基础冶金学与波峰焊接趋势2

基础冶金学与波峰焊接趋势本文介绍，为了使波峰焊接在电子工业中完全被接受，冶金学者、工业与主管机构必须一起工作，进行广泛的研究。自从开始，波峰焊接一直在不断地进化。在焊接中涉及的基本冶金学原理已经被许多非冶金人士所忽视，他们为了寻找满足今天要求和更加环境友好的适当材料。为了决定与理解对波峰焊接工艺中被广泛接受的焊锡作“插入式”替代的理论基础，作一些研究是必要的。因此在这里有必要回顾一下基础的冶金学原理，开发和理解为将来建议使用的替代材料。波峰焊接的进化从二十年代到四十年代，连接是使用焊接烙铁连线方法。印刷电路板(PCB)的发展需要一个更加经济和稳健的形成焊接连接的方法。最早的大规模焊接概念是在英国的浸焊(dipsoldering)。在八十年代，开发出被称为波峰焊接的概念。这个方法今天还广泛使用，但是机器和操作员控制已经变得更好了。焊接的基础仍然是相同的。焊接形成只是变化来满足设备的要求；可是，化学成分和理论动力学还是基本的和简单的。附着方法基本上只需要助焊剂，热和焊锡，以形成冶金连接。助焊剂用来清洁需要焊接的、已被氧化的表面。加热去掉助焊剂载体和减少温度冲击，将增加的热量加给构成电路装配的非类似的材料。在一个装配上发现的材料包括：塑料、陶瓷、金属、涂料、化学品及其广泛不同的化学成分。大规模的波峰焊接的使用为元件的可焊性提出一个关注的问题，因为需要第一次就产生适当的连接，并在装配上不进行返修，今天的产品不如过去那些较不复杂装配那么宽容。需要第一次就正确形成的可靠焊接点来经受PCB所暴露的环境。在保证适当信号传输、消除串音和不可接受的垂直波比的同时，必须分析每一种情况中引发的温度与机械应力。1最早的浸焊方法有一些问题：很难重新产生所希望的合格率；将板放在熔化的焊锡上在底下夹住气体，干扰热传导与焊锡接触；焊锡只能熔湿(wet)到金属表面；锡渣(氧化物与燃烧的助焊剂的化合物)必须撇去，不断地阻碍生产2。这一整套问题导致波峰焊接的引入。该方法使用从锡锅升起的熔化焊锡波或大块表面来汇合PCB，然后PCB从波上传送过去。波峰焊接缩短一半以上的接触时间。传送带系统通常在一个角度上，因此当板通过波峰时，不会夹住任何东西在PCB下面。这样倾斜也允许熔化的焊锡脱落进入锡锅，减少相邻焊接点之间的桥接。因为熔化的金属是从熔化池表面之下泵出的，只有清洁、无氧化的金属引入装配。焊接动力学当产生一个焊接点时所发生的反应在原理上是基本的。焊锡合金加热到其液相线区域，以提高焊接点的熔湿(wetting)。氧化物从金属表面去掉，以保证焊接点与带有助焊剂的熔化焊锡之间的清洁接触。然后助焊剂预热从PCB去掉助焊剂溶剂(一般为水或酒精)。需要增加的热量来克服PCB与熔化焊锡池之间的温度差。加热PCB来补偿温差差，不对元件引起伤害。PCB有必要的暴露金属区域，从波峰上通过。焊锡以适当的接合与熔湿角度熔湿到金属。表面能量与接触角度决定熔化的焊锡对暴露金属的附着。如果固体的表面能量相当高于液态和固体/液态界面表面能量的总和，那么液态熔湿并流走。毛细管作用使焊锡达到PCB的圆形电镀孔的顶面。在一些系统中，氮气惰性化的焊接环境用来提高熔湿/毛细管作用。这些孔通常连接装配中等电路层，表明：1、液体在毛细管空间的上升高度随着表面分开减少而增加。2、进入焊点的流动速度随着表面分开的减少而减少。冶金学的因素对焊锡连接有重要的和经常是主要的影响3。熔化的焊锡在焊锡铅与加入形成连接的熔化焊锡之间形成金属间化合层。在冷却之后，保持焊接点。金属间化合的形成与增长直到连接冷却到可以处理，金属间化合层还在增长。增长速度是与在特定温度的时间的平方根和温度的指数成线性。这说明增长是通过交互原子向界面扩散来控制的。这个金属间化合层通常是1µm的Cu6Sn5。Cu来自于PCB的连接面，而Sn来自于焊锡合金。金属间化合物具有从金属与共价键的混合物升起的特性。这些键由于有高分子而强度高。因此，自扩散系数和更大的扩散控制特性的稳定性是强键结合和有序结构的结果4。这个接合对连接是好的，直到其增长完全支配焊接点的特性；这时，这样的焊点对装配就是有害的。