中心議題：
- 無(wú)鉛手工焊接的合金和助焊劑有哪些
- 選擇無(wú)鉛焊線的關(guān)鍵變量是什么
- 無(wú)鉛SAC和SnCu的最佳焊接頭溫度是多少
解決方案：
- 無(wú)鉛焊線應(yīng)至少含有2%的焊劑
- 當(dāng)使用63/37焊料時(shí)，使用低溫650華氏度
- 使用無(wú)鉛焊料時(shí)，最佳溫度為700至800華氏度
隨著各公司紛紛向無(wú)鉛裝配過渡，一定量的手工焊接將始終存在。去年來(lái)自Tech Search International的一篇文章曾提到過在廣泛使用無(wú)鉛的亞洲，相對(duì)于無(wú)鉛SMT（表面貼裝技術(shù)）或波峰焊接，手工焊接問題更加突出。
Kester最近幾個(gè)月里接到了無(wú)數(shù)個(gè)關(guān)于無(wú)鉛手工焊接的電話。事實(shí)上，大多提問的電話和希望通過Kester大學(xué)進(jìn)行培訓(xùn)的請(qǐng)求都與無(wú)鉛手工焊接和返工相關(guān)。許多情況下，裝配工使用了來(lái)自不同焊料供應(yīng)商的原料，但所有情況下都會(huì)發(fā)生類似的問題。通常并不僅僅是原料上的問題。
我們不建議操作人員在星期五使用含鉛焊料進(jìn)行焊接，而星期一上午又轉(zhuǎn)換為無(wú)鉛。盡管這似乎很好理解，但一些裝配工已試過這樣做，而在轉(zhuǎn)換為無(wú)鉛手工焊接后僅幾個(gè)小時(shí)就出現(xiàn)了生產(chǎn)線中斷。這時(shí)操作員會(huì)抱怨，可靠性會(huì)降低，還會(huì)出現(xiàn)不良的接點(diǎn)質(zhì)量。這可能是生產(chǎn)工程師的噩夢(mèng)，但若重新回顧一下基本的手工焊接概念、在轉(zhuǎn)換前后操作員運(yùn)用了轉(zhuǎn)換前的某些經(jīng)驗(yàn)、并且經(jīng)過充分培訓(xùn)后就不會(huì)出現(xiàn)這種情況了。
以下是裝配工人常常詢問到的有關(guān)無(wú)鉛焊料手工焊接的一些問題。實(shí)際上這些還是Kester大學(xué)進(jìn)行無(wú)鉛手工焊接現(xiàn)場(chǎng)審核時(shí)提及的一些問題。
適應(yīng)無(wú)鉛手工焊接的合金和助焊劑有哪些？
無(wú)鉛焊料的限制因素或許是其在焊線內(nèi)的可用性；一些合金不容易引入焊線，錫鉍焊料即是如此。
此時(shí)用來(lái)制成焊線的最普遍的合金是錫銀銅和錫銅合金。它正好在此時(shí)為行業(yè)提供了補(bǔ)充，而68%的SMT裝配工和50%的波峰裝配工都選擇了錫銀銅（SAC）焊料。在波峰焊接中，由于無(wú)鉛錫棒的昂貴費(fèi)用，他們中的20%選擇了錫銅（SnCu）合金。因而這兩種合金可提供手工裝配中使用的焊線。
SAC和SnCu焊料間主要的不同點(diǎn)在于其熔點(diǎn)；其熔化溫度分別為約217攝氏度和227攝氏度。從焊接性能上看，SAC較SnCu焊料更容易潤(rùn)濕，從而也更容易流動(dòng)，而其它的所有特性基本相同。
SAC和SnCu焊料都可提供免清洗、水洗和松香焊劑配方。免洗配方占總焊線使用的85%以上，而水洗配方小于15%，松香焊劑配方則少于5%。這些數(shù)字適用于北美地區(qū)。在全球其它地區(qū)，免洗配方最為普遍。
選擇一條良好的無(wú)鉛焊線的關(guān)鍵變量是什么？
到目前為止，焊線的焊劑含量將是決定潤(rùn)濕效果的關(guān)鍵因素。
