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    手工焊接—從有鉛到無鉛


    www.mp4ya.com 2007年9月21日

        作者:李錚錚

    自從電子管問世以來,為了保證元器件間形成可靠的連接,以制造出滿足人們需要的電子產 品,烙鐵就成為了最重要和不可或缺的工具。

    隨著晶體管和IC的發明,以及封裝技術的不斷進步,THT和SMT相繼問世,波峰焊接和回流 焊接設備也取代烙鐵,成為了完成元器件間互聯的主要手段。但是,到目前為止,烙鐵仍然在生 產和科研,如返工/返修等領域發揮著不可替代的作用。

    RoHS法規的實施,給電子制造業界帶來了一系列技術和管理上的挑戰;同樣,手工焊接技術也必須克服各種困難, 完成向無鉛的轉換。對于手工焊接來說,在實現這種轉換的過程中將會面臨哪些問題?都有哪些相關知識需要掌握呢? 為此,本刊特邀奧科電子(北京)有限公司總經理李錚錚先生撰寫了“手工焊接系列”文章,希望能對讀者有所幫助。 

    焊點形成簡介 
    焊接的目的是形成一個可靠的連接點,該連接點必 須具備一定的機械強度和保持連續的導電通路 特性。根據MIL-STD和IPC焊接標準規定,主 要是要求形成焊接點的條件要在高于焊料溶點溫度40℃ 的條件下, 持續對被焊點加熱2-5 秒之內形成可靠的連接點。

    可靠連接點的形成是在熱容量對被焊物的作用下, 通過 助焊劑和焊膏之間的化學反應, 焊料向金屬表面潤濕,焊料 與金屬互相滲透(擴散)而在被焊接物體表面之間形成一個金 屬化合物的合金層。因此, 焊接的過程是焊錫是通過潤濕、 擴散和冶金結合這三個物理和化學過程來完成的。

    手工焊接焊點的形成過程 

    手工焊接的焊點形成過程: 

    · 通過烙鐵頭對焊接點上面的焊錫絲和焊接點同時加熱

    · 隨著焊點溫度升高, 在達到焊錫絲熔點之前, 助焊劑完 成活化作用

    · 焊接的潤濕過程開始, 該過程是指已經熔化了的焊料借 助物體表面張力沿被焊接金屬表面細微的凹凸和結晶 的間隙向四周漫流,從而在被焊物表面形成附著層, 使焊料與被焊接金屬的原子相互接近,達到原子引力 起作用的距離

    · 在焊接點溫度達到高于焊錫絲溶點40℃后,保持該溫 度2-5秒, 伴隨著潤濕的進行,焊料與被焊接金屬原子 間的相互擴散現象開始發生。原子活動劇烈程度隨溫 度升高成正比, 焊料同被焊金屬的原子相互越過接觸面 進入對方的晶格點陣,原子的移動速度與數量決定于 加熱的溫度與時間

    · 焊接是冶金結合:由于原子的相互擴散,在2種金屬之 間形成了一個中間層——金屬化合物,獲得良好的焊 點

    · 將烙鐵頭離開被焊接物體

    無鉛手工焊接

    有鉛到無鉛焊接的轉變帶來了焊接工藝上的諸多改變(詳見下表):

    由于無鉛焊接對于焊料熔點的提高, 基于大部分傳統 加熱方式烙鐵的烙鐵頭閑置溫度的大幅度提高,而元器件 本身和PCB的耐溫條件沒有改變這樣一個事實, 目前手工無 鉛焊接在質量和成本等方面面臨極大的挑戰,需要更加嚴格的工藝要求。(見上圖)

    由上圖可見,無鉛焊接需要更多的熱容量(Thermal Energy) 來形成可靠焊點:

    ·烙鐵頭溫度的提高 (對于所有使用傳統加熱方式的 烙鐵而言) 
    ·提高能量消耗 
    ·降低烙鐵頭使用壽命 
    ·提高PCB的損壞機率 
    ·提高元器件損壞機率 
    ·增加焊料用量

    那么,如何實現有效地將熱容量傳遞給被焊物呢?

    ·使用正確幾何形狀的烙鐵頭 
    ·選擇熱傳導效率高的烙鐵確保能夠在不大幅度提高烙鐵頭閑置溫度條件下能夠有效傳遞熱能量給被焊物體 
    ·正確使用助焊劑

    無鉛焊料的選擇

    ·熔點 
    熔點的高低決定了有關的工藝條件。雖然中低熔點 的無鉛焊料熔點比較低,但是目前因為潤濕性比較差,焊 接強度不理想,不耐高溫,價格高等原因,大多數廠家 選用的是高熔點無鉛焊料?蛻粼谑褂脽o鉛焊接物料時, 首先需要了解的是熔點,這與客戶的后續使用有最直接的關系。