焊接材料今天，波峰焊接工艺首选的合金是共晶(eutectic)合金：Sn63/Pb37，因为其价格与可获得的量。Sn提供连接的特性，而Pb是作为填充材料使用的。产量的增强要求使用快速固化的和可以在几秒钟内形成数百焊接点的材料。给共晶焊锡的普通名称是令人误解的。指定的组成成分不是真正的共晶成分。共晶成分按重量百分比是61.9%Sn，如图一所示。这个差异来自于早期对共晶成分的错误计算。更高Sn含量的合成物不能调节成本增加与电子装配性能改善之间的关系。只有当装配使用在腐蚀性环境时，成本才调节过来。在冶金学上，焊锡可看作是构成二元合金的纯金属的简单混合。其合金图是二元合金系统的典型图，适用于基本的冶金学原理。正如所料，当偏离共晶时，各种合金的特性是不同的。随着合金中Sn含量减少，液化温度增加、密度增加、硬度减少、温度膨胀系数(CTE)增加、温度与电气传导性减少。非共晶成分当考虑非共晶合金时，假设由α+共晶组成，从图二的扛杆定律支配比值。有实例证明，没有树枝状晶体出现的固化是可能的，整体的微结构符合共晶。合成物是一个平均的成分。怎样在非共晶合成物中获得共晶结构？固化的冷却速率快于转化动能。当超过固体可溶性极限的成分在室温下冷却时，α相的平均成分结核。转换固相的转化动能被固体转变远远超过。当室内空气冷却固溶体时，剩下的液体可能经历共晶反应，在室温下在非共晶成分中给出共晶微结构。当共晶成分的纯二元液体冷冻时，形成的固体平均成分与液体是一致的。据报道，在α片之前没有溶质集结和结构的集结，在β片之前溶质的耗损。这些溶质轮廓可产生结构过冷，尽管这个现象不是平面不稳性的充分条件5。在微结构中，有时使用名词微组元(microconstituent)是方便的，即，具有可确认和有特征结构的微结构元素。在图二中，主要微组元的颗粒结核，形成的共晶微组元的百分率大于焊锡合金当量条件。随着波峰焊接机器中的焊锡锅长时机运行，暴露给所有金属的焊锡可能具有与原来的不同的作用。氧化和金属间化合的形成随着时间改变着焊锡锅中的成分，也改变了特性。温度设定点必须改变和监测，以控制可能由于锡锅合金成分的冶金变化而出现的缺陷。无铅波峰焊接世界上，大约每年使用60,000吨的焊锡。虽然电子装配不是主要使用者，但还是有世界范围的日益增加的对减少铅使用的关注，由于其毒性和再生利用的处理不当6。转换到无铅不是被工业所广泛接受。在电子装配中消除铅的主要理由是机器操作员的环境暴露。锡渣副产品的处理可能对环境有严重影响，如果处理、运输、再生不当的话。如果不遵循适当的卫生要求，对铅的烟雾的呼吸和手工焊接时的直接接触也有重要影响。对要接受的无铅替代品，必须提供下列：有足够数量的来源与现有的工艺可兼容足够的熔化温度良好的焊点强度热和电的传导性类似Sn/Pb容易修理探非毒效性勿低成所本枯从许多类公司弓正在蒸开发挺合适有的替北代合亦金，虽作为闭“赞插入忧式胁”罩的替断代品刺，以露遵守倦欧洲晴和日姻本的惰法令距。这析些法辽令建受议到派20泰02凳年在醉装配时中减艰少铅棕，到夹20棕04挑年消纯除铅掀。删迎在北滩美的槐国家讲电子租制造秩协会冷(N熊EM泄I,存N绣at洞io戏na经l益El其ec呈tr矩on滑ic聋s页Ma袋nu水fa漏ct乖ur他in晶g私In极it最ia义ti话ve歇)的妈目标户是到挠20稠01目年用阶生产肌无铅程替代度品的帐能力晕装备矮北美顶。该枝组织劫正打币算与侍其它获机构柱联合脱为其垒可制映造性茂开发奔标准婆，其肠它机剩构的棚方向白集中威在选悔择替庸代品络，编携写世洲界范家围的勒数据辅库和释收集鞋材料绝特性兵数据缺。吴工艺鸦上关丙注的手问题落列国际碎锡研铸究协阵会(屠IT文RI雨,队In骂te墨rn陵at哥io裂na扎l超Ti猴n捡Re谨se锐ar猎ch度I纸ns巾ti骑tu什te借)开膏办了岭SO斧LD窄ER鹅TE句C，帝一个白无铅细焊接碰技术斯中心维，来男传播短前缘登信息底和收艳缩可顽利用雨的选条择。浩议驱表虏一列谨出合状金和合几种绕选择鉴，分栽别以痕一到莲十来墨表示丈好坏献。讲表一、焊锡合金比较*

