銑工技術(shù)與工藝改進(jìn)

By Gerjan Diepstraten

本文描述怎樣控制與改進(jìn)無(wú)鉛工藝......

在實(shí)施無(wú)鉛工藝之后，我們必須經(jīng)常跟進(jìn)、監(jiān)察和分析數(shù)據(jù)，以保持工藝在控制之中。

無(wú)鉛焊接已經(jīng)引入了，因此無(wú)數(shù)的問題也提出來(lái)了。盡管如此，許多問題還是必須回答的，包括無(wú)鉛的定義、它的實(shí)施成本、和甚至是否所有技術(shù)問題已經(jīng)解決。但是，實(shí)驗(yàn)繼續(xù)在新的無(wú)鉛合金的可靠性上提供好的數(shù)字。

本文討論成本與能量效應(yīng)，并展示工藝必須不斷地檢驗(yàn)，因?yàn)榧夹g(shù)與工藝知識(shí)在將來(lái)會(huì)改進(jìn)的。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)模式，比如德明循環(huán)(Deming cycle)，可用來(lái)維護(hù)無(wú)鉛焊接工藝的控制，作出調(diào)整和改進(jìn)，并在可能的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)成本的節(jié)約。

材料成本

焊錫

作為一個(gè)例子，某種焊接機(jī)的錫鍋含有大約760公斤的錫鉛(SnPb)合金。用SnPb來(lái)填滿錫鍋將花大約$3,960美元。SnPb的密度為8.4 g/mm3。用錫銅(SnCu)合金填滿相同的錫鍋需要661公斤，其密度為7.31g/mm3 :

質(zhì)量 = (7.31 ÷ 8.4) x 760 = 661.

結(jié)果是焊錫成本增加28%或$5,063美元。其它無(wú)鉛替代方案，如錫銀(SnAg, 135%)和錫銀銅(SnAgCu, 145%)對(duì)焊錫成本的影響甚至更大。

考慮到焊接點(diǎn)和將SnPb與無(wú)鉛進(jìn)行比較，我們可以作下列計(jì)算。如果形狀相同，那么無(wú)鉛合金的質(zhì)量將較少，由于其密度較大。對(duì)于一個(gè)SnCu焊接的通孔引腳連接器，焊錫質(zhì)量為：(ρSnCux ρSnPb) x massSnPb

因?yàn)楹更c(diǎn)看上去不同，濕潤(rùn)可能較差，焊點(diǎn)的角度不同，我們必須驗(yàn)證是否計(jì)算的質(zhì)量差別大約等于焊接點(diǎn)的實(shí)際質(zhì)量增加。

為了證實(shí)，我們焊接一塊有連接器的板(每塊板總共192個(gè)引腳)，稱出焊接前后的重量差別(表一)。重量的增加多少都是所焊接的焊錫。

助焊劑

象在所有焊接工藝中一樣，助焊劑起主要的作用?？珊感院秃附尤毕菘梢愿倪M(jìn)和減少，如果使用正確的助焊劑。如果我們實(shí)施“綠色”焊接工藝，我們使用無(wú)VOC的水基助焊劑，它比醇基助焊劑有一些優(yōu)勢(shì)。

幾個(gè)試驗(yàn)?zāi)壳耙呀?jīng)證明無(wú)VOC的助焊劑與無(wú)鉛焊錫比免洗助焊劑顯示較好的結(jié)果。特別是對(duì)于板上的殘留物和可焊性，它們是較好的。一個(gè)理由就是應(yīng)用到板上的數(shù)量較少了。在助焊劑中的活性劑和化學(xué)物質(zhì)在水中比在醇類中反應(yīng)更有化學(xué)活性。雖然無(wú)VOC的助焊劑更貴，用這些助焊劑的總成本大約是相同的或甚至更少，因?yàn)橛糜诤附拥目倲?shù)量將減少。

如果可焊性提高，返工的數(shù)量將減少。助焊劑數(shù)量減少也將造成維護(hù)減少。清潔機(jī)器的零部件將較容易，可以用熱水而不是化學(xué)品和儀器來(lái)完成。

可是，錫球的數(shù)量隨著無(wú)VOC助焊劑的使用而增加。這個(gè)增加的部分原因是工藝中較高的溫度，使得阻焊(solder resist)軟化。與錫鉛工藝比較，這些錫球的清除要容易得多。

