基础冶金学与波峰焊接趋势

基础冶金学与波峰焊接趋势

　　本文介绍，为了使波峰焊接在电子工业中完全被接受，冶金学者、工业与主管机构必须一起工作，进行广泛的研究。

　　自从开始，波峰焊接一直在不断地进化。在焊接中涉及的基本冶金学原理已经被许多非冶金人士所忽视，他们为了寻找满足今天要求和更加环境友好的适当材料。为了决定与理解对波峰焊接工艺中被广泛接受的焊锡作“插入式”替代的理论基础，作一些研究是必要的。因此在这里有必要回顾一下基础的冶金学原理，开发和理解为将来建议使用的替代材料。

波峰焊接的进化
　　从二十年代到四十年代，连接是使用焊接烙铁连线方法。印刷电路板(PCB)的发展需要一个更加经济和稳健的形成焊接连接的方法。最早的大规模焊接概念是在英国的浸焊(dip soldering)。在八十年代，开发出被称为波峰焊接的概念。这个方法今天还广泛使用，但是机器和操作员控制已经变得更好了。焊接的基础仍然是相同的。焊接形成只是变化来满足设备的要求；可是，化学成分和理论动力学还是基本的和简单的。附着方法基本上只需要助焊剂，热和焊锡，以形成冶金连接。助焊剂用来清洁需要焊接的、已被氧化的表面。加热去掉助焊剂载体和减少温度冲击，将增加的热量加给构成电路装配的非类似的材料。在一个装配上发现的材料包括：塑料、陶瓷、金属、涂料、化学品及其广泛不同的化学成分。大规模的波峰焊接的使用为元件的可焊性提出一个关注的问题，因为需要第一次就产生适当的连接，并在装配上不进行返修，今天的产品不如过去那些较不复杂装配那么宽容。需要第一次就正确形成的可靠焊接点来经受PCB所暴露的环境。在保证适当信号传输、消除串音和不可接受的垂直波比的同时，必须分析每一种情况中引发的温度与机械应力。¹
　　最早的浸焊方法有一些问题：很难重新产生所希望的合格率；将板放在熔化的焊锡上在底下夹住气体，干扰热传导与焊锡接触；焊锡只能熔湿(wet)到金属表面；锡渣(氧化物与燃烧的助焊剂的化合物)必须撇去，不断地阻碍生产²。这一整套问题导致波峰焊接的引入。该方法使用从锡锅升起的熔化焊锡波或大块表面来汇合PCB，然后PCB从波上传送过去。波峰焊接缩短一半以上的接触时间。传送带系统通常在一个角度上，因此当板通过波峰时，不会夹住任何东西在PCB下面。这样倾斜也允许熔化的焊锡脱落进入锡锅，减少相邻焊接点之间的桥接。因为熔化的金属是从熔化池表面之下泵出的，只有清洁、无氧化的金属引入装配。

焊接动力学
　　当产生一个焊接点时所发生的反应在原理上是基本的。焊锡合金加热到其液相线区域，以提高焊接点的熔湿(wetting)。氧化物从金属表面去掉，以保证焊接点与带有助焊剂的熔化焊锡之间的清洁接触。然后助焊剂预热从PCB去掉助焊剂溶剂(一般为水或酒精)。需要增加的热量来克服PCB与熔化焊锡池之间的温度差。加热PCB来补偿温差差，不对元件引起伤害。PCB有必要的暴露金属区域，从波峰上通过。焊锡以适当的接合与熔湿角度熔湿到金属。表面能量与接触角度决定熔化的焊锡对暴露金属的附着。如果固体的表面能量相当高于液态和固体/液态界面表面能量的总和，那么液态熔湿并流走。毛细管作用使焊锡达到PCB的圆形电镀孔的顶面。

