浅析无铅焊接工艺技术

无铅手工焊接工艺分析　口谢燕美　（广州市轻工技师学院广东・广州５１０３１５）　摘要：目前电子产品生产已经基本实现无铅化，手工焊接是最基础的焊接方法，而电烙铁是手工无铅焊接的主　要工具。从无铅与有铅焊料工艺窗口的比较、手．２－焊钕工具的选择、电烙铁的操作方法、手工焊接温度曲线及其　热能量传导方面对手工焊接工艺进行分析，探讨如何提高手工焊接的工艺水平。　关键词：无铅手工焊接　焊接工艺　分析　中图分类号：ＴＧ４４１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７．３９７３（２０１３）００１．０６０．０３　尽管随着贴片技术与波峰焊技术的普遍使用，电子制造　对手工的焊接使用慢慢减少，但是在产品试制、科学研究、学　校实训和产品维修过程中手工焊接仍然需要。手工焊接是自　动焊接的基础，也是电子工程人员必须掌握的基本技能。２００５　年以前我国基本都是有铅的焊接，欧盟从２００６年７月１日起　在消费类电子产品中禁用铅，我国也从２００７年３月１日起对　电子产品推行无铅化，现在已经基本实现无铅化了。电烙铁　是手工无铅焊接的主要工具，理论来源于实践但可以指导实　践，只有深刻领会“焊接温度”、“焊接时间”的含意，通过理论　的指导再加上勤奋的练习才能把电烙铁使用好。　ｌ有铅与无铅焊料工艺窗口比较　无铅焊料种类繁多，不同国家有不同的指定材料，ＳＡＣ３０５　是我国常用的无铅焊料，即Ｓｎ＿３．ＯＡｇ－Ｏ．５Ｃｕ（Ｓｎ．Ａｇ．Ｃｕ系）。焊　料对整个工艺的可操作性、可靠性等方面起着决定性的作用，　无铅焊料与有铅焊料Ｓｎ６３Ｐｂ３７相比有不同特性。图１中分　别是锡铅焊料与无铅焊料的手工焊接工艺窗口。　Ｏ　１　２　３　４　５　６　ＰＣＢ损坏温度区，温度为３００＂（２左右，焊点达到这个温度　会造成ＰＣＢ焊盘损坏；元器件损坏温度区，温度为２６０＂１２左右，　焊点达到这个温度会造成元件损坏；回流焊接温度区：虚线为　焊锡熔点温度；助焊剂活化区，为该区域的下半部分。　图ｌ锡铅焊料与无铅焊料的手工焊接工艺窗口　从图ｌ可知，Ｐｂ．ｓｎ焊料的回流焊接温度为２ｌ５℃．２３０℃，　无铅回流焊接温度为２４５＂Ｃ－２５５￣Ｃ左右。若以元器件损坏温　度为２６０℃为顶线，焊料的回流焊接温度为底线，则两线之间　的温度差称为“焊接工艺窗口”。Ｐｂ．Ｓｎ焊料的工艺窗口为４０＊Ｃ　左右；无铅焊料（ＳＡＣ３０５）的工艺窗口仅为２０￣Ｃ左右，显然无铅　焊料工艺窗口比有铅焊料工艺窗口要窄许多，实际上，工艺窗　口的缩小比理论值大。　焊料的工艺窗口直接影响了焊接时工艺控制的难易程度，　工艺窗口宽的焊料，在温度控制偏高时也不会使元件损坏：而　工艺窗口窄的焊料，在温度控制偏高时会使元件损坏，温度控　制偏低时会出现冷焊。因为无铅焊料工艺窗口比有铅焊料工　艺窗口要窄许多，所以无铅焊接时工艺控制要难很多，无铅焊　接过程中容易造成元件及ＰＣＢ焊盘的损伤。此外，无铅焊料　的表面张力大、流动性差，焊料的润湿性比有铅焊料差，焊接　过程中易出现拉尖、短路、气孔等缺陷。　２手工焊接工具的选择　工艺窗口的缩小给工艺人员带来很大的挑战，同时焊接温　度的提高也对焊接工艺提出了更高的要求。手工焊接的主要　工具是电烙铁，“工欲善其事，必先利其器”，要提高无铅手工　焊接的工艺水平，必须要有合适的电烙铁。电烙铁要功率大、　温控精度高、回温速率快，同时要注意烙铁头的配匹性以及烙　铁头镀层质量。理想无铅手工焊接温度曲线如图２所示。　４００　３００　２００　１００　０　烙铁温度跏　３８Ｏ’Ｃ　—　胁　ｃ　。。　一　—　：时间２　ｊｓ　Ｃ３０　图２理想无铅手工焊接温度曲线　进行手工无铅焊接，要掌握焊接时的三个重要温度参数：　（１）无铅焊料的熔点温度。焊料熔点提高了４０￣Ｃ，烙铁头　温度也要相应提高，而且不同的焊料有不同的熔点。如：锡．