无铅手工焊面临的问题与解决方法

无铅手工焊面临的问题与解决方法

一、无铅焊料使用时的问题点
    无铅手工焊接在焊料的选择上有一定的限制，譬如Sn-Zn系合金、Sn-Bi系合金的线体成形性较困难，且合金本身易氧化。或者使用中与焊剂的反应存在问题。一般不采用这二种无铅焊料。目前推荐使用的是熔点在210～230℃ Sn-Cu系合金和Sn-Ag-Cu系合金焊料。
    众所周知，由于无铅焊料的流动性差，使焊接时的扩展性(润湿性)大大不如原来的63-37共晶焊料，其扩展性只有原来的三分之一程度。
    这种性质的焊料在展开手工焊时，不仅会对应组装基板与元件，也会体现在焊接用烙铁头部，尽管作业中想提高一些焊接温度，但对改善焊料的扩展性作用是不大的。
    无铅焊料的熔点，比原来的焊料要高出20～45℃，因此手工焊时必须提高烙铁头的温度，通常使用的焊接温度是焊料的熔点温度加上50℃左右较妥当。考虑到焊接用烙铁头温度会由于本身功率及头部重量而存在差异，故温度的设定要比焊接温度高100℃左右。原来63-37共晶焊料的烙铁头温度约在340℃左右，使用Sn-O.7Cu焊料时的温度约在380℃.对于手工焊接来说,超过350℃以上时已作为界限温度，这种状态下的焊接可加快烙铁头的损耗，在超出焊剂的活性范围时易产生焊剂的碳化，降低焊剂的活性效果，这也会成为焊接中常见的焊剂或焊料飞溅的原因。
二、手工焊接的注意点及解决方法
    由上所述，在采用直接加热方式进行无铅手工焊时，稍不注意就会产生各种各样的问题。这些问题的发生说明了正是由于无铅焊料所具的固有特性，使用中就容易出现不良。我们在制定焊接工艺时，可以抓住下面几个基本要点：
① 烙铁头温度的管理
② 焊接基板、部品等表面状态的管理
  ③焊剂的选择、效果衡量及作用
  另外，要做到良好的无铅手工焊，作为重要因素的使用工具方面，以下几个要点是必须考虑的。
2.1  使用热恢复性能优良的烙铁
在无铅手工焊场合，烙铁头的温度势必要比焊料的熔点高出20～45℃，考虑到被焊元件本身的耐热性和稳定地进行焊接操作，烙铁温度最好设定在350℃～360℃范围，这是为了执行良好的手工焊接而采用偏低温度的一种做法。掌握的重点有以下三项：
*使用热恢复性良好的烙铁。
*使用热容量大的烙铁。
*烙铁头部的形状应该与被焊接部相符。
图一是适合于无铅手工焊接、具良好热恢复性的912型烙铁(品种号)，为了与原来性能的烙铁相比较，可以按照图二表示的温度测定方法，对图中1、4、7三个点装上传感器,用3秒钟的时间间隔，对7个点进行焊接，同时测定烙铁头温度的变化，测定结果可参阅图三。912型是热恢复性好的烙铁，907、908型是原来型号的烙铁，908比907的热容量要大。测定结果表示，在相同烙铁头温度场合的焊接部温度，用912型连续焊接的话，焊接部温度是固定的。907型与之相比，其焊接部温度会低一些，焊接部的温度会根据功率大小，热容量差别而发生变化。在图三也可看到，尽管907型焊接温度低一些,但也可
进行充分的焊接.
  
         图一 热恢复性良好的912烙铁                         图二温度测定方法

                      时间s
            图三  烙铁焊接温度测定比较

2.2  选择最适合的烙铁头形状
    在进行无铅手工焊接操作时，合适的烙铁头形状对焊接品质有很大的关系，也就是说在可行的焊接作业范围内，尽可能用热容量大的较粗的烙铁头，这样使焊接时头部温度稍降一些。
    在进行细间距表面贴装元件焊接时，可选用带小R的细型烙铁头，但使用中必须注意到焊点品质。常用烙铁头形状可参见图四，A、B型二种，若焊接部形状与B型头部相似时，B型烙铁热容量大导热性好，焊接温度并不高。从图五看到，对于相同烙头温度，焊接部温度B型的要高出约50℃，A型烙铁头因热容量低导热性亦差。

图四  烙铁头形状(A型、B型)