新的無(wú)VOC助焊劑現(xiàn)在正在開發(fā)。助焊劑供應(yīng)商正嘗試將松香溶解與水基助焊劑，在錫球數(shù)量上的減少另人贊賞。這些研究將繼續(xù)下去，因?yàn)榇蠖鄶?shù)助焊劑供應(yīng)商還沒有成功地找到正確的配方。

元件

對(duì)于許多元件，改變引腳的最終表面涂層將不是一個(gè)主要問題。如果發(fā)生對(duì)無(wú)鉛表面涂層的將來(lái)很大的需求，那么元件供應(yīng)商更可能在將來(lái)轉(zhuǎn)換而不是現(xiàn)在。因?yàn)榧夹g(shù)是現(xiàn)成的，這些元件的價(jià)格預(yù)計(jì)不會(huì)大幅地增加。

SnAg與SnAgCu錫球?qū)τ贐GA似乎是SnPb的一個(gè)可接受的替代。對(duì)于周邊封裝的替代引腳表面涂層正在研究之中，可靠性和錫須(tin whisker)問題必須解決。較高的工藝溫度增加對(duì)元件潮濕敏感性性能和封裝完整性的要求。可以經(jīng)受較高溫度，如280°C 5秒鐘，的塑料現(xiàn)在正在設(shè)計(jì)，將會(huì)把價(jià)格推高。因此，需要一種具有高精度(ΔT較小和良好的傳熱)的回流焊接爐來(lái)運(yùn)行無(wú)鉛溫度曲線，滿足較便宜元件的規(guī)格。如果能將最高峰值溫度限制在245°C，并且將所有的焊錫按照無(wú)鉛錫膏的規(guī)格帶到熔點(diǎn)以上，那么對(duì)于用戶可以得到元件成本的減少。

板的材料

除了禁止鉛之外，鹵化阻燃劑(halogenated flame retardants)也將從板的材料中消除。因此，使用無(wú)鉛表面涂層的新的板材必須用較高玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(Tg)來(lái)經(jīng)受較高的工藝溫度。這些新的板材，以及無(wú)鉛表面涂層，將影響價(jià)格?，F(xiàn)在還不清楚這些價(jià)格將增加多少，因?yàn)槎鄶?shù)電路板供應(yīng)商還在優(yōu)化板材的選擇與其制造工藝。

氮?dú)?/p>

回流焊接爐。在回流焊接中，人們經(jīng)常討論氮?dú)獾谋匾浴Ｒ恍┕に囈蟮獨(dú)?，因?yàn)樗岣呖蓾駶?rùn)性，得到較好的焊接點(diǎn)的可靠性。在其它工藝中，氮?dú)饪赡茉斐筛嗟脑Q立，因此禁止或控制在一定水平。

即便在回流焊接工藝中惰性氣體可能有幫助，但還有問題就是是否成本合理。在一些國(guó)家，氮?dú)獠荒敲促F，如德國(guó)，成本大約是$0.08/m3。在其它國(guó)際，比如瑞士，氮?dú)鈨r(jià)格大約為$0.81/m3。相對(duì)勞動(dòng)力是非常合算的。

最好，一臺(tái)爐應(yīng)該可以在空氣和氮?dú)庵羞\(yùn)行?；诔杀镜睦碛?，應(yīng)該避免惰性氣體。但是，對(duì)于諸如較小與更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，應(yīng)該要有轉(zhuǎn)向氮?dú)獾哪芰Α?/p>

對(duì)于氮?dú)鉀]有所謂一般性的說(shuō)法。每一個(gè)工藝都有其自己特有的問題與挑戰(zhàn)。在以可能較高的工藝溫度實(shí)施無(wú)鉛焊接之后，必須回顧一下氮?dú)獾谋憩F(xiàn)與必要性。在一個(gè)較長(zhǎng)的生產(chǎn)時(shí)期后，可以在評(píng)估有關(guān)空氣或一種惰性氣體的決定。

