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無(wú)鉛制造(Lead-Free Manufacturing) 　　對(duì)于一個(gè)無(wú)鉛工藝，必須著手幾種考慮，必須建立一定的條件。首先，一些設(shè)備選項(xiàng)和不同的材料可以改進(jìn)工藝，這些必須在開(kāi)始無(wú)鉛焊接之前準(zhǔn)備好。例如，在波峰焊接中，焊錫必須更換�！　∑浯危_(kāi)始無(wú)鉛工藝要求一個(gè)好的計(jì)劃，關(guān)鍵問(wèn)題必須提出，如"我們可能遇到什么焊接缺陷？""接受與拒絕的標(biāo)準(zhǔn)是什么？"和"在焊錫中允許什么水平的污染？" 回流焊接設(shè)備(Reflow Soldering Equipment) 　　助焊劑流動(dòng)管理　　在無(wú)鉛回流焊接中，無(wú)鉛焊錫影響工藝溫度，因此影響到加熱溫度曲線。由于較高的溫度與不同的錫膏化學(xué)成分，在焊接期間，不同的殘留物將蒸發(fā)。為了以較低的維護(hù)停機(jī)時(shí)間保持機(jī)器的清潔，將需要一個(gè)適當(dāng)?shù)闹竸┝鲃?dòng)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)必須在開(kāi)始無(wú)鉛回流焊接工藝之前安裝與測(cè)試(圖一)。圖一、助焊劑流動(dòng)的管理防止污染進(jìn)入冷卻區(qū)　　受控的冷卻達(dá)到優(yōu)化的溫度曲線　　在無(wú)鉛焊接中推薦一個(gè)受控的冷卻系統(tǒng)，因?yàn)橐坏t子具有適當(dāng)?shù)睦鋮s能力，液化以上的時(shí)間、晶粒結(jié)構(gòu)和板的出來(lái)溫度都可以得到界定。自然需要更多的室溫風(fēng)扇。而推薦使用的是一個(gè)高級(jí)的直接空氣、完全集成的、排熱系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于以較低的氮?dú)庀奶峁┝己玫睦鋮s。該系統(tǒng)通過(guò)再循環(huán)蒸餾水和丙二醇的混合物來(lái)冷卻。這種環(huán)境友好的混合物不要求頻繁的更換。　　板的處理　　由于在爐中較高的溫度，板傾向于翹曲�？梢栽跔t內(nèi)安裝板的支撐來(lái)保持板更平整，結(jié)果減少缺陷。波峰焊接材料與設(shè)備(Wave Soldering Materials and Equipment) 　　預(yù)熱優(yōu)化　　由于較高的工藝溫度，無(wú)鉛焊接要求與含鉛焊錫不同的助焊劑。助焊劑類型將決定哪一種預(yù)熱配置最適合于該工藝。如果使用水作為助焊劑溶劑，那么推薦用一種石英棒加熱器在第一預(yù)熱區(qū)來(lái)迅速將板加熱。在第二與第三區(qū)，可以用一種強(qiáng)制對(duì)流加熱模塊來(lái)在PCB進(jìn)入波峰之前將水從助焊劑中蒸發(fā)出去�！　∵x擇一種具有快速變換配置靈活性的波峰焊接機(jī)器。預(yù)熱模塊應(yīng)該容易交換，以找到對(duì)每個(gè)個(gè)別工藝的最佳安排。(圖二) 圖二、靈活的預(yù)熱設(shè)定優(yōu)化工藝　　焊錫更換　　以無(wú)鉛合金替換錫/鉛合金要求不只是排放和重新充滿焊錫鍋。所有鉛都必須完全地從焊錫鍋中清除。任何留下的鉛的殘留物都將污染無(wú)鉛合金，從而超出規(guī)格范圍�？紤]到最大允許的含鉛量不超過(guò)0.2%。改變合金的時(shí)候必須小心�！　『稿a換掉的程序必須嚴(yán)格遵守。首先，錫鍋中的所有錫/鉛焊錫必須排放干凈�？捎檬占鋪�(lái)收集焊錫。因?yàn)槎鄶?shù)錫鍋都是設(shè)計(jì)有專門的容室來(lái)幫助維持穩(wěn)定的焊錫波，這種工作是相當(dāng)困難的和勞動(dòng)強(qiáng)度大�！　∫坏╁a鍋?zhàn)兛樟�，必須以純錫裝填。錫鍋，包括所有輔助零件與表面，必須用錫徹底沖刷。之后，將錫排放出來(lái)。最后，可以熔化無(wú)鉛焊錫。　　系統(tǒng)的控制軟件也必須調(diào)整，以防止對(duì)葉輪的任何損害。