无铅焊接中如何选择无铅焊料

现行绝大部分元件已採用热空气或热氮气之SMT锡膏熔焊(R e f l o w S o l d e i n g)，只有少数零件(如连接器或插座等讲究接合强度者)仍採用旧式的波焊(W a v e S o l d e r i n g)。然而家电或工业控制之某些组装板类，当仍需用到体型硕大重量又不轻的变压器或电解电容器时，则只得续用强度更好的通孔插焊，因而无铅焊接当然要兼顾到熔焊与波焊两方面的操作，缺一不可。
重锡膏熔焊Paste Reflow Soldering
升温曲线Profile的比较
现行共熔(E u t e t i c)锡铅之锡膏,其熔点(M.P.)为183℃，无铅焊接最有希望之锡膏(锡银铜共熔合金95.5S n／3.8 A g／0.7 C u)其熔点为217℃，下二图即说明其等熔点的差异，与熔焊温度对不同时间的变化曲线(P r o f i l e)，两者已出现明显之不同：
、

图1、长时间（45-60秒）高焊温（217℃以上）的无铅式锡膏的过程中，板面原件可忍耐的极限 （230℃以上）与新旧两种焊料其MP的对比

图2、此为三种无铅式锡膏对现行Sn63锡膏，在熔焊升温曲线上的对比情况
表1、有铅与无铅二者熔焊比较

无铅焊料为顾及不同的组装类型，及减少对原件与板子的冲突，除了继续使用一波三折的马鞍曲线外，也曾试採无预热式的三角形变温曲线。但其中恒温与焊温的时段都已加长，如此一来所使用的各种助焊剂，其热裂解的危机也增加甚多。如上图2。四种銲料之熔焊其各种数据之比较，可进一步於表1中见到详细资料

图3、此为无铅銲料一波两折的三角形升温曲线。与有铅与无铅两种銲料一波三折马鞍式之升温曲线之二例。
升温曲线Profile的取决
由于业者对无铅熔焊所使用的机组不同，待焊的板面大小与零件佈置也各自互异，且所用到的原物料又彼此有别；因而必须要在量產之前先行小批试做，以D O正方式就其等相关因素进行分析，而找出最佳的升温曲线(Profile)。换句话说“升温曲线”并非为一种固定的管
理手法，必须就產品特质而随机加以调变。其中一个重要的原则就是：待焊板面上各位置的温差，最好能拉近到5℃以内，最糟时也不要超过15℃。现场做法是以精确测温的慼温器(Profiler)与“热偶线” (ThermalCouple)安置在板面各处，然后就所用的Profile进行试焊，经由多次调整的参数中，即可从所得銲点品质回溯找出最佳的P r O f i 1 e o下图即为数家日本电子业者对SnAgCu锡膏所惯的Profile，特列於此以供后进者之参考。

