中心議題：
- 無鉛手工焊接的合金和助焊劑有哪些
- 選擇無鉛焊線的關(guān)鍵變量是什么
- 無鉛SAC和SnCu的最佳焊接頭溫度是多少
解決方案：
- 無鉛焊線應(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鉛裝配過渡，一定量的手工焊接將始終存在。去年來自Tech Search International的一篇文章曾提到過在廣泛使用無鉛的亞洲，相對(duì)于無鉛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)月里接到了無數(shù)個(gè)關(guān)于無鉛手工焊接的電話。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)求都與無鉛手工焊接和返工相關(guān)。許多情況下，裝配工使用了來自不同焊料供應(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)行無鉛手工焊接現(xiàn)場(chǎng)審核時(shí)提及的一些問題。
適應(yīng)無鉛手工焊接的合金和助焊劑有哪些？
無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濕效果的關(guān)鍵因素。
在潤濕平衡(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的無鉛焊料和更高溫度選項(xiàng)的錫銻SnSb較63/37潤濕稍慢。
按重量計(jì)算，無鉛焊線應(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)庀丛O(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。在使用無鉛焊劑時(shí)有一個(gè)傾向是利用更高的活性來補(bǔ)足減少的潤濕；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，諸如延長周期時(shí)間、增加水溫或更換清洗劑等。
SAC和SnCu潤濕平衡測(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)這些無鉛合金所展示出的較為緩慢的潤濕。
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)致反潤濕機(jī)率的增加。
無鉛焊料焊接過程中使用怎樣的焊接頭？要求使用無鉛焊接頭，同樣重要的是選擇焊接頭的設(shè)計(jì)。無鉛工藝較為嚴(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。
無鉛焊料焊接過程中的焊接頭壽命如何？使用無鉛焊料時(shí)焊接頭壽命將減少，因而選擇真正是為無鉛焊接設(shè)計(jì)的焊接頭十分重要。許多焊接頭僅涂有無鉛焊料，而鐵鍍層與傳統(tǒng)的焊接頭無異。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周后的無鉛焊接頭故障 典型無鉛焊接頭橫截面，焊料為無鉛如何獲得良好的無鉛手工焊接工藝以減輕無鉛焊接的操作難度？在Tech Search International2004年12月發(fā)布的無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，且無鉛焊料中的表面張力也稍一些。相對(duì)于63/37，其潤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)。
無鉛手工焊接遇見的主要問題是冷焊點(diǎn)、不良潤濕、萎縮和反潤濕。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——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)告與無鉛相關(guān)的普遍問題有：——焊點(diǎn)不平滑——冷焊點(diǎn)——反潤濕——萎縮——不良潤濕和燈芯效應(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。
反潤濕出現(xiàn)的原因可能是焊接頭接觸時(shí)間延長，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)間延長使其無效。
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)來適用于無鉛所需的較高溫度。避免延長時(shí)間的接觸和使用更低焊接溫度可減輕這種狀況。
我在使用無鉛焊線時(shí)，我的烙鐵頭焦化、變黑和反潤濕了，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)受無鉛焊料使用的較高焊接溫度。最近來自O(shè)K國際的一個(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，使用無鉛焊接頭和對(duì)操作員進(jìn)行無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。——使用帶無鉛設(shè)計(jì)的焊劑的無鉛焊線——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)力來補(bǔ)償潤濕的不足——使用正確形狀的焊接頭——使用正確的線直徑——隔離無鉛和含鉛工作區(qū)——確認(rèn)無鉛烙鐵和工作點(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)再無不良焊點(diǎn)或生產(chǎn)產(chǎn)量降低的噩夢(mèng)。
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