银　——斟协论坛・２０１３年第０１期（下）——　∞∞　∞∞∞∞＾，．碍＾　３　２＾‘　１（Ｓｎ．Ａｇ）熔点约为２１７℃，锡．铜（Ｓｎ．Ｃｕ）熔点约为２２７℃。　（２）最适合的焊接温度。要形成有效的合金焊点，焊接温　度要比焊料的熔点高出４Ｏ℃，焊接时保持这个温度３－５秒，其　接合面才能生成１－３ｍｉｎ厚度的金属化合物层，此时焊点的机　械、电气性能最好。　（３）电烙铁加热设定温度。无铅焊料的焊接，烙铁的设定　温度应采用低端温度。温度的设定要根据被焊元件的耐热性、　焊接部位吸收热量成度等因素进行设定。　３电烙铁的操作方法　手工烙铁无铅焊接与有铅焊接的工艺过程是相同的，电　烙铁操作者应该严格要求自已，培养良好的操作习惯，做到正　确的焊接姿势，熟练掌握焊接的基本操作步骤和手工焊接的　基本要领。　３．１焊接的姿势　电子产品手工焊接的姿势一般采用坐姿，工作台和坐椅　的高度要合适，操作者的头部与电烙铁之间相对位置应保持　３０～５０ｃｍ，一手拿烙铁，一手拿焊锡丝，注视焊接点。　３．２握电烙铁的方法　通常电烙铁的操作方法有三种：反握法、正握法和笔握法，　反握法适合于较大功率的电烙铁（＞７５ｗ），用于焊接大焊点；　正握法适用于中功率电烙铁及带弯头电烙铁的操作：笔握法　适用于小功率的电烙铁，主要用于电子产品的手工焊接。　３．３电烙铁接触焊点的方向　电子产品的手工焊接一般使用笔握法焊接，焊接时应将　电烙铁呈４５度方向接触焊点。　３．４手工焊接操作的基本步骤　通常手工焊接操作过程可分为五个操作步骤（也称五步　法），如图３所示。　（１）准备施焊：首先将电烙铁加热到工作温度，准备焊锡丝。　然后将烙铁头和焊锡丝接近焊盘，准备焊接；　（２）加热焊件：将烙铁头移到焊盘和焊件，使其均匀预热，　不要施加压力或随意移动电烙铁；　（３）熔化焊料：将焊锡丝送到烙铁头与焊盘接触部位，使之　熔化；　（４）移开焊料：待焊点成型后，迅速移开焊锡丝；　（５）移开烙铁：移开电烙铁，待焊点冷却成型。　◆　一　・　・　图３五步操作法　在焊点较小的情况下，也可采用三步法完成焊接，即将五　步法中的（２）、（３）步合并，（４）、（５）步合并。　４手工焊接温度曲线及其热能量传导　４．１手工焊接温度曲线　手工焊接要形成可靠焊点，降低产品废品率，提高生产效　率。这与焊接过程的控制有紧密联系，在上述五步操作法中，　每一步的温度曲线如下：　第一步准备施焊中，所要焊接的焊盘仍处于室温，仅是烙　铁头达到预设的温度，焊盘温度状态如图４所示。　一　啤　图４焊盘处于室温、烙铁头达到预设的温度　第二步加热焊件和三步熔化焊料的操作过程中，加热的　烙铁头接触焊盘和焊锡丝，烙铁头上存储的热能量传递给焊　盘、被焊物的管脚和焊锡，焊锡和焊盘温度快速上升，因为电　烙铁头存储热能量的供应是非控制的，所以此时烙铁头温度　有所下降，如图５所示。当焊盘温度达到设定要求时，焊料熔　化，同时焊剂也快速熔化，焊剂中的活化剂快速地去除元件引　脚及焊盘上的氧化层，焊料迅速在铜层上铺展润湿，并形成有　效的焊点，如图６所示。　图５焊盘温度快速上升　ｌ翟Ｉ甏（１ｃ）　柏Ｏ　３５ｏ　∞Ｏ　２５ｏ　铁头　ｏ５ｏ　Ｉ∞　ｌ舅　Ｗ＇ｌｆ，＇Ｊ　图６焊剂活化去除氧化层，焊料形成有效的焊点　雠　升　在焊接过程中，烙铁头与被焊工件相互接触，形成锡焊点　所需的温度称为“焊接温度”，切记，电烙铁显示的温度（旋钮　刻度），不等于能形成焊点所需的焊接温度。美军标（ＭＩＬ—ＳＴＤ／　ＩＰＣ　Ｒｕｌｅ　ｏｆＴｈｕｍｂ）规定焊接温度为焊料熔点加上４Ｏ℃，例如　无铅焊料Ｓｎ６０Ｐｂ４０（熔点为ｌ８３℃），其焊接温度为２２３℃。　烙铁头与被焊工件相互接触，形成锡焊点所需的时间称　为“焊接时间”，该时间美军标规定在３～５秒之间为宜。　第四步移开焊料和第五步移开烙铁的操作中，应先移开　锡丝后再移开烙铁头。否则会出现拉尖现象，如图７所示。　——斟协论坛・２０１３年第０ｌ期（下）——　一

