波峰焊中不熔錫產(chǎn)生和機(jī)理與控制對策

1、波峰焊中不熔錫產(chǎn)生的機(jī)理與控制對策羅道軍 蔡穎穎（中國賽寶實(shí)驗室 廣州 510610 luodj）摘要本文通過對波峰焊工藝中不熔錫產(chǎn)生的典型案例的分析，找到了一直困擾電子制造業(yè)界的不熔錫的生成機(jī)理，并給出了相應(yīng)的控制對策。關(guān)鍵詞： 不熔錫 波峰焊 金相分析 錫渣前言RAC找到有效的控制對策就極為重要。 隨著電子制造業(yè)的迅速發(fā)展，其中的關(guān)鍵工藝技術(shù)SMT技術(shù)也日新月異，所使用的焊接工藝部分也越來越多的是回流焊工藝。但盡管如此，波峰焊工藝的使用仍然必不可少，特別是混裝的各種主板。日前，眾多的制造企業(yè)都遇到過這樣類似的問題：即在波峰焊的工藝過程中，錫爐的表面浮起許多不熔化的成大塊的錫渣，業(yè)界俗稱“不

2、熔錫”。這些不熔錫的特點(diǎn)是不論如何攪拌都不熔解，升高溫度到350以上才熔化，外觀上有明顯的金屬光澤，與傳統(tǒng)的錫渣區(qū)別明顯。這些不熔錫在錫爐的表面呈半漂浮狀態(tài)，嚴(yán)重影響焊接的效果。而所使用的配套材料如助焊劑、焊錫條一般都符合相關(guān)驗收標(biāo)準(zhǔn)，這就給業(yè)界造成了極大的困擾，筆者而常常接到客戶委托解決由此產(chǎn)生的質(zhì)量問題糾紛，因此如何查找其產(chǎn)生的原因并1 不熔錫產(chǎn)生機(jī)理分析1.1樣品概況通常的波峰焊過程的爐錫表面的錫渣產(chǎn)生，主要是由于焊錫在焊接高溫過程中與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)生成，其次由于助焊劑及其殘留物與焊錫之間的化學(xué)反應(yīng)及其產(chǎn)物包覆造成，外觀大多呈灰黑色的沙礫或疏松的粘結(jié)狀。本文中筆者發(fā)現(xiàn)的不熔錫則與傳統(tǒng)

3、的錫渣有較明顯的區(qū)別,它有一定的金屬光澤，典型樣品的外觀詳見圖1中的照片。為了便于機(jī)理與原因的分析，產(chǎn)生不熔錫的工藝所使用的焊錫與助焊劑也一同收集，詳見圖2。圖1 不熔錫典型的外觀 圖2 所使用的焊錫與助焊劑以及不熔錫1.2 分析過程1.2.1 光學(xué)顯微鏡分析首先選擇代表性的幾塊不熔錫，用顯微鏡對其組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行仔細(xì)觀察。圖3就是其代表性的外觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)疏松，含有黑色的夾雜物以及部分大小不同的顆粒狀的金屬結(jié)晶體。說明其中不但包覆有氧化物，還有一定的助焊劑殘留的有機(jī)物。不熔錫的整體多成塊狀，較普通的錫渣顆粒明顯粗大，且不容易弄碎。為了弄清其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，筆者將其與未經(jīng)使用的焊錫條一起制作金相，進(jìn)

4、一步分析其微觀結(jié)構(gòu)，圖56分別是它們的金相結(jié)構(gòu)。比較其結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)使用的焊錫其結(jié)構(gòu)致密均勻、沒有如何夾雜物或特殊的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而不熔錫則很多孔洞，比表面積顯然急劇增加，高溫過程氧化自然嚴(yán)重。R1.2.2 化學(xué)成份分析 AC圖3 不熔錫典型的外觀 圖4 所使用的焊錫與助焊劑以及不熔錫 圖5未經(jīng)使用焊錫錫的典型的金相結(jié)構(gòu)（250）圖6不熔錫的典型金相結(jié)構(gòu)（250）形成了大量的不熔錫，人們往往首先想到的就是焊錫質(zhì)量不好，可能含有過多的雜質(zhì)。為此，除了對不熔錫進(jìn)行外觀與金相分析以外，我們還對這些不熔錫以及未經(jīng)使用的焊錫均勻取樣按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)組成的分析，結(jié)果見表1。從其結(jié)果看，未發(fā)現(xiàn)異常情況，未經(jīng)

5、使用的焊錫符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB8012，而不熔錫的成分也符合國際標(biāo)準(zhǔn)（J-STD-001D，爐錫適用）,只是使用過程中線路板或元器件引線腳上的銅的溶解造成了銅含量的增加，但也未超出0.3重量百分比的控制標(biāo)準(zhǔn)。可見均勻取樣進(jìn)行的測試證明焊錫條與不熔錫在整體上其化學(xué)成分沒有明顯差異。表1 未經(jīng)使用的錫條與不熔錫的化學(xué)成分序號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10檢測項目 錫 (Sn) 銻 (Sb) 鉛 (Pb) 銅 (Cu) 銀 (Ag) 鐵 (Fe) 鋅 (Zn) 鎘 (Cd) 砷 (As) 鋁 (Al)實(shí)測結(jié)果，wt 錫條 59.80.017余量 0.0008 0.0083 0.0063 0.

