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无铅波峰焊机--企业节约成本的明智选择

很多人都认为,只要把无铅焊料直接添加到现有的波峰焊机中,就可以实现由锡铅(SnPb)向无铅的转变。还有人认为,认为有必要在无铅工艺中采用一种新型的波峰焊机。

其实由于表面贴装元件占有优势地位,目前的再流焊接工艺已将重点放到无铅制造中。波峰焊接也必须向无铅技术转变,以避免同一个组件上含铅合金与不含铅合金混合到一起。这也是很多生产者需要考虑的问题。

对于无铅波峰焊行业来说,利好的是随着无铅生产的不断增长,许多制造厂家正通过不同的途径寻求通过将现有的波峰焊机升级,满足无铅组件的需求,以节省资金的方法。而且很多都做得很成功,就像我公司深圳市伟达科电子设备有限公司。

要使无铅峰焊接工艺获得成功,就必须考虑改变整个工艺。因为大多数无铅焊料都具有良好的可焊性,但是,与锡铅焊料比较,却呈现出润湿性下降的特性。由于润湿性是焊接的一个关键因素,并受到多个变量的影响,因此焊接工艺需要调整,这些变化将会影响机器参数的绝大部分。公司在研发新产品的时候很好的考虑到了这方面。

由于无铅合金的润湿特性不如锡铅焊料的好,所以,使用优良的焊剂化合物是至关重要的。此外,无铅焊接所需的较高温度,要求焊剂化合物能够承受高达130℃的预热温度和280℃的液化焊料温度下长达3秒钟。一般建议使用无挥发性有机化合物(VOC free)的水基焊剂。

无铅合金的锡含量明显要比锡铅焊料的高,而且无铅合金需要更高的工艺温度。许多产品都是渐进式地转向无铅化,而许多制造厂家正在生产兼容无铅产品的波峰焊机。

根据公司研发人员的不断测试,无铅波峰焊接的预热要求,传送速度为120mm/min的加热区长度需达1.8米,而传送速度大于180mm/min的加热区长度需达2.4米。有效的升级方法是:用一种外置的焊剂喷涂机替代现有的焊剂喷涂机。这不仅可以改善焊剂应用的质量,还可以释放波峰焊机内的空间。

同时研发人员还发现,对于熔点为217℃的锡-银-铜合金(SnAgCu),焊锡锅的温度应在260°-270℃之间。对于高熔点的合金,如锡-铜(SnCu),焊接温度可在270°-280℃之间。

由于无铅合金的润湿特性较差,需要较长的接触时间,所以,通常都要改变层流焊嘴的特性。通常会减小芯片与层流波之间的距离,以便最大限度地减少接触点之间的温度下降。增加层流波长度可以改善润湿性,同时可以提高预热量,产生类似的效果。降低层流波的压力头高度,可以减小溢出焊料的距离,从而减少浮渣量。

现有的波峰焊机需要较新的焊剂喷淋装置进行升级,以适用于挥发性有机化合物(VOC)水基焊剂的加工处理。超声或喷嘴类型的焊剂喷涂设备效果最好,因为焊剂的液滴尺寸是可以控制的,而且在整个印制电路板(PCB)上可以喷涂连续均匀的图形。使用无挥发性有机化合物的焊剂,可以获得最小尺寸的液滴,可以得到良好的通孔渗透。

在载入芯片或层流波时,为达到较高的温度,避免PCB过热,常常需要一个较长的预热区。PCB顶部达到适当的预热温度,对于降低焊接缺陷的影响最大。把从板子底部进行远红外加热的方法,与从板子顶部进行对流加热的方法结合在一起,可使PCB获得最佳得预热效果。

与锡铅焊料比较,大多数无铅合金由于增加了锡的含量,在焊料液化时会很快氧化。由于工艺温度较高,就会很快形成由锡氧(SnO and SnO2)构成的氧化物和浮渣。焊锡锅中的惰性氮气氛使得液化焊料尽量少暴露于氧气氛下,从而减少浮渣量。降低氧化的速率并聚焦浮渣,可明显提高焊料性能。