金属间化合的形成与增长
直到连接冷却到可以处理，金属间化合层还在增长。增长速度是与在特定温度的时间的平方根和温度的指数成线性。这说明增长是通过交互原子向界面扩散来控制的。这个金属间化合层通常是 1 µm的Cu6Sn5。Cu来自于PCB的连接面，而Sn来自于焊锡合金。
　　金属间化合物具有从金属与共价键的混合物升起的特性。这些键由于有高分子而强度高。因此，自扩散系数和更大的扩散控制特性的稳定性是强键结合和有序结构的结果⁴。这个接合对连接是好的，直到其增长完全支配焊接点的特性；这时，这样的焊点对装配就是有害的。

焊接材料
　　今天，波峰焊接工艺首选的合金是共晶(eutectic)合金： Sn63/Pb37，因为其价格与可获得的量。Sn提供连接的特性，而Pb是作为填充材料使用的。产量的增强要求使用快速固化的和可以在几秒钟内形成数百焊接点的材料。给共晶焊锡的普通名称是令人误解的。指定的组成成分不是真正的共晶成分。共晶成分按重量百分比是61.9%Sn，如图一所示。这个 http://go1.163.com/~omni/images/wave12.jpg差异来自于早期对共晶成分的错误计算。更高Sn含量的合成物不能调节成本增加与电子装配性能改善之间的关系。只有当装配使用在腐蚀性环境时，成本才调节过来。在冶金学上，焊锡可看作是构成二元合金的纯金属的简单混合。其合金图是二元合金系统的典型图，适用于基本的冶金学原理。正如所料，当偏离共晶时，各种合金的特性是不同的。随着合金中Sn含量减少，液化温度增加、密度增加、硬度减少、温度膨胀系数(CTE)增加、温度与电气传导性减少。

非共晶成分
　　当考虑非共晶合金时，假设由α+共晶组成，从图二的扛杆定律支配比值。有实例证明，没有树枝状晶体出现的固化是可能的，整体的微结构符合共晶。合成物是一个平均的成分。怎样在非共晶合成物中获得共晶结构？固化的冷却速率快于转化动能。当超过固体可溶性极限的成分在室温下冷却时，α相的平均成分结核。转换固相的转化动能被固体转变远远超过。当室内空气冷却固溶体时，剩下的液体可能经历共晶反应，在室温下在非共晶成分中给出共晶微结构。当共晶成分的纯二元液体冷冻时，形成的固体平均成分与液体是一致的。据报道，在α片之前没有溶质集结和结构的集结，在β片之前溶质的耗损。这些溶质轮廓可产生结构过冷，尽管这个现象不是平面不稳性的充分条件⁵。在微结构中，有时使用名词微组元(microconstituent)是方便的，即，具有可确认和有特征结构的微结构元素。在图二中，主要微组元的颗粒结核，形成的共晶微组元的百分率大于焊

对要接受的无铅替代品，必须提供下列：

有足够数量的来源

与现有的工艺可兼容

足够的熔化温度

良好的焊点强度

热和电的传导性类似Sn/Pb

容易修理

非毒性

低成本

　　许多公司正在开发合适的替代合金，作为“插入式”的替代品，以遵守欧洲和日本的法令。这些法令建议到2002年在装配中减少铅，到2004年消除铅。
　 在北美的国家电子制造协会(NEMI, National Electronics Manufacturing Initiative)的目标是到2001年用生产无铅替代品的能力装备北美。该组织正打算与其它机构联合为其可制造性开发标准，其它机构的方向集中在选择替代品，编写世界范围的数据库和收集材料特性数据。

工艺上关注的问题
　 国际锡研究协会(ITRI, International Tin Research Institute)开办了SOLDERTEC，一个无铅焊接技术中心，来传播前缘信息和收缩可利用的选择。     表一列出合金和几种选择，分别以一到十来表示好坏。   

