PCB无铅焊接的问题点和对策.doc

PCB无铅焊接的问题点和对策 众所周知，WEEE RoHS指令将于2006年7月开始实施。迈入2005年，无铅化的进程更加紧迫了，许多企业对无铅化加工法的要求更加严格了。 无铅化最初的课题是寻找取代锡铅锡丝的无铅焊料。找到有力的组成之后，又发生专利纠纷。还有由于与传统的锡铅锡丝不同的特性导致需要改善加工法，及锡槽·烙铁头等的寿命明显缩短的问题。 本文将就当前市场上主流无铅锡丝――锡·银·铜锡丝，针对其一般问题以及从焊接工具端出发的几个重点课题，进行分析并提出解决方法。 2．无铅锡丝的特征·问题点 无铅锡丝的特征大致归纳了看看。 拉伸强度大体相同。 比重不同 锡铅锡丝 8.4 无铅锡丝 7.4 浸润性·延展性变差 溶点变高 锡铅锡丝 183 锡银铜无铅锡丝 217~219 ⑤烙铁头寿命缩短 约为1／3(相对于锡铅锡丝) 光泽不同 在焊接完成后，以往的锡铅锡丝表面带有银色的光泽，而无铅锡丝没有光泽。针对这一点，延展率·表面裂纹的问题也包括在内，有必要讨论是否应该改变检查基准。 3．烙铁头寿命的解析~从两方面入手~ 1．先端镀锡层的氧化·碳化 烙铁头镀锡层的氧化，是指吃锡面被锡的氧化物覆盖了、导致吃不了锡的现象。锡铅锡丝的时候，烙铁头上的附着物只要是助焊剂的碳化物，这些碳化物用海棉或吹气等通常的清洗方法即可除去。而无铅锡丝时，烙铁头上的残留物主要是锡的氧化物。这是因为无铅锡丝中锡的含量大大增多的缘故。在此状态下，锡丝无法溶化，热量就无法传递到焊接物上，事实上无法进行焊接。 这种情况时，只要除去先端表面的碳化物、再次形成镀锡层(预备送锡)就可以恢复。这种锡的氧化物用海棉等清洗方法是无法去除的，请使用氧化铝粉末或者特殊的助焊剂来除去。如果使用锉刀等工具的话，容易削薄镀铁层，导致寿命缩短，因此请勿使用。另外，通过实验证明了采用氮气保护可以明显地抑制烙铁头的氧化。 发现锡的氧化物(Sn和O)居多 2．由锡造成的镀铁层的侵食 这是镀铁层被锡侵食而出现穿孔的现象。烙铁头出现穿孔，就说明了使用寿命到了(通常烙铁头上是在母材铜棒上镀有500微米的镀铁层)。 看到的穿孔，意味着对烙铁头寿命起决定作用的镀铁层已经被消耗完了。此过程是使用实际的烙铁头实验得出的。 为了保证实验的安定性，实验时利用焊接机器人，固定在吃锡面的2处进行送锡，随后进行吹气清洗，此作业反复进行，直到烙铁头上出现穿孔时才停止实验。 实验结果为在32小时后在吃锡面的上部出现穿孔。 锡丝接触时间（h ) 把已穿孔的烙铁头切开，通过SEM扩大，如(写真3的右图)。写真3中的左图为新烙铁头的断面。 黑色空洞，原来存在有母材铜。镀铁层出现穿孔后，里面的铜母材在很短的时间里就被侵食成空。为此空洞部分的扩大写真。继续放大，对弓形部分进行分析。 通过该部位的EPMA(Electron Probe Microanalyzer)写真，在同一个地方检测出铁和锡的存在。由此可确认该部位为铁和锡的反应层。 通过定量分析(表1)，Fe与Sn的原子比约为12，因此可得出该反应层为FeSn2的结论。 　烙铁头消耗的过程，实际上是对烙铁头寿命起决定作用的镀铁层，从开始形成锡的反应层，反应层逐渐变厚，直至崩溃消失的过程。接下来研究该反应层与温度和时间的关系。 写真9~12，是在烙铁头上送锡后进行放置、截面的扩大写真。每张写真的左侧为烙铁头的镀铁层，右侧为无铅锡丝，中间为反应层。经过1小时就已形成反应层；经过4小时后反应层成长了不少。然而，从照片中可以看出，16小时后，与4小时和9小时相比，反应层的成长速度明显变慢。 Fe 　FeSn2 　 无铅锡丝 Fe 　 FeSn2 　 　无铅锡丝 这是由于该反应为Sn扩散到FeSn2中与Fe接触而起的反应、经过的时间越长FeSn2层就越厚，Sn到达Fe所需的时间也就越长的缘故。 　　上面是温度为350时的实验。在不同的温度下进行了同样的实验。 通过实验可以得出如下结论 ①烙铁头的镀铁层，一与锡丝接触就开始被侵食。 无铅锡丝中，锡的含量在95%以上，与锡铅锡丝60%相比要高许多，所以被锡侵食的现象明显显著。 镀铁层受锡侵食的现象，从无铅锡丝与烙铁头接触的瞬间急速开始，随着时间的推移逐渐减缓。 镀铁层受锡侵食的现象，温度越高就速度越快。 由此可知如果可以抑制锡·铁的反应抑制烙铁头吃锡面的碳化·氧化的话，就能够在一定程度上抑制无铅锡丝时烙铁头的消耗。 3．结论 如此通过反复进行各种实验，再加上生产现场的实际经验，我们找到了在与锡铅锡丝同等条件下进行PC