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 公司新聞 => 無鉛焊接:實施無鉛制造 打印此頁】 【返回
發布日期:[2008/5/11]    共閱[5555]次
    無鉛制造(Lead-Free Manufacturing)   對于一個無鉛工藝,必須著手幾種考慮,必須建立一定的條件。首先,一些設備選項和不同的材料可以改進工藝,這些必須在開始無鉛焊接之前準備好。例如,在波峰焊接中,焊錫必須更換?! ∑浯?,開始無鉛工藝要求一個好的計劃,關鍵問題必須提出,如"我們可能遇到什么焊接缺陷?""接受與拒絕的標準是什么?"和"在焊錫中允許什么水平的污染?" 回流焊接設備(Reflow Soldering Equipment)   助焊劑流動管理  在無鉛回流焊接中,無鉛焊錫影響工藝溫度,因此影響到加熱溫度曲線。由于較高的溫度與不同的錫膏化學成分,在焊接期間,不同的殘留物將蒸發。為了以較低的維護?;奔潯3只韉那褰?,將需要一個適當的助焊劑流動管理系統。該系統必須在開始無鉛回流焊接工藝之前安裝與測試(圖一)。 圖一、助焊劑流動的管理防止污染進入冷卻區  受控的冷卻達到優化的溫度曲線  在無鉛焊接中推薦一個受控的冷卻系統,因為一旦爐子具有適當的冷卻能力,液化以上的時間、晶粒結構和板的出來溫度都可以得到界定。自然需要更多的室溫風扇。而推薦使用的是一個高級的直接空氣、完全集成的、排熱系統。這個系統設計用于以較低的氮氣消耗提供良好的冷卻。該系統通過再循環蒸餾水和丙二醇的混合物來冷卻。這種環境友好的混合物不要求頻繁的更換?! “宓拇懟 ∮捎讜諑薪細叩奈露?,板傾向于翹曲??梢栽諑詘滄鞍宓鬧С爬幢3職甯秸?,結果減少缺陷。波峰焊接材料與設備(Wave Soldering Materials and Equipment)   預熱優化  由于較高的工藝溫度,無鉛焊接要求與含鉛焊錫不同的助焊劑。助焊劑類型將決定哪一種預熱配置最適合于該工藝。如果使用水作為助焊劑溶劑,那么推薦用一種石英棒加熱器在第一預熱區來迅速將板加熱。在第二與第三區,可以用一種強制對流加熱??槔叢赑CB進入波峰之前將水從助焊劑中蒸發出去?! ⊙≡褚恢志哂鋅燜儔浠慌渲昧榛钚緣牟ǚ搴附踴?。預熱??橛Ω萌菀捉換?,以找到對每個個別工藝的最佳安排。(圖二) 圖二、靈活的預熱設定優化工藝  焊錫更換  以無鉛合金替換錫/鉛合金要求不只是排放和重新充滿焊錫鍋。所有鉛都必須完全地從焊錫鍋中清除。任何留下的鉛的殘留物都將污染無鉛合金,從而超出規格范圍??悸塹階畬笤市淼暮α坎懷?.2%。改變合金的時候必須小心?! 『肝壞艫某絳蟣匭胙細褡袷?。首先,錫鍋中的所有錫/鉛焊錫必須排放干凈??捎檬占淅詞占肝?。因為多數錫鍋都是設計有專門的容室來幫助維持穩定的焊錫波,這種工作是相當困難的和勞動強度大?! ∫壞┪淇樟?,必須以純錫裝填。錫鍋,包括所有輔助零件與表面,必須用錫徹底沖刷。之后,將錫排放出來。最后,可以熔化無鉛焊錫?! ∠低車目刂迫砑脖匭氳髡?,以防止對葉輪的任何損害。特別是,葉輪的起動溫度必須提高,否則在焊錫沒有完全熔化的時候葉輪就可能會轉動?! ×硪恢腫齜ㄊ怯靡桓魴碌奈刺媧?鉛的錫鍋。交換錫鍋的一個優點是,錫鉛的錫鍋還可以交換回來,作為失控行動計劃的一部分?;褂?,錫鉛的錫鍋還留著用于非無鉛焊接的產品。材料兼容性  還沒有什么發表的東西,談到有關無鉛的實際經驗,與新型無鉛合金材料兼容性的有關的專門問題,這些問題有時更加進取。目前我們所了解到的是,由于無鉛合金的高錫含量,象經常用于錫鍋零件的不銹鋼304再不能使用了,因為這些零件在無鉛生產幾個月后就會損壞?! 『附踴韉牧慵贍懿壞貌蛔蛞恢指涌垢吹牟恍飧?16。這種材料足以可靠地用于焊接速率低的那些錫鍋零件。對其它零件,可在SS 316和葉輪上使用用一種專門抗腐蝕涂層(圖三)。