开发一个稳健的无铅焊接工艺

本文将研究确定什么参数对无铅焊接有最大和最小影响的方法。目的是要建立一个质量和可重复性受控的无铅工艺...。

开发一套稳健的方法

检验一个焊接工艺是否稳健，就是要看其对于各种输入仍维持一个稳定输出(合格率)的能力。输入的变化是由“噪音”因素所造成的。甚至在印刷电路板(PCB)进入回流炉之前，一些因素将在一个表面贴装装配内变化。

首先，在工艺中使用的材料中存在变化。这些变化存在于锡膏特性如成分、润滑剂、粉末和氧化物；板的材料，考虑到不同的供应商和不同的存储特性；和元件。其次，变化可能发生在表面贴装工艺的第一部分：锡膏印刷与塌落和元件贴装。第三，噪音因素可来自制造区域的室内条件 - 温度与湿度。这些输入变量要求最佳的加热曲线，它必须对所有变量都敏感性最小，和一个量化工艺能力的方法。

回流曲线

就回流焊接而言，无铅合金的使用直接影响过程温度，因此影响到加热曲线。提高熔化温度缩小了工艺窗口，因为液相线以上的时间和允许的最高温度250°C(为了防止元件损坏和板的脱层)没有改变。

三角形(升温到形成峰值)曲线

我们可以区分那些关键的和接近回流焊接现实极限的工艺和那些较不关键的工艺。对于PCB相对容易加热和元件与板材料有彼此接近温度的工艺，可以使用三角形温度曲线(图一)。三角形温度曲线建议用于诸如计算机主板这样的产品，它在装配上的温度差别小(小的ΔT)。

