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无铅焊接技术论文
无铅焊接技术论文 无铅焊接技术论文篇一 无铅手工焊接工艺分析 摘 要：目前电子产品生产已经基本实现无铅化，手工焊接是最基础 的焊接方法，而电烙铁是手工无铅焊接的主要工具。从无铅与有铅焊料工艺窗口 的比较、手工焊接工具的选择、电烙铁的操作方法、手工焊接温度曲线及其热能 量传导方面对手工焊接工艺进行分析，探讨如何提高手工焊接的工艺水平。关键词：无铅手工焊接 焊接工艺 分析 中图分类号：TG441 文献标识码：A 文章编号：
1007-3973(2013)001-060-03 尽管随着贴片技术与波峰焊技术的普遍使用，电子制造对手工的焊接 使用慢慢减少，但是在产品试制、科学研究、学校实训和产品维修过程中手工焊 接仍然需要。手工焊接是自动焊接的基础，也是电子工程人员必须掌握的基本技 能。2005年以前我国基本都是有铅的焊接，欧盟从2006 年7月1日起在消费类电 子产品中禁用铅，我国也从2007年3月1日起对电子产品推行无铅化，现在已经基 本实现无铅化了。电烙铁是手工无铅焊接的主要工具，理论来源于实践但可以指 导实践，只有深刻领会“焊接温度”、“焊接时间”的含意，通过理论的指导再加上 勤奋的练习才能把电烙铁使用好。
1 有铅与无铅焊料工艺窗口比较 无铅焊料种类繁多，不同国家有不同的指定材料，SAC305是我国常 用的无铅焊料，即Sn-3.0Ag-0.5Cu(Sn-Ag-Cu系)。焊料对整个工艺的可操作性、 可靠性等方面起着决定性的作用，无铅焊料与有铅焊料Sn63Pb37相比有不同特性。
图1中分别是锡铅焊料与无铅焊料的手工焊接工艺窗口。
PCB损坏温度区，温度为300℃左右，焊点达到这个温度会造成PCB 焊盘损坏;元器件损坏温度区，温度为260℃左右，焊点达到这个温度会造成元件 损坏;回流焊接温度区;虚线为焊锡熔点温度;助焊剂活化区，为该区域的下半部分。
从图1可知，Pb-Sn焊料的回流焊接温度为215℃ -230℃，无铅回流焊接温度为245℃ -255℃左右。若以元器件损坏温度为260℃为顶线，焊料的回流 焊接温度为底线，则两线之间的温度差称为“焊接工艺窗口”。Pb-Sn焊料的工艺 窗口为40℃左右;无铅焊料(SAC305)的工艺窗口仅为20℃左右，显然无铅焊料工 艺窗口比有铅焊料工艺窗口要窄许多，实际上，工艺窗口的缩小比理论值大。
焊料的工艺窗口直接影响了焊接时工艺控制的难易程度，工艺窗口宽 的焊料，在温度控制偏高时也不会使元件损坏;而工艺窗口窄的焊料，在温度控 制偏高时会使元件损坏，温度控制偏低时会出现冷焊。因为无铅焊料工艺窗口比 有铅焊料工艺窗口要窄许多，所以无铅焊接时工艺控制要难很多，无铅焊接过程 中容易造成元件及PCB焊盘的损伤。此外，无铅焊料的表面张力大、流动性差， 焊料的润湿性比有铅焊料差，焊接过程中易出现拉尖、短路、气孔等缺陷。
2 手工焊接工具的选择 工艺窗口的缩小给工艺人员带来很大的挑战，同时焊接温度的提高也 对焊接工艺提出了更高的要求。手工焊接的主要工具是电烙铁，“工欲善其事， 必先利其器”，要提高无铅手工焊接的工艺水平，必须要有合适的电烙铁。电烙 铁要功率大、温控精度高、回温速率快，同时要注意烙铁头的配匹性以及烙铁头 镀层质量。理想无铅手工焊接温度曲线如图2所示。
进行手工无铅焊接，要掌握焊接时的三个重要温度参数：
(1)无铅焊料的熔点温度。焊料熔点提高了40℃，烙铁头温度也要相 应提高，而且不同的焊料有不同的熔点。如：锡-银(Sn-Ag)熔点约为217℃，锡- 铜(Sn-Cu)熔点约为227℃。
(2)最适合的焊接温度。要形成有效的合金焊点，焊接温度要比焊料 的熔点高出40℃，焊接时保持这个温度3-5秒，其接合面才能生成1-3min厚度的 金属化合物层，此时焊点的机械、电气性能最好。
