無鉛回流焊要求更先進(jìn)的爐溫監(jiān)控技術(shù)

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當(dāng)今世界越來越關(guān)注鉛帶來的環(huán)境和健康危害。盡管電子行業(yè)鉛的用量只占世界總鉛量中極其微小的一部分，但我們所關(guān)注的是大部分的電子垃圾最后都是掩埋在地下，污染地球和水資源。雖然每年只有一萬噸的錫鉛合金焊料用于這一領(lǐng)域，但是這些焊料幾乎沒有得到回收。相反，許多使用更多鉛的其他產(chǎn)品，在全世界大部分市場都得到了嚴(yán)格的控制和有效的回收。

歐洲已經(jīng)采用許多法律手段來禁止和限制電子行業(yè)鉛的使用。比如說，WEEE指出：“必須拆除任何廢棄的終將被埋入地下，焚燒或再生的電子或電氣設(shè)備中含有以下成分[鉛]的元器件?！北痉顚⒂?006年一月一日生效，雖然其中含有很多豁免情況。這一行動(dòng)將影響到那些含鉛產(chǎn)品進(jìn)入歐洲市場，不管這些產(chǎn)品是在哪里生產(chǎn)的。

事實(shí)上，早在1998年，****電子工業(yè)協(xié)會(huì)就決定主動(dòng)消除電子組裝中的鉛。他們的目標(biāo)是到2004年真正作到“無鉛”。

美國目前還沒有這樣的法令。有些公司推崇鉛的回收利用，認(rèn)為它是一種比“無鉛”更好的解決辦法?？傊?，業(yè)界已經(jīng)廣泛接受“無鉛”趨勢。

競爭因素

許多主張無鉛焊接的預(yù)言家們，覺得法律手段是無實(shí)際意義的，他們相信在不久的將來，單憑市場因素足以促使電子組裝業(yè)的無鉛化。IwonaTurnik博士，摩托羅拉先進(jìn)技術(shù)中心主任在IPC主辦的Works99會(huì)議發(fā)表的市場調(diào)查報(bào)告中表明：

1.

20%的消費(fèi)者在購買時(shí)會(huì)主動(dòng)考慮環(huán)境問題。

2.

45%的消費(fèi)者購買動(dòng)機(jī)是因?yàn)楫a(chǎn)品對(duì)環(huán)境安全。

3.

50%的消費(fèi)者更換品牌是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)它對(duì)環(huán)境有害。

4.

76%的消費(fèi)者將在價(jià)格和質(zhì)量相當(dāng)?shù)那闆r下首先選擇環(huán)保產(chǎn)品。

例如，****所有的大型消費(fèi)類電子產(chǎn)品公司都在大量生產(chǎn)無鉛電子產(chǎn)品，推銷時(shí)使用“綠色產(chǎn)品”作為競爭賣點(diǎn)，特別是消費(fèi)類電子市場。松下1998年推出了無鉛微型CD播放機(jī)，包裝上用了一片綠色的樹葉，作為環(huán)保安全標(biāo)志，市場份額增長顯著：從4.7%增長到15%。

汽車行業(yè)將是“無鉛”趨勢的主要?jiǎng)恿?。汽車“無鉛”化不僅對(duì)環(huán)保有益，而且無鉛焊接也改善了焊點(diǎn)的耐溫特性。大部分汽車電子部件都被安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)室，因此要承受更高的工作溫度（高達(dá)攝氏150度）和更劇烈的溫度變化。競爭的壓力以及擔(dān)心被排擠出國際大市場的雙重考慮，使全球大部分主要電子生產(chǎn)廠家開始為無鉛產(chǎn)品做準(zhǔn)備。

無鉛合金

目前市場上有許多種無鉛合金可供使用。而其中前景最好的似乎是錫/銀/銅合金和錫/銀/鉍合金。最終是在二者之中權(quán)衡。錫/銀/銅合金的焊點(diǎn)比現(xiàn)在的錫/鉛合金可靠性要高，但是其熔化溫度達(dá)到217°C。例如，美國NEMI選擇的是95.5錫/3.9銀/0.6銅的焊膏。

鉍合金，溶化溫度是206°到213°C之間。盡管人們認(rèn)為對(duì)于消費(fèi)類電子產(chǎn)品來說，它的焊點(diǎn)有足夠的可靠性，但性能還是不如現(xiàn)在的含鉛焊料，主要是因?yàn)楸娝苤暮更c(diǎn)起皺現(xiàn)象。有些人選擇鉍合金是因?yàn)樗鼈冏罱咏U合金，深受****人的青睞，被使用在許多無鉛電子組件中。它們要比錫/銀/銅合金貴，并且也有人關(guān)注是否有足夠的鉍資源滿足整個(gè)市場需求。

將來不可能有一種所謂“標(biāo)準(zhǔn)”的無鉛焊料，而是會(huì)有幾種不同的焊料共存，他們各有利弊。選擇哪一種將很可能取決于產(chǎn)品的具體要求。