所相有合金在得到接受之前都必须考虑下面的因素。

在制造产品中使用的材料

当在运行中使用产品时的材料消耗

在制造产品与过程中使用的能量

在产品寿命终结时的可再生性和重复利用性

在包括材料提取、制造和报废/再生的整个生命周期中的辐射

在制造废料流中的可再生性

　　Sn/0.7Cu合金选作波峰焊接工艺应用的材料，主要是由于其低金属成本和来源。该建议的替代金属的金相图如图三所示。在极度富锡的区域，0.7%重量的的铜有一个共晶点，这使得这种合金与用于当今装配中的现有材料兼容。固化类似于在Sn/Pb共晶合金系统中见到的。铜和锡两种金属都是来源丰富的，该二元系统减少当使用三元合金成分时出现的低熔化相。

规格
　　冶金学者很想知道当各种金属开始在熔化的焊锡锅中累积的时候发生什么，集合体特性将受到怎样的影响。很高量的污染可看作第三元素。有集团已经开始建议污染的限制，在这个限定之内，还可以提供可接受的焊接结果，而不必完全理解在微结构上发生什么事情。
　　发现引起大多数负作用的不纯净金属是那些金属，它们或者与Sn在合金中形成金属间化合物的或者以特性改变的方式来改变合金成分。不纯净可以和加入低三元素产生同样的影响，人们发现这样会降低焊锡的熔湿(wetting)特性。

结论
　　在对所建议的焊锡替代合金的冶金学研究方面有许多工作要做。对焊接应用的工业标准共晶焊锡的研究已经开展多时，大部分可以接受。可是，这似乎对那些不可避免要出现的新时期焊接合金不一定是正确的。回到冶金学基础上面来是将来预测系统的方法，因为寻找更环境友好材料的动力是政府法规所追求和所要求的。冶金学者、工业与政府机构必须携手合作，找出更稳健的解决方案。

波峰焊接 - 还是可行的

By Les Hymes

　　本文介绍，新的材料、设计、程序和态度正重新燃起对这个成熟工艺的兴趣。

　　波峰焊接，作为批量焊接技术的长期伙伴，可能已经不会得到象回流焊接那么多的注意了。可是，它继续得到与其复杂性的克服一起而来的尊重，这个复杂性是通过所涉及的变量输入数量与类型来权衡的。随着产品设计与技术的进化，作为对新工艺需求的反应，波峰焊接继续以良好的结果适应和完成新的任务。达到这个工艺表现是由于新的材料、设计、程序和态度。结果，对问题和由这个“陈旧但良好的”工艺所提供的解决方案的兴趣还在 继续。