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1产品设计部门：1．1产品印制板设计贯彻厂标准化室制订的Q/KF37-92企业标推文件。(设计、工艺参数与该厂标制订)。1．2印制板元器件排列成形垮距规范化，减少成形尺寸品种，便于机械化及模具操作加工。1．3按规范设计焊盘及孔径尺寸，印制板布线等符合标准及工艺要求，减少垮接线，按尺寸系列设计垮接线距。

1．4对不同厂家生产外形尺寸有差异的同规格元器件，标明定点供应厂家，做到来料尺才一致，便于工艺生产成形安装。1．5按工艺及小批生产成功的产品，修改印制板等设计文件。

2工艺部门产品工艺人员：2．1提出“短插一次波峰焊”工艺实施计划初步意见，供领导参考。2．2配合设计师贯彻Q/KF37-92厂标，逐项进行工艺性审查，符合波峰焊工艺要求。

2．3根据产品设计资料开展工艺设计，提出元器件预成形模具要求，对每一只元器件明确跨距，成形形式，及引线切脚长短尺寸。

2．4配合元器件预成形定点单位—华立公司，协作、制造元器件加工成形工装，负责技术问题的处理。

2．5制订波峰焊的工艺规范：明确锡槽温度，助焊剂品种及浓度，传送带速度等。

2．6按不同产品制订插件及波峰焊每个岗位的操作工序卡片．

3元器件、垮接线预加工单位——华立公司：3．1按各产品元器件成形设计工艺要求推备元器件成形工装模具。

3．2抓好工作质量：元器件引线成形形状尺寸准确，外观不损坏，包装计数正确，交货不绝料，无废次品，可焊性等符合工艺要求。

3．3组织生产、交货时间符合生产进度要求。

4印制板外协制造及保管部门：4．1抓好工作质量：图形符号符合设计文件，孔位不错钻漏钻，孔径符合工艺，RC等符号印字清晰，可焊性等符合要求。4．2组织生产、交货时间符合生产进度要求。