    ·可焊接特性 
    無鉛焊料的可焊接特性都不如有鉛焊料。但是相對而 言,無鉛焊料的可焊接特性還是有好差之分,客戶需要區 別。

    ·可靠性 
    有的無鉛焊料在高溫下面可靠性比較差, 但是在 200℃以下可靠性比較好,所以客戶在選擇無鉛焊料時,應 該考慮這一因素。一般的家用電器等產品,200℃以下的溫 度就可以了,但是對于很多需要進行返工的產品,必須經 受200℃以上的高溫。

    ·價格 
    與無鉛焊料的成分與制造過程有關。含銀或者含Bi等 貴重元素的價格都較高,含銀的比例越高,價格越高。 如上面介紹的Sn/Ag/Cu,Sn/Ag,Sn/Ag/Bi類價格是普 通有鉛焊錫的2.5倍,Sn/Cu 類是普通有鉛焊錫的1.5倍。

    ·是否為專利產品 
    有的無鉛焊料雖然價格高一點,但是已經注冊了專 利,電子生產廠家以后不會遇到法律問題,所以歐美日本 等電子生產廠家愿意選用此類焊料。

    知識箱

    無鉛焊接材料 
    傳統的有鉛焊料,多為63/37,鉛的百分比為37%。由于鉛對環 境有較嚴重的污染,歐盟及中國先后頒布了法律,嚴禁使用有鉛焊 料,只允許使用無鉛焊接材料。

    一般認為,當鉛的含量<0.1-0.2%(重量百分比)時,才可以 算是無鉛焊料。目前新的無鉛焊料有很多,每個客戶選用的也不相 同,有關的理論分析與測試分析的文章非常多,觀點不大一樣,有 關的專利在1000種以上。我們僅介紹其中的三種主要的無鉛焊料:

    ::高熔點無鉛焊料( 熔點在205℃以上):

    Sn/ Ag / Cu 熔點217℃,主要有3種Sn96.5Ag3.0Cu0.5(305); Sn95.5 Ag3.8Cu0.7(387)和Sn95.5Ag4.0Cu0.5(405)。IPC 建議用 Sn96.5Ag3.0Cu0.5, 因為材料成本最低,性能相當。

    Sn/Cu 熔點:227℃
    Sn/Ag 熔點:221℃
    Sn/Ag/Cu/Bi 熔點:217℃
    ::中熔點無鉛焊料 (熔點在 180℃以上 )
    Sn/Ag/Cu/Bi(不同配方) 熔點:200-216℃
    Sn/Zn 熔點:199℃
    ::低熔點無鉛焊料 (熔點在180℃以下 )
    Sn/Bi 熔點:138℃
    在當前市場上,綜合各種因素,應用高熔點無鉛焊料的比較廣泛。

    知識箱
    高熔點無鉛焊料簡介

    ::Sn/Ag/Cu——主流產品

    成分Sn95.5/Ag3.8/Cu0.7(387),摩托羅拉、諾基亞和 愛立信等公司選用此類產品。

    優點:可焊接性比較好,濕潤強度、濕潤速度、高溫穩定 性也比較好。焊點的機械強度較好,熔點217℃,可兼用波峰焊 與熔焊。這是歐盟認定的配方。

    美國iNEMI認定Sn95.5/Ag3.9/Cu0.6(396)配方(用于 熔焊,如果用于波峰焊,認定Sn99.3/Cu0.7的配方)。

    日本JIEDA 認定Sn95.5/Ag3.0/Cu0.5(305)配方。

    一般的無鉛焊料與電鍍的Sn-Pb層之間往往兼容性差,但 Sn/Ag/Cu無鉛焊料還不算太差。

    ::Sn/Cu

    成分99.3Sn0.7Cu,北電、雷聲(Racal)等公司采用。

    優點:主要用于波峰焊。因為不含Ag,價格略低,錫流不 易氧化,浮渣也不多,熔點227℃。但是,在焊接可靠性與焊 接強度比Sn/Ag/Cu差。有的公司為了降低成本,在SMT階段用 Sn/Ag/Cu,在波峰焊用Sn/Cu,這種混合使用的方法,對企業 的質量管理要求較高。

    缺點:熔點較高。

    ::Sn/Ag

    成分96.5Sn3.5Ag,福特、摩托羅拉和美國國家制造科學 中心(NCMS)采用。

    優點:機械強度好,可焊接性好。導電性比有鉛焊料好,熔 點221℃。某些日本和德國的專家認為該焊料是取代SnPb最合 適的焊料,但是美國業者認為不如Sn/Ag/Cu。

    缺點:價格高,潤濕性較差,原因是液態表面張力比較大。

    ::Sn/Ag/Cu/Bi

    索尼等公司采用。

    優點:好的可焊接性,波峰焊與SMT焊接都可以。加 入Bi的目的是為了降低熔點,潤濕性也有所改善,熔點200- 217℃。

    缺點:在波峰焊通孔處發生焊點裂紋(Fillet lifting) 現象,原因是無鉛焊料沿X-Y方向的膨脹系數高于PCB,而 PCB沿Z方向上的膨脹系數又高于無鉛焊料,特別是含Bi的無鉛 焊料,該缺點更為明顯。

    注意,在高、中熔點焊料都有此種成分。

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