無(wú)鉛焊錫的對(duì)策
日本優(yōu)尼公司 李澤民
隨著產(chǎn)品小型化，高密度裝基板、微細(xì)間距部品、多層基板開發(fā)的急速發(fā)展，伴隨著錫絲的無(wú)鉛化、錫焊接變得更困難了，因此必須重新研究焊接方法。在SMT再焊的附加焊接工程及局部焊接的領(lǐng)域，微細(xì)化程度高且多種多樣的手工焊與機(jī)器人的無(wú)鉛錫焊接技術(shù)的在確立也成了當(dāng)務(wù)之急。
日本優(yōu)尼公司通過(guò)反復(fù)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，再加上生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)無(wú)鉛焊錫中的問(wèn)題以及進(jìn)行了深入的研究。
采用無(wú)鉛錫絲容易出現(xiàn)的問(wèn)題及原因
焊接溫度的上升與錫球、助焊劑的飛濺
往高溫的烙鐵頭上供給含助焊劑的錫絲（以后簡(jiǎn)稱：錫絲），則錫絲中的助焊劑會(huì)因受熱膨脹而破裂，
造成錫絲飛濺。而且錫絲中所含助焊劑會(huì)因?yàn)闇囟鹊纳叨鴮?dǎo)致其活性降低。
提高烙鐵頭溫度，烙鐵頭溫度和錫絲（室溫）溫差就變得更大，對(duì)錫絲的熱沖擊也更大，錫絲和助焊劑飛濺就越厲害。
漏焊、短接
由于無(wú)鉛錫絲浸潤(rùn)性、延展性差，一般條件焊接時(shí)，尤其對(duì)多層板通孔的焊接容易形成漏焊、短接。
表1 無(wú)鉛錫絲與傳統(tǒng)錫鉛焊絲的比較
無(wú)鉛錫絲 傳統(tǒng)錫鉛焊絲
拉伸強(qiáng)度 大體相同 大休相同
比重 7.4 8.4
浸潤(rùn)性、延展性 變差
溶點(diǎn) 217～219℃ 183℃
烙鐵頭壽命 縮短約為錫鉛錫絲的1/3
光澤 沒有光澤 表面帶有銀色的光澤
烙鐵頭氧化及助焊劑碳化
焊接作業(yè)中氧化物及助焊劑的碳化物等會(huì)附在烙鐵頭上。在機(jī)器人連續(xù)運(yùn)行的情況下，尤其是烙鐵頭吃錫面的氧化會(huì)造成焊接的不良。通過(guò)能量分散型X線來(lái)分析烙鐵頭前端附著物的成分，我們發(fā)現(xiàn)，在使用共晶錫絲的烙鐵頭上，附著物中碳C的含量比錫Sｎ多，這些碳是錫絲中的助焊劑被碳化后析離出來(lái)的。與之相反，在使用無(wú)鉛錫絲時(shí)，附著物中錫Sｎ的含量比碳C多。而這些錫是從無(wú)鉛錫絲中含量為96%的錫在受熱被氧化成氧化錫中析離出來(lái)的。烙鐵頭消耗的過(guò)程，實(shí)際上是對(duì)烙鐵頭壽命起決定作用的鍍鐵層從開始形成錫的反應(yīng)層，反應(yīng)層逐漸變厚，直至崩潰消失的過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)1小時(shí)就已形成反應(yīng)層；經(jīng)過(guò)4小時(shí)后反應(yīng)層成長(zhǎng)了不少。16小時(shí)后，與4小時(shí)和9小時(shí)相比，反應(yīng)層的厚度明顯變厚。
烙鐵頭和錫槽壽命短
根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用無(wú)鉛錫絲時(shí)，5000次后吃錫面被侵蝕導(dǎo)致烙鐵頭發(fā)生變形；到10000次后，烙鐵頭上就出現(xiàn)了空洞。與使用共晶錫絲的情況相比，其消耗快了2～3倍。其次，在往烙鐵頭定量送錫的同時(shí)進(jìn)行清洗的連續(xù)作業(yè)中，測(cè)定了吃錫面厚度的變化量。通過(guò)比較得知：使用無(wú)鉛錫絲時(shí)吃錫面的消耗量，是使用共晶錫絲時(shí)的2～3倍。同時(shí)，烙鐵頭溫度越高消耗也就越劇烈。因此，烙鐵頭壽命當(dāng)然短。同樣的道理，錫槽壽命也變短。
對(duì)周邊部件的熱影響
對(duì)于無(wú)鉛化，由于溫度提高，擔(dān)心的是對(duì)周邊部件的熱影響。今后，耐熱材料、零件的開發(fā)也會(huì)不斷發(fā)展，但是仍然會(huì)存在一些沒有進(jìn)行耐熱處理或很難進(jìn)行耐熱處理的部件。