(3)电烙铁加热设定温度。无铅焊料的焊接，烙铁的设定温度应采用 低端温度。温度的设定要根据被焊元件的耐热性、焊接部位吸收热量成度等因素 进行设定。
3 电烙铁的操作方法 手工烙铁无铅焊接与有铅焊接的工艺过程是相同的，电烙铁操作者应该严格要求自已，培养良好的操作习惯，做到正确的焊接姿势，熟练掌握焊接的 基本操作步骤和手工焊接的基本要领。
3.1焊接的姿势 电子产品手工焊接的姿势一般采用坐姿，工作台和坐椅的高度要合适， 操作者的头部与电烙铁之间相对位置应保持30～50cm，一手拿烙铁，一手拿焊 锡丝，注视焊接点。
3.2握电烙铁的方法 通常电烙铁的操作方法有三种：反握法、正握法和笔握法，反握法适 合于较大功率的电烙铁(75W)，用于焊接大焊点;正握法适用于中功率电烙铁及带 弯头电烙铁的操作;笔握法适用于小功率的电烙铁，主要用于电子产品的手工焊 接。
3.3电烙铁接触焊点的方向 电子产品的手工焊接一般使用笔握法焊接，焊接时应将电烙铁呈45 度方向接触焊点。
3.4手工焊接操作的基本步骤 通常手工焊接操作过程可分为五个操作步骤(也称五步法)，如图3所 示。
(1)准备施焊：首先将电烙铁加热到工作温度，准备焊锡丝。然后将 烙铁头和焊锡丝接近焊盘，准备焊接;
(2)加热焊件：将烙铁头移到焊盘和焊件，使其均匀预热，不要施加 压力或随意移动电烙铁;
(3)熔化焊料：将焊锡丝送到烙铁头与焊盘接触部位，使之熔化;
(4)移开焊料：待焊点成型后，迅速移开焊锡丝;
(5)移开烙铁：移开电烙铁，待焊点冷却成型。
在焊点较小的情况下，也可采用三步法完成焊接，即将五步法中的(2)、(3)步合并，(4)、(5)步合并。
4 手工焊接温度曲线及其热能量传导 4.1手工焊接温度曲线 手工焊接要形成可靠焊点，降低产品废品 率，提高生产效率。这与焊接过程的控制有紧密联系，在上述五步操作法中，每 一步的温度曲线如下：
第一步准备施焊中，所要焊接的焊盘仍处于室温，仅是烙铁头达到预 设的温度，焊盘温度状态如图4所示。
第二步加热焊件和三步熔化焊料的操作过程中，加热的烙铁头接触焊 盘和焊锡丝，烙铁头上存储的热能量传递给焊盘、被焊物的管脚和焊锡，焊锡和 焊盘温度快速上升，因为电烙铁头存储热能量的供应是非控制的，所以此时烙铁 头温度有所下降，如图5所示。当焊盘温度达到设定要求时，焊料熔化，同时焊 剂也快速熔化，焊剂中的活化剂快速地去除元件引脚及焊盘上的氧化层，焊料迅 速在铜层上铺展润湿，并形成有效的焊点，如图6所示。
在焊接过程中，烙铁头与被焊工件相互接触，形成锡焊点所需的温度 称为“焊接温度”，切记，电烙铁显示的温度(旋钮刻度)，不等于能形成焊点所需 的焊接温度。美军标(MIL-STD/IPC Rule of Thumb)规定焊接温度为焊料熔点加上 40℃，例如无铅焊料Sn60Pb40(熔点为183℃)，其焊接温度为223℃。
烙铁头与被焊工件相互接触，形成锡焊点所需的时间称为“焊接时间”， 该时间美军标规定在3～5秒之间为宜。
第四步移开焊料和第五步移开烙铁的操作中，应先移开锡丝后再移开 烙铁头。否则会出现拉尖现象，如图7所示。
第五步后是焊盘的冷却并形成有效的焊点，应注意此时焊料末完全冷 却，被焊工件不宜震动否则会出现扰焊故障，如图8所示。
将上述步骤中焊盘上温度变化采用温度记录仪测量，可得到如下连续 的温度曲线图形，即为手工烙铁焊接温度曲线，如图9所示。
4.2手工焊接的热能量传导 从“热能”角度来说，影响电子焊接成功的最重要因素是对焊点需要的热量的有效传递和控制，电烙铁操作的五个步骤中，第二加热焊件和第三步熔化 焊料是焊点形成的过程，也是手工焊接的最为关键的一步。
焊接过程是热能量从热源向被焊物的热能量传送过程，在这个过程中， 加热的烙铁头接触焊盘和焊锡，烙铁头上存储的热能量传递给焊盘，被焊物的管 脚和焊锡使其升温，当焊锡丝熔化时助焊剂开始活化，此时进人“助焊剂活化 区”(如图9所示)，活化剂能够去除被焊物上的氧化层，保证形成良好的焊接润湿， 在这期间，电烙铁不能温度过高，否则会使加速助焊剂的分解，影响焊接的效果。