6、0002 0.0000 0.001 0.0005不熔錫 59.5 0.045 余量 0.21 0.007 0.008 0.0003 0.0000 0.001 0.0005A11鉍 (Bi)0.00440.00841.2.3 掃描電鏡與能譜分析由于簡單的外觀檢查以及成分分析沒有發(fā)現(xiàn)不熔錫產(chǎn)生的線索。于是筆者再使用掃描電鏡（SEM）來對其結(jié)構(gòu)作更細(xì)致而深入的分析，并對其中發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)域使用能譜（EDS）進(jìn)行微區(qū)現(xiàn)場分析。用SEM在不同放大輩數(shù)下進(jìn)行觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在2000倍率下可以清晰的看到不熔錫表面有明顯的針狀結(jié)構(gòu)，用EDS分析則證實(shí)該針狀物質(zhì)是氧化鋁（見圖8）；而在4000倍率下觀察，則發(fā)現(xiàn)

7、不熔錫表面有許多絮狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)包覆在鉛錫結(jié)構(gòu)的焊料表面，對其成分進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，該絮狀物質(zhì)的主要成分也為氧化鋁（見圖10）。而用SEM在同樣的倍率下觀察未經(jīng)使用的正常的焊錫的表面結(jié)構(gòu)，則發(fā)現(xiàn)明顯不同（見圖11），比較圖9與圖11就可以發(fā)現(xiàn)，去除圖9中的絮狀物質(zhì)就跟圖11的典型的正常的錫鉛焊料的結(jié)構(gòu)一致了。圖7 不熔錫的表面SEM照片（2000）圖8 圖7中針狀物的能譜分析結(jié)果圖9不熔錫的表面SEM照片（4000） 圖10 圖9中白色絮狀物的能譜分析結(jié)果RAC2 不熔錫產(chǎn)生的機(jī)理 圖9 典型的錫鉛焊料的金相結(jié)構(gòu)（SEM）【淺色區(qū)域是富鉛區(qū)，深色區(qū)域是富錫區(qū)】根據(jù)以上的對不熔錫與所使用的焊錫條的成

8、分與結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的結(jié)果，就可以發(fā)現(xiàn)，造成不熔錫產(chǎn)生的機(jī)理已經(jīng)非常清楚：不熔錫之所以不熔主要是其表面包覆了一層耐高溫且比重很小的氧化鋁，這層氧化鋁則主要富集在錫渣的表面，它并沒有均勻地分散在焊錫渣中，因此，當(dāng)我們使用均勻取樣的方式對其進(jìn)行化學(xué)組成分析的時候，并沒有發(fā)現(xiàn)鋁或氧化鋁超標(biāo)。況且該不熔錫的結(jié)構(gòu)疏松而氧化物夾雜物多，也會造成熔點(diǎn)明顯升高。由于未經(jīng)使用的焊錫條一切正常，而不熔錫中疏松且有機(jī)夾雜物不少，因此可以推斷在波峰焊工藝中助焊劑的殘留以及高溫的氧化形成了初步的錫渣核。然后由于所焊接的PCBA組件上或夾具與制具上含有鋁材，在酸性的助焊劑和焊接高溫環(huán)境下，溶解到焊錫爐中，隨著波峰焊的制程進(jìn)行不斷

9、在錫渣核表面富集，導(dǎo)致不熔錫塊生成并不斷長大，形成現(xiàn)在所見的不熔錫。而本文中所提到的焊錫條的質(zhì)量則沒有任何問題。3 不熔錫產(chǎn)生的控制對策當(dāng)我們弄清楚不熔錫產(chǎn)生的機(jī)理后，就很容易找到控制不熔錫的辦法，首先檢討我們所使用的制具與夾具，還有PCBA上所使用的零部件，盡量不使用含有鋁的材料；其次，在我們采購焊錫的時候，應(yīng)該按照國際和國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測驗收，并且選用抗氧化能力強(qiáng)的焊料，防止所用的焊錫中本身就含有過高的鋁雜質(zhì)；再就是所使用的助焊劑的酸值或活性不能太強(qiáng)，如果必須使用活性的助焊劑，最好對其中的制具予以保護(hù)，以免產(chǎn)生反應(yīng)帶入鋁雜質(zhì)；最后就是焊接的溫度在保證焊接質(zhì)量的前提下要控制盡可能低些，以免焊料氧化加速產(chǎn)生過多的錫渣。結(jié) 論鋁的帶入是導(dǎo)致不