00102焊接工艺技术汇编02无铅焊接如何确定工艺

1、无铅焊接：如何确定工艺 by gerjan diepstraten本文将研究确定什么参数对无铅焊接有最大和最小影响的方法。目的是要建立一个质量和可重复性受控的无铅工艺.。开发一套有效的方法既然生产线中的无铅焊接即将来临，那么我们应该开发出一套有效的方法，来决定正确的工艺设定。无铅焊接不仅仅是以另一种合金来取代一种合金，不存在“插入式”的取代。一种新材料的引入影响着整个工艺，因此，所有机器设定都必须再检查。在回流焊接中，目标是要满足或再现锡膏的正确设定，保持在元件和电路板材料的规格之内。我们面临的挑战是使用现在生产中使用的机器并保持现有的产量，来达到这个目标。为了实现这个目标，机器应该具有良好的

2、热传导特性和均匀性(板上的温度差别小)。大多数今天的热风/氮气对流炉能够焊接无铅合金。可是，红外灯的炉子将很可能需要取代，因为板上的加热均匀性能差和温度差别大。对于波峰焊接工艺，转变到无铅也将影响大多数机器参数。对于这个工艺，目标是在与无挥发性有机化合物(voc, volatile organic compound)的水基助焊剂的结合中实施无铅合金(消除卤化阻燃剂)，而不减低生产率或产量。我们必须设计一个适当的试验来决定是否计划中的生产设备可以接纳转换到无铅焊接的目标。doe(design of experiment, 试验设计方法)，特别是 taguchi方法，提供一个调查设备能力的有效方法

3、。通过学习和使用该技术，可以大大减少试验研究所要求的时间。设计一个有效的试验taguchi试验优化产品/设备的设计，以最经济的方式使得性能对变量的不同原因敏感性最小，而不实际上消除这些原因。包括了研究开发、制造和运作的成本。taguchi试验是基于正态阵列，它减少试验运行的次数。一个 taguchi试验的设计是非常重要的，因为结果的质量取决于一个适当的准备。这个准备要求仔细的计划、审慎的试验布局和输出数据的专家分析。试验以一个集思广益的会议开始，邀请来自不同部门(设计、运作、品质和制造)的雇员参加。所有个人都应该对焊接有第一手资料。每个成员在所有必须由这个小组所作的选择中都有一个投票权。因此，

4、小组成员数量应该是奇数。小组的工作是列出问题。目标是要通过确定设计因素的最佳结合，以尽可能最高的品质和可能获得的最好性能实现无铅焊接。第一步是要列出控制因素，或者那些将对焊接品质有主要影响的参数，或者可以控制的输入。对于波峰焊接，控制因素的例子包括助焊剂数量、预热设定、传送带速度和焊锡温度。在回流焊接中，控制因素可能包括氮气的使用、传送带速度和保温与峰值区的温度设定。助焊剂类型和板的表面涂层是受控的输入因素的例子。如果在这些因素的有些之间出现相互影响，那么它们也应该列出。每个小组成员分别按照其对于影响输出品质的重要性的次序排列这些因素。噪音因素是那些影响变化、但又或者不可能控制或者控制成本太高

5、的工艺或产品因素。例子有板的质量、空气温度和湿度。当必须量化一个设计的稳定性时，这些因素可以集中到一个试验中，以一个所谓的外部阵列。现在，必须选择试验的方式。taguchi方法使用正交阵列，这些是可以用同时变化的因素填充的严格定义的矩阵。每个因素的每个级别按照每个因素级别的每个级别测试相同的次数。正交阵列和将选作试验的重复次数取决于成本、时间和现有的材料。有许多矩阵可用；例如，l4(2 3)，它代表4(次运行)、2(个级别)和 3(个因素)；l8(2 7)、l9(3 4)、l12(2 11)和几个 l18变量。现在选择运行次数(有正交阵列决定)和重复次数，变化因素的级别也必须定义。小组在这一步

6、应该大胆一点，因为在这类试验中的主要目的是要看到变化。如果品质差别没有看到，那么该小组还不够大胆，或者甚至更差，所选择的控制因素不能影响品质。品质特征和方法输出特征(反应数据)允许试验运行的结果被量化。这些特征将表示是否该产品按照品质规格焊接的，或者是否焊点质量差。对来自该工艺的焊接缺陷的 pareto分析可以提供在输出特征选择中的良好输入。可是，应该清楚，无铅焊接将有一些特殊的品质问题，如焊角升起、空洞和锡球。因为无铅焊接温度比锡/铅更接近于熔点，孔的填充和可靠性也必须量化。无铅焊接试验做一个实际的试验来显示 taguchi分析法可以怎样应用。对于这个试验，小组决定在一个基本的波峰焊接机上做

7、这个焊接，使用一个 l8阵列，重复三次运行(图一)。在外部阵列中，测试了两种助焊剂。这个试验结果总共 48次运行：八次对 l8运行，三次重复和两次对外部阵列(表一)。选择锡/银/铜(snagcu)合金来焊接。使用了两种无 voc的水基助焊剂，预热温度由助焊剂规格决定。波峰焊机装备有一个主波和一个"smart"波。smart波有一根六角形轴在波中转动，因此产生波上的紊流。其结果是较高的焊锡垂直力，提供更好的通孔渗透。图一、在波峰焊机内的测试 pcb使用了 1.6mm的 fr-4板。总共，装配了 14个插针连接器(280个插针，等于 280个潜在的锡桥)。输出特性在这个试验中，

