手工无铅焊接过程控制分析.doc

手工无铅焊接过程控制分析 ????????▲ OK国际集团 ? 　　摘要：本文讨论涉及手工焊接的过程控制的几个重要因素并讨论如何适应满足完成无铅焊接的需要。　　关键词：手工无铅焊接；过程；控制分析 序言由于很多公司开始面对无铅焊接的工艺挑战，手工焊接以及相关技术已经被认为是制造中的关键因素，需要更过的研究与发展。手工焊接一般发生在生产线的末端，这时的PCB板已经具有很高的内在价值，所以手工焊接的过程控制是否正确对生产率与成本的高低有重要的影响。 过程控制现在许多生产商对衡量手工焊接质量的标准主要靠检查烙铁头的温度。随着无铅焊接温度比传统焊接温度的提高，焊接熔点的提高，需要一种更为全面的衡量标准参数。IPC 要求在一个固定时间段，手工焊接根据经验要达到最佳的焊点连接温度。它不是强调绝对的焊接温度，而是强调焊点的热交换效率。诸如烙铁头的形状尺寸，焊接时的功率输出与焊接的时间长短都对焊点的热交换效率有影响， 所以这些因素在检测，控制与分析无铅焊接过程时都应该考虑进去。手工焊接过程可以分为以下几步：(A) 烙铁头应该清理干净，上锡，选择合适的形状以保持和焊点/焊盘最大的接触面积。(B) 烙铁头与焊点的接触点的温度应该在焊锡丝熔点以上40℃ 保持2-5秒，在此期间助焊剂产生作用并挥发，焊锡丝熔化。(C) 焊锡丝熔化以后，开始覆盖焊点焊盘与通孔。(D) 烙铁头离开焊点，熔化的焊锡凝固。 焊接处的温度 对任何手工焊接过程，焊接点形成的正确温度对于形成优质的焊点都是至关重要的，通过检查焊接点金属层的厚度与内部金属结构可以清楚地分析出焊接中传递给焊点的热量是否正确。焊接表面可以反映出焊点焊盘在电路板上形成是否良好。控制焊点处金属层厚度对于形成可靠的连接是很重要的。焊点内部金属形成速率与焊接温度与焊接时间有关。如果烙铁提供的热量过大，会增大焊点金属层的体积，从而导致焊点产生易脆的缺陷。提供的热量过小，会使焊点熔化不足。如下图，焊脚处的焊点形状与外观可以反映出焊点的质量，不幸的是无铅焊接焊脚与有铅焊接的焊脚外观很不一样 焊点金属层厚度会反映出焊点的质量（左侧：温度过低，中间：温度合适，右侧：温度过高） Pictures Courtesy of Cobar 无铅焊接的焊脚外观颜色暗（左侧），且有比较大的湿润角度。 助焊剂的考虑烙铁传输的热量正确与否也影响到助焊剂的运用。普通的助焊剂由以下成分组成，它们的沸点如下：　　酸 (Adipic, Glutaric)?200C-260C　　酒精 (Ethanol, Propanol)?78C-180C　　水?100C酒精与部分酸的沸点低于普通的手工焊接温度。所以为了避免防止助焊剂过早地挥发，使助焊剂有充分的时间起作用，保证焊接烙铁不要提供焊点过多的热量和过高的温度是很重要的。 助焊剂的选择对于形成良好的焊点也是重要的。随着焊接温度的提高，氧化的速度也提高，由于无铅焊接具有较弱的亲和力，需要助焊剂有较“强”的作用，所以焊锡丝中的助焊剂含量应该从普通的1%提高到2%（体积百分比）。? 较强的助焊剂的使用，需要更多的对PCB板的残余焊接物的清洗，因为很多企业已经采用非清洗焊锡膏，增加对残余焊接物的清洗势必增加相应的环境问题。 助焊剂越强，助焊剂的残余物越多。 加热曲线为了形成良好的焊接，保证在熔点温度以上40c 的时间在2-5 秒， 我们需要烙铁提供相当的热量。大部分企业采用无铅焊接时，选择的焊锡丝是采用SAC和金（Tin/3.8 Silver/0.7 Copper eutectic ）。它的熔点为217C, 焊接温度则应为257C, 选择SAC合金则为260C. 按照以上说述，可以得到以下的理论曲线： 理论曲线 当烙铁头和焊锡丝与焊点接触时，我们从上图可以看到温度迅速上升，在这段时间助焊剂挥发并起作用。当温度升到熔点以上时，焊点开始熔化。然后维持大约4秒，烙铁移开，焊点凝固。注意上面的曲线，在从液相变为固相时，曲线有一个凹段。但是在实际操作上，操作者很少能够将烙铁停留到焊点2秒以上，所以实际的曲线是下面的，在短时间内，加热有一个峰区，很多的热量在此传递给焊点。 实际的加热曲线 比较上面2个曲线，可以看到焊点实际达到的温度比推荐的熔点以上40C要高，但时间要短。然而，如果考虑到烙铁传递的热量为温度与时间的函数，两者的热量应该做到差不多才对。从下图可以看到2个曲线在熔点217c 以上的面积是相等的。 2条曲线的比较 为了进一步说明问题，我们做这样一系列的曲线在4层PCB板通孔上试验获得，一个K型热电偶穿过通孔，通孔的选择是考虑到最少有的手工焊接情况，以适应无铅焊接的普遍情况。这时候，将焊接管脚插入4个同样的孔进行手工焊接。我们进行以下比较试验：第一组试验是采用