在有铅向无铅转化过程中,原有生产线已无法适应电子组装无铅化的要求,尤其是波峰钎焊设备。使用企业要根据生产情况选择更换或对其进行部分改造。无铅波峰钎焊设备与锡铅设备主要的不同之处有预热/锡炉温度、锡炉喷口结构、钎料氧化抑制、耐蚀性、钎剂涂敷、焊后急冷、氮气保护等。
1.预热/锡炉温度
根据金属材料学知识,为了获得可靠、最佳的焊点,锡炉最佳温度应大于无铅钎料的共晶温度,应控制在(250±20)℃(比锡铅的温度要求更严),一般有高可靠性要求的军用产品,温度范围应小于30℃,而对于普通民用产品,建议温差可放宽到50℃(根据日本松下的要求);预热温度比锡铅钎焊要稍高,具体数值根据钎剂和PCB工艺等方面来定,但预热温度范围必须控制在50℃以内,以确保钎剂的活化性能充分发挥并提高钎料的浸润性;焊接后从250℃冷却至100~150℃期间,建议按10~15℃/s的降幅梯度控制;温度曲线在时间上的要求主要是预热时间t1、浸锡时间t2、t3及冷却时间t4,这些时间的确定需要综合考虑元器件、PCB的耐热性及钎料等多方面因素,通常t1在1min左右,t2+t3在3~5s之间。
预热时输送PCB的速度为1.2m/min,预热长度要保证在1.2m以上;为保障预热的热稳定性,预热结构必须采用封闭式的结构,预热方式建议采用:
1)热风预热方式。
2)远红外线发热管方式。
从国内外设备厂研制的波峰钎焊及客户使用情况分析,采用第2种远红外线发热管方式比较理想,因为发热原理是一种红外线辐射,可提高热效率,如果在发热管上部再覆盖耐高温陶瓷玻璃,效果会更佳,且更安全可靠,并且避免松香滴落在发热管上。目前针对无铅波峰钎焊又开发了一种新的控制方式:PID+模拟量调压方式,解决传统ON-OFF控制方式对温度的冲击,达到较佳的预热曲线,保证预热区与钎焊区的温度下降值在5℃以内。如果预热区分成2温区或3温区长度(1.6m),钎焊预热工艺将更灵活。当然有的产品更适合用热风预热方式。
2.锡炉喷口结构
要克服无铅钎料润湿性(铺展能力)降低给钎焊带来的缺陷,需要4s以上的浸锡时间,如果采用双波峰焊接,两个波峰之间的最低温度要在20℃以上,设备厂家可以通过加宽喷口设计,减少两波峰间距来实现。
由于高Sn含量的无铅钎料更易氧化,成本也较高,控制锡渣生成量是焊接设备厂家必须考虑的问题。一些国内外的厂家已推出新的波峰喷口结构,锡渣生成量同过去相比减少二分之一,例如无摇动双波峰喷口结构已广泛应用到国内外众多知名公司,并得到了客户的认可。
3.耐蚀性
无铅钎料的高Sn含量,在高温下对Fe有很强的溶解能力,传统的波峰焊钎料槽及喷口大多数采用不锈钢材料,很容易发生溶解反应。随着使用时间的增加,最终会导致部件的溶蚀损坏,特别是喷口及叶轮部件。现在国外大多数厂家的钎料槽采用铸铁并镀防护层,国内大多数厂家采用钛合金材料。
4.氮气保护(www.xing528.com)
同Sn-Pb钎料相比,高Sn含量的无铅钎料在高温钎焊过程中更容易氧化,从而在锡炉液面形成氧化物残渣,过多的氧化物不但影响焊接品质,而且使生产成本增加,尤其是对现在昂贵的无铅钎料。多数设备厂家采用改善锡炉喷口结构来减少氧化物。当然最好的对策是加氮气保护,虽然氮气保护系统设备前期投入较大,但从长远利益考虑是合理的。国内外很多设备厂家都已推出氮气保护的波峰钎焊,技术已趋近成熟。
5.焊后急冷