特別是，葉輪的起動(dòng)溫度必須提高，否則在焊錫沒(méi)有完全熔化的時(shí)候葉輪就可能會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。　　另一種做法是用一個(gè)新的錫鍋來(lái)替代錫/鉛的錫鍋。交換錫鍋的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，錫鉛的錫鍋還可以交換回來(lái)，作為失控行動(dòng)計(jì)劃的一部分。還有，錫鉛的錫鍋還留著用于非無(wú)鉛焊接的產(chǎn)品。材料兼容性　　還沒(méi)有什么發(fā)表的東西，談到有關(guān)無(wú)鉛的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，與新型無(wú)鉛合金材料兼容性的有關(guān)的專門問(wèn)題，這些問(wèn)題有時(shí)更加進(jìn)取。目前我們所了解到的是，由于無(wú)鉛合金的高錫含量，象經(jīng)常用于錫鍋零件的不銹鋼304再不能使用了，因?yàn)檫@些零件在無(wú)鉛生產(chǎn)幾個(gè)月后就會(huì)損壞。　　焊接機(jī)器的零件可能不得不轉(zhuǎn)向一種更加抗腐蝕的不銹鋼316。這種材料足以可靠地用于焊接速率低的那些錫鍋零件。對(duì)其它零件，可在SS 316和葉輪上使用用一種專門抗腐蝕涂層(圖三)。不是用鈦，而是用不銹鋼做那些極端條件的零件，部分原因是鈦的成本很高，而且用鈦制造這些特殊零件要求很高的技術(shù)水平。圖三、葉輪的比較：左邊一個(gè)半年生產(chǎn)后的有錫銅焊錫的葉輪右邊一個(gè)專門涂敷的葉輪　　這種防腐蝕涂層是首選的，而不是一種陶瓷涂層，由于其優(yōu)越的硬度(± 2000 Vickers)。不象陶瓷涂層，這種專門的涂層不會(huì)由于偶爾的不小心維護(hù)而損壞。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于這種涂層光滑的表面，焊錫不粘附到金屬，這使得任何有涂層的零件都非常容易清潔�！　�(duì)于錫鍋本身，使用鋼，因?yàn)槠鋬?yōu)越的導(dǎo)熱性。一種阻熱涂層防止鐵熔進(jìn)焊錫中。我們注意到，鐵在無(wú)鉛合金中的熔化速率決定于下列因素： · 使用的材料 · 使用的無(wú)鉛合金 · 焊錫的溫度 · 焊錫的速度污染水平　　象在傳統(tǒng)的錫/鉛焊接工藝中一樣，許多金屬將溶解在無(wú)鉛合金中。這個(gè)溶解速度決定于基質(zhì)材料、焊錫成分、焊錫溫度和焊錫流動(dòng)速度。一種特殊金屬的溶解速率較低，如果該金屬已經(jīng)出現(xiàn)在無(wú)鉛焊錫中。對(duì)于無(wú)鉛焊錫，三個(gè)主要的污染是鉛、銅和鐵�！　°U的污染　　在今后幾年期間，將使用無(wú)鉛韓錫，但是對(duì)元件和板的表面涂層是含鉛的。結(jié)果，含有鉍的任何無(wú)鉛合金都將從表面涂層中吸收鉛，造成焊錫的不同熔點(diǎn)。圖四、被1.5%的鉛污染的錫/銀焊錫的結(jié)果　　另一個(gè)例子，圖四顯示一種受1.5%鉛污染的錫/銀合金。特別是，原來(lái)合金的179°C的熔點(diǎn)提高到"新的"錫/鉛/銀合金的218-211°C范圍�！　°~的污染　　高錫合金比低錫合金更迅速地吸收銅，在無(wú)鉛合金中的銅數(shù)量決定多少銅將被溶解。從錫/鉛工藝，我們知道0.2%或更高的銅含量造成諸如錫橋增加的問(wèn)題。在錫/鉛中最大允許的銅污染一般規(guī)定為0.3%�！　∵@個(gè)0.3%也是在一些對(duì)錫/銀合金的現(xiàn)在規(guī)定中最大的。在錫/銀合金中的高錫含量(96.5%)造成在生產(chǎn)期間銅含量水平的相當(dāng)迅速的增加，特別是在有無(wú)數(shù)銅焊盤的板上。一些工藝在四五個(gè)月后將超出規(guī)格。在錫/鉛波峰焊接中，我們可以從錫/鉛中分離出銅，將它去掉。不幸地是，在無(wú)鉛焊接中，我們必須更換焊錫�！　�(duì)于錫/銀/銅合金，情況就不同了。首先，這種合金已經(jīng)含有銅，因此銅的吸取較慢。