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手工焊接—从有铅到无铅


www.hj180.com 2007年9月21日

    作者:李铮铮

自从电子管问世以来,为了保证元器件间形成可靠的连接,以制造出满足人们需要的电子产 品,烙铁就成为了最重要和不可或缺的工具。

随着晶体管和IC的发明,以及封装技术的不断进步,THT和SMT相继问世,波峰焊接和回流 焊接设备也取代烙铁,成为了完成元器件间互联的主要手段。但是,到目前为止,烙铁仍然在生 产和科研,如返工/返修等领域发挥着不可替代的作用。

RoHS法规的实施,给电子制造业界带来了一系列技术和管理上的挑战;同样,手工焊接技术也必须克服各种困难, 完成向无铅的转换。对于手工焊接来说,在实现这种转换的过程中将会面临哪些问题?都有哪些相关知识需要掌握呢? 为此,本刊特邀奥科电子(北京)有限公司总经理李铮铮先生撰写了“手工焊接系列”文章,希望能对读者有所帮助。 

焊点形成简介 
焊接的目的是形成一个可靠的连接点,该连接点必 须具备一定的机械强度和保持连续的导电通路 特性。根据MIL-STD和IPC焊接标准规定,主 要是要求形成焊接点的条件要在高于焊料溶点温度40℃ 的条件下, 持续对被焊点加热2-5 秒之内形成可靠的连接点。

可靠连接点的形成是在热容量对被焊物的作用下, 通过 助焊剂和焊膏之间的化学反应, 焊料向金属表面润湿,焊料 与金属互相渗透(扩散)而在被焊接物体表面之间形成一个金 属化合物的合金层。因此, 焊接的过程是焊锡是通过润湿、 扩散和冶金结合这三个物理和化学过程来完成的。

手工焊接焊点的形成过程 

手工焊接的焊点形成过程: 

· 通过烙铁头对焊接点上面的焊锡丝和焊接点同时加热

· 随着焊点温度升高, 在达到焊锡丝熔点之前, 助焊剂完 成活化作用

· 焊接的润湿过程开始, 该过程是指已经熔化了的焊料借 助物体表面张力沿被焊接金属表面细微的凹凸和结晶 的间隙向四周漫流,从而在被焊物表面形成附着层, 使焊料与被焊接金属的原子相互接近,达到原子引力 起作用的距离

· 在焊接点温度达到高于焊锡丝溶点40℃后,保持该温 度2-5秒, 伴随着润湿的进行,焊料与被焊接金属原子 间的相互扩散现象开始发生。原子活动剧烈程度随温 度升高成正比, 焊料同被焊金属的原子相互越过接触面 进入对方的晶格点阵,原子的移动速度与数量决定于 加热的温度与时间

· 焊接是冶金结合:由于原子的相互扩散,在2种金属之 间形成了一个中间层——金属化合物,获得良好的焊 点

· 将烙铁头离开被焊接物体

无铅手工焊接

有铅到无铅焊接的转变带来了焊接工艺上的诸多改变(详见下表):

由于无铅焊接对于焊料熔点的提高, 基于大部分传统 加热方式烙铁的烙铁头闲置温度的大幅度提高,而元器件 本身和PCB的耐温条件没有改变这样一个事实, 目前手工无 铅焊接在质量和成本等方面面临极大的挑战,需要更加严格的工艺要求。(见上图)

由上图可见,无铅焊接需要更多的热容量(Thermal Energy) 来形成可靠焊点:

·烙铁头温度的提高 (对于所有使用传统加热方式的 烙铁而言) 
·提高能量消耗 
·降低烙铁头使用寿命 
·提高PCB的损坏机率 
·提高元器件损坏机率 
·增加焊料用量

那么,如何实现有效地将热容量传递给被焊物呢?

·使用正确几何形状的烙铁头 
·选择热传导效率高的烙铁确保能够在不大幅度提高烙铁头闲置温度条件下能够有效传递热能量给被焊物体 
·正确使用助焊剂

无铅焊料的选择

·熔点 
熔点的高低决定了有关的工艺条件。虽然中低熔点 的无铅焊料熔点比较低,但是目前因为润湿性比较差,焊 接强度不理想,不耐高温,价格高等原因,大多数厂家 选用的是高熔点无铅焊料。客户在使用无铅焊接物料时, 首先需要了解的是熔点,这与客户的后续使用有最直接的关系。

·可焊接特性 
无铅焊料的可焊接特性都不如有铅焊料。但是相对而 言,无铅焊料的可焊接特性还是有好差之分,客户需要区 别。

·可靠性 
有的无铅焊料在高温下面可靠性比较差, 但是在 200℃以下可靠性比较好,所以客户在选择无铅焊料时,应 该考虑这一因素。一般的家用电器等产品,200℃以下的温 度就可以了,但是对于很多需要进行返工的产品,必须经 受200℃以上的高温。