对该工艺的输入

助焊剂、上助焊剂和预热
　　如图一中所说明的，助焊剂用来提高能量水平，改善要焊接的表面的可熔湿性。用来焊接电子的助焊剂范围从侵蚀性强的有机酸到传统的松香基材料到弱有机酸，低残留物、低活性、免清洗助焊剂。松香基助焊剂可能在侵蚀性上变化很大，取决于卤化物类型与含量。侵蚀性水溶性强有机酸助焊剂的残留物必须通过焊接之后的清洗来去掉。有些松香基材料的残留物可以留在焊接的装配上。松香包围活性剂，因此防止反应，这种反应可能使装配的可操作性降级。松香对活性剂含量的比率可决定活性剂的密封有多好。今天使用的大多数免洗波峰焊接助焊剂是基于弱有机酸配方，琥珀或脂肪酸用乙醇或水作溶剂。装配的操作环境主要决定是否免洗助焊剂可以留在装配上。
　　当清洗装配密度高的装配时，从一些元件之间和下面清除所有助焊剂残留物是困难的。低残留物助焊剂由于留下的残留物对电路危害的可能性很小。他们留下少数较良性的残留物。因此，免洗助焊剂可能是一个好的选择，甚至是必须清洗。注意，使用低残留物助焊剂，可焊性特性必须是好的。这些助焊剂不提供较高活性的材料所具有的对可焊性差的帮助。
　　对于成功的波峰焊接，应用的助焊剂涂层必须是均匀的，厚度上受控的。为了有效，助焊剂必须渗入孔内和涂在引脚上。一种喷雾上助焊剂的装置，跟着空气刀，提供保证在要焊接的表面均匀施用助焊剂正确数量的最有些的和受控的方法。空气刀帮助将助焊剂流到孔内，在装配上更均匀地分布助焊剂，并帮助去掉过多的材料。
　　在通过波峰焊接之前预热装配，有几个理由。第一，提升要焊接的表面的温度，因此从波峰上要求较少的温带能量，这样有助于助焊剂/表面的反应和更快速的焊接。预热也减少对元件的温带冲击，当元件暴露在突然的温度梯度下时可能被削弱或变成不能运行。第三、预热加快挥发性物质从装配上的蒸发速度。这些挥发性物质主要来自于助焊剂，但也可能来自较早的操作、储存条件和处理。挥发物在波峰上的出现可能引起焊锡飞溅和在装配上的锡球。
　　控制和了解加热的速率、在波峰焊接各个阶段的温度、和在给定温度或以上的时间长度对于达到和在生产良好的焊接结果是关键的。保证助焊剂的出现 - 在适当的时间正确地激发和保持直到装配离开波峰 - 不能过度紧张。预热必须将装配带到足够高的温度，以提供正在使用的特殊助焊剂的活性化。多数助焊剂供应商发布推荐的温度上升率和最大/最小顶面与底面预热温度。
　　对于任何装配，最佳的时间/温度曲线是取决于许多因素，而不是助焊剂化学成分。这些因素包括板的设计、在波峰上的接触长度、焊锡温度、锡波的速度和形状。一些助焊剂与两步升温表现最好，结合一个活性化和反应的保温或稳定阶段方式。其他的则推荐一个连续的升温，这经常与特殊助焊剂的固体含量有关。
　　对于任何助焊剂，不足的预热时间和温度将造成较多的残留物留下，或许活性不足，造成熔湿(wetting)差。预热底也可从气体放出造成锡球，和当液体溶剂到达波峰时的焊锡飞溅。当在波峰前没有提供足够的预热来蒸发水分时，这个情况在低挥发性有机化合物(VOC, volatile organic compound)的水基助焊剂上看到。过分的时间/温度曲线将降低助焊剂和/或所有的助焊剂将在波峰之前失去/反应。助焊剂在波峰上的出现帮助降低焊锡的表面张力。如果助焊剂失去，则可能的造成锡桥或冰柱(icicle)。最佳的温度在波峰上留下足够的助焊剂，以帮助在板退出波峰时焊锡从金属表面的剥离和排泄。

在锡波上
　　在焊接工位，波峰焊接工艺的所有元素都一起来到。设计、元件、PWB、元件贴装操作、可焊性特性、助焊剂、热能的一部分和一个平稳的材料输送系统都应该到位。在这些规定的和受控的元素出现的情况下，波峰动态和需要形成连接的温度现在是关键因素。
　　波峰经常被引证为许多与工艺有关的问题的原因。事实上，在工艺开始之前，焊接工位需要相对的关注。焊接工位要求关注与维护，作为一个可再生产的设备功能的良好工艺控制程序的部分。在锡炉中，没有夹住的锡渣造成的开口或屏障，一个平缓的水平主波峰是至关重要的。崎岖的波峰是用于片状波峰的，较高速度的紊流提供垂直与水平的压力，来帮助焊接底面的表面贴装元件。
　　当使用熟悉的锡/铅共晶合金时，在板的底面使用的焊锡温度应该是连续一致的，在460~500°F的范围。往这个范围的较低方向偏离有时是有帮助的。免洗助焊剂经常以这个范围的最低或稍微更低的温度焊接，来帮助确保在波峰的出口处有助焊剂存在。一些使用其它助焊剂的工艺，通过提高预热来达到较高的顶面与底面温度和将波峰温度减少到低至430°F，在较厚的多层板上已经取得成功。