波峰焊接。和錫鉛焊錫一樣，當(dāng)焊錫在液體狀態(tài)和高溫時(shí)無(wú)鉛焊錫氧化十分迅速。如果不在惰性焊接機(jī)中，在表面的氧化皮去掉之后，在波峰上很快會(huì)形成新的氧化物。錫渣中含有由氧化皮發(fā)展的焊錫金屬單元。對(duì)于無(wú)鉛焊錫，波上的氧化物可能更容易肉眼看到。

氧化物更容易看到有幾個(gè)原因。首先，在無(wú)鉛焊錫中的錫含量比在錫鉛中更高。到目前為止，在焊錫表面上最常見的氧化物是錫氧化物，氧化錫(SnO)和SnO2。其次，溫度比在錫鉛焊接中更高。較高的溫度造成更多的氧化，造成更多的錫渣。

錫渣的數(shù)量可以減少。某些波峰焊接機(jī)裝有一種軸向密封，消除在泵軸上形成的錫渣。其它錫渣是在波峰上形成。通過(guò)減少波的下落高度，錫渣的數(shù)量將會(huì)更少。下落高度是在波峰上溢出的焊錫到錫面的距離。

氮?dú)獾氖褂靡矊⑻峁┮恍﹥?yōu)點(diǎn)。氮?dú)馐浅杀居行У?，錫渣的數(shù)量可以減少。因?yàn)檠趸镏皇清a渣中的一小部分，錫渣應(yīng)該壓縮，從氧化單元中部分地分離出焊錫金屬。

能量消耗

回流焊接爐

回流焊接工藝要求許多能量將印刷電路板(PCB)加熱，之后，更多的能量需要冷卻板。無(wú)鉛焊接要求不同的溫度曲線，因此，不同的能量消耗。

在一個(gè)試驗(yàn)中，我們將無(wú)鉛工藝的能量消耗與傳統(tǒng)的SnPb比較(表二)。使用一個(gè)數(shù)據(jù)記錄儀，溫度曲線逐步顯示在工藝期間裝配的時(shí)間溫度特性。圖一中顯示SnAgCu的線性溫度曲線。在加熱曲線之下的區(qū)域有需要用來(lái)加熱裝配的能量有關(guān)部門。

在另一個(gè)試驗(yàn)中，我們使用一臺(tái)專門回流爐和一個(gè)典型的板裝配來(lái)設(shè)定溫度曲線。為了決定功率的消耗，我們?cè)跈C(jī)器上安裝一個(gè)測(cè)量設(shè)備。每個(gè)工藝的功率消耗記錄在表三。

圖二顯示在一班制工藝期間的一臺(tái)回流爐的功率消耗。SnPb曲線與線性的SnAgCu曲線比較。從線性的曲線，我們了解到液化以上的長(zhǎng)時(shí)間造成金屬間化合物增長(zhǎng)的增加，在對(duì)可靠性不是所希望的，并且對(duì)功率消耗有大的影響。SnAg曲線具有高峰值溫度設(shè)定，要求許多能量來(lái)維持設(shè)定點(diǎn)。

波峰焊接

在波峰焊接工藝中，由于較高的熔點(diǎn)和工藝溫度，有兩個(gè)區(qū)域?qū)?huì)顯示能量消耗的增加。第一個(gè)增加是在裝配的預(yù)熱。如果我們將免洗助焊劑應(yīng)用和無(wú)VOC的水基工藝比較，我們將發(fā)現(xiàn)在能量消耗上的增加最高達(dá)到25%，由于較高的預(yù)熱溫度。

其次，因?yàn)楹附訙囟容^高，錫鍋需要更多的能量。如果我們將一種280°C的極高焊接溫度與250°C的正常的SnPb溫度比較，我們發(fā)現(xiàn)列于表四的數(shù)據(jù)。

圖三顯示在一班制生產(chǎn)工藝期間的一個(gè)專門錫鍋的功率消耗。圖四顯示類似的錫鍋在兩班制生產(chǎn)工藝期間的功率消耗。

運(yùn)作成本

產(chǎn)出

一般，無(wú)鉛波峰焊接工藝要求較長(zhǎng)的接觸時(shí)間，以達(dá)到焊錫的良好濕潤(rùn)。如果必要，機(jī)器可以安裝一個(gè)不同波形形成器。如果還沒有達(dá)到適當(dāng)?shù)臐駶?rùn)，那么傳送帶速度必須減少?？墒牵瑴p少傳送帶速度可能造成較低的產(chǎn)出。