图4、此为无铅式锡膏最常见的熔焊升温曲线(Pronle)图，也就是所谓“一波三折式”温度的变化范围，其中之Dryout亦即前文所说的Soak恒温段。

图5、此为月本业者对无铅熔洋较广用的Profile，注意其中之恒温吸热段已延长，且熔焊区的峰温时间竟达10秒左右，对板材的衝击将会不小。

图6、由於无铅熔焊的高热量与长时间，而助焊剂的活性也加强很多，故板面上的残渣将很难清洗。且锡膏所逸出的助焊剂气体对机器与环境都会造成污染，故新式机组板子进入冷却段之前必须要将有害的气体截面下来。
二、无铅之波焊
无铅銲料之波焊比起熔焊来还要麻烦，若仍以S n A g C u之銲料而言。其机组中的锡池平均温度，须增高5 O℃而约在250℃至260℃C左右；至於焊接瞬间的波峰温度则更将高达280℃以上(约3-6秒)，且预热时间亦需加长，以减少高温的热衝击。如此之热量大增下。所带来的负面效果自必极多，现就其等缺失与改善分别说明如下：
◆板材的Tg至少要170℃以上，而且还要具有CAF的功能。
◆助焊剂容易裂解，且在固形物松香(Rosin)增多下，所遗留的残跡不但变多而且又很难清洗，可加装氮气环境减少氧化而改善之。
◆高温氧化增强之下，也造成锡池本身浮渣的增多（相同氮气情况下，SnPb之浮渣量每小时约为12gm／hr），但Pb—Free者却高达27 gm／hr)，而且P b—F r e e之銲料与助焊剂之成本又比SnPb贵了许多，致使总体成本大幅上扬。而且为了品质与可靠度著想，还须加装氮气环境以做为改善。
◆Pb—Free的銲料比重变轻，使得工MC不易浮出且溶铜量亦加快，以致造成提早换池，增加成本。加以耗热量增大，致使现行之波焊机组已经不能再适应，必须设法改装(R e t r O fi t)或另购新机。
◆为了要使无铅銲点结晶变得细腻而更为可靠起见，焊后的冷却速率必须要加快才行，且还须加装特殊配件，以防助焊剂闯入冶却段中，而得以减少污染与后患的发生。
◆所用不銹钢之锡池与螺旋桨，长期强热中均将遭到高比例纯锡的攻击，免不了会有铁份溶进锡池中形成S n F e式的工M C，造成不銹钢本体的蚀点(P i t S)与破损，并带来焊接困难与銲点不良。必须定期更换锡池中的銲料(或铁量到达0.3％时)，每半年亦应更换不銹钢锡池与受损的推进器(见下图l 3)。当然亦可换装已具有保护膜的新机，或对旧机增加保护性之特殊表面处理。当然也可直接採用能够抵抗熔融纯锡攻击的特殊合金，不过其成本将会相当昂贵。
大发快盈500 ◆为了防止熔融纯锡对推进器的攻击，现已开发出一种“电磁泵”；系利用电流与磁场的力量做出抽送的动作，可使波幅的宽度增至5 O O m m，而实用性相当不错。此机系以铸铁建造锡池本体，另外贴附上寻F导体且能抗锡攻击的表面处理。但要注意浮渣的去除，以免对槽体造成伤害。最好还应加装氮气环境，以降低浮渣与减少维修，并还具有节省助焊剂，以及提升沾锡性与抑制缺点的好处。

图7、即为无铅波焊造成不锈钢推进器已受损情形，右图为推进器加做特殊表面处理后之完好外貌。

图8、为无铅波焊全新设计电磁式(E1ectrOmagnetiC)波焊机之部份说明图，当其銲料採用S n 9 9．3 C u O．7(m．p．22 7℃)时，则全机至少应可耐得2 80℃的长期高温操作，才能成为量產的实用机组。
三、氮气的影响
现行共熔锡铅之锡膏，其中所掺入活性较弱的免洗助焊剂，经过供应商多年努力后，即使活性不算很强者，但在焊锡性方面却也有了极大的改进。故即有了氮气环境(残氧率为1000ppm以下)的协助，其品质可改善的空间已经不多。於是现行代工组装者(E M S)为了节省成本起见，氮气环境的流行已渐退烧以减少开支。

大发快盈500 图9、此为三种无铅銲料与现行S nPb銲料，分别在热空气与热氮气中熔焊后的外观对比。对三种无铅銲料而言，其氮气中的散锡面积都要比热空气中更好。外观的光滑度也差异颇大。

图10、此为四种无铅式锡膏与SnPb锡膏，分别在热空气与热氮气之熔焊后，就其所量测散锡面积的比较，由图可知现行有铅銲料之熔焊，的确比无未来无铅者优异颇多。
然而无铅式锡膏由於沾锡性(W e t t i n g)欠佳与散锡性(S p r e a d i n g)较慢，在先天上已经大大的不足。若以接触角的大小来度量焊锡性之品质者(为沾锡性与散锡性的总和)，则Sn63位11.1℃，二SnAgCu者则已经增大到33.9-34.2℃无可奈何之下，於是只好不得不将不具有腐蚀性而活性较弱之免洗助焊剂，改为活性强的水洗式助焊剂，并还需延长操作时间以促反应。若能再加入氮气环境以减轻高温之氧化效应时，其散锡性与外观品质当然就会出现相当大的改善，而且焊温至少还有降低l O℃的利益，以及消除墓碑(Tomb-Stoni n g)减少助焊剂劣化等好处。上列之图9与10二者即为其实物外观与统计数字之比较情形。
由於无铅锡膏中助焊剂的先天不足，一经改用强活性水溶助焊剂后，在更热与更久的煎熬下,其过度氧化所產生的残渣，不但很难清洗外观十分难看，而且后患也不小。甚至与现行的自动化机组也很难配合。此时若能获得氮气环境的协助，外观与可靠度方面当然就会出现较好成绩。     从原理上进行探讨时，额外的氮气环境对无铅熔焊与波焊而言，事实上完全不能助焊，而只能减低高温中待焊件表面的氧化情形而已,然而间接方面对焊锡性与銲点强度，却也提供了极大的助益。从目前的各种结果看来，无铅焊接要想不用氮气，其机会恐怕实在不多了。

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