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PCB无铅焊接的问题点和对策
PCB无铅焊接的问题点和对策
1．前言
众所周知，WEEE & RoHS指令将于2006年7月开始实施。迈入2005年，无铅化的进程更加紧迫了，许多企业对无铅化加工法的要求更加严格了。
无铅化最初的课题是寻找取代锡铅锡丝的无铅焊料。找到有力的组成之后，又发生专利纠纷。还有由于与传统的锡铅锡丝不同的特性导致需要改善加工法，及锡槽•烙铁头等的寿命明显缩短的问题。
本文将就当前市场上主流无铅锡丝――锡•银•铜锡丝，针对其一般问题以及从焊接工具端出发的几个重点课题，进行分析并提出解决方法。
2．无铅锡丝的特征•问题点
无铅锡丝的特征大致归纳了看看。
①拉伸强度大体相同。
②比重不同∶ 锡铅锡丝 8.4
无铅锡丝 7.4
③浸润性•延展性变差
④溶点变高∶ 锡铅锡丝 183℃
锡银铜无铅锡丝 217~219℃
⑤烙铁头寿命缩短 约为1／3(相对于锡铅锡丝)
⑥光泽不同
在焊接完成后，以往的锡铅锡丝表面带有银色的光泽，而无铅锡丝没有光泽。针对这一点，延展率•表面裂纹的问题也包括在内，有必要讨论是否应该改变检查基准。
3．烙铁头寿命的解析~从两方面入手~
1．先端镀锡层的氧化•碳化
烙铁头镀锡层的氧化，是指吃锡面被锡的氧化物覆盖了、导致吃不了锡的现象。锡铅锡丝的时候，烙铁头上的附着物只要是助焊剂的碳化物，这些碳化物用海棉或吹气等通常的清洗方法即可除去。而无铅锡丝时，烙铁头上的残留物主要是锡的氧化物。这是因为无铅锡丝中锡的含量大大增多的缘故。在此状态下，锡丝无法溶化，热量就无法传递到焊接物上，事实上无法进行焊接。
这种情况时，只要除去先端表面的碳化物、再次形成镀锡层(预备送锡)就可以恢复。这种锡的氧化物用海棉等清洗方法是无法去除的，请使用氧化铝粉末或者特殊的助焊剂来除去。如果使用锉刀等工具的话，容易削薄镀铁层，导致寿命缩短，因此请勿使用。另外，通过实验证明了采用氮气保护可以明显地抑制烙铁头的氧化。
发现锡的氧化物(Sn和O)居多
2．由锡造成的镀铁层的侵食
这是镀铁层被锡侵食而出现穿孔的现象。烙铁头出现穿孔，就说明了使用寿命到了(通常烙铁头上是在母材铜棒上镀有500微米的镀铁层)。
看到的穿孔，意味着对烙铁头寿命起决定作用的镀铁层已经被消耗完了。此过程是使用实际的烙铁头实验得出的。
为了保证实验的安定性，实验时利用焊接机器人，固定在吃锡面的2处进行送锡，随后进行吹气清洗，此作业反复进行，直到烙铁头上出现穿孔时才停止实验。
实验结果为在32小时后在吃锡面的上部出现穿孔。
锡丝接触时间（h )
把已穿孔的烙铁头切开，通过SEM扩大，如(写真3的右图)。写真3中的左图为新烙铁头的断面。
黑色空洞，原来存在有母材铜。镀铁层出现穿孔后，里面的铜母材在很短的时间里就被侵食成空。为此空洞部分的扩大写真。继续放大，对弓形部分进行分析。
通过该部位的EPMA(Electron Probe Microanalyzer)写真，在同一个地方检测出铁和锡的存在。由此可确认该部位为铁和锡的反应层。
通过定量分析(表1)，Fe与Sn的原子比约为1∶2，因此可得出该反应层为FeSn2的结论。
烙铁头消耗的过程，实际上是对烙铁头寿命起决定作用的镀铁层，从开始形成锡的反应层，反应层逐渐变厚，直至崩溃消失的过程。接下来研究该反应层与温度和时间的关系。
写真9~12，是在烙铁头上送锡后进行放置、截面的扩大写真。每张写真的左侧为烙铁头的镀铁层，右侧为无铅锡丝，中间为反应层。经过1小时就已形成反应层；经过4小时后反应层成长了不少。然而，从照片中可以看出，16小时后，与4小时和9小时相比，反应层的成长速度明显变慢。
Fe FeSn2 无铅锡丝 Fe FeSn2 无铅锡丝
这是由于该反应为Sn扩散到FeSn2中与Fe接触而起的反应、经过的时间越长FeSn2层就越厚，Sn到达Fe所需的时间也就越长的缘故。
上面是温度为350℃时的实验。在不同的温度下进行了同样的实验。
通过实验可以得出如下结论∶
①烙铁头的镀铁层，一与锡丝接触就开始被侵食。
②无铅锡丝中，锡的含量在95%以上，与锡铅锡丝60%相比要高许多，所以被锡侵食的现象明显显著。
③镀铁层受锡侵食的现象，从无铅锡丝与烙铁头接触的瞬间急速开始，随着时间的推移逐渐减缓。
④镀铁层受锡侵食的现象，温度越高就速度越快。
