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無鉛焊接技術(shù)及其在應(yīng)用中存在的問題
無鉛化已成為電子制造錫焊技術(shù)不可逆轉(zhuǎn)的潮流。2005年起,國內(nèi)無鉛化進(jìn)程進(jìn)人了實(shí)施階段。然而無鉛化實(shí)施應(yīng)用中存在許多實(shí)際的問題與難點(diǎn)。 1 無鉛焊料的必要條件 電子工業(yè)用60/40、63/37焊料已有50多年的歷史,已形成非常成熟的工藝。因此無鉛焊料要取代有鉛焊料必須滿足一些充分而必要的條件,見圖1。 首先,從電子焊接工藝的要求出發(fā),為了不破壞元器件的基本特性,所用無鉛焊料熔點(diǎn)必須接近錫鉛共晶焊料的熔點(diǎn)183℃。這是由于熔點(diǎn)高的焊料將超過電子元件的耐熱溫度,同時(shí)由于再流焊爐制約,不可以使用熔點(diǎn)高的焊料。 其次,從可焊性的觀點(diǎn)出發(fā),必須與電子元件及印制板的鍍層銅、鎳、銀等有良好的潤濕。從電子產(chǎn)品的可靠性出發(fā),為了形成良好的冶金結(jié)合的焊點(diǎn),焊料本身的機(jī)械強(qiáng)度是非常重要的。特別要求焊點(diǎn)具有耐熱疲勞性能,這是由于電子產(chǎn)品在使用過程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象而產(chǎn)生熱膨脹,同時(shí)在不使用時(shí)溫度下降會(huì)產(chǎn)生收縮,如此反復(fù)循環(huán)將在焊點(diǎn)處發(fā)生熱疲勞現(xiàn)象。從焊接的實(shí)際操作來看,希望焊接缺陷少是非常重要的。特別是橋接、拉尖等不良缺陷均和焊料的潤濕性有密切關(guān)系。在再流焊接時(shí),由于母材表面氧化,為了提高焊劑的去氧化作用,必須使用有活性的助焊劑予以去除。但是這樣將產(chǎn)生殘留物而出現(xiàn)腐蝕和電遷移等現(xiàn)象。同時(shí),在流動(dòng)焊時(shí)由于波峰焊產(chǎn)生的氧化錫渣也是一個(gè)問題,不僅造成焊點(diǎn)不良率上升,同時(shí)也增加成本。此外,焊膏的保存性是進(jìn)行良好印刷的必要條件。在存放期間焊膏內(nèi)的助焊劑與合金發(fā)生反應(yīng)而劣化,會(huì)造成粘度升高、印刷不良等。以上均是無鉛焊料必須考慮的問題。 從這些觀點(diǎn)出發(fā)來選擇適當(dāng)?shù)臒o鉛焊料是非常重要的。表1所示的是從.1980年以來開發(fā)的無鉛共晶合金的特性比較。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了當(dāng)前實(shí)用的錫銀銅等主流無鉛焊料。 2 無鉛焊料和有鉛焊料的比較及其特點(diǎn) 近年來比較實(shí)用的無鉛標(biāo)準(zhǔn)合金大致以錫銀銅為基礎(chǔ)。然而由于該合金熔點(diǎn)仍偏高,即使元器件的焊料的1.5~.O倍的抗張強(qiáng)度和非常優(yōu)秀的抗熱疲勞性能,但另一方面對(duì)銅的潤濕性差。從擴(kuò)散率來看,錫鉛焊料擴(kuò)散率超過90%,而錫銀銅焊料在80%左右,耐熱性有所提高,多層、薄形的印制板耐熱性仍存在問題。因此在錫銀合金基礎(chǔ)上添加鉍、銦以降低熔點(diǎn)以及開發(fā)錫鋅系無鉛化焊料將成為今后發(fā)展的方向,見表2。 錫銀銅無鉛焊料有比較好的機(jī)械特性,具有錫鉛錫鋅焊料在大氣下擴(kuò)散率非常差。但是由于技術(shù)不斷進(jìn)步,目前錫銀銅無鉛焊膏的潤濕性已取得了明顯提高,幾乎達(dá)到錫鉛焊膏的水平。 3 無鉛焊接和有鉛焊接工藝比較及其特點(diǎn) 3.1再流焊工藝技術(shù) 從錫鉛焊料到錫銀銅焊料,在再流焊實(shí)際操作時(shí)將發(fā)生很大的變化,主要有: ①目前最常用的錫-3.0銀-0.5銅其熔點(diǎn)在217℃~219℃,在進(jìn)行再流焊時(shí),可操作的最低工藝溫度應(yīng)為液相溫度加10℃,這就比錫鉛共晶焊料的熔點(diǎn)高出40℃。不難看出操作溫度的上升與元器件的耐熱溫度(240℃)的差距將大幅減少,因此必須較以往有更正確的工藝溫度管理。此外,由于印制板的多樣化,熱容量不同的元器件均會(huì)有10℃的溫差,必須提高預(yù)熱溫度和時(shí)間。再流焊設(shè)備必須進(jìn)行多溫區(qū)加熱以減少溫度誤差,這是一項(xiàng)有效的措施,見圖2。由于熔點(diǎn)的上升,焊接工藝和設(shè)備都將發(fā)生重大的變化。實(shí)行錫銀銅焊料的無鉛化,降低其熔點(diǎn)將成為一個(gè)被關(guān)注的問題。 ②一般認(rèn)為錫銀銅比錫鉛潤濕性低,其擴(kuò)散率在75%~80%,比錫鉛下降15%左右。為了提高可焊性,在助焊劑中增加活性劑是必要的,但會(huì)造成粘度升高等不良現(xiàn)象。另外,由于無鉛焊料表面張力比有鉛焊料高,在同樣條件下潤濕性也會(huì)變差。 ③無鉛焊料的熔點(diǎn)高,因此必須考慮峰值溫度與元器件的耐熱溫度的適應(yīng)性(230℃-240℃),這就要求預(yù)熱終點(diǎn)溫度要高,使有熱容量差異的元器件溫度能達(dá)到均勻。此外,元器件與母材的氧化、焊膏活性的損失容易產(chǎn)生焊球,因此,當(dāng)錫鉛焊膏的助焊劑用于錫銀銅焊膏時(shí),必須提高預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間。但這又導(dǎo)致焊接溫度的變化可能帶來的負(fù)面影響,因此必須開發(fā)用于無鉛焊膏的助焊劑。 ④印刷工藝過程中,由于焊膏內(nèi)助焊劑與粉末的反應(yīng),在粉末表面有有機(jī)金屬化合物與有機(jī)金屬鹽析出,造成流動(dòng)性下降,粘度升高,給印刷性能帶來影響,成為焊接不良的原因。 3.2 流動(dòng)焊工藝技術(shù) 從錫鉛焊料到錫銀銅焊料,在流動(dòng)焊實(shí)際操作時(shí)將發(fā)生很大的變化,主要有: ①流動(dòng)焊槽溫度與峰值溫度的溫差,錫鉛焊料為52℃~67℃,而錫銀銅僅為30℃~35℃,溫差范圍大大減少,造成工藝控制困難、氧化錫渣增多等,見圖3。 ②有鉛焊料比重為8.4g cm-3、無鉛焊料比重為7.4g cm-3,同樣體積重量將減少。 ③需要提高溫度,無鉛焊料才能達(dá)到有鉛焊料同樣的潤濕時(shí)間,見圖4。只有選用優(yōu)良的無鉛助焊劑才有可能減少潤濕時(shí)間,見圖5。 ④在240℃時(shí),錫鉛焊料表面張力為396mN/m、錫銀銅焊料為471.8mN/m、鉛為468mN/m、錫為544mN/m,為了提高通孔上升率和減少焊接缺陷,必須關(guān)注預(yù)熱溫度和波峰焊接工藝,見圖6和表3。 ⑤雜質(zhì)成分的管理是必要的,主要是對(duì)銅與鉛的管理,銅的增加對(duì)熔點(diǎn)有所影響。含銅0.5%~0.9%液相溫度沒有多大變化;超過O.9%將形成Cu6-Sn5中間合金;銅達(dá)到1.2%,液相溫度變?yōu)?5O℃。 4 無鉛焊接實(shí)踐中可能出現(xiàn)的問題、難點(diǎn)、方向 在流動(dòng)焊時(shí),對(duì)于單面板無鉛焊接可以用錫銅焊料,通孔板采用錫銀銅焊料。單面板與通孔板的共同問題是可焊性低、熔點(diǎn)高、潤濕性差、表面張力大、焊槽溫度與峰值溫度溫差少,同時(shí)容易發(fā)生橋接、拉尖等,因此必須改良設(shè)備、助焊劑與氮?dú)獗Wo(hù)。其焊接性能見表4。此外流動(dòng)焊從目前來看,由于有鉛與無鉛共存將產(chǎn)生焊點(diǎn)剝離,這將成為今后研究的課題,見表5。最后從無鉛焊料熔融溫度出發(fā),可以大致得出無鉛焊料的實(shí)際用途,見圖7表6。 5 小結(jié) 綜上所述我們可以得出如下結(jié)論: ①無鉛焊接理論與實(shí)踐均屬于錫焊技術(shù)的領(lǐng)域,僅是有鉛轉(zhuǎn)向無鉛的過程。目前關(guān)于無鉛焊料的標(biāo)準(zhǔn)體系,錫銀銅已成為共識(shí),但其熔點(diǎn)仍偏高,錫銀鉍銦以及錫鉍、錫鋅焊料將成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)和方向; ②無鉛焊接液相溫度與峰值溫度溫差范圍較有鉛溫差范圍小,因此溫度管理成為無鉛焊接中的重要內(nèi)容; ③由于無鉛焊料熔點(diǎn)較高,將對(duì)元器件、印制板特性帶來更高的要求; ④無鉛化是一個(gè)長期的過程,目前仍處于與有鉛共存時(shí)期,這期間鉛污染仍是一個(gè)較難解決的問題; ⑤由于無鉛與有鉛的共存而產(chǎn)生的焊點(diǎn)剝離問題是無鉛化過程中的最大難點(diǎn)。 本文是筆者對(duì)無鉛焊接的理論與實(shí)踐的體會(huì),無鉛化是一個(gè)長期的過程,必須對(duì)錫焊技術(shù)理論有較深的理解并學(xué)習(xí)國內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),才能加速無鉛化進(jìn)程。在這一過程中,實(shí)踐將是檢驗(yàn)和實(shí)施無鉛化錫焊技術(shù)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。
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