图一、三角形回流温度曲线

图二、升温-保温-峰值温度曲线

三角形温度曲线有一些优点。例如，如果锡膏针对无铅三角形温度曲线适当配方，将得到更光亮的焊点和改善的可焊性。可是，助焊剂激化时间和温度必须符合无铅温度曲线的较高温度。三角形曲线的升温速度是整个控制的，在该工艺中保持或多或少是相同的。其结果是焊接期间PCB材料内的应力较小。与传统的升温-保温-峰值曲线比较，能量成本也较低。

升温-保温-峰值温度曲线

回流焊接工艺及无铅技术要求

回流焊接是一种常见的电子组装工艺，旨在通过在电路板上加热的同一区域内同时完成焊接和热残留的去除。回流焊接工艺的目的是确保焊接质量，并尽量减少热应力对电子器件造成的损害。无铅焊接是一种环保型的回流焊接工艺，旨在取代含铅焊料并减少对环境的污染。下面将详细介绍回流焊接工艺和无铅技术要求。

回流焊接工艺通常包括以下几个步骤：预热、焊接、冷却和清洗。首先是预热阶段，通过加热电路板上的焊盘和元件至预定温度，以准备焊接。焊接阶段是回流焊接的关键步骤，焊盘和元件表面的焊膏会熔化并形成焊点。在此过程中，需要控制好温度和焊接时间，以确保焊接的质量。冷却阶段是将焊点迅速冷却至室温，以固化焊膏。最后是清洗阶段，通过去除焊接过程中产生的流动剂和焊膏残留物，以使电路板达到可靠的电气和机械性能。

无铅焊接是对传统含铅焊接的替代方案，以减少对环境的污染和人体健康的影响。无铅焊料通常使用锡和其他合金元素的组合，以替代传统含铅焊料。由于无铅焊料的熔点较低和流动性相对较差，需要对回流焊接工艺进行调整。以下是无铅焊接技术的一些要求：

1.温度控制：无铅焊接的温度一般较高，通常在240-260摄氏度之间。需要确保焊接区域的温度能够达到要求，并且在焊接过程中保持稳定。

2.施加力度：由于无铅焊料的流动性较差，需要增加施加于元件的重量，以确保焊盘和元件之间能够良好接触。

3.回流焊炉的设计：无铅焊接需要的温度较高，而焊炉的设计应考虑到这一点，以确保工艺的可行性。 4.元件的选择：无铅焊接对元件有一定的要求，不同的元件可能需要适用于无铅焊接的制造工艺。

5.环境和健康安全：无铅焊接强调环保和健康安全，需要遵守相关的法规和标准，并对焊接工艺进行有效的控制和监测。

总之，回流焊接是一种常见的电子组装工艺，无铅焊接是其环保型的变体。为了确保焊接质量和减少环境污染，需要对回流焊接工艺进行调整，并且遵守无铅焊接技术的要求。这些要求包括温度控制、施加力度、焊炉设计、元件选择以及环境和健康安全等方面。通过遵守这些要求，可以实现高质量的无铅焊接。