不是用鈦,而是用不銹鋼做那些極端條件的零件,部分原因是鈦的成本很高,而且用鈦制造這些特殊零件要求很高的技術水平。 圖三、葉輪的比較:左邊一個半年生產后的有錫銅焊錫的葉輪右邊一個專門涂敷的葉輪  這種防腐蝕涂層是首選的,而不是一種陶瓷涂層,由于其優越的硬度(± 2000 Vickers)。不象陶瓷涂層,這種專門的涂層不會由于偶爾的不小心維護而損壞。另一個優點是,由于這種涂層光滑的表面,焊錫不粘附到金屬,這使得任何有涂層的零件都非常容易清潔?! 《雜諼舊?,使用鋼,因為其優越的導熱性。一種阻熱涂層防止鐵熔進焊錫中。我們注意到,鐵在無鉛合金中的熔化速率決定于下列因素: · 使用的材料 · 使用的無鉛合金 · 焊錫的溫度 · 焊錫的速度 污染水平  象在傳統的錫/鉛焊接工藝中一樣,許多金屬將溶解在無鉛合金中。這個溶解速度決定于基質材料、焊錫成分、焊錫溫度和焊錫流動速度。一種特殊金屬的溶解速率較低,如果該金屬已經出現在無鉛焊錫中。對于無鉛焊錫,三個主要的污染是鉛、銅和鐵?! ∏Φ奈廴盡 ≡誚窈蠹改昶詡?,將使用無鉛韓錫,但是對元件和板的表面涂層是含鉛的。結果,含有鉍的任何無鉛合金都將從表面涂層中吸收鉛,造成焊錫的不同熔點。 圖四、被1.5%的鉛污染的錫/銀焊錫的結果  另一個例子,圖四顯示一種受1.5%鉛污染的錫/銀合金。特別是,原來合金的179°C的熔點提高到"新的"錫/鉛/銀合金的218-211°C范圍?! ⊥奈廴盡 「呶轄鴇鵲臀轄鷥桿俚匚脹?,在無鉛合金中的銅數量決定多少銅將被溶解。從錫/鉛工藝,我們知道0.2%或更高的銅含量造成諸如錫橋增加的問題。在錫/鉛中最大允許的銅污染一般規定為0.3%?! ≌飧?.3%也是在一些對錫/銀合金的現在規定中最大的。在錫/銀合金中的高錫含量(96.5%)造成在生產期間銅含量水平的相當迅速的增加,特別是在有無數銅焊盤的板上。一些工藝在四五個月后將超出規格。在錫/鉛波峰焊接中,我們可以從錫/鉛中分離出銅,將它去掉。不幸地是,在無鉛焊接中,我們必須更換焊錫?! 《雜諼?銀/銅合金,情況就不同了。首先,這種合金已經含有銅,因此銅的吸取較慢。其次,試驗已經顯示含有1%或更多銅的錫/銀/銅合金不再吸取銅。銅穩定在1%的水平?! √奈廴盡 √諼?鉛中的溶解速度慢。與無鉛合金,數量大約是高于10倍的因素。例如,在一個工廠中,錫/銀/鉍/銻焊錫的污染在一年中為0.002%的鐵?! ∫話?,兩種無鉛波峰焊接工藝涉及污染。首先,使用無鉛焊錫的一些公司會經常檢查合金的化學成分。在大約一年之后,它們發現污染多少穩定了。如果金屬水平還在其規格之內,控制數量的間隔時間將增加?! ∠啾戎?,其它工藝對焊錫污染有真正的關注。一些使用錫/銀合金焊接,這種合金對吸取銅非常敏感。持續地超出規格運行將會讓這些公司尋找替代品?! ∈O碌奈侍饣褂?,允許什么污染水平?因為,合金化學成分的改變,熔點將漂移,熔化范圍將增加。有時,會出現在焊錫內的不同合金的新熔點(圖四)。焊接缺陷(Soldering Defects)   在無鉛焊接中,會發生一些特使的缺陷,諸如焊腳提起(fillet lifting)和錫須(tin whisker)。但其它缺陷,如焊點中的空洞,也似乎比錫鉛工藝中發生的多。到今天為止,沒有對無鉛焊接點內缺陷的國際標準,這使得定義什么可接受更加困難?! 『附派稹 『附派鶚竊誒淙唇錐?,焊接圓腳從電鍍通孔(PTH, plated through hole)周圍銅焊盤的一種分離。焊腳升起的主要原因是合金化合物、銅焊盤、板厚度與板材料的溫度膨脹系數(CTE, coefficient of thermal expasion)的不匹配。焊腳升起發生在含鉍合金與鉛污染結合的時候。但是焊腳升起也在其它合金如錫/銅上觀察到。雖然可以預計焊接點的可靠性降低,但是在大多數情況中溫度循環試驗還顯示是好的。錫/銀/鉍/銻焊點強度非常好,而且顯示溫度循環次數高。因此,加上沒有無鉛焊接電子裝配的標準,許多的公司在其產品上接受焊腳升起?! 