在潤(rùn)濕平衡(Wetting Balance)法測(cè)試中，利用類似條件進(jìn)行對(duì)比時(shí)，諸如SAC、SnCu的無(wú)鉛焊料和更高溫度選項(xiàng)的錫銻SnSb較63/37潤(rùn)濕稍慢。
按重量計(jì)算，無(wú)鉛焊線應(yīng)至少含有2%的焊劑。含鉛焊料具備較低的焊劑百分比，低至1%（wt/wt）；這一低焊劑量不適用于無(wú)鉛。
焊線內(nèi)典型的通量分布中，焊劑密度接近于1 g/cc；因而這一量在橫截面中更為明顯。有時(shí)會(huì)用到多重中心，但無(wú)鉛焊接時(shí)使用的比例通常是2%或3%。較少的焊劑會(huì)導(dǎo)致焊接過程中出現(xiàn)更多難題。[page]
若潤(rùn)濕仍過于遲緩，可在焊線內(nèi)試用3%的焊劑，但這將導(dǎo)致產(chǎn)生更多的殘?jiān)?，免洗設(shè)備中便不一定能保持美觀了。由于可能出現(xiàn)施用過量的問題，使用塑料擠瓶添加焊劑的做法通常不可取。這種做法不可用于免洗應(yīng)用。
另一個(gè)重點(diǎn)是確保焊劑是專為無(wú)鉛應(yīng)用設(shè)計(jì)，從而其應(yīng)能經(jīng)受更高的焊接頭溫度而不至于焦化、飛濺和分裂。在使用更高的焊接頭溫度時(shí)，一些焊劑比較容易冒煙。
在選擇一種焊線時(shí)，確保觀察其焊劑的IPC分類。許多符合ROL0分類的免清洗焊劑表示其基于松香、活性低且無(wú)鹵素。這些是IPC規(guī)范中最為可靠的焊劑，其通過了SIR和腐蝕性測(cè)試。在使用無(wú)鉛焊劑時(shí)有一個(gè)傾向是利用更高的活性來(lái)補(bǔ)足減少的潤(rùn)濕；這種方法有時(shí)并不可取。
水洗型焊劑通常被歸為ORH1類，它將更為有效并更完美地用于無(wú)鉛焊接。但是建議須確保殘?jiān)阅芤詿崴耆コ徊⑦M(jìn)行離子污染測(cè)試。若水洗后仍有離子污染物殘留，應(yīng)確保改變清洗處理，諸如延長(zhǎng)周期時(shí)間、增加水溫或更換清洗劑等。
SAC和SnCu潤(rùn)濕平衡測(cè)試所做的對(duì)比性研究顯示，在使用同一焊劑類型的情況下，在要求時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大程度潤(rùn)濕的性能方面，SAC勝過SnCu焊料。在SnCu焊料摻雜鎳、鈷或其它添加劑時(shí)結(jié)果亦如此。
在選擇一種合金時(shí)，確定將裝配部件的總體可焊性是很重要的。若部件的老化、氧化程度較高、手工處理的SAC焊料也許是更好的選擇。
無(wú)鉛手工裝配焊料相關(guān)的主要變化有哪些？
在使用同一焊劑活化標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，無(wú)鉛焊料的流動(dòng)性較63/37稍為緩慢。接觸角稍大，因而較少主張逐漸減少焊料量。此焊點(diǎn)較之63/37焊料趨向于具備較小的反射性。在完成向無(wú)鉛的完全過渡前須進(jìn)行一些再培訓(xùn)。
在一些情形下會(huì)出現(xiàn)如IPC-STD-610D第5部分中所述的某些收縮作用。IPC-610將這些情形定為焊接異常，而不一定是缺陷。
如上所述，若可見破裂底部、收縮孔不與鉛、焊盤或焊壁相接觸，1、2、3類都非缺陷。以下照片是取自Kester實(shí)驗(yàn)室的范例。
無(wú)鉛SAC和SnCu的最佳焊接頭溫度是多少？