随着电烙铁热能的继续传递，温度达到焊接温度时，就进入“回流焊 接区”(如图9所示)，焊锡在被焊物表面流动，填充间隙形成焊点，在这期间，电 烙铁中的加热体要能及时补充热量，才能保证形成优良的焊点。除很小的焊点情 况外，形成可靠焊点的能量是加热体的补偿能量，当烙铁接触初期，烙铁头温度 是下降的，当温度降到一定值，电热芯开始加热补充热能，合并后的热能提供焊 料回流焊接的需要。不同品牌烙铁质量的区别就在于第二次补热是否及时。
5结束语 无铅手工焊接对焊接的工艺提出了更高的要求。电烙铁是手工无铅焊 接的主要工具，如何提高手工焊接的质量理论来源于实践但可以指导实践，只有 深刻领会“焊接温度”、“焊接时间”的含意，通过理论的指导再加上勤奋的练习才 能把电烙铁使用好，从而提高手工焊接的工艺水平。
无铅焊接技术论文篇二 浅谈无铅焊接工艺 [摘要] 要开发一条健全的、高合格品率的无铅焊接生产线，需要进 行仔细地 计划，并要为计划的实施作出努力以及严格的工艺监视以确保产品的 质量和使工艺处于受控状态。本文针对回流工艺技术来进行探讨，探讨了在无铅 技术的更严格要求下，如何对工艺进行优化和监控。
[关健词]无铅焊接工艺 工艺监控 工艺设置 一、我们面对的无铅焊接挑战铅是种特性十分适合焊接工艺的材料。当我们将它除去后，到目前还 无法找到一种能够完全取代它的金属或合金。当我们在工艺、质量、资源和成本 等方面找到比较满意的代用品时，我们在工艺和成本上都不得不做出让步。而在 工艺上较不理想的情况有以下几个方面。
1.较高的焊接温度。大多数的无铅焊料合金的熔点都较传统锡铅焊料 合金高。业界有少部份溶点低的合金，但由于其中采用如铟之类的昂贵金属而成 本高。熔点高 自然 需要更高的温度来处理，这就需要较高的焊接温度。
2.较差的润湿性。无铅合金也被发现具有较不良的润湿性能。这不利 于焊点的形成，并对锡膏印刷工艺有较高的要求。由于润湿效果可以通过较高的 温度来提高，这又加强了无铅对较高温度的需求。熔化的金属，一般在其熔点温 度上的润湿性是很差的，所以实际焊接中我们都需要在熔点温度上加上20度或以 上的温度以确保能有足够的润湿。
3.较长的焊接时间。由于温度提高了，为了避免器件或材料经受热冲 击和确保足够的恒温以及预热，焊接的时间一般也需要增长。
以上这些不理想的地方带给用户什么呢总的来说就是器件或材料的 热损坏、焊点的外形和形成不良、以及因氧化造成的可焊性问题等工艺故障。这 些问题，在锡铅技术中都属于相对较好处理的。所以到了无铅技术时，我们面对 的焊接技术挑战更大。
二、工艺窗口 简单来说，无铅的工艺挑战或工艺难处，在于其工艺窗口相对锡铅技 术来说是缩小了。例如器件的耐热性，在锡铅技术中一般为240℃，到了无铅技 术，IPC和JEDEC标准中建议必须能够承受260℃的峰值温度。这提高只是20℃。
但在合金熔点上，从锡铅(Sn37Pb)的183℃到SAC305的217℃却是提高了34℃!这 就使工艺窗口明显缩小。使工艺的设置、调整和控制都更加困难。
如果不采用较高成本的低温无铅合金，你的最低温度(约235℃)，几 乎已经是锡铅技术中的最高焊接温度了。而如果你采用美国NEMI的建议，也就 是使用SAC305和焊接温度在245到255℃时，你的热-冷点温度窗口只有10℃，而 在锡铅技术中这温度窗口有30℃之多。
无铅器件的耐热标准，目前多认同确保在260℃最高温度上，这距离推荐的SAC305合金的最高焊接温度只有5℃。如果我们考虑测量设置的系统误差 (注二)的需要保留6℃，以及业界许多回流的波动性时，我们根本无法使用高达 255℃的温度。
三、工艺设置 回流焊接的工艺设置，就是通过炉子的各温区温度，以及传送链速度 的设置来取得最适当的“回流温度曲线”的 工作。最适当的意思，表示没有单一 的曲线是可以供所有用户使用的，而必须配合用户的材料选择、板的设计、锡膏 的选择来决定。不论是锡铅技术还是无铅技术，其实工艺设置的方法都是一样的。