對(duì)制造工藝的沖擊

絲網(wǎng)印刷：最低限度的影響（如果有的話）。

貼片：最低限度的影響。有人辯論說需要提高貼片精度，是因?yàn)闊o鉛焊膏回流時(shí)自對(duì)位能力較差。

回流：由于熔化溫度高出20°到50°C，對(duì)制造工藝有重要影響。

波峰焊：有一定的影響。助焊劑和合金成分的選擇變得很重要。工藝上將面臨包括“錫須”和“焊點(diǎn)起皺”等問題?？赡苄枰涞?/p>

檢測：與無鉛焊接相關(guān)的最大變化是焊點(diǎn)表面暗淡，自動(dòng)光學(xué)檢測系統(tǒng)可能需要重新編程。還需要額外的操作員培訓(xùn)。

最后一個(gè)較為感性的因素是無鉛焊點(diǎn)不如含鉛焊點(diǎn)光亮好看。當(dāng)然這不影響組裝質(zhì)量。

返工：耗時(shí)且難度大。與錫/鉛組裝相比，返工時(shí)涉及到更高溫度和更長時(shí)間的加熱。不過實(shí)驗(yàn)證明無鉛組件良好的返工是可以實(shí)現(xiàn)的。

無鉛回流工藝

無鉛焊接給電子組裝帶來的首要挑戰(zhàn)就是更高的工藝溫度。普通含鉛焊膏的工藝窗口很寬，典型的峰值溫度范圍介于208°~235°C。但是錫/銀/銅焊膏推薦的峰值溫度在242°~262°C。印制板上最敏感的元件可能只能承受240°C，因此對(duì)這些元件來說，這種工藝是不可行的。（參見西門子的研究報(bào)告）。還有許多其他元件所能承受的最高溫度都在262°C以下。對(duì)于這樣的組件，與含鉛生產(chǎn)相比，可用的工藝窗口大大地縮小了。另外，無鉛焊膏的潤濕性很差，需要更好地控制從預(yù)熱到回流的整個(gè)制程溫度。這個(gè)工藝窗口不可能在近期內(nèi)拓寬。更多地可能要依賴元件制造商花費(fèi)數(shù)年時(shí)間發(fā)明一代新的抗高溫元件。而這種元件也許將因高價(jià)格而告終。

較高的溫度以及在較高溫度下滯留更長的時(shí)間，將帶來更大的潛在氧化和對(duì)可焊性的負(fù)面影響。惰性氣體將極大的減小這種影響，許多工藝專家和公司極力推薦這種方法。但是，有必要指出的是，不是每個(gè)人都相信無鉛工藝中使用惰性氣體的必要性。由于氮?dú)獬杀靖?，再加上有些無鉛產(chǎn)品使用正常氣體成功的例子，人們?nèi)栽谟懻撌欠裥枰褂枚栊詺怏w。

隨著元件密度增加組件日趨復(fù)雜，工藝窗口狹窄的問題將變得越來越突出。尋求一個(gè)工藝曲線可以適應(yīng)這樣的組件和工藝，特別是尺寸較大、橫向溫差也較大的線路板，從來都不是一件容易的事。在較為狹窄的無鉛工藝窗口進(jìn)行這項(xiàng)工作需要使用更先進(jìn)的工藝優(yōu)化工具。

有些公司在轉(zhuǎn)向無鉛產(chǎn)品過程中猶豫不決的原因，除了質(zhì)量問題，另一個(gè)原因是產(chǎn)品成本更高。一個(gè)最大的擔(dān)心是生產(chǎn)線的生產(chǎn)量和生產(chǎn)率將下降。在生產(chǎn)線上回流爐顯然不是最慢的機(jī)器。但是在為無鉛生產(chǎn)設(shè)置回流爐時(shí)，由于狹窄的工藝窗口，可能需要大大降低傳送帶的速度。這樣，回流爐可能成為整個(gè)生產(chǎn)線的瓶頸，并且拖低產(chǎn)量。對(duì)于生產(chǎn)多種產(chǎn)品的生產(chǎn)線，使?fàn)t子的轉(zhuǎn)換時(shí)間最小化是關(guān)鍵，在整個(gè)生產(chǎn)線上，爐子往往是準(zhǔn)備進(jìn)入新產(chǎn)品生產(chǎn)的最慢環(huán)節(jié)。在含鉛工藝中，由于工藝窗口寬，一臺(tái)很普通的爐子就能容易地完成多品種生產(chǎn)。這在將來顯然會(huì)很困難。

好的方面就是上述質(zhì)量和生產(chǎn)率的問題都可以解決，并且已有證據(jù)顯示，甚至提高了現(xiàn)有的水準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要采用全新的思維和工藝規(guī)范，同時(shí)還需要借助更先進(jìn)的工藝手段。生產(chǎn)者需要著重于開發(fā)更好的工藝，并在生產(chǎn)中不斷地加以控制。

工藝開發(fā)