焊接頭溫度或接觸溫度對(duì)于減輕無(wú)鉛手工焊接的操作難度十分重要。當(dāng)使用63/37焊料時(shí)，使用低溫650華氏度，但使用無(wú)鉛焊料時(shí)，最佳溫度為700至800華氏度。較高的溫度的確能彌補(bǔ)這些無(wú)鉛合金所展示出的較為緩慢的潤(rùn)濕。
在高于800華氏度的溫度下，可能發(fā)生板和構(gòu)件損害方面的問題；而較低的溫度下，冷焊點(diǎn)和萎縮等又是常見的問題，選擇合適的溫度非常重要。
更高溫度和與被焊接部件更長(zhǎng)時(shí)間的接觸也可能增加金屬化合物的結(jié)合層。從而不建議延長(zhǎng)接觸時(shí)間和重復(fù)返工。上圖表顯示了隨著結(jié)合層的厚度增加，脆化現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)率就更大。[page]
更高溫度會(huì)導(dǎo)致反潤(rùn)濕機(jī)率的增加。
無(wú)鉛焊料焊接過程中使用怎樣的焊接頭？要求使用無(wú)鉛焊接頭，同樣重要的是選擇焊接頭的設(shè)計(jì)。無(wú)鉛工藝較為嚴(yán)格，使用正確的焊接頭對(duì)于防止缺陷大有幫助。
選擇具備足夠熱傳遞能力的焊接頭。針尖頭不可用于所有應(yīng)用中，一些情況下諸如鑿型頭能最佳地傳遞足夠的熱量至被焊接部件。正確的焊接頭選擇標(biāo)準(zhǔn)范例請(qǐng)見下圖表。
無(wú)鉛焊料焊接過程中的焊接頭壽命如何？使用無(wú)鉛焊料時(shí)焊接頭壽命將減少，因而選擇真正是為無(wú)鉛焊接設(shè)計(jì)的焊接頭十分重要。許多焊接頭僅涂有無(wú)鉛焊料，而鐵鍍層與傳統(tǒng)的焊接頭無(wú)異。高錫焊料易溶解鐵，而這會(huì)減少焊接頭的壽命。一些裝配工報(bào)告了焊接頭壽命的重大縮減，例如，一位制造商報(bào)告以63/37進(jìn)行焊接時(shí)，焊接頭可使用3個(gè)月，而以無(wú)鉛焊料焊接時(shí)，其壽命僅為3周。
并非所有焊接頭的溶解性都相同，因而一個(gè)良好的習(xí)慣做法是仔細(xì)選擇焊接頭并詢問更多有關(guān)兼容性的信息。
3周后的無(wú)鉛焊接頭故障 典型無(wú)鉛焊接頭橫截面，焊料為無(wú)鉛如何獲得良好的無(wú)鉛手工焊接工藝以減輕無(wú)鉛焊接的操作難度？在Tech Search International2004年12月發(fā)布的無(wú)鉛最新信息中的一項(xiàng)新近研究發(fā)現(xiàn)，手工焊接相對(duì)于無(wú)鉛波峰焊接和SMT要更難實(shí)現(xiàn)。
原因可能是手工焊接比回流和波峰焊接更依賴于操作人員，且無(wú)鉛焊料中的表面張力也稍一些。相對(duì)于63/37，其潤(rùn)濕或伸展也都較為緩慢。
減少操作員問題、防止焊接工藝中適當(dāng)潤(rùn)濕最優(yōu)化的減少是關(guān)鍵。為了避免出現(xiàn)上面類似的問題，在焊線中使用重量占2%至3%的焊劑含量，將焊接頭溫度設(shè)為700至800華氏度。而且，錫銀銅（SAC）焊料比錫銅（SnCu）焊料更加易于流動(dòng)。
無(wú)鉛手工焊接遇見的主要問題是冷焊點(diǎn)、不良潤(rùn)濕、萎縮和反潤(rùn)濕。這些都可以避免。
