如何培养工程检查员？

(续表)

1.3　关于焊锡的环境问题

人类大约从公元前3000年开始在各种各样的场合使用着焊锡,在此以后,人们的生活随着时代的进步也变得越来越丰富多彩。然而,随着人们逐渐认识到焊锡中含有的铅(Pb)是会对人体及环境产生不良影响的有害物质后,2000年以后开始对铅的使用进行立法限制。如图1-5所示,使用含有铅的焊锡进行焊接了的基板被废弃后,通过雨水的作用土壤会被铅污染,进而铅会进入地下水,最终导致饮用水被铅污染,从而被人体吸收。大量的铅被人体吸收后,会侵入大脑与神经系统,造成损害,同时对儿童的成长也会造成不良的影响。

为了解决这样的环境污染问题,不得不对有铅的焊锡使用进行限制。为此,各个焊锡厂家对不含铅的焊锡进行了长期的研究开发,经过科研人员的不断努力,终于在2000年实现了不含有铅的焊锡(即无铅焊锡)在电子产品上的应用。由于这样的原因,现在电子产品上使用的焊锡基本上都是不含有铅的焊锡。

图1-5　有铅焊锡的环境污染

1.4　焊接四要素

虽然不打算对焊接的难点进行说明。但是因为焊接四要素的知识对于生产现场的使用者而言是非常必要的,所以请一定要记牢,然后去应用于现场。

图1-6　焊接四要素

焊接四要素如图1-6所示。

四要素当中,少了任意一个,焊接就不会实现。例如,假如焊接时没有松香,会变成什么样呢?为此进行了“有松香、无松香的焊接测试”。测试的结果详见图1-8和图1-9。图1-7是含有松香的锡线的断面放大图片,中央部的白色部分就是松香。无论从哪里切,中央部都会有松香。图1-8的测试是,在左边焊盘上放上切得很短的锡线(含有松香),右侧焊盘上放上用介刀将焊锡的表面部分削下,然后收集起来的焊锡金属片(不含有松香)。两焊盘位于同一枚基板上,然后过回流锡炉后的照片分别位于图1-8下部。在左侧焊盘上实现了焊接,而右侧焊盘上没有被焊锡,形如小狗的粪便从回流锡炉中流出来了。同样用含有松香的锡膏与没有含有松香的锡膏进行的测试见图1-9,没有含松香的锡膏过了回流锡炉后,还是保持了焊锡的球状。像这样没有四要素之一的松香,焊接就不会实现。

至此,一直在说四要素。但是实际上这四种要素可区分为主动性要素和被动性要素,相互之间不是对等的要素。理解主动性要素对被动性要素所起的作用,在理解焊接的上面是非常重要并且是一件很有趣的事。如图1-10所示,在焊接的四要素中,起主动作用的能动性要素有热量(温度)和松香;处于被动立场的被动性要素是母材金属和焊锡。

图1-7　锡线

图1-8　锡线焊接测试

图1-9　锡膏焊接测试

图1-10　区分能动、被动的焊接四要素

1.热量(温度)的作用

热量(温度)作为能动要素起着非常重要的作用。为什么称之为“能动”呢?因为能起到给焊接的母材金属供给热量(温度)的作用。然而在生产现场,由于其不会直接用眼睛被观察到,所以在焊接不良原因追究的时候容易被忽视。事实上在焊接不良的原因中由于温度不足、温度测定有问题之类的这些与温度有关系的原因占有很大比例。母材金属自身温度如果达不到240~250℃,焊接完成就不能成立。图1-11的左图是没有问题的焊接、右图中的零件引脚由于温度不足(240℃以下)而成为不良的焊接(变压器引脚、虚焊)。焊接是将两种金属在机械、电气上进行连接,两种金属大小(热容量)不同,从而两金属不同大小→两金属温度上升有温差→变成焊接不良的事例有很多。小金属(焊盘)和大金属(零件引脚)相比,小金属的升温会更快,所以应将重点放在尽快使大金属升温至240~250℃,以达到形成金属间化合物(以下简称合金层)所要求的条件。时常会出现由于对热容量大的金属加热不足而发生的不良焊接。

