无铅焊接中的氮气保护

波峰焊无铅工艺转换真的很简单吗？

作者:Heike Schlessmann 市场营销经理和Markus Walter 波峰焊项目管理经理， SEHO公司

到2006年7月1日，所有电子制造业都必须转换到无铅制造，在欧洲刚通过的法案中，只有极少的应用领域可以得到豁免，任何踌躇和等待都将受到法律或市场的惩罚。但是，这种工艺转换的过程也许并不像想象得那么简单。与回流焊相比，波峰焊工艺引起了特别的关注，因为波峰焊受制于许多关键因素。有些公司已经成为无铅化电子制造工艺转换的先行者，以下几家公司描述了它们遇到及解决的问题。

Fujitsu Siemens Computers

位于德国Augsburg的Fujitsu Siemens Computers公司，已经生产了第一款“绿色”电脑。工厂在2002年中期推出的绿色版Pentium-4主板未使用有毒阻燃材料，印刷电路板与焊料的含铅量都显著降低。整个电路板的含铅量降到只有原来的1/4，剩余的铅主要包含在板上使用的预镀锡元件中。焊料使用的是锡银铜合金。多数卤化物都被替代,氯、溴化合物的含量也大大降低了。

该厂的生产线使用SEHO充氮波峰焊设备，包括SEHO新一代的组合式的充氮波峰焊系统MWS 2300。工厂与SEHO公司对焊料波峰进行了改进，最终，用所谓F-nozzle达到了最佳生产效果。F-nozzle 可以产生一种轮廓分明的扰动波峰表面，可以实现均匀的浸润。通过逐步优化喷嘴，使实际焊料波接近于最佳流动特性，从而使出现的锡球（在用氮气时经常会见到）减少到最低程度。另外，维护与清洗工作也得到了很大的改进。

另外，无铅焊锡合金需要更高的加工温度，在焊接件送出焊机前要快速降到规定的温度，这有助于焊点形成正确的冶金构造，并有利于装配件的进一步处理。MWS 2300具有可以满足这些要求的设计，如独立的助焊剂涂覆机、一体化的对流预热区，以及在焊槽后面直接安装的对流冷却模块。

Siemens Amberg

Siemens Amberg的电子制造厂，生产电子时间继电器、通信设备保护和控制装置、通信控制器（ASI）、引擎起动器和接近开关等产品。他们较早就开始准备将无铅产品推向市场，以求获得竞争优势。确定无铅技术对大规模生产的影响，许多问题都要寻找答案，如：“工艺质量有什么变化？整个工艺的长期稳定性如何？新工艺对成本有什么影响？”目前该厂已经进行无铅化批量生产。因为许多产品是直接面向功率电子应用，因此THT部件所占比例仍相对较高。

据介绍，该厂使用的波峰焊机已经进行了十年的含铅运行，无铅工艺的转换并不简单，机器需要按无铅工艺重新装配。由于由锡银铜3种金属构成的合金比传统的2种金属合金更难控制，因此最困难的工作就是建立最佳的热参数。该厂使用的SEHO波峰焊机可以维持所需温度，因此机器不是问题的根源。问题出在元器件上，其可耐受最高温度必须达到260°C。为避免产品出现风险，建立不损坏元件的最高预热温度，开始时的测量与研究过程很花时间。在一步步为每种产品建立优化的参数的过程中，该厂的技术人员懂得了预热温度会极大地影响通孔中焊料的上升高度以及连接的晶格结构。

该厂经常使用更复杂的阻焊技术，在焊料波峰区也需要大量的优化工作。有时，那些要单独焊接元件的阻焊孔不能大于2.5毫米。由于无铅SnAgCu（锡银铜）合金焊料的比重低，它的流动形态与传统的锡铅焊料完全不同，需要进行许多测试才能达到最佳的焊料喷嘴设置。使得焊料喷嘴既能建立一个高波峰压力，同时又能提供足够的浸润时间。

该厂采用充氮波峰焊机进行无铅化生产。由于无铅工艺窗口比有铅焊接时要小，电路板与焊料波峰最小的间距直接影响着焊接质量，氮气能部分地补偿出现的问题，因此拓宽了工艺窗口。与开放式机器相比，充氮焊机的另一个好处是可以显著降低维护要求，特别是对焊接区。在应用中，氮气焊机内氧化情况很少，只有一些黑色粉末，这是焊料喷嘴间的锡氧化物。在两班交接情况下，焊料槽每5到7天清洗一次，维护时的残渣总共只有约0.5公斤。焊料喷嘴每月清洗。所以，在无铅焊接过程中使用这种完全隧道式的焊机，可以显著减少氧化物的产生，从而节约大量昂贵的无铅焊料。相比之下，如果使用开放式焊机，每两天就要清洗一次，而且要清理出大量的氧化物。

另外，该厂的无铅生产线使用了一种半水质的无需清洗的助焊剂，它包括约40%的水和约60%的酒精，以保护生态环境。公司已经经过一年的无铅化批量生产，据了解，工艺优化的道路并非没有问题，但是，尽早转换的决定已被证明是正确的。同时，通过对成本进行优化，在所有的无铅化产品生产中，成本仅比转换前高0.8%。

