波峰焊与浸焊机对锡材的要求及如何设定温度

发布日期：2014/8/21 11:14

一、锡条的制备和品质要求 锡条，顾名思义即是条形的锡焊料，被业界简称锡条。主要用于波峰焊和，是目前电子焊料中消耗量最大的品种；少量也用于火焰钎焊或烙铁焊大结构件和长焊缝。是所有电子、电器等产品最为重要和必不可少的连接材料，全球年消耗量约10万吨。 锡条的制备工艺较简单，主要包括配料、熔炼和浇铸两道工序，并严格控制氧化程度及金属、非金属杂质含量。其中熔炼温度和浇铸温度两个参数对锡条质量影响较大。锡条制备简单，技术门槛低，因而竞争异常激烈，目前定价仅在原材料成本上加上微薄的加工费，一旦原材料锡的价格短期内大幅波动，就可能将那一点点微薄利润一扫而空，甚至亏损。 对锡条品质主要有以下几方面要求： （1） 锡条表面光滑； （2） 焊接时流动性好，润湿性佳； （3） 力学性能好； （4） 焊点光亮； （5） 氧化残渣少。 锡条表面常见缺陷有花点、起泡。这些缺陷是制造工艺和使用模具所造成，如制造时没有刮条面，冷却系统不好、模具不光滑等都会导致以上问题。起泡的原因跟制造时的天气有关。生产工人拿锡条时，不要直接用手，手中的水分会影响到锡条的光亮度，锡条送版时最好采用保鲜纸，既可以看到光亮度、又不受潮。存放时间长或存放地点过潮时，锡条表面会有一层氧化物，也会使锡条光亮度变淡，但对使用效果影响不大。 二、锡条的分类 锡条按环保分类，包括有铅锡条和无铅锡条。 目前常用的无铅锡条有：锡铜无铅锡条(Sn99.3Cu0.7)，锡银铜无铅锡条(Sn96.5Ag3.0Cu0.5)，0.3银无铅锡条(Sn99Ag0.3Cu0.7)，高温型无铅锡条(SnSb)。 常用的有铅锡焊条主要有：63/37焊锡条(Sn63/Pb37)，60/40焊锡条(Sn60/Pb40)和高温焊锡条(400度以上焊接)。 锡条中除主元素锡、铅、铜、银外，往往还含有少量它元素，如镍、锑、铋、In、稀土等。 锡条内的这些微量合金元素对锡条的物理、力学性能影响很大：铋可以降低锡条熔化温度，提高润湿铺展性，但加入量过大，将降低焊点的疲劳寿命和塑性，适当的铋的量大约为0.2~1.5%。Ni可以通过改变合金组织和细化晶粒，从而提高焊点的力学性能和疲劳寿命等。在系统化设计出来的化学成分之中，设计者显然希望锡条各方面的性能能达到一个最佳的平衡，如焊接性能、熔化温度、强度、塑性和疲劳寿命等。 三、锡条的使用 使用时先将适量锡条放在锡锅内，接上电源，打开电源开关，调整温度调至“250”℃左右，用焊锡条在已发红加热管上涂锡，至锡面盖住加热管。当锡条开始熔化时，应及时加进锡条直到熔锡面至合适的高度，熔锡炉内没有焊锡时切勿使用熔锡炉通电加热。设定温度不宜过高，以免锡面氧化加速，一般情况下，63/37的锡条温度控制在260℃左右，50/50的锡条控制在280℃左右，30/70的锡条控制在300℃左右；一般在看锡炉温度的时候，不要锡炉本身的仪表，因其误差往往比较大。要采用温度计插入炉中测量温度致为准确，高温锡条的工作温度一般都要控制在400℃-500℃的范围内，温度不足够会造成连焊锡多，焊点不光亮等问题。 操作过程中要注意以下事项： 1、锡炉接有地线，请用户务必接用，并保证接地良好，以策安全。 2、锡炉使用前应检查电源电压是否相符。 3、锡炉应保持干燥，不宜在潮湿或淋雨环境下工作。 4、锡炉应安放平稳，周围0.5m范围内不能放置易燃物品及其它物品。 5、锡炉使用时操作者应使用护目镜和防热手套，使用中注意避免异物掉进熔解锡锅内，防止发生意外。 6,锡炉通电后严禁移动，不能任意敲击，拆卸及安装其电热部分零件。 7、使用时锡炉外壳有50℃—80℃的温度，这是正常现象，注意高温，切勿触摸外壳。 8、使用完毕，应关闭电源，在无人看管情况下，不要将锡炉通电加温。 