图1-11　由引脚的温度差形成的焊接状态

请注意图1-12中的热量(温度)的A作用,起到将焊接的母材金属加热使之温度上升的主动性作用。金属温度约在240~250℃,被加温的母材金属会形成合金层,从而形成漂亮的焊接轮廓。如果不是这样的母材,合金层就不会形成,将会成为薯渣状的焊接(参照图1-11的合金层的有无)。所谓的焊接,无论是烙铁作业,还是波峰锡炉焊接或者是回流锡炉焊接,都是要使母材部形成合金层(当母材金属是铜时合金层是Cu3Sn)。烙铁焊接时,烙铁头的温度通常约为350~360℃,这个温度对于锡线(焊锡的熔点是217℃)没有什么要担心的,马上可以熔化。因此与其将注意力放在锡线的熔化上,不如放在使金属升温的A的作用上才是正确的焊接作业。关于图1-12的B作用,由于焊锡的熔点是(3Ag0.5Cu的无铅焊锡的时候) 217℃,因此将烙铁温度、波峰锡炉、回流锡炉的设定温度设定为217℃以上,焊锡将毫无问题地被熔化。C的“松香的活性化”会在焊锡的熔点温度以下的温度范围(预热)区域内变得活跃起来。

小的基板焊盘温度会即时上升,而零件引脚(例如变压器的引脚)与焊盘相比是较大的金属,如果用45°的角度进行焊接时,其温度上升就比较迟缓,结果由于引脚的温度不足,使合金层没有被形成而成为薯渣焊接(虚焊)。为了避免这样的不良品,一定要采用像图1-13那样,用约60°~70°的放置角度,使烙铁较大面积地接触零件的引脚,从而使零件脚的温度快速上升至240~250℃的作业方法。并且这个角度,作业者一定要在看到焊接部位后,瞬间就能正确判断。

图1-12　热量(温度)的作用

图1-13　焊接烙铁的热量(温度)的作用

在焊接作业时,经常会听到要形成焊接轮廓(富士山的轮廓)的说法。这个轮廓本身就是母材金属被加热(温度为240~250℃)后的结果。如果没有热量(温度),在温度不足的状态,焊接轮廓是绝对不会形成的。

2.松香的作用

松香有两大作用,那就是图1-14中的D和E。

D:除去母材金属表面、焊锡表面的氧化膜;

E:减小熔化焊锡的表面张力,促进焊锡的浸润。

图1-14　松香的作用

如果长期在生产现场从事焊接,就会对松香这种物质的价值有愈发深刻的理解。即使将松香说成“魔法物质”也一点不为过,真的应该好好地利用这种魔法物质。实施了前面所述的“有松香、无松香的焊接测试”,结果是在无松香的情况下,焊接没有被实现。这个原因就是这里的D,由于没有松香,母材表面的氧化膜无法被除去。回流锡炉内,在高温状态下放置的母材,会发生强烈的氧化。松香会将这样的氧化膜用化学方法干干净净地除去,真的如魔法一般。

然而,关于松香的作用,经常也被说成有三大作用。除了上述的D、E之外还有一个在焊接过程中,盖在金属表面,防止其再氧化的作用。关于这一作用,确实是母材和焊锡被松香覆盖时,这样的金属就不会再次被氧化。但是,在焊接的现场,仔细观察作业的结果,就会看到金属面的一些部分并没有被松香覆盖,这些焊锡表面正在被再次氧化(参照图1-15)。例如,在使用含有铋(Bi)的低温锡膏时,有时发生的细微锡桥不良焊接(用肉眼难以辨别的极细锡桥等)是由于再氧化的原因而发生的。据此,可以肯定这个“防止再氧化”作用是不全面的。除此之外,出回流锡炉后如图1-15所示,分为没有被再氧化和被再氧化2个部分。