其次，試驗(yàn)已經(jīng)顯示含有1%或更多銅的錫/銀/銅合金不再吸取銅。銅穩(wěn)定在1%的水平�！　¤F的污染　　鐵在錫/鉛中的溶解速度慢。與無(wú)鉛合金，數(shù)量大約是高于10倍的因素。例如，在一個(gè)工廠中，錫/銀/鉍/銻焊錫的污染在一年中為0.002%的鐵�！　∫话悖瑑煞N無(wú)鉛波峰焊接工藝涉及污染。首先，使用無(wú)鉛焊錫的一些公司會(huì)經(jīng)常檢查合金的化學(xué)成分。在大約一年之后，它們發(fā)現(xiàn)污染多少穩(wěn)定了。如果金屬水平還在其規(guī)格之內(nèi)，控制數(shù)量的間隔時(shí)間將增加�！　∠啾戎�，其它工藝對(duì)焊錫污染有真正的關(guān)注。一些使用錫/銀合金焊接，這種合金對(duì)吸取銅非常敏感。持續(xù)地超出規(guī)格運(yùn)行將會(huì)讓這些公司尋找替代品�！　∈Ｏ碌膯�(wèn)題還有，允許什么污染水平？因?yàn)�，合金化學(xué)成分的改變，熔點(diǎn)將漂移，熔化范圍將增加。有時(shí)，會(huì)出現(xiàn)在焊錫內(nèi)的不同合金的新熔點(diǎn)(圖四)。焊接缺陷(Soldering Defects) 　　在無(wú)鉛焊接中，會(huì)發(fā)生一些特使的缺陷，諸如焊腳提起(fillet lifting)和錫須(tin whisker)。但其它缺陷，如焊點(diǎn)中的空洞，也似乎比錫鉛工藝中發(fā)生的多。到今天為止，沒(méi)有對(duì)無(wú)鉛焊接點(diǎn)內(nèi)缺陷的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，這使得定義什么可接受更加困難�！　『改_升起　　焊腳升起是在冷卻階段，焊接圓腳從電鍍通孔(PTH, plated through hole)周圍銅焊盤的一種分離。焊腳升起的主要原因是合金化合物、銅焊盤、板厚度與板材料的溫度膨脹系數(shù)(CTE, coefficient of thermal expasion)的不匹配。焊腳升起發(fā)生在含鉍合金與鉛污染結(jié)合的時(shí)候。但是焊腳升起也在其它合金如錫/銅上觀察到。雖然可以預(yù)計(jì)焊接點(diǎn)的可靠性降低，但是在大多數(shù)情況中溫度循環(huán)試驗(yàn)還顯示是好的。錫/銀/鉍/銻焊點(diǎn)強(qiáng)度非常好，而且顯示溫度循環(huán)次數(shù)高。因此，加上沒(méi)有無(wú)鉛焊接電子裝配的標(biāo)準(zhǔn)，許多的公司在其產(chǎn)品上接受焊腳升起。　　空洞　　在無(wú)鉛焊接工藝中發(fā)生的空洞數(shù)量在增加，特別是當(dāng)使用水基無(wú)VOC助焊劑時(shí)�？斩吹闹睆椒秶鷱�10μm - 1 mm。一般，多空不影響焊接點(diǎn)的可靠性�？墒牵蟮目斩纯赡芙档涂沽褟�(qiáng)度。空洞可能降低互連線路的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能，造成熱失效�！　】斩葱纬傻脑蛴性S多。空洞可能是固化期間焊錫收縮的結(jié)果。在焊接期間電鍍通孔的排氣可能會(huì)在焊錫中產(chǎn)生空洞。另外，空洞可能是焊接點(diǎn)濕潤(rùn)不夠的結(jié)果�！　″a須　　純錫表面容易受到自然晶體增長(zhǎng)的攻擊。這些晶體(錫須)可有0.1-5μm的直徑，可增長(zhǎng)到幾毫米長(zhǎng)。錫須可以在電鍍之后或甚至在幾年之后開(kāi)始增長(zhǎng)。由于其尺寸和不同的形狀，錫須可能造成短路。　　錫須增長(zhǎng)取決于溫度與濕度。關(guān)鍵的溫度是在50°C以上，相對(duì)濕度50%�！　榱吮苊忮a須，在焊接工藝中引入的溫度應(yīng)力應(yīng)該盡可能低；這也是采用直線升溫回流曲線的另一個(gè)理由。還有，錫的含量是很重要的；錫純度水平越高，形成錫須的機(jī)會(huì)就越大。生產(chǎn)的開(kāi)始(Production Start-up) 　　在有任何數(shù)據(jù)可以分析之前，必須要作測(cè)量。這些程序?qū)C(jī)器的特征化和校準(zhǔn)是重要的。