9、锡炉如出现故障，应聘请有专业维修技能的人员进行检查。 无铅锡条是应环保要求而出现的新型焊料，其使用时要格外注意： 1、锡炉（手浸炉或波峰焊）必须是无铅专用炉。 2、检查无铅设备的温控稳定性能，以确保焊接时的最小温差。初步炉温不能过高，一般250℃左右；焊接温度一般270-280℃左右。 3、波峰焊最好采用氮气保护，以增加其稳定性、提高抗氧化能力。利用模板开孔设计氮气焊接环境、更高活性的助焊剂来解决无铅焊锡润湿能力弱的问题。 4、锡炉金属外壳须有接地安全保护措施。 5、选择适当助焊剂，对操作和焊点有利。 6、重视焊接后可靠性检查，包括电气性能和对接材料的应力、热疲劳、蠕变和机械振动破坏的检查。 7、确认线装产品的材料合金和耐热性与所用焊锡匹配。 三、锡渣产生的原因和避免措施 锡条熔化后，锡液表面的氧化及其内合金属元素（主要是Cu）作用生成一些残渣都是不可避免的，即熔融锡液表面不断氧化形成锡渣，从而导致焊料的损耗加大，相对增加了产品成本。出现少量的锡渣是正常的，但如果锡渣量过多，或打渣间隔时间太短，可能是工艺设计上存在问题，或者锡条质量不合格。锡条在使用过程中锡渣过多的原因主要有以下几方面原因： 1．对于手浸炉来说，锡渣多且锡面有时发黄或发紫，此情况可能是操作过程中炉温过高或锡炉用了太长时间没有清炉，造成抗氧化损耗过多而起不到作用，这种情况只要加入少量抗氧化剂或进行清炉，再控制好锡炉的温度就可以解决。 2.波峰炉，首先要分清锡渣是否正常，一般黑色粉末状的锡渣是正常的，而豆腐状的锡渣却不正常，针对不正常的豆腐状锡渣的产生和原因有以下六点原因： （1）人为原因，锡条补充不及时，加锡条的最合适时候是始终保持锡面和峰顶的距离要最短。 每天/每次开机前，检查一下炉面高度。先不要开波峰，而是加入锡条使锡炉里的焊锡达到最满状态。然后开启加热装置使锡条熔化。由于，锡条的熔化会吸收热量，此时的炉内温度很不均匀，应该等到锡条完全熔解、炉内温度达到均匀状态之后才能开波峰。适时补充锡条，有助于减小焊接面与焊锡面之间的高度差，降低焊锡波峰与空气的接触面积，从而减小锡渣的产生。 （2）未经常清理锡渣，导致峰顶掉下来的焊锡未能尽快进入锡液中，而是留在锡渣上面，由于缺乏良好的传热而进入半凝固状态，如此恶性循环导致锡渣过多。 （3）锡条质量差，纯度低，波峰炉一般都要求纯度高的锡条，例如:63/37、60/40，杂质多的锡条在焊接时会造成锡渣过多。目前，锡条供应商已普遍生产抗氧化锡条，通过在锡条内加入P、Ga、Ge等元素，提高锡条的抗氧化能力，降低残渣，保证锡条在300℃以下焊接温度时锡液液面光亮如镜面，同时缩短湿润时间。个别厂家已能做到在450℃的高温条件下，锡液表面仍能长期保持银白色的镜面状态，出渣量较低。 （4）清炉不及时，长时间没有清炉，导致炉中杂质含量偏高，造成锡渣过多。要定期清炉换锡，一般每半年换锡一次。 豆腐渣状Sn-Cu化合物的清理：在波峰焊过程中，印刷电路板表面的敷铜以及电子元器件引脚上的铜都会不断地向熔融焊锡中溶解。而Cu与Sn之间会形成Cu6Sn5金属间化合物，该化合物的熔点在500℃以上，因此它以固态形式存在。该化合物密度为8.28g/cm3，而Sn63-Pb37焊锡的密度为8.80g/cm3，因此该化合物一般呈现豆腐渣状浮于液态焊锡表面。当然，也有一部分化合物会由于波峰的带动作用进入焊锡内部。因此，排铜的工作就非常重要。其方法如下：停止波峰，锡炉的加热装置正常动作，首先将锡炉表面的各种残渣清理干净，露出水银状的镜面状态。然后将锡炉温度降低至190-200℃（此时焊锡仍处于液态），而后用铁勺等工具搅动焊锡1-2分钟（帮助焊锡内部的Cu-Sn化合物上浮），然后静置3-5个小时。由于Cu-Sn化合物的密度较小，静置过后Cu-Sn化合物会自然浮于焊锡表面，此时用铁勺等工具即可将表面的Cu-Sn化合物清理干净。