图1-15　回流锡炉后的有再氧化、无再氧化的范围

除了金(Au)以外的所有金属在空气中一定会被氧化(锈的初期状态)。例如,假如是基板的铜箔(Cu)时,其表面如果有氧化膜(CuO)时, 100%不会被焊接。如果想通过加热除去CuO的话,则需要1000℃以上的高温。然而松香会通过化学方法干干净净地除去CuO。前面所述的“有松香、无松香的焊接测试”,图1-8、图1-9中没有被焊接的情况,就是因为在有图1-16中所示的氧化膜(a)状态下从回流锡炉中流出所致。相反,实现焊接的情况,是在回流锡炉中按(a)→(b)→(c)→(d)进行,氧化膜被除去,这样的结果就是实现了焊接的状态从炉中流出。据此,就可以理解松香的作用之一就是“除去母材金属表面、焊锡表面的氧化膜”。

液体的表面张力是指液体表面想变成球状的力,所谓的表面张力大是指,在液体的状态下,想成为比乒乓球更圆的力。表面张力变小是指乒乓球的球状被破坏变瘪的状况。熔化的焊锡和水比较时,两者都是液体,两者的表面张力如图1-17所示,熔化的焊锡的表面张力比较大,所以形状比水滴更加圆而接近球体。

图1-16　松香的作用

图1-17　表面张力比较

所谓的焊锡表面的张力变小,是指图1-18左图中熔化的焊锡变成右图中的接近水滴的形状:①在熔化的焊锡上涂上松香水,像②那样球状被破坏,进一步的像③那样被破坏,接近水滴的形状。像这样,表面张力变小的事情,表示焊锡对母材金属进行了浸润扩散,作为焊接是非常重要的现象。

图1-18　松香水滴落时,熔化的焊锡会如何变化

综上所述,魔法物质——松香的作用在于:除去氧化膜;减小表面张力。因此作为松香,可以毫无疑问地帮忙解决这些问题。确实可以说谁掌控了魔法物质——松香,谁就掌控了焊接。因此,在焊接作业时,有必要尽可能多地去利用松香这种物质。

能动要素热量(温度)和松香充分发挥其作用的结果,会如图1-19所示那样,被动要素金属和焊锡之间会形成合金层,焊锡会浸润扩散从而实现焊接完成。

图1-19　焊接完成实现品质方面没有问题的焊接完成,就是能动要素①、②发挥作用的结果

至此对焊接四要素的理论进行了说明。从下一章节开始将进入实际焊接、烙铁焊接作业、波峰锡炉焊接、回流锡炉焊接和实操关系的说明。为了去掌握“不产生不良的焊接”实际操作,扎扎实实地学到焊接四要素,并在实际操作中应用这些要素的作用是非常重要的。

小小题外话，咖啡时间

松香的问题点

虽然一直说的都是魔法物质——松香有利的一面,但是其也有不利的一面。这就是基板上残留的松香残渣的问题。很早以前,焊接后的基板要进行清洗(氟清洗)是作为常识存在的,松香残渣通过清洗被除去。但是现在由于氟的使用限制,氟变得不能用于基板清洗了。然而经过长时间放置的附有松香残渣的基板,松香由于吸收空气中的水分,会发生化学反应,出现绝缘部分变为短路的状态这样的大问题。但是这样的问题也经过焊锡厂家的不断努力,松香由从前的RA类(强活性松香)进化成了现在的RMA类(弱活性松香),这样的问题也被改善了。

即使说被改善,但是对于高密度基板,还是有必要注意这方面的问题。

1.5　焊接烙铁作业指南

烙铁焊接作业,别名也被叫作“手工焊接”。虽然在生产现场SMT回流锡炉焊接及波峰锡炉焊接的自动焊接工程是主流,使用烙铁的作业变得越来越少。但是,在生产工程内的修正作业、焊锡不良品的修理作业,用烙铁焊接作业却是主流。和回流锡炉焊接、波峰锡炉焊接不同,烙铁焊接作业者的技能水平、熟练程度会直接对品质有很大的影响。因此,几乎所有的工厂都会将烙铁焊接作业作为“特殊工程”来对待,设立《资格制度》来进行工程管理。为了提升作业者的技能水平,现状是实施公司内部培训。通过持续进行这样的公司内部的培训,对于消除客户投诉、市场投诉是非常有意义的做法。

近期,笔者正在计划制作关于烙铁焊接的零缺陷烙铁焊接作业录像。在公司内部培训时也可推荐利用这个录像资料。

1.焊接烙铁的作用(目的)