所不同的是其最终的参数值。基本上，无铅由于前面提到的工艺窗口缩小的问题， 使得工艺设置的工作难度较高。这需要更高的工艺能力，以及对技术的了解和掌 握上做得更完整更细化。
工艺设置的首要条件，是用户必须知道所要焊接产品的温度时间要求。
对于大多数用户来说，这就是回流曲线规范。为了方便技术 管理，一般只制定 了一个规范，规范中清楚地指出了各参数的调整极限。在锡铅技术中，绝大多数 用户的这个规范曲线都来自锡膏供应商的推荐。在工艺窗口较大的锡铅技术中， 人们遇到的问题似乎不大(但绝非没有问题)。但进入无铅后，这种法未必可靠。
原因是锡膏并非决定焊接温度曲线的唯一因素，以及供应商提供的曲线并不精确。
在掌握工艺技术较好的 企业 中，选择锡膏前都必须对锡膏等进行测试评估。
器件焊端镀层是另外一项没有被仔细了解和控制的材料参数。镀层的 材料(例如NiPd或Sn等等)、镀层的工艺(例如无极电镀，浸镀等等)、以及镀层的 厚度，将决定用户的库存能力，可焊性以及质量问题或故障模式。而这些也会因 为无铅技术到来而有所变化。以往不太需要注意的，现在也许会成为不得不给予 关注的。PCB焊盘的镀层也一样，材料、工艺和厚度都必须了解和给予适当的控 制。总之，要有良好的工艺设置，用户必须首先知道自己的材料和设计需求。从 需求上制定应该有的温度曲线标准。
四、工艺管制和监控 以上所谈的内容，如果掌握得好，就能协助用户设置出一个较好的回 流焊接工艺。而在整个产品产业化过程中，以上的内容要点可以协助用户进行试 制和试生产的工艺阶段。当以上 工作处理好后，接下来的就是面对批量生产了。
批量生产的重点，在与推动快速生产的同时，确保每一个产品都是完好地被制造出来。所以我们就有所谓的质量 管理工作和责任部门。
时至今日，大多数工厂的质量管理，还是较依赖传统的一些检验和返 修的做法。例如采用MVI(目检)、AOI(自动检验)等手段，配合以一些量化 统计 做法如SPC等。但在今天的先进生产技术中，这些都属于较落后的手段方法。以 下指出几个常遇到的缺点。
1.对故障的改正成本高;
2.属于事后更正的概念，无法取得零缺陷成绩;
3.目前的检查技术无法检出所有问题(一些故障的可检性还不好);
4.目前检查技术在速度和精度上都还跟不上组装技术;
5.太多和滥用检查技术，反会对它形成不良的依赖性，而忽略了从工 艺着手;
6. SPC不适合于小批量和高质量的生产模式。这情况下其能力非常低。
较好的做法是检查设备和工艺能力，控制过程，而不是检查加工的结 果(也就是产出品的检查)。厂内的所有炉子的性能必须给予测量和量化。在保养 管理中确保Cm和Cmk的受控。这是良好质量的前提条件之一。这方面的讨论不 在本文的范围之内。而工艺能力以及加工过程的控制，在生产现场又如何进行呢 我们不可能对每一个产品都焊上热耦。有一种技术可以做到，就是非 接触式测量的红外测温技术。曾有炉子供应商在炉子内部设计这样的温度监控， 但由于技术不成熟，效果不理想而最终没有大量推广。过后就没有见到有开发这 类技术的。
这类系统通过以下的途径提供用户很好的质量控制方法：
1.100%不间断的检查;
2.实时测量和监督;
3.提供预警;
4.完整的纪录方便质量跟踪;5.完整的 报告可以提高客户的信心。
除了以上功能之外，其实这类系统还可以协助监控炉子的表现，提高 炉子的维护保养管理，以及将来的采购工作。是个先进数据管理系统中重要的一 个工具。
当我们进入无铅技术后，缩小的工艺质量窗口对于参数等的偏移敏感 得多，也推动了我们对这类质量监控工具的需求。其作用就像质量管 理学 中的 一句常用名言：“不要靠猜测，而要测量和理解它!” 看了“无铅焊接技术论文”的人还看：
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