修理 - 失效率

焊接點(diǎn)看上去不同，顯示不同的形狀。從我們?cè)跓o(wú)鉛實(shí)施中所看到的，缺陷數(shù)量沒有增加。盡管如此，諸如焊腳提起的新缺陷確有發(fā)生。迄今，可靠性測(cè)試沒有顯示由于焊腳提起的較低的品質(zhì)，因此這些焊點(diǎn)不需要修理。對(duì)于修理工作，烙鐵嘴的氧化物增加也會(huì)發(fā)生。

維護(hù)

由于無(wú)鉛焊接的維護(hù)增加應(yīng)該不是所希望的。無(wú)VOC的水基助焊劑可能甚至減少維護(hù)時(shí)間和間隔，與免洗助焊劑相比。

對(duì)于回流焊接，一個(gè)好的助焊劑管理系統(tǒng)將減少維護(hù)成本。新的錫膏將有不同的助焊劑，將在較高的溫度下蒸發(fā)其它殘留物，但是不會(huì)造成維護(hù)間隔或時(shí)間的增加。

工藝改進(jìn)

在實(shí)施之后，工藝必須持續(xù)地控制、改進(jìn)和重新設(shè)計(jì)，以節(jié)約成本和具有競(jìng)爭(zhēng)性。因此，工程師和所有那些負(fù)責(zé)無(wú)鉛工藝的人都應(yīng)該知道新的材料、工藝和機(jī)器更新將在不遠(yuǎn)的未來(lái)引入。

新的材料

雖然一些公司已經(jīng)無(wú)鉛焊接了兩年多，但是對(duì)其合金的選擇應(yīng)該作一些評(píng)述。

如果板的材料中不出現(xiàn)銅，例如銅焊盤上有機(jī)可焊性保護(hù)涂層(OSP)，那么停留在合金，特別是SnAg，的規(guī)格界限內(nèi)是非常困難的。越來(lái)越多的公司選擇SnAgCu作為SnPb的替代材料，SnCu由于成本的原因只用在波峰焊接。

錫鋅(SnZn)與錫鋅鉍(SnZnBi)在可見的未來(lái)還是回流焊接的局外人。如果錫膏供應(yīng)商能夠?yàn)檫@種錫膏設(shè)計(jì)一種超級(jí)助焊劑系統(tǒng)，成功消除含鋅合金的氧化問題，那么這些合金由于其低熔點(diǎn)和成本將煥發(fā)新的興趣。

板的布局

因?yàn)樾碌陌l(fā)展將會(huì)在無(wú)鉛焊接工藝的不同區(qū)域出現(xiàn)，所以要求持續(xù)使用一種標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)模式，如德明循環(huán)(Deming cycle)(圖五)。按照這個(gè)模式來(lái)實(shí)施(或決定不實(shí)施)新的發(fā)展。例如，一種新的助焊劑將引入到工藝中。跟隨的步驟是：

計(jì)劃：計(jì)劃一個(gè)試驗(yàn)來(lái)找出是否該助焊劑將改進(jìn)品質(zhì)、降低成本或達(dá)到已經(jīng)選定的另一個(gè)目標(biāo)。

做：運(yùn)行該試驗(yàn)

檢查：分析試驗(yàn)的輸出和判斷是否該助焊劑滿足期望

行動(dòng)：在工藝中實(shí)施該助焊劑，保持觀察品質(zhì)。

結(jié)論

用德明循環(huán)，已經(jīng)達(dá)到該實(shí)施計(jì)劃的結(jié)尾。雖然無(wú)鉛焊接是一個(gè)熱門話題，大部分制造商還正在收集信息，或者只是剛開始其第一個(gè)嘗試。希望這里的文章將幫助你開發(fā)一個(gè)穩(wěn)健的、可重復(fù)的無(wú)鉛焊接工藝，產(chǎn)生持續(xù)的高合格率。

Gerjan Diepstratenis a senior process engineer with Vitronics Soltec BV in The Netherlands; e-mail: gdiepstraten@nl.vitronics-soltec.com(Aaron 08/30/2001)

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