含鉛組裝生產(chǎn)中較寬的溫度工藝窗口，使生產(chǎn)者根本沒體驗(yàn)過工藝上的難處。很多組裝者幾乎不知道確切的工藝范圍，很少調(diào)節(jié)回流爐和波峰爐的溫度曲線。更糟糕的是，在設(shè)定工藝參數(shù)時(shí)，許多工藝工程師更多地依賴于對(duì)工藝數(shù)據(jù)的主觀解釋，而不是客觀科學(xué)的方法。

事實(shí)證明以下三個(gè)步驟，對(duì)于建立一個(gè)適合于無鉛產(chǎn)品的熱制程開發(fā)途徑，是非常有效的。

確定范圍（工藝窗口）

限定工藝窗口在這個(gè)過程中，是一個(gè)非常重要的部分。產(chǎn)品的質(zhì)量基本取決于制造中的板子通過一個(gè)恰當(dāng)?shù)墓に嚧翱凇６@又是由具體的焊膏特性決定的，當(dāng)然還有許多其他的因素要考慮。敏感元件需要的工藝窗口可能與普通的焊膏特性不同。板的底面溫度可能需要與頂面的溫度有一個(gè)溫差。元件可能要求放置在某一指定的、即要求溫度足夠高以回流那些元件密集區(qū)時(shí)，可能會(huì)燒焦的區(qū)域。

考量工藝

通過測量曲線的結(jié)果，確定上述設(shè)置的工藝窗口是否適合于所生產(chǎn)的產(chǎn)品。我們必須確定各個(gè)元件上放置的熱電偶的測量結(jié)果是否都落在所確立的工藝窗口內(nèi)。這一過程比較耗時(shí)，是一種自覺行為，而且還需要具備有關(guān)回流焊的工藝知識(shí)儲(chǔ)備。進(jìn)行這項(xiàng)工作，一個(gè)非常有用的概念叫做工藝窗口指數(shù)（PWI）。它能算出相對(duì)于先前確定的范圍（工藝窗口），設(shè)定的曲線占用了可用窗口多大的范圍。PWI高于100%，表明超出了確定的范圍，PWI等于100%表示設(shè)定曲線占用了整個(gè)工藝窗口。這是一個(gè)不穩(wěn)定的工藝，任何波動(dòng)都將導(dǎo)致曲線超出它的限度。任何低于100%的曲線都在這個(gè)范圍內(nèi)，數(shù)字越小，設(shè)置越好，曲線越靠近工藝窗口的中間。

改善提高（優(yōu)化工藝）

一旦確定了這種設(shè)置的優(yōu)劣，下面就面臨必須改善或優(yōu)化工藝。在任何一臺(tái)具體的回流爐上，可能有無數(shù)種可供選擇的參數(shù)配置?，F(xiàn)代的曲線調(diào)制工具和專用軟件能夠在幾秒鐘內(nèi)在所有的參數(shù)配置中搜索并選擇出最合適的?！白詈线m的”可能是工藝窗口中間的那條曲線，或者可能是窗口內(nèi)產(chǎn)量最高的曲線，或者是二者兼顧。這極大地影響到無鉛產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率。

工藝控制（CPK）

完成了無鉛工藝的開發(fā)，接下來就是開始生產(chǎn)。由于無鉛工藝范圍狹窄，留給那些由于無可避免的溫度、導(dǎo)軌速度、對(duì)流速率等變化帶來的工藝波動(dòng)的空間就很小了。統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)數(shù)據(jù)可能有助于工藝控制，但數(shù)據(jù)采集難度較大。所幸目前市場上可以買到幾種連續(xù)控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)工藝數(shù)據(jù)(每塊PCB板上真實(shí)曲線的數(shù)據(jù),而不是來自爐子的數(shù)據(jù))。當(dāng)超出曲線范圍時(shí)，這種連續(xù)控制系統(tǒng)就會(huì)即時(shí)報(bào)警。它還可以監(jiān)測每個(gè)制程參數(shù)的CPK水平。這樣在超出曲線范圍之前就對(duì)失控工藝實(shí)時(shí)報(bào)警，可以保證零缺陷生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論

今天已有許多公司，特別是****的一些消費(fèi)類電子產(chǎn)品制造商，正在大量生產(chǎn)無鉛產(chǎn)品，并且成效卓著。另外，國際上不同的實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線，已經(jīng)進(jìn)行了大量關(guān)于產(chǎn)量，抗力強(qiáng)度和使用壽命的無鉛實(shí)驗(yàn)。也許這些測試會(huì)出乎意料地證明：在正確的工藝操作下，無鉛焊點(diǎn)比普通的含鉛焊點(diǎn)更牢固，有更長期的可靠性。

西門子Dematic電子公司對(duì)錫/銀/銅焊料進(jìn)行的一個(gè)突破性的研究結(jié)論說，峰值溫度為232°C焊點(diǎn)的潤濕性和焊點(diǎn)強(qiáng)度與峰值溫度為242°C和257°C時(shí)一樣。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，因?yàn)樗f明對(duì)于目前那些溫度不能超過240°C的敏感元件，只要工藝開發(fā)適當(dāng)并采取控制，就可以用于無鉛工藝。當(dāng)然我們還需要對(duì)無鉛焊接峰