关于焊接方法中无铅锡问题与对策
关于焊接方法中无铅锡问题与对策
随着产品小型化，高密度实装基板、微细间距部品、多层基板开发的急速发展，伴随着锡丝的无铅化、锡焊接自身就变得更困难了，因此必须重新研究焊接方法。
在SMT、再流焊的附加焊接工程及局部焊接的领域，微细化程度高且多种多样的手工焊与机器人的无铅锡焊接技术的确立也成了当务之急。
1 研究目的
关于无铅锡焊接，我们想就焊接机器人与手工焊的锡焊接方法中面临的问题、具体分析其原因、从对现场有帮助务实的观点出发介绍无铅锡焊接的对策： ①锡丝飞溅对策；②漏焊、短接等的对策；③烙铁头氧化及助焊剂碳化的防止；④烙铁头寿命的延长；⑤对产品的热影响。
实验中使用的共晶锡丝为UXE-21《Sn60-Pb40》、无铅锡丝为UXE-51《Sn-Ag3-Cu0．5》。
2 研究内容
2．1 焊接温度的上升与锡球、助焊剂的飞溅
往高温的烙铁头上供给含助焊剂的锡丝(以后简称：锡丝)，则锡丝中的助焊剂会因受热膨胀而破裂。这造成锡丝飞溅的原因之一。众所周知，跟以前的共晶锡丝相比，无铅锡丝的溶点高。然而，锡丝中所含有的助焊剂会因为温度的升高而导致其活性降低的问题尚未受到重视。可以认为如果按无铅锡丝的溶点来提高烙铁头温度，助焊剂的活性反而会降低而失去作业性。(注：开发用于焊接机器人的含助焊剂的锡丝即使在高温下也不会失去活性力，比用于手工焊的锡丝在一定程度更具有耐热性。)
通常，烙铁头温度多被设定在320～340℃上下，比锡丝的溶点高150℃左右。此时，锡丝的温度若与室温一致视为25℃，那么两者的温度差则为300℃以上。如果烙铁头温度设定为400℃，温度差就变得更大，对锡丝的热冲击也就更大。我们做了以下实验，把烙铁头温度分别设定为320℃和400℃，往烙铁头上送同量的锡丝，观察锡球、助焊剂等飞溅程度。其结果如图1、图2所示。经观察，烙铁头温度设定为400℃，飞溅很明显地增加。由此可知，高温时的热冲击是造成助焊剂及锡球飞溅的原因之一。
那么，应该如何去缓和此热冲击呢?为了防止锡丝的飞溅，虽然有把锡丝送入V形槽的方法，但是在使用无铅锡丝时锡丝会迅速硬化，所以不能称之为万全。因此，下面我们介绍通过加热锡丝从而减轻热冲击的预热方法。图3为本公司的焊接机器人烙铁部中，通过加热器一边加热一边送锡的照片。
如图所示，在对锡丝进行预热的情况下，我们做了相同的飞溅实验。结果，与没有对锡丝进行预热时相比，具有很明显的差别。
比较图1与图4、图2与图5，可发现锡球、助焊剂的飞溅大量减少了。由此可知，对锡丝进行预热后的飞溅量比没有预热时明显减少。
另外，如果烙铁头与送锡部件相接触，烙铁头的热量就会被夺走而造成温度下降。往烙铁头送锡，烙铁头的温度就会如图下降。(图6)在无铅焊接情况下，我们希望烙铁头温度的下降尽可能小。通过对锡丝进行预热，可以防止温度的下降。
2．2 漏焊、短接等的对策——氦气作业氛围
氮气作业氛围的焊接，通过使焊接氛围处于低氧状态、有抑制母材及锡丝的氧化从而提高锡焊接品质的效果而被广泛采用。不管是焊接机器人还是手工焊，通过利用氮气都达到了以下几个效果。其一，焊点的光泽及切面变好，减少漏焊及短接等不良。其二，利用氮气可以减少助焊剂的残渣。焊接机器人加工时通常使用含助焊剂的锡丝，为了确保焊接品质，助焊剂的含有量通常为2％～3％。多层基板等中不易渗透的通孔时也可能使用含6％助焊剂的锡丝。在品质上，我们希望焊接后的助焊剂残渣尽可能少。其三，通过使用氮气可以使烙铁头寿命延长2倍左右。这是因为在氮气作业氛围可以抑制烙铁头吃锡面的氧化。