用无铅焊料 6 个月后的无镀层推动轮

Hella：成功实现汽车电子中的无铅焊接

位于德国Hamm汽车电子供应商Hella比较快速、成功地解决了“无铅焊接问题”。Hella的汽车产品要受到很高的机械和热应力。有些温度范围要求达130°C，有些甚至要求到160°C。Hella使用SEHO的全充氮型Systems 7200焊机进行有铅元件的焊接工作。产品质量标准要求非常高，该厂的波峰焊技术负责人证实，三班运行期间机器开机时间非常长，而故障率要求为0ppm。

在无铅波峰焊工艺的试用期间，许多机器部件存在材料问题。Hella与SEHO就机器材料的合金性能进行了联合调查，结果发现，无铅焊料比传统锡铅合金具有更强的侵蚀性，特别是对那些直接与焊锡合金接触的部分，如焊料罩和焊料波峰泵等。某些高级特种钢制造的部件实际上是在长期运行中被焊料成分给“吃掉”了。调查显示这种腐蚀的主要原因是磨损。测试显示，单纯的焊料合金不会损伤机器部件，但由于焊料中较高锡含量的扩散效应不断增强，会造成铁在焊料槽中富积，特别是在焊料喷嘴部位。

因此，许多批量生产设备中的材料以及一些代用品和涂层都经过了一系列基础测试，以弄清它们对无铅合金的耐磨和抗浸出性能。经过几个回合测试后，对一种复合涂层和特别钛合金进行更深入的研究与优化，其中的每种成分都显示出稳定的特性。最终，决定了焊料槽、焊料泵以及焊料罩的标准材料方案。两种方案都证实可以抵抗不同的无铅合金焊料的侵蚀。这种复合材料还能对基本材料的热膨胀特性作出补偿。

Hella的无铅焊接工艺中，氮气也扮演了比以往更重要的角色。除了扩展工艺窗口、达到更好浸润效果、降低焊接温度、以及减少电路板材料和元器件受到的热应力外，氮气环境还可以使用较低侵蚀性的助焊剂，从而降低了潮湿环境下的迁移风险，并有利于降低机器的维护成本。氮气机器维护成本的降低也体现在焊料槽区域。低氧环境中产生的氧化物残渣较少，所需焊料也较少，机器的日常费用和焊料材料成本也有显著下降，同时也意味着提高了装配厂可靠程度。

用氮气有好处—但用多少呢？

使用保护性氮气的好处有许多方面，特别在无铅工艺中不应随便取消。但是，总是保持全氮系统也有一些问题，例如：在隧道型焊机中氧气压力降低区域不仅在焊接区，而且会扩展到整个预热区。特别对于中、小型电子元器件厂家或只有少量含铅元件的厂家，他们可能很难相应地改变其生产线（所需投资的关系）。柏林的JVC厂或位于东欧的Matsushita/Panasonic厂证明了其它方案的可能性，即非全惰性气体设备。

柏林JVC厂生产视频录像机和摄像机，策略是以低廉价格提供优质产品。来自亚洲的竞争压力促使该公司转向无铅生产工艺。JVC使用SEHO 的一种专用焊机，即开放式波峰焊系统，它是三年前用ALIXTM.LT系统升级而来的。ALIXTM.LT系统已经由SEHO和气体供应商AIR LIQUIDE 合作进行了开发，可以实现氮气风帽，保证在焊料峰处形成局部惰性气体环境。

局部氮气环境可以完全满足生产工艺的需要，焊料槽部分的维护与保养时间也保持在容许范围内。不过，使用无铅合金焊料的维修费用增加较快，因为原来的烙铁头只需每月更换，现在的更换频率加快了。这是因为烙铁头材料不能承受侵蚀性的无铅焊料。位于东欧的Mitsushita/Panasonic 也发现了烙铁头快速磨损的问题，并且对这一成本的快速增加表示关注。希望烙铁头厂家能加紧研究，推出有更高耐受力的产品。

Matsushita/Panasonic厂按三班生产方式在15条生产线上生产电源产品。该厂使用的是SEHO 的MWS 8200系统，这些开放式焊机将在向无铅工艺转化过程中用 ALIXTM.LT进行升级。8000系列中所有的系统都是组合式设计，优点是可以随时用对流预热进行升级。由于无铅合金焊料的熔点较高，进入波峰时的温度差要小于100K，因此预热区需要更高的能量，与标准辐射能相比，对流方式可以更快地达到所需温度，材料所受的热应力较低。

SEHO 的组合式机器设计在助焊剂涂覆区和相邻的预热区有独立的传送带，因此可以在焊接加工室外完全重新安装助焊剂模块，这样防止了残余助焊剂在加工区的堆积，助焊剂残留物不会送进预热区，从而大大降低了维护的成本。

无铅生产转换已经是一个不可避免的事实。转换的成本依不同的应用而相异。但有一点是没有疑问的：如果没有周密的准备工作，向无铅时代