培训与工艺控制
　　你不可能控制你不测量的东西！为了有效地测量，必须在工艺技术和对工艺输出的可再生产性的过程变量统计含义上培训员工。
理解你的工艺
　　教育和培训有关人员，使他们理解所要求控制的基本知识。如果他们理解怎样产生一个不可接受的条件，和怎样产生一个可接受的条件，他们将获得知识与信心，特别是如果允许他们为了学习去做这两种事情。
使用一个已定义的控制系统和保持它尽可能简单
　　有时，在开始了解1.67的Cpk比1.33的Cpk大约好10倍这一点已经足够了。
在使用点上测量工艺参数，并且观察到偏离时马上行动
　　除了有温度曲线工具可用于建立最佳的机器设定处理各个板的设计之外，其他工具可帮助整个波峰焊机的监测与分析。这些工具所检测、跟踪、和分析的重要标准是板在焊锡波形上的驻留时间和接触长度。这些数据的使用使得能够计划维护，以在情况恶化、造成产品缺陷、干扰你的计划和让你顾客失望之前纠正变量。

结论
　　低成本、低缺陷的焊接表现是配合设计、零件、材料、工艺、设备功能和有知识的人员的一个函数。高度可焊性的表面不能指望用来补偿差劣的设计或工艺 - 反之亦然。整个运行必须受控。工艺控制，不是一次搞好的，和对细节的关注是关键。因为你不能控制你不连续测量的东西，做足你的功课，限制材料和验证工艺。实行预防而不是发现，过程结果将自我保持：在这个运行环境中将稳定地得到可靠的产品。

在波峰焊接优化中的关键参数

By Martin Ingall, Gustavo Jimenez, Pete Michela, Monica Taylor and Nissim Sasson

　　本文介绍：“对驻留时间和浸锡深度的研究，揭示了波峰焊接的可重复性与缺陷减少的重大机遇。”

　　在过去几年中，生产与工艺工程师对板与波峰的相互作用又有新的认识，导致了波峰焊接程序的戏剧性变化。例如，已经采用直接测量PCB在波峰焊接中经历的技术。得到了电路板品质的即时与显著的改善，推动该技术的广泛使用。

板与波相互作用的中心
　　制造波峰焊机的唯一目的是：让板与焊锡波峰相互作用。你知道这个叙述是完全正确的，因为当你看看回流焊接炉里面时你没有看到波峰。在回流焊接炉中，当板经历加热温度时，出现的是化学反应，不象在波峰焊接中。
　　在波峰焊机内，当把板送到焊锡波峰上时，化学反应与温度是作用物。其结果，与表面贴装的炉相比较，波峰焊机内温度的工艺窗口是宽松的，并且板与波峰相互作用的精确控制产生很大好处。
　　引脚在焊锡波峰内只是几秒钟或更少。焊接应该可以在一次过中达到，不出现缺陷。由于这个过程是如此简单，今天的板是如此复杂，使得电路板必须精确地通过波峰。有头脑的工程师已经知道，似乎很小的板与波峰过程的变化可以导致很大的品质变化。

温度曲线的限制
　　那些坚持认为波峰焊接控制主要是温度的人，通常选择严格地依赖温度粘结剂、高温计或温度曲线。虽然温度是重要的，但它不能说明板与焊锡波峰的相互作用。
　　没有板与波的精确数据的波峰焊接可能造成连续的缺陷、生产危机和停机时间。实际上，生产管理人员了解这样的结果，看到工位上需要修理工人，承受产量与品质的压力。
　　尽管有温度管理的Herculean效应、波峰焊机品质的惊奇进步、以及助焊剂与焊锡化学成分的不断发展，波峰焊接还可能是有问题的。如果问一个制造工程师从哪里主要出现装配缺陷，最常见，他或她会指向波峰焊机。
　　因此，返工人员每天、每班工作只是为了修整生产线上的缺陷。修理现在的水平不是看作对生产失效的一个补偿性活动，可以去掉的一样事情，而是经常看作生产线本身&ldq