                  时间  秒
图五  由烙铁头形状的温度比较
2.3  改善焊接中的氧化与润湿性能
    无铅焊料的扩展／润湿性差，给手工焊操作带来不适应性，为防止漏焊、少焊或桥接的发生，可以采用带有氮气(N2)环境的手工焊接，也就是焊接中在烙铁头的周边喷出保护性的氮气。通过对焊接部位的覆盖，可起到改善焊接润湿性、防止基板氧化的效果，这种做法在使用Sn-Zn系焊料时是很有效果的。另外，采用氮气保护焊接时，喷出的氮气具有一定的温度，还具有对部品、基板焊接预热的作用。图六是使用氮气焊接与没有使用氮气焊接、烙铬头温度差的曲线表示，在焊接温度相同情况下，使用氮气进行焊接烙铁头温度会有所下降，测定得到的温度差约为15℃。(测定条件：在纸基覆铜基板上用φ1.6×5mm的无铅焊料丝，每3秒钟焊接一次，测定焊接时的温度变化。)
 
  
图六   使用氮气的手工焊效果

2.4  对应焊料飞溅的预防对策
    无铅手工焊接场合，所使用的松香型无铅焊料。会因为其温度一下子从常温升到烙铁头温度，这时焊料内部的焊剂会急剧膨胀而引起焊料与焊剂的飞溅，加上焊料的熔点本身就较高，飞溅现象就容易发生，其结果是产生焊料球或造成短路。为了防止这个不良，可以在使用的焊料丝上做上V型槽，以减少焊接中焊剂的爆发现象，这样使焊剂滞留在焊料表面，有利于改善焊接的润湿性。
2.5  对应烙铁头使用寿命及氧化的对策
    烙铁头通常均采用导热性好的铜做成，为避免头部的高温氧化和减少焊接中焊料的侵蚀，头部使用镀铁方式作为保护层。但是进入无铅焊接时，对烙铁头的侵蚀量会增强。由应用中看到其头部表面除了铁之外，还易与别的金属产生反应。从而形成金属间化合物层。从图七看到，原来使用63-37共晶焊料，烙铁上不会产生金属化合物，用Sn-3.5Ag-O.7Cu焊接时，就发生了铁-锡金属间化合物。另外再从图八分析，由于烙铁头温度比原来高，使侵蚀量增多，当超过400~C领域时，这种现象更明显，这是因温度变化加速了铁一锡金属间化合物的生成速度。在烙铁头温度400℃2时，以原来63-37焊料作为判别基准，Sn-3．5Ag-0．7Cu的侵蚀量约为3倍，Sn-O．7Cu的侵蚀量将接近4倍。
  无铅焊接可看到另一种现象是烙铁头部表面易黑化，这种黑化物质将降低焊接中的润湿性，并对焊接部位的加热效果有所妨碍。这是因为焊接用的烙铁头作为加热媒体向焊接部位、焊料提供应有的热，当黑化物增加后，不仅影响对焊料的润湿，导热也打了折扣，这是非常不利的。烙铁头黑化产生原因有下面几点：
    ①在烙铁头的铁基体上，由焊剂碳化物，残渣等烧结而成。
    ②由于烙铁头铁基体的暴露，因高温氧化而形成。
    ③是锡-铁金属间化合物在高温氧化后形成黑化。
    这说明黑化产生的原因有多种因素，也表明不合铅的焊料容易在烙铁头表面发
氧化作用。作为注意事项，下面4点在焊接操作时是必须注意的。
    ①在不进行焊接操作时，烙铁不可长时间置于通电状态。
    ②烙铁头温度设定超过400℃时.
    ③在使用低活性焊剂进行焊接作用时(例波峰焊后的修正作业等)
    ④在使用特殊合金组成的无铅焊料时。
 
图七  不同焊料产生金属间化合物的比较
 
图八  Sn-3.5Ag-0.7Cu焊料加热5小时后的金属间化合物厚度比较
2.6 无铅焊烙铁的维护
由前所述,无铅手工焊作业，烙铁头容易产生氧化，在高温状态放置时且易黑化，
因此对烙铁的日常维护是十分重要的。作业中不要使用含水的海绵，可使烙铁头表面保持清洁(无氧化物)，留有防止氧化的焊料膜层.维护要点有下面几项。
  ①尽可能降低烙铁设定的焊接温度(最好在360℃以下)。
  ②每批次作业完成后，或更换新的焊料时，最好更换烙铁头。
  ③停止焊接作业10分钟以上时，应关掉烙铁的电源。