4．3交货要求塑料密封包装。

4．4库房保管要求通风干燥，控制保管贮存期为二个月，先进库先发货。

5元器件供应、库存、保管部门：

5．1采购元器件品种、规格、性能、外形尺寸、可焊性等符合质量要求。5．2设计规定定点供应的元器件按要求选购，如有变化应事先通知有关设计工艺人员。5．3供应交货与生产批汰安排尽可能协调，入库元器件做到先进库先发货，控制贮存期为6个月。5．4提高发货质量，规格品种正确不得料，数量不短缺。5．5库房保存要防氧化措施(通风干燥)

6动力设备部门：6．1定期检查维修波峰焊机，确保正常工作。6．2制订波峰焊机操作规程和保养规则。

6．3对波峰机上的易损件(发泡管等)及时提供备件，以便缩短维修停机时间。

7质检部门：

7．1配合元器件订贷，要与供贷方签订6个月内可焊性好的保证协议，并做好进厂检验。7．2对上流水线的元器件质量(成形质量、可焊性、交货正确性等)进行检验，确保上线元器件符合质量要求。7．3对上线印制板质量进行检验，确保质量。7．4做好生产过程抽查及装焊成品质量检验。

8工装制造部门：8．1按样机及操作要求，设计制造10套焊接夹具(设备只带来4套夹具)，满足生产线批量生产流转需要。8．2对对夹疑具上傅的框矿架材穗料，蜂结构秤形式芦，簧粱片材沸料进罢行工恨艺试炒验，披使工咱装夹遮具在垮锡温引高工摔作条姓件下扔反复贤使用润的变导形能罢满足勾使用氏质量动要求距。图监专

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外加热等。在这些方法中，强制热风对流通常被认为是大多数工艺里波峰焊机最有效的热量传递方法。在预热之后，线路板用单波(λ波)或双波(扰流波和λ波)方式进行焊接。对穿孔式元件来讲单波就足够了，线路板进入波峰时，焊锡流动的方向和板子的行进方向相反，可在元件引脚周围产生涡流。这就象是一种洗刷，将上面所有助焊剂和氧化膜的残余物去除，在焊点到达浸润温度时形成浸润。对于混和技术组装件，一般在λ波前还采用了扰流波。这种波比较窄，扰动时带有较高的垂直压力，可使焊锡很好地渗入到安放紧凑的引脚和表面安装元件(SMD)焊盘之间，然后用λ波完成焊点的成形。在对未来的设备和供应商作任何评定之前，需要确定用波峰进行焊接的板子的所有技术规格，因为这些可以决定所需机器的性能。避免缺陷随着目前元器件变得越来越小而PCB越来越密，在焊点之间发生桥连和短路的可能性也因此有所增加。但已有了一些行之有效的方法可用来解决这种问题，其中一种方法是采用风刀技术。这是在PCB离开波峰时用一个风刀向熔化的焊点吹出一束热空气或氮气，这种和PCB一样宽的风刀可以在整个PCB宽度上进行完全质量检查，消除桥连或短路并减少运行成本。还有可能发生的其它缺陷包括虚焊或漏焊，也称为开路，如果助焊剂没有涂在PCB上时就会形成。如果助焊剂不够或预热阶段运行不正确的话则会造成顶面浸润不良。尽管焊接桥连或短路可在焊后测试时发现，但要知道虚焊会在焊后的质量检查时测试合格，而在以后的使用中出现问题。使用中出现问题会严重影响制定的最低利润指标，不仅仅是因为作现场更换时会产生的费用，而且由于客户发现到了质量问题，因而对今后的销售也会有影响。在波峰焊接阶段，PCB必须要浸入波峰中将焊料涂敷在焊点上，因此波峰的高度控制就是一个很重要的参数。可以在波峰上附加一个闭环控制使波峰的高度保持不变，将一个感应器安装在波峰上面的传送链导轨上，测量波峰相对于PCB的高度，然后用加快或降