首先希望改变一下认识,就是“焊接烙铁”的作用(目的)。

(1)焊接烙铁不是熔化焊锡的工具

拥有烙铁是“熔化焊锡的工具”想法的作业者,将会在作业中生产不良品。

(2)焊接烙铁是加热母材金属的工具

在理解上述作用的基础上,对于日常的作业是非常重要的。母材金属是指想要对其进行焊接的金属,在进行烙铁焊接作业时,在对上述作用有了认识后,作业时先将母材金属加热到约240~250℃,然后在结合部加入锡线,焊锡熔化后,合金层一定会被生成。如果没有将母材金属升温,仅仅是用烙铁头将焊锡熔化,结合部的合金层是绝对不会被生成的。将薯渣焊接(虚焊)等的焊接不良的原因,说成是无意识地进行了前者的作业也不为过。

图1-20　错误的烙铁放置方法(www.xing528.com)

本书放入了图1-20所示的问题。虽然在理论部分已叙述了答案,但是在此将进一步予以更加详细的回答。一般情况下,在生产现场作业,焊接作业在4~5s内必须要完成。在这么短的时间内,将烙铁放置于45°,这真的妥当吗?看一下零件引脚和基板焊盘,哪个金属的热容量大呢?作为烙铁作业者,在瞬间必须进行正确的判断,无意识地随便放置烙铁是一个大的问题。图1-20的情况,在判断到变压器的引脚是比焊盘大的母材金属时,不要像图1-21中的45°角度放置烙铁,而是像图中60°~70°的角度放置烙铁以便使烙铁头更多地接触到引脚,从而使引脚的温度尽快升到240~250℃,达到合金层可以形成的条件。

图1-21　正确的烙铁放置方法

图1-22是为了生成合金层,2种烙铁的放置方法及其结果的比较图。

2.烙铁焊接基本作业

进一步进入有关烙铁作业的实际操作话题。作为实际操作的基本作业,焊接练习作业常被说成是按照下面的四步骤进行实际操作练习的。然而按照至此所述注意事项、焊接烙铁的作用等来考虑的话,为了避免不良品的发生,按照下面的四步骤进行指导也是不充分的。

为了实现没有品质问题的正确作业,从日常的实践指导开始,有必要按照表1-3的六步骤进行。这六步骤中也将理论中(能动要素、焊接烙铁的热量(温度)的作用)说明到的焊接烙铁的作用的思考方法引入了。因此在烙铁焊接的反复练习时,按照六步骤不断反复进行练习,与四步骤相比,充分对六步骤进行理解,这样的训练完成后请再开始从事烙铁焊接作业。

图1-22　合金层有无比较示意图

图1-23　烙铁焊接四步骤

表1-3　烙铁焊接步骤对比

锡线在被烙铁熔化时,会有烟冒出。冒出的烟是由于锡线中的松香被烙铁的热量(约350℃)燃烧所致。那么细的锡线中,松香在哪个位置呢?请看一下图1-24。斜着切开的锡线的断面部的中央有白色的像大白兔奶糖的物质就是松香。烙铁作业时间(10s以上)过长时间烟会消失,会成为无松香的焊接,这样的焊接就没有金属光泽,比较脆,所以,烙铁焊接作业必须在出现松香烟的4~ 5s内完成。

图1-24　松香及其烟

3.烙铁焊接实践训练方法

作为对烙铁作业者的实践指导,让其学到前面所述的六步骤,用制作图1-25所示的“丝网”可以成为比较好的实践练习,请作为参考。按照顺序依次对丝线的十字交叉点进行焊接。如果烙铁没有适当的放置到形成十字交叉点的两母材金属使其升温时,漂亮的焊接轮廓就不会形成。在使金属温度顺利上升的挑战过程中,就自然而然地掌握了烙铁的放置技能(技巧)。进一步用粗细不同的线材(0.8ϕ线和1.2ϕ线)混合制作丝网的话,就会达到体会用烙铁头多些接触哪一个比较好的练习效果。这个实践训练完成后,下一步进行从基板上取下贴片零件、焊上贴片零件从而学到精细作业实践。(这个丝网的制作作业,录像教育资料上也有说明,请作为参考)关于这个实践的准备作业,下面进行说明。