2．3 烙铁头氧化及助焊剂碳化的防止
焊接作业中氧化物及助焊剂的碳化物等会附在烙铁头上。在机器人连续运行的情况下，尤其是烙铁头吃锡面的氧化会造成焊接的不良。下面，我们通过能量分散型X线来分析烙铁头前端附着物的成分。
根据图9，在使用共晶锡丝的烙铁头上，附着物中碳C的含量比Sn多，这些碳是锡丝中的助焊剂被碳化后析离出来的。与之相反，在使用无铅锡丝时，附着物中Sn的含量比C多(见图10)。而这些锡是从无铅锡丝中含量为96％的锡在受热被氧化成氧化锡中析离出来的。
使用无铅锡丝时，由于烙铁头附着物中含有大量的氧化锡，因此可以使用氮气等遮断氧气来降低氧化锡的产生从而减少附着物。此烙铁头附着物中含有大量的氧化锡，容易对焊接产生不良的影响。有效利用氮气对防止锡氧化有显著的效果。
2．4 烙铁头寿命的延长
最近经常听到这样的事：若把锡丝换成无铅锡丝，烙铁头的消耗就加剧。这现象一般解释为烙铁头吃锡面被无铅锡丝中大量含有的锡侵食的结果。实际测定后发现惊人的差异。
根据此实验，可以看出5千次后吃锡面被侵食导致烙铁头发生变形，见图11。到1万次后，烙铁头上就出现了空洞。与使用共晶锡丝的情况相比，其消耗快了2～3倍。其次，我们在往烙铁头定量送锡的同时进行清洗的连续作业中，测定了吃锡面厚度的变化量。通过比较得知，使用无铅锡丝时吃锡面的消耗量，是使用共晶锡丝时的2～3倍。另外，也可以得出烙铁头温度越高消耗就越快的结论，见图12。
如果使用无铅锡丝，烙铁头的吃锡面以2～3倍的速度消耗。还有烙铁头温度越高消耗也就越剧烈。由此可知，从烙铁头的寿命观点出发，过高的设定烙铁头温度并非上策。
2．5 对产品的热影响
对于无铅化，担心的是对周边部件的热影响。今后，耐热材料、零件的开发也会不断发展，但是仍然会存在一些没有进行耐热处理或很难进行耐热处理的部件。现在，焊接机器人、手工焊、半导体激光等的锡焊接方法由于只对端子局部加热，对周边部件和基板的热影响很小，所以把附加焊变为部分焊的要求正在增加。 图13、14使用机器人对CCD元件进行焊接时组件温度的测量结果。CCD元件的保护玻璃是用粘合剂接合的，其耐热温度在110℃左右。如果在焊接时整个元件的温度超过110℃，粘合剂就会融化，因此在原则上元件的温度必须保持在110℃以下。产品名称：采用CCD元件；焊接个数：16个作业点。
实验中，在组件的上部2边分别接上热电偶，测量了机器人在焊接两侧pin时的温度。此时，温度上升的最大值为104．3℃，对组件的热影响限制在11O℃以下。在此，我们列出的只是一个例子，但是我们想类似这样甑要求选行温度管理怕部件今后一定会不断增加。
3 总结
以上，我们介绍了焊接机器人在使用无铅锡丝时的问题点及通过实验数据得出的对策。
①锡丝飞溅的对策；②漏焊、短接等的对策；⑧烙铁头氧化及助焊剂碳化的对策；④烙铁头寿命的延长；⑨对产品的热影响。
今后，作为锡焊接方法的课题，有必要对烙铁头吃锡面的材料、构造等、寿命的延长及氧化的防止进行进一步研究。同时，对于新兴的锡焊接方法一半导体激光锡焊接方法，我们也要求不断去改进、完善它。