需要收集好的數(shù)據(jù)，以獲得有用的分析。你可以區(qū)分變量(有單位的測(cè)量數(shù)據(jù))和特性(計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù))�！　』亓骱附印　』亓鞴に囍械淖兞堪C(jī)器和數(shù)據(jù)記錄參數(shù)。機(jī)器參數(shù)包括傳送帶速度、加熱區(qū)溫度、冷卻單元的溫度和水溫度區(qū)。　　數(shù)據(jù)記錄參數(shù)包括到達(dá)參考溫度的時(shí)間、參考溫度以上的時(shí)間、平均溫度、最小坡度、最大坡度、平均坡度、最低溫度、最高溫度、和到達(dá)最高溫度的時(shí)間。特征是指焊接缺陷，如空洞、跳焊、錫球、錫橋和元件豎立�！　√岣吆细衤屎徒档蜋C(jī)器停機(jī)時(shí)間是在無(wú)鉛焊接引入之后必須達(dá)到的目標(biāo)。在開(kāi)始無(wú)鉛工藝之后，要努力建立一個(gè)可重復(fù)測(cè)量的工藝，一個(gè)合理計(jì)算工藝能力(Cp, process capability)值的方法和一個(gè)使用該數(shù)據(jù)校準(zhǔn)機(jī)器的方法�！　�(duì)于大多數(shù)公司，6σ是一個(gè)"不可思議的"詞。這6σ等于2的Cp值；0.002的每百萬(wàn)零件(ppm, parts per million)缺陷數(shù)。在統(tǒng)計(jì)上，如果Cp=1，一個(gè)工藝是有能力的�？墒�，這個(gè)Cp值相當(dāng)于2700ppm的缺陷水平。因?yàn)檫@個(gè)數(shù)字相當(dāng)高，其它一些公司考慮Cp=1.33作為目標(biāo)值。這個(gè)數(shù)字相當(dāng)于64ppm的缺陷水平�！　』亓鳈C(jī)器的校準(zhǔn)　　一個(gè)可靠的校準(zhǔn)程序要求測(cè)量一塊合適的PCB。例如，F(xiàn)R-4板是不應(yīng)該用作校準(zhǔn)測(cè)量的，因?yàn)椴ＡB(tài)轉(zhuǎn)化溫度(Tg)值將在幾次運(yùn)行之后下降；并且這些板由于無(wú)鉛中的溫度高得多而會(huì)翹曲。還有，在多次回流循環(huán)之后可能發(fā)生脫層�！　〗Y(jié)果，安裝在FR-4校準(zhǔn)板上的熱電偶可能松脫，測(cè)量的是氣體溫度，而不是板的材料溫度。從爐堂中通過(guò)的作曲線用的傳感器設(shè)備可得到更可靠的結(jié)果與較好的數(shù)據(jù)。用于校準(zhǔn)工藝的所有工具本身都必須定期校準(zhǔn)�！　犭娕肌　〔灰褂酶邷啬z帶來(lái)連接熱電偶。用Kapton膠帶連接的熱電偶有±5°C的精度，非常依靠操作員的技術(shù)。高溫焊錫或樹(shù)脂得到更持續(xù)一致的結(jié)果和±1°C的精度。　　波峰焊接　　在波峰焊接中，在機(jī)器和數(shù)據(jù)記錄參數(shù)之間存在一個(gè)重要區(qū)別。機(jī)器參數(shù)包括傳送帶速度、預(yù)熱器溫度和焊接溫度。數(shù)據(jù)記錄參數(shù)包括溫度坡度(最大與最小)、平均坡度、最高溫度、波峰上的ΔT、駐留時(shí)間(對(duì)片波與主波)、接觸長(zhǎng)度、與波峰的平行度和在錫波中的浸入深度�！　榱蓑�(yàn)證助焊劑的數(shù)量，必須定義一個(gè)程序。特性包括焊接缺陷，如空洞、跳錫、通孔填充、焊腳升起、錫球、錫橋、元件豎立和焊錫過(guò)多。　　波峰焊機(jī)的校準(zhǔn)　　在回流焊接中使用的相同的統(tǒng)計(jì)方法可以用與波峰焊接。校準(zhǔn)必須用設(shè)計(jì)用于波峰焊接的設(shè)備來(lái)進(jìn)行。有商業(yè)上可購(gòu)買到的工具可以測(cè)量接觸時(shí)間和預(yù)熱溫度曲線。還有，助焊劑性能可以用水敏紙或玻璃板來(lái)檢查。一些制造商寧可一種更準(zhǔn)確的驗(yàn)證方法，并在一個(gè)非常精密的天平上測(cè)量使用的干助焊劑的數(shù)量。

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