OUTION职业一、电子制造业实施无铅焊接技术的紧迫性1.铅污染的危害铅是一种多亲和性、对人体有毒的物质,主要损害人的神经系统、造血系统、血铅和消化系统,铅中毒也是引发白血病、肾病、心脏病、精神异常的重要因素之一。铅毒不仅对水污染,而且对土壤、空气均可产生污染,一旦环境产生严重铅污染,其治理的难度很大、周期甚长、经费支出巨大。电子制造业中大量使用的锡铅合金焊料(Sn/Pb)是污染人类生存环境的重要根源之一。2006年7月1日欧盟全面实施ROHS指令,即《禁止在电子电气产品中使用某些有毒有害物质的法规》,我国也在2007年3月1日实施“电子信息产品污染控制管理办法”,电子制造无铅化已成为不可逆转的潮流。实现电子制造的全面无铅化,以减少环境污染,提升绿色制造竞争能力,以适应国内外市场对绿色电子产品的需求,是电子制造业2007年势在必行的举措。2.电子制造业推行无铅技术的几个途径ROHS指令中无铅的规定要求产品的每一部分不论大小都不能超过0.1%含量的铅,这就要求制造的全过程实施无铅化,具体包含以下几项:(1)焊料的无铅化。焊料的无铅化是电子制造无铅化的关键之一。目前世界上无铅焊料主要有:锡银系(Sn/Ag);锡铋系(Sn/Bi);锡铜系(Sn/Cu);锡锌系(Sn/Zn);锡锑系(Sn/Sb)。它们与有铅焊料的特性比较见表1。(2)元器件及PCB无铅化与电子整机制造无铅化同步。电子整机制造中不仅要对插装(THT)和表面安装(SMT)后的印刷电路板做无铅焊接,而且要求电子元器件和印刷电路板做无铅化处理。国际上一些大的电子元器件厂商开始生产无铅电子元器件。我国的电子元器件厂家和印制电路板厂家也应适应世界无铅化潮流,做到电子元器件/印刷电路板无铅化。(3)焊接设备的无铅化。焊接设备主要有波峰焊机和再流焊机。要求在电子制造中采用无铅焊接设备,取代现有的有铅焊接设备。二、无铅焊接技术的教学实践我校于2004年开设电子制造技术专业,主要为中小电子企业培养从事物料采购、物料管理、品质管理、产品工艺开发、生产制造和测试等中间领域的技术骨干力量,为适应形势的发展,我校于2005年组建无铅波峰焊生产线一条和SMT生产线一条,主要配有电脑控制无铅双波峰焊锡机LF300一台,送板机一台,收板机一台,切板机一台,松香喷雾器G-20一台,全自动激光型贴片机G-L30一台,全热风计算机控制无铅回流焊锡机LF808一台,锡膏搅拌机G-188一台。同时,我们将该专业的核心技能课程《焊接技术》提升为《无铅焊接技术》,课程内容重在实用,讲授锡焊的基本概念原理、手工焊接工具与操作工艺的基本技巧,无铅焊接技术中的检测、测试和分析,从波峰焊接的设备及工艺要点、再流焊的基本工艺方法、锡焊工艺的质量检测方法等方面导入并分析无铅化,重点阐述锡焊技术过程中无铅焊料的必要性,通过对无铅焊料、焊接工艺与有铅焊料、焊接工艺的比较,分析无铅焊接实践中可能出现的问题以及相应的解决方法,培养学生全面掌握无铅焊接生产技术。三、无铅焊接的特点及教学实践体会1.再流焊工艺技术从有铅焊料到无焊料,在再流焊实际操作时将发生很大的变化,主要有:(1)目前最常用的锡-3.0银-0.5铜,其熔点在217℃～219℃,在进行再流焊时,可操作的最低工艺温度应为液相温度加10℃,这就比锡铅共晶焊料的熔点高出40℃。不难看出操作温度的上升与元器件的耐热温度(240℃)的差距将大幅减少,因此必须较以往有更正确的工艺温度管理。此外,由于印制板的多样化,热容量不同的元器件均会有10℃的温差,必须提高预热温度和时间。再流焊设备必须进行多温区加热以减少温度误差,这是一项有效的措施(见图2)。(2)一般认为锡银铜比锡铅湿润性低,其扩散率在75%～80%,比锡铅下降15%左右。为了提高可焊性,在助焊剂中增加活性剂是必要的,但会造成粘度升高等不良现象。另外,由于无铅焊料表面张力比有铅焊料高,在同样条件下湿润性也会变差,焊接时容易发生桥接、拉尖。(3)印刷工艺过程中,由于焊膏内助焊剂与粉末的反应,在粉末表面有有机金属化合物与有机金属盐析出,造成流动性下降,粘度升高,给印刷性能带来影响,成为焊接不良的原因。2.波峰焊工艺技术从有铅焊料到无焊料,在波峰焊实际操作时将发生很大的变化,主要有:(1)流动焊槽温度与峰值温度的温差,锡铅焊料为无铅焊接技术的探索研究与教学实践