ΔT、驻留时间(对片波与主波)、接触长度、与波峰的平行度和在锡波中的浸入深度。

　　为了验证助焊剂的数量，必须定义一个程序。特性包括焊接缺陷，如空洞、跳锡、通孔填充、焊脚升起、锡球、锡桥、元件竖立和焊锡过多。

　　波峰焊机的校准
　　在回流焊接中使用的相同的统计方法可以用与波峰焊接。校准必须用设计用于波峰焊接的设备来进行。有商业上可购买到的工具可以测量接触时间和预热温度曲线。还有，助焊剂性能可以用水敏纸或玻璃板来检查。一些制造商宁可一种更准确的验证方法，并在一个非常精密的天平上测量使用的干助焊剂的数量。