·价格 
与无铅焊料的成分与制造过程有关。含银或者含Bi等 贵重元素的价格都较高,含银的比例越高,价格越高。 如上面介绍的Sn/Ag/Cu,Sn/Ag,Sn/Ag/Bi类价格是普 通有铅焊锡的2.5倍,Sn/Cu 类是普通有铅焊锡的1.5倍。

·是否为专利产品 
有的无铅焊料虽然价格高一点,但是已经注册了专 利,电子生产厂家以后不会遇到法律问题,所以欧美日本 等电子生产厂家愿意选用此类焊料。

知识箱

无铅焊接材料 
传统的有铅焊料,多为63/37,铅的百分比为37%。由于铅对环 境有较严重的污染,欧盟及中国先后颁布了法律,严禁使用有铅焊 料,只允许使用无铅焊接材料。

一般认为,当铅的含量<0.1-0.2%(重量百分比)时,才可以 算是无铅焊料。目前新的无铅焊料有很多,每个客户选用的也不相 同,有关的理论分析与测试分析的文章非常多,观点不大一样,有 关的专利在1000种以上。我们仅介绍其中的三种主要的无铅焊料:

::高熔点无铅焊料( 熔点在205℃以上):

Sn/ Ag / Cu 熔点217℃,主要有3种Sn96.5Ag3.0Cu0.5(305); Sn95.5 Ag3.8Cu0.7(387)和Sn95.5Ag4.0Cu0.5(405)。IPC 建议用 Sn96.5Ag3.0Cu0.5, 因为材料成本最低,性能相当。

Sn/Cu 熔点:227℃
Sn/Ag 熔点:221℃
Sn/Ag/Cu/Bi 熔点:217℃
::中熔点无铅焊料 (熔点在 180℃以上 )
Sn/Ag/Cu/Bi(不同配方) 熔点:200-216℃
Sn/Zn 熔点:199℃
::低熔点无铅焊料 (熔点在180℃以下 )
Sn/Bi 熔点:138℃
在当前市场上,综合各种因素,应用高熔点无铅焊料的比较广泛。

知识箱
高熔点无铅焊料简介

::Sn/Ag/Cu——主流产品

成分Sn95.5/Ag3.8/Cu0.7(387),摩托罗拉、诺基亚和 爱立信等公司选用此类产品。

优点:可焊接性比较好,湿润强度、湿润速度、高温稳定 性也比较好。焊点的机械强度较好,熔点217℃,可兼用波峰焊 与熔焊。这是欧盟认定的配方。

美国iNEMI认定Sn95.5/Ag3.9/Cu0.6(396)配方(用于 熔焊,如果用于波峰焊,认定Sn99.3/Cu0.7的配方)。

日本JIEDA 认定Sn95.5/Ag3.0/Cu0.5(305)配方。

一般的无铅焊料与电镀的Sn-Pb层之间往往兼容性差,但 Sn/Ag/Cu无铅焊料还不算太差。

::Sn/Cu

成分99.3Sn0.7Cu,北电、雷声(Racal)等公司采用。

优点:主要用于波峰焊。因为不含Ag,价格略低,锡流不 易氧化,浮渣也不多,熔点227℃。但是,在焊接可靠性与焊 接强度比Sn/Ag/Cu差。有的公司为了降低成本,在SMT阶段用 Sn/Ag/Cu,在波峰焊用Sn/Cu,这种混合使用的方法,对企业 的质量管理要求较高。

缺点:熔点较高。

::Sn/Ag

成分96.5Sn3.5Ag,福特、摩托罗拉和美国国家制造科学 中心(NCMS)采用。

优点:机械强度好,可焊接性好。导电性比有铅焊料好,熔 点221℃。某些日本和德国的专家认为该焊料是取代SnPb最合 适的焊料,但是美国业者认为不如Sn/Ag/Cu。

缺点:价格高,润湿性较差,原因是液态表面张力比较大。

::Sn/Ag/Cu/Bi

索尼等公司采用。

优点:好的可焊接性,波峰焊与SMT焊接都可以。加 入Bi的目的是为了降低熔点,润湿性也有所改善,熔点200- 217℃。

缺点:在波峰焊通孔处发生焊点裂纹(Fillet lifting) 现象,原因是无铅焊料沿X-Y方向的膨胀系数高于PCB,而 PCB沿Z方向上的膨胀系数又高于无铅焊料,特别是含Bi的无铅 焊料,该缺点更为明显。

注意,在高、中熔点焊料都有此种成分。

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