图1-25　丝网制作

丝网制作准备和制作方法如下。

(1)市售镀锡铜线(0.8ϕ、1.2ϕ),见图1-26。

(2)准备(1)的镀锡铜线:长30cm(0.8ϕ、18根),见图1-27。

(3)准备(1)的镀锡铜线:长30cm(0.8ϕ、12根,1.2ϕ、6根),见图1-27。

图1-26　镀锡铜线

图1-27　30cm的线材

首先,作为烙铁作业新人教育,推荐初学者从(2)开始练起。有一定基础的经验者从(3)开始也没有问题。(3)的实践练习因为采用粗细不同的线材,是为了实现没有问题的焊接应该如何做的实践练习。最初,像图1-29那样,通过4个地方的焊接形成“口”字形(图1-29)。这个时候,对于初学者来说,是非常难的作业,为了保持要焊锡的2条固定线材不动,可以用重的东西(如尖嘴钳等)压在线材上再开始作业的话,作业会比较轻松。接着,按图1-30制作的“田”字形,然后按照图1-33中所示的要领将线材的交点进行上下交叉编织,按照图1-31中那样对各交叉点进行焊接,最终形成图1-32中所示的丝网。

图1-28　含有松香的锡线

图1-29　焊成口字形

图1-30　焊成田字形

图1-31　丝网制作

图1-32　丝网

图1-33　线材的追加方法

下面是丝网实际操作的判定基准。

(1)形成了焊接轮廓了吗?(被充分加热了吗?)

(2)焊锡有光泽吗?(在有松香没有被蒸发完的短时间内结束作业了吗?)

(3)焊锡量适量吗?(过多过少都不可以)

图1-34　有轮廓、作业正确

图1-35是焊接轮廓没有充分形成的图例,是因为对母材金属加热不良的问题所致。这个焊接没有金属光泽,原因是作业时间过长,导致在没有松香的状态下,继续进行焊接,从而形成脆状的焊接部分。

图1-36是丝网制作实践作业者的作品。

(4)多余地方附着有焊锡吗?

按照上面的判定基准,就可以对作业者的技能进行判断,其中(1)(2)是重点判定基准。

图1-34　是对0.8ϕ和1.2ϕ的线材进行焊接,形成了漂亮的焊接轮廓,是正确加温而实现的结果。

图1-35　有问题的焊接

图1-36　烙铁作业者的丝网

1.6　关于工程检查员的教育

每个工厂都有针对检查员的教育。作为教育方法,在此介绍一种比较行之有效的方法。

(1)按照公司内的检查基准书进行教育。

(2)将良品、不良品进行拍照,做成卡片。

(3)对于(2)的照片,进行良品、不良品的明确化。

(4)在教育的现场,将(2)的照片(良品、不良品)混合后给学员看,让其说明为什么是良品或不良品。

通过以上对检查员进行教育,检查成果就会立即有效。特别是良品/不良品的照片不采用一般的照片,而是采用自己工厂正在生产的基板、半成品、成品等。如果将自己身边的照片做成卡片的话,效果会更好,如图1-37所示。

图1-37　照片和卡片

小小题外话，咖啡时间

竟然还有这样的事情

有机会去了很多工厂,在去现场查看时,好几次见到了令人吃惊的问题作业。左边的照片是在作业员的身后拍的:拿取贴片零件的作业,竟然一下子将贴片电容粘到350℃以上的烙铁头上来拿取!是有产生裂纹(破损)可能性的问题作业。像这样的作业在好几家公司的现场都被笔者亲眼目睹了。对于对高温比较弱的陶瓷贴片电容,要尽量避免使其遭受热冲击。在这种情况下,应当用镊子将零件夹取至要焊接的地方,仅在焊接作业时,才可用烙铁接触零件。这样的问题作业,只有在现场进行检查(并且不是刻意)时才能够发现。关于拿取零件的方法,要不断地进行多次指导才行,然后有必要在现场展示问题作业和正确作业的比较(图或者照片)才行。

【注释】

[1]Sn62%、Pb38%的合金,确切的是Sn61.9%、Pb38.1%的合金。