8、研究了通孔渗透和插针之间的桥接问题。因为使用无铅合金的通孔填锡更加困难(图二)，应该将那些可以帮助焊锡流动到通孔顶部的变量进行量化。可能帮助这个响应因子的变量是接触时间、氮气、助焊剂、板面涂层和焊锡温度。焊锡温度限制到 265°c，以防止板的弯曲。图二、部分充满的通孔例子较早的试验显示，在桥接、助焊剂和预热设定之间的关系中，预热起主要的作用。太高的预热设定可能使助焊剂活性剂不稳定，因而造成在波峰出口处缺乏助焊剂，使得氧化物产生桥接。为了避免这种情况，不能超过如助焊剂供应商所规定的板顶面最高温度。分析数据在表二中列出了填充差的通孔数量。使用助焊剂 a的第七次运行得出最好的结果，4,00

9、0多个通孔中只有四个对 snagcu焊锡的填充效果差。表二、通孔渗透结果因素外部矩阵运行abcdefg助焊剂a助焊剂b锡锅温度氮气接触时间smart波预热温度助焊剂数量板面涂层abcabc111111112623202271211122225182838607131221122910304104122221187585136293852121212580338026621221217011836722112214005141782212112728677617979表三、锡桥的结果因素外部矩阵运行abcdefg助焊剂a助焊剂b锡锅温度氮气接触时间smart波预热温度助焊剂数量板面涂层abcab

10、c11111111000060211122220000003122112200058841222211023521061205212121200000062122121000000722112210000124822121128400700表三列出锡桥的数量。几次运行没有锡桥，而用助焊剂 b的第四次运行显示 278个插针有锡桥。通孔填充是用 anova软件进行评估的(表四)； 列显示各因素对通孔填充影响的百分比， 是根源贡献收益率( 等于根源纯变量 s' 除以标准偏差)。 表四、通孔渗透的anova分析结果根源df 根源自由度 fs 根源偏差 v 根源变量 1f 根源变化率 2s

11、9; 根源纯变量 3 ? (%)a锡锅温度1444411400.1b氮气11,7041,7044171,7004.3c接触时间12,2412,2415492,2375.7dsmart波17,7017,7011,8867,69719.6e预热温度144合并f助焊剂量110,50210,5022,57210,49826.8g板面涂层12,5812,5816322,5776.6b助焊剂类型14944941214901.3e1主要错误76,6219462326,59216.8e2次要错误327,301228567,17118.3(e)合并1441920.5总计4739,1958341. v = s/f

12、, 2. f = v/ve, ve 是合并变量, 3. s' = s - ve x f 表五、锡桥的 anova 分析结果 根源df 根源自由度 fs 根源偏差 v 根源变量 1f 根源变化率 2s' 根源纯变量 3 ? (%)a锡锅温度11,6571,657201,5726b氮气12,2142,214262,1298.1c接触时间11,5191,519181,4345.4dsmart波11,3231,323161,2384.7e预热温度11,4081,408171,3235f助焊剂量11,4521,452171,3675.2g板面涂层11,5411,541181,4565.5

13、b助焊剂类型11,9251,925231,8407e1主要错误710,6421,5201810,04738.1e2次要错误322,72085 合并(e)合并12,720853,99515.1总计4726,4025621. v = s/f, 2. f = v/ve, ve 是合并变量, 3. s' = s - ve x f 助焊剂量对通孔填充有最大的影响。这个结论是有意义的，因为如果没有助焊剂在孔内，焊锡不会流进去。另一个有趣的结果是 smart波的影响几乎达到 20%。焊锡温度没有影响，可能由于差别太小(10°c，不够大胆)。anova软件也用于评估锡桥(表五)。列的值显示所

14、有因素都或多或少对锡桥有影响。正如所预计的，氮气和助焊剂是主要因素。如果没有强助焊剂出现，锡桥将出现在焊接表面氧化的地方。图三描述对通孔渗透的分析；数值越小越好。得到良好的通孔充锡的最佳设定是： a1/a2 -焊锡温度：没有最好，选择最经济的值 b1 -氮气，开 c2 -接触时间：4.3 秒 d1 - smart 波，开 e1/e2 -预热温度：没有最好，选择最经济的值 f2 -助焊剂量：较多助焊剂 g1 -板面涂层：有机可焊性保护(osp) n1 -助焊剂类型 a图四描述了锡桥分析；同样，越小越好。没有锡桥发生的最佳设定是： a2 -焊锡温度：265°c b1 -氮气，开 c1 -接触时间：2.3秒 d1 - smart波，开 e1 -预热温度：低 f2 -助焊剂量：较多 g2 -板面涂层：镍/金(niau) n1 -助焊剂类型 a 图四、锡桥的均值分析图三、通孔渗透的均值分析结论试验结果揭示，265°c是首选的焊锡温度。对 snagcu使用氮气是有意义的，因为它减少锡碴的形成，也减少焊接失效。最佳的结果在接触时间较长时得到。这样，通孔填充更好，除非板上的助焊剂不够，否则不发生锡桥。该试验也证明，smart波可以达到较好的焊接质量。预热温度是不太重要的，只要跟随规定。这个结果是一个优点，因为板上较大的温度差别不会对通孔充锡和锡桥