裸铜上的OSP涂层很快取代了传统的热风整平(HASL)板涂层,使得人们必须权衡铅污染和铜污染的潜在影响问题。由于无铅波峰焊接得到广泛应用,由于无铅合金的铜的溶解速率较高要求增加对焊锡锅的保养维护,引发了一系列的问题。

在长时间的操作过程中,焊锡锅中某些无铅合金的流动逐渐缓慢下来。这是由于焊锡锅底部的铜-锡金属间化合物(CuSn)的聚集所造成的。使用标准的锡铅波峰焊接,其铜-锡金属间化合物是流动的,这类问题就不存在了。

在标准的锡-铅波峰焊炉中,像铜这样的杂质在其聚集时与锡形成金属间化合物。降低焊锅的温度,让焊锅闲置几个小时,撇去其表面的浮渣,可以轻松地去除金属间化合物。这种方法很奏效,因为铜-锡金属间化合物(CuSn)的密度为8.28,而锡-铅(SnPb)的密度为8.80,铜-锡金属间化合物可以流动。对锡铅焊炉进行周期性的保养维护,可使铜含量保持在0.15-3%之间,这一范围是可以接受的。锡-铜或锡-银-铜无铅焊料合金的密度小于锡铅焊料的密度。

铜-锡金属间化合物不是在表面上浮动,而是渗透于无铅合金中,并弥散于整个焊锡锅中。此外,有些无铅合金溶解铜速度也比锡-铅的快。这是由于铜聚集和焊锡锅的杂质以较快的速率形成的结果,这样,就需要经常性地更换焊锡锅中的焊料,或进行彻底的清理。

根据研究结果,我们建议,当装有无铅合金的焊锡锅中的铜杂质达到1.55%时,必须倒掉焊锡锅合金活性就低。超过这个值,多数无铅合金活性就低,铜杂质高于1.9-2.0%时,就会损坏涡轮、导流板和焊锡锅。

由于在高温下,锡是有腐蚀性的,所以,许多无铅合金会导致用于涡轮、导流板和焊锡锅中的基体金属腐蚀。许多基体金属如不锈钢或铸铁的表面,常常会出现锈斑,而且在延长与无铅合金的接触时间后开始溶解。这样的沥滤过程,将释放出铁(Fe)粒子,使得焊料合金遭受污染。

在使用无铅合金时,焊锡锅材料,如不锈钢,仅经几个月的操作后就会被损坏。使用高标号的不锈钢在某种程度上会降低这种效应,已有抗腐蚀的表面涂层申请了专利。然而,因为需用较高水准的保养维护,才能去除浸入焊锡锅底部的铜金属间化合物,表面涂层有可能会出现划痕。一段时间之后,划痕增多会破坏表面涂层,结果导致基体金属腐蚀,焊锡锅受到污染。在没有保护的情况下,用这些基体金属制成的零部件,在仅仅使用了一、二年的时间后,其质量就会下降到需要更换的程度。

传统的基体金属制造的焊料泵和导流板,应用于无铅焊接中,会频率发生磨损,引起人们重新考虑钛的使用问题。改装盒可替代涡轮、导流板和焊料喷嘴,其零部件都是用钛制造的,可满足无铅应用的长期使用要求

可将钛焊炉衬装到现有的铸铁焊炉内,这样,现有的波峰焊机就可用于无铅工艺中了可将这种钛质的炉衬用于各种不同类型的波峰焊机的改装。这种方法不存在铁溶解的问题,可使焊料杂质降到最低限度,而且不需对焊锡锅进行周期性的倾倒。

结论:采用外置的焊剂喷涂机、新的预热组件、焊锡锅改装盒和钛焊炉衬,对现有的波峰焊机进行升级,可以降低向无铅波峰焊过渡的成本。尤其是当将一种升级方案应用于旧的波峰焊机时。这种方法提供了有效的无铅性能,而成本仅为一台新设备价格的几分之一。

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