可按以下方法一步步地進(jìn)行工藝過渡：——確保焊接頭是為無(wú)鉛而設(shè)計(jì)——確保溫度設(shè)定為700至800華氏度——確保焊線中焊劑含量的重量至少占2%——使用具有最長(zhǎng)壽命的LF焊接頭——使用正確的焊接頭——確保使用被選焊劑時(shí)部件易于焊接——避免接觸時(shí)間過長(zhǎng)——避免不必要的焊點(diǎn)返工——避免使用另外的液體焊劑
可能出現(xiàn)怎樣的缺陷和問題？如何避免？
報(bào)告與無(wú)鉛相關(guān)的普遍問題有：——焊點(diǎn)不平滑——冷焊點(diǎn)——反潤(rùn)濕——萎縮——不良潤(rùn)濕和燈芯效應(yīng)——助焊劑焦化和殘?jiān)伾儼?mdash;—殘?jiān)逑蠢щy
焊點(diǎn)不平滑的原因可能是焊接頭溫度過高導(dǎo)致出現(xiàn)未接合的金屬溶解物。
冷焊點(diǎn)出現(xiàn)的原因可能有幾點(diǎn)：例如焊接頭溫度過低、焊劑強(qiáng)度不夠或焊線中焊劑不足。
反潤(rùn)濕出現(xiàn)的原因可能是焊接頭接觸時(shí)間延長(zhǎng)，從而使得電鍍金屬熔化并暴露出難焊表面。過高溫度也會(huì)導(dǎo)致這個(gè)問題。使用過高焊接頭溫度或焊線內(nèi)焊劑量過少都會(huì)導(dǎo)致萎縮。也可能由于焊劑活性較低，鐵頭的接觸時(shí)間延長(zhǎng)使其無(wú)效。
焊劑、尤其是使用了可水洗焊劑的地a方發(fā)生焦化導(dǎo)致免洗和清洗困難的原因可能由于焊接溫度過高或焊劑未良好地設(shè)計(jì)來(lái)適用于無(wú)鉛所需的較高溫度。避免延長(zhǎng)時(shí)間的接觸和使用更低焊接溫度可減輕這種狀況。
我在使用無(wú)鉛焊線時(shí)，我的烙鐵頭焦化、變黑和反潤(rùn)濕了，我該怎么辦？并非所有焊劑都完全相同，從熱性能上看，一些焊劑不能經(jīng)受無(wú)鉛焊料使用的較高焊接溫度。最近來(lái)自O(shè)K國(guó)際的一個(gè)視頻剪接便很好地證明了這一點(diǎn)，其對(duì)兩條焊線進(jìn)行了對(duì)比，而這被稱做"黑頭癥狀"。熱穩(wěn)定性較差的焊劑使焊接頭變黑，并使重新鍍錫變得更為困難。
"黑頭癥狀"一旦出現(xiàn)，傳熱的減少使無(wú)鉛手工焊接變得困難，焊接頭壽命減少、焊接頭成本增加、操作員的挫敗感上升、可靠性降低等問題都會(huì)隨之出現(xiàn)。
合適的焊劑選擇，使用無(wú)鉛焊接頭和對(duì)操作員進(jìn)行無(wú)鉛手工焊接工藝培訓(xùn)等將避免這些成本支出。幫助避免這些問題的重點(diǎn)如下。——使用帶無(wú)鉛設(shè)計(jì)的焊劑的無(wú)鉛焊線——避免使用過高溫度——若使用了烙鐵頭保護(hù)膏，以干凈海綿擦去多余的保護(hù)膏——勿用應(yīng)力來(lái)補(bǔ)償潤(rùn)濕的不足——使用正確形狀的焊接頭——使用正確的線直徑——隔離無(wú)鉛和含鉛工作區(qū)——確認(rèn)無(wú)鉛烙鐵和工作點(diǎn)——對(duì)所有操作員進(jìn)行培訓(xùn)
這些就是使用無(wú)鉛裝配的客戶詢問過的一些問題。進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)對(duì)于避免手工焊接工藝的重大問題大有幫助。
盡管此工藝對(duì)操作員比較有依賴性，使用上述的技巧能使操作員和工程師手工焊接的困難程度大減。因而，維持與他們所習(xí)慣的含鉛焊接相同程度的可靠性是十分可行的，同時(shí)再無(wú)不良焊點(diǎn)或生產(chǎn)產(chǎn)量降低的噩夢(mèng)。
去焊接工藝與測(cè)試社區(qū)看看