该方法可以排除一部分的铜，如果铜含量太高，就要考虑清炉。根据生产情况，大约每半年或一年要清炉一次。 （5）波峰炉设备的问题，波峰炉设计不够理想，波峰太高，锋台过宽，双波峰靠得太近，以及选用旋转榘而造成锡渣过多。波峰太高，焊料从峰顶掉下来时、温度降低偏差比较大，焊料混合着空气冲进锡炉中造成氧化和半溶解现象，导致锡渣的产生。而旋转榘没有做好预防措施，不断地把锡渣压倒锡炉中，循环地连锁反应加激锡渣产生。 波峰高度的控制不仅对于焊接质量非常重要，对于减少锡渣也有帮助。首先，波峰不宜过高，一般不应超过印刷电路板厚度方向的1/3，也就是说波峰顶端要超过印刷电路板焊接面，但是不能超过元器件面。同时波峰高度的稳定性也非常重要，这主要取决于设备制造商。从原理上讲，波峰越高，与空气接触的焊锡表面就越大，氧化也就越严重，锡渣就越多。另一方面，如果波峰不稳，液态焊锡从峰顶回落时就容易将空气带入熔融焊锡内部，加速焊锡的氧化。 （6）波峰炉的温度一般都控制得比较低，一般为250℃±5℃(针对63/37的锡条来说)，而这个温度是焊料在焊接过程中所要求的最基本要达到的温度，温度偏低锡条不能达到一个很好的溶解，使用时就会造成锡渣过多。因而要严格控制炉温，对于Sn63-Pb37锡条而言，其正常使用温度为240-250℃，要经常用温度计测量炉内温度并评估炉温的均匀性，即炉内四个角落与炉中央的温度是否一致，偏差应该控制在±5℃之内。需要指出的是，不能单看波峰炉上仪表的显示温度，因为仪表的显示温度与实际炉温通常会存在偏差。这一偏差与设备制造商及设备使用时间均有关系。 使用抗氧化油可在一定程度上抑制锡渣的生成。抗氧化油为一种高闪点的碳氢化合物，它能够浮于液态焊锡表面，将液态焊锡与空气隔离开来，减少焊锡氧化的机会，进而减少锡渣。一般而言，使用抗氧化油可以减少大约70%的锡渣。但抗氧化油的使用也存在诸多弊病，如锡面较脏，易导致板面不干净，增大焊点缺陷率等，因而要根据产品质量要求有选择性地使用。 锡渣产出量数据如下(以1day=10小时工作计算)： 1、锡铜锡条成本低，产生的锡渣量为8~9kg/天。 2、锡铜镍锡条，成本低，产生的锡渣量为7~8kg/天。 3、锡银铜锡条，成本高，产生的锡渣量为1~1.5kg/天。 四、锡炉内铜含量控制（有铅锡条） 1、Cu<0.08，铜杂质含量正常，在标准内； 2、0.08< SPAN>，铜杂质含量稍高，已超出标准，虽不影响生产，但须注意氧化物会稍增加，特别落实操作要领. 3、0.2< SPAN>，铜杂质含量已高，超出标准0.08%过多，已影响生产质量，氧化物产生过多，机板零件容易短路，助焊剂耗量会增加，要尽快清炉。 4、0.3，铜杂质含量过高，已超出焊锡特性破坏的上限，易造成机板零件焊接不良，短路过多，半边焊，吃锡不均匀，零件脚卡锡浪费过多，锡渣氧化会过多，助焊剂浓度调高浪费过多等焊锡不良现象，要尽快清炉，并更换新锡。 五、波峰焊常见缺陷与对策 1、焊料不足 （1）产生原因： PCB预热和焊接温度太高，使熔融焊料的黏度过低。 预防对策：预热温度在90-130℃，有较多贴装元器件时温度取上限;锡波温度为250±5℃，焊接时间3-5s。 （3） 插装孔的孔径过大，焊料从孔中流出。 预防对策：插装孔的孔径比引脚直径0.15-0.4mm（细引脚取下限，粗引脚取上限）。 （4） 细引线大焊盘，焊料被拉到焊盘上，使焊点干瘪。 预防对策：焊盘设计要符合波峰焊要求。 （5） 金属化孔质量差或助焊剂流入孔中。 预防对策：反映给印制板加工厂，提高加工质量。 （6） 波峰高度不够。不能使印制板对焊料产生压力，不利于上锡。 预防对策：波峰高度一般控制在印制板厚度的2/3处。 （7） 印制板爬坡角度偏小，不利于焊剂排气。 预防对策：印制板爬坡角度为3-7°