無(wú)鉛焊錫的對(duì)策
錫球、助焊劑等飛濺
通過(guò)加熱錫絲從面減輕熱沖擊的預(yù)熱方法。雖然有把錫絲送入V形開槽的方法，但是在使用無(wú)鉛錫絲時(shí)錫絲會(huì)迅速硬化，而且烙鐵頭與送錫部件相接觸，烙鐵頭的熱量就會(huì)被奪走而造成溫度下降。故可通過(guò)加熱錫絲從而減輕熱沖擊的預(yù)熱方法，大量減少錫球、助焊劑等的飛濺。
開發(fā)用于焊接機(jī)器人的含助焊劑的錫絲，即使在高溫下也不會(huì)失去活性力，比用于手工焊的錫絲在一定程度更具有耐熱性。
漏焊、短接等的對(duì)策
氮?dú)庾鳂I(yè)氛圍的焊接，通過(guò)使焊接氛圍處于低氧狀態(tài)、有抑制母材及錫絲的氧化從而提高錫焊接品質(zhì)的效果而被廣泛采用。不管是焊接機(jī)器人還是手工焊，通過(guò)利用氮?dú)舛歼_(dá)到了以下幾個(gè)效果。其一，焊點(diǎn)的光澤及切面變好，減少漏焊及短接等不良。其二，利用氮?dú)饪梢詼p少助焊劑的殘?jiān)：附訖C(jī)器人加工時(shí)通常使用含助焊劑的錫絲，為了確保焊接品質(zhì)，助焊劑的含有量通常為2%～3%。多層基板等中不易滲透的通孔也可能使用含6%的助焊劑的錫絲。在品質(zhì)上，希望焊接后的助焊劑殘?jiān)M可能少?；ㄟ^(guò)使用氮?dú)饪梢允估予F壽命延長(zhǎng)2倍左右。這是因?yàn)樵诘獨(dú)庾鳂I(yè)氛圍可以抑制烙鐵頭吃錫面的氧化。
防止烙鐵頭氧化及助焊劑碳化
使用傳統(tǒng)的錫鉛錫絲的時(shí)候，烙鐵頭上的附著物主要是助焊劑的碳化物，這些碳經(jīng)物用海棉或吹氣等通常的清洗方法即可除去。而無(wú)鉛錫絲時(shí)，烙鐵頭上的殘留物主要是錫的氧化物。在此狀態(tài)下，錫絲無(wú)法溶化，熱量就無(wú)法到焊接物上，事實(shí)上也就無(wú)法進(jìn)行焊接，只能使用氧化鋁粉末或者特殊的助焊來(lái)除去。
提高烙鐵頭和錫槽壽命
1. 不要一味地提升溫度，在適宜溫度下進(jìn)行焊接。選擇最適合的烙鐵。不需要把無(wú)鉛錫線溶點(diǎn)的上升幅度（與錫鉛錫線相比）全盤轉(zhuǎn)移到烙鐵頭上。問(wèn)題的關(guān)鍵不在于溫度的高低，而在于要能夠以最快的速度傳給焊點(diǎn)所需的熱量。是否擁有加熱焊接物所需的足夠熱量、烙鐵頭的形狀是否與焊接物相符成為解決問(wèn)題的重點(diǎn)。
2. 使用長(zhǎng)壽命的烙鐵頭，烙鐵鍍鐵的厚度和品質(zhì)很重要。
3. 在短時(shí)間內(nèi)完成焊接作業(yè)。要達(dá)到此要求，烙鐵的性能很關(guān)鍵。要求烙鐵頭具有快速傳熱短，時(shí)間內(nèi)完成焊接作業(yè)的性能。
4. 在休息時(shí)間等不進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)烙鐵頭溫度能夠自動(dòng)下降。
5. 作業(yè)結(jié)束時(shí)，清洗后往烙鐵頭添上預(yù)留錫絲，盡快關(guān)閉電源。
6． 錫絲的預(yù)熱，焊接物的預(yù)熱。先加熱錫絲到100℃左右再進(jìn)行焊接作業(yè)。由此提高了無(wú)鉛錫絲初期溶化的速度和錫絲的浸潤(rùn)性，從而可以相對(duì)降低烙鐵頭的設(shè)定溫度，另外還具有抑制錫球、助焊劑飛散的效果。同時(shí)，對(duì)焊接中也成為一種常用的方法。
7． 在氮?dú)夥諊羞M(jìn)行焊接。既可改善錫絲浸潤(rùn)性的效果，又能抑制氧化。同時(shí)具有預(yù)熱效果。
對(duì)周邊部件的熱影響
可以使用配有標(biāo)準(zhǔn)CCD顯示器的激光焊接系統(tǒng)，能夠滿足多種多樣的需求。最小集光徑為Φ0.2ｍｍ，根據(jù)同軸光學(xué)觀測(cè)可以得到正確的位置，同時(shí)還配有保護(hù)光學(xué)系統(tǒng)免受助焊劑等污染的機(jī)構(gòu)