】斬礎 ≡諼耷附庸ひ罩蟹⑸目斬詞吭讜黽?,特別是當使用水基無VOC助焊劑時??斬吹鬧本斗段Т?0μm - 1 mm。一般,多空不影響焊接點的可靠性??墑?,大的空洞可能降低抗裂強度??斬純贍芙檔突チ唄返牡嫉纈氳既刃閱?,造成熱失效?! 】斬蔥緯傻腦蠐行磯???斬純贍蓯槍袒詡浜肝賬醯慕峁?。在焊接期間電鍍通孔的排氣可能會在焊錫中產生空洞。另外,空洞可能是焊接點濕潤不夠的結果?! ∥搿 〈課礱嬡菀資艿階勻瘓逶齔さ墓セ?。這些晶體(錫須)可有0.1-5μm的直徑,可增長到幾毫米長。錫須可以在電鍍之后或甚至在幾年之后開始增長。由于其尺寸和不同的形狀,錫須可能造成短路?! ∥朐齔と【鲇諼露扔朧?。關鍵的溫度是在50°C以上,相對濕度50%?! ∥吮苊馕?,在焊接工藝中引入的溫度應力應該盡可能低;這也是采用直線升溫回流曲線的另一個理由?;褂?,錫的含量是很重要的;錫純度水平越高,形成錫須的機會就越大。生產的開始(Production Start-up)   在有任何數據可以分析之前,必須要作測量。這些程序對機器的特征化和校準是重要的。需要收集好的數據,以獲得有用的分析。你可以區分變量(有單位的測量數據)和特性(計數的數據)?! 』亓骱附印 』亓鞴ひ罩械謀淞堪ɑ骱褪菁鍬疾問??;韃問ù痛俁?、加熱區溫度、冷卻單元的溫度和水溫度區?! ∈菁鍬疾問ǖ醬鋝慰嘉露鵲氖奔?、參考溫度以上的時間、平均溫度、最小坡度、最大坡度、平均坡度、最低溫度、最高溫度、和到達最高溫度的時間。特征是指焊接缺陷,如空洞、跳焊、錫球、錫橋和元件豎立?! √岣吆細衤屎徒檔突魍;奔涫竊諼耷附右脛蟊匭氪锏降哪勘?。在開始無鉛工藝之后,要努力建立一個可重復測量的工藝,一個合理計算工藝能力(Cp, process capability)值的方法和一個使用該數據校準機器的方法?! 《雜詿蠖嗍?,6σ是一個"不可思議的"詞。這6σ等于2的Cp值;0.002的每百萬零件(ppm, parts per million)缺陷數。在統計上,如果Cp=1,一個工藝是有能力的??墑?,這個Cp值相當于2700ppm的缺陷水平。因為這個數字相當高,其它一些公司考慮Cp=1.33作為目標值。這個數字相當于64ppm的缺陷水平?! 』亓骰韉男W肌 ∫桓隹煽康男W汲絳蛞蟛飭懇豢楹鮮實腜CB。例如,FR-4板是不應該用作校準測量的,因為玻璃態轉化溫度(Tg)值將在幾次運行之后下降;并且這些板由于無鉛中的溫度高得多而會翹曲?;褂?,在多次回流循環之后可能發生脫層?! 〗峁?,安裝在FR-4校準板上的熱電偶可能松脫,測量的是氣體溫度,而不是板的材料溫度。從爐堂中通過的作曲線用的傳感器設備可得到更可靠的結果與較好的數據。用于校準工藝的所有工具本身都必須定期校準?! ∪鵲緡肌 〔灰褂酶呶陸捍戳尤鵲緡?。用Kapton膠帶連接的熱電偶有±5°C的精度,非常依靠操作員的技術。高溫焊錫或樹脂得到更持續一致的結果和±1°C的精度?! 〔ǚ搴附印 ≡誆ǚ搴附又?,在機器和數據記錄參數之間存在一個重要區別?;韃問ù痛俁?、預熱器溫度和焊接溫度。數據記錄參數包括溫度坡度(最大與最小)、平均坡度、最高溫度、波峰上的ΔT、駐留時間(對片波與主波)、接觸長度、與波峰的平行度和在錫波中的浸入深度?! ∥搜櫓ぶ訃戀氖?,必須定義一個程序。特性包括焊接缺陷,如空洞、跳錫、通孔填充、焊腳升起、錫球、錫橋、元件豎立和焊錫過多?! 〔ǚ搴富男W肌 ≡諢亓骱附又惺褂玫南嗤耐臣品椒ǹ梢雜糜氬ǚ搴附?。校準必須用設計用于波峰焊接的設備來進行。有商業上可購買到的工具可以測量接觸時間和預熱溫度曲線?;褂?,助焊劑性能可以用水敏紙或玻璃板來檢查。一些制造商寧可一種更準確的驗證方法,并在一個非常精密的天平上測量使用的干助焊劑的數量。
 
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