在无铅波峰钎焊工艺中,通孔的波峰焊接时常常会发生“剥离”缺陷。产生的原因在于冷却过程中,钎料合金的冷却速率与印制电路板的冷却速率不同。无铅化推广前期,无铅钎料与镀有Sn-Pb的元器件会有一段时间共存,造成“剥离”频繁出现。如果采用的是含Bi无铅钎料,剥离现象更为突出。解决对策是在波峰钎焊出口处加冷却系统,至于冷却方式及冷却速率的要求要根据具体情况而定,一般冷却速率要超过60℃/s。设备冷却系统大多数采用冷水机或冷风机,国外的研究采用冷液方式,可达到200℃/s以上的冷却效果,但成本非常高,对于大规模电子产品生产厂家是无法承受的,属于早期实验阶段,尚未被推广应用。在日本大多数厂家采用全无铅化方案(钎料/元器件/基板等全部无铅化),设备冷却结构采用强制自然风冷。对于国内电子产品生产厂家,建议采用Sn-Ag-Cu合金或Sn-Cu合金的钎料时,冷却速率控制在60~80℃/s或80~120℃/s,冷却方式采用自然风强制冷却或带冷水机冷源的方式。
6.钎剂涂敷系统
由于无铅钎料的特殊性,在焊接工艺中必须有对应的钎剂相匹配,基于环保的考虑,醇类溶剂的使用减少,逐步推广的是无挥发性有机化合物(VOC-FREE)的环保钎剂。
由于无铅钎料润湿性差,在很大程度上要通过钎剂成分及喷雾方式来改变,传统的发泡式喷雾结构已不适应现在的工艺,其对新型钎剂的发泡效果不明显,涂敷均匀性差。目前占主流的是钎剂喷雾系统,一些厂家的喷雾系统采用步进电动机方式,钎剂供给采用衡压系统、强力抽风过滤系统,目的是使喷雾效果均匀,降低挥发性物质的排放量。
7.控制系统
控制系统发展的方向主要是数字化控制及管理。控制系统除了要求对运输速度、钎剂涂敷均匀度、预热温度、锡炉温度、冷却速度等精确控制外,还应该对生产过程中所有的工艺参数(运输速度,钎剂涂敷厚度、浓度、宽度、角度,预热温度,锡炉温度,冷却速度,氮气浓度等)均实现数字化控制,便于参数的重复利用。采用人机界面或工业控制计算机对生产过程进行监控,不但能监控PCB参数、机器参数、PID参数、温度参数,还支持参数设定、打开、保存,方便参数的重复利用,最大限度地减少机种更换时调整参数的时间。在全计算机控制的机型上,随机自带了对无铅钎焊非常重要的温度曲线测试及分析功能,能测试并分析3条温度曲线的预热时间、预热斜率、预热温度、波峰1时间、波峰2时间、波峰1温度、波峰2温度、跌落时间、跌落温度、冷却时间、冷却斜率、超出时间等,并支持温度曲线测试、打印功能,无铅钎焊所关心的所有参数都能一目了然。
控制系统发展的另一个方向是客户成本概念。客户成本是指客户在生产过程中生产一定数量的产品所消耗的材料、时间、能源等。产品开发要遵循最大限度降低客户成本的原则,从钎剂消耗、钎料氧化量、电量损耗、氮气损耗等方面进行综合控制,达到节约客户成本的目的。无论钎料生产厂家,还是设备生产厂家,推出的产品既要符合钎焊工艺又要兼顾最终用户的成本投入。
随着电子组装向小型化和高密度发展,表面贴装元件的使用越来越多,通孔元件的使用已迅速减少,经常出现一块PCB上只有少数几个通孔元件,或者是PCB设计特殊,不便进行传统波峰钎焊的情况。选择性波峰焊作为一种新型波峰钎焊技术,可以有效解决这些问题。
选择性波峰焊的技术含量很高,它可预先编程,通过视觉系统查找通孔元件的位置,对需要进行焊接的一个或一系列通孔打出波峰,完成钎焊工艺。选择性波峰钎焊需要合理设计波峰驱动方式和喷嘴形式,精确控制波峰的位置、高度、直径等。其钎剂供给装置同样需要合理设置喷嘴位置和形式,精确控制喷涂量。
选择性波峰钎焊设备的成本远高于传统波峰钎焊设备,但随着电子组装的不断发展,它将逐渐成为高端电子产品生产中保证通孔元件焊点性能的最佳选择。
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