由此可知∶如果可以①抑制锡•铁的反应②抑制烙铁头吃锡面的碳化•氧化的话，就能够在一定程度上抑制无铅锡丝时烙铁头的消耗。
3．结论
如此通过反复进行各种实验，再加上生产现场的实际经验，我们找到了在与锡铅锡丝同等条件下进行PCB无铅焊接的方法∶
① 不要一味地提升温度，在适温下进行焊接
选择最适合的烙铁。不需要把无铅锡丝溶点的上升幅度(与锡铅锡丝相比)全盘转移到烙铁头上。问题的关键，不在于温度的高低，而在于要能够以最快的速度传给焊点所需的热量。是否拥有加热焊接物所需的足够热量、烙铁头的形状是否与焊接物相符等成为解决问题的重点。
② 使用长寿命的烙铁头
烙铁头镀铁层的厚度和品质很重要。
③ 在短时间内完成焊接作业
要达到此要求，烙铁的性能很关键。要求烙铁头具有快速传热短时间内完成焊接作业的性能。
④ 在休息时间等不进行焊接作业时烙铁头温度能够自动下降
自动待机温度功能很重要。由烙铁部内藏的感应器监控焊接使用状态，若超过设定时间不进行焊接作业时烙铁头温度自动降至待机温度。这样可以抑制残留在烙铁头上的锡对镀铁层的侵食。
① 作业结束时，清洗后往烙铁头添上预留锡丝，尽快关闭电源。
这样既可以抑制预留锡丝的氧化，又可以抑制锡的侵食。
② 锡丝的预热，焊接物的预热
在焊接机器人上，利用独自开发的锡丝预热机构，先加热锡丝至100℃左右再进行焊接作业。由此提高了无铅锡丝初期溶化的速度和锡丝的浸润性，从而可以相对降低烙铁头的设定温度。另外还具有抑制锡球•助焊剂飞散的效果。
同时，对焊接对象进行预热，在PCB无铅焊接中也成为一种常用的方法。
③ 在氮气氛围中进行焊接
利用氮气保护，在无铅锡丝出现之前就已被采用的方法，具有改善锡丝浸润性的效果。在氮气氛围中进行焊接，能抑制烙铁头的氧化。同时具有预热效果，降低设定温度和延长烙铁头寿命的作用。总而言之，作为解决焊接天敌――氧化的手段，利用氮气保护具有很好的效果。
4．最佳工具的选择
在以往的锡铅锡丝焊接中，锡丝的种类、助焊剂的特性、温度、焊接对象等具有相当大的自由度。即使不是最佳的焊接条件，也可以进行焊接作业。
然而，当变成无铅锡丝后，这些问题都随之发生变化了。即使在焊接做到了与锡铅锡丝同样或接近的品质，在随后品质的保持上会出现各种各样的新条件。如果不能遵守那些条件的话，就很难维持与以往一样的品质。
与无铅锡丝出现初期相比，由于厂家的努力研发，焊接的实际效果也与锡铅锡丝接近了，但是因为组成的根本不同而导致的差依然存在着。因此，烙铁的综合能力问题益发显著起来。
针对无铅锡丝而开发的烙铁。具有高效率的新型加热器• 压倒性热量的烙铁头构造•长寿命的烙铁头•自动待机温度安全管理功能•氮气保护等最新的功能。
5．支持无铅化的焊接机器人
以上讲述了手工烙铁的原则，当要进行微细和精密部件的焊接时，就到了焊接机器人的登场时间了。
在焊接条件要比锡铅锡丝严格多的PCB无铅焊接中，对于同种产品、如果可以保持在一致的条件(相同的温度•相同的加热时间•相同的锡丝量•相同的时间内)下达到良好的焊接效果的话，可以称为理想的焊接工具。
配合前面所提到的加热器和烙铁头构造的特征，再通过机器人实现焊接的再现性和一致性，其作业的安定性成为工程管理•品质管理的必需品。
最近，短间距的部件不断增多，在其PCB无铅焊接工艺中，配有标准CCD显示器的激光焊接系统能够满足多种多样的需求。最小集光径为Ф0.2mm，根据同轴光学观测可以得到正确的位置，同时还配有保护光学系统免受助焊剂等污染的机构(写真20)。
6．支持无铅化的开发伙伴
PCB无铅焊接的要求越来越高，越来越的用户就多种多样产品的焊接提出各种不同的问题。至今利用丰富多样的产品和技术及经验解决了许多用户的实际问题。
然而，也还有许多未知的领域。在几千年的锡焊历史中，PCB无铅焊接才出现不长时间。一开始，努力致力于针对无铅化的研究开发(包括独自开发、与研究机关•锡丝厂家•用户的共同开发)。同时，在公司内外开展关于PCB无铅焊接方法的教育活动。在用户购入设备的时候，与用户共同探讨最佳的工法。
无铅化后，出现很多利用至今的常识无法解决的问题。同时也有基板的焊盘问题、树脂的耐热等问题。
在自然环境中使用的产品，其焊接品质能否经受10年或20年时间的考验，会成为今后的重点话题。今后，将继续致力于无铅化的研究和开发，以最适合PCB无铅焊接的工具为更多的用户服务。
1．前言
众所周知，WEEE & RoHS指令将于2006年7月开始实施。迈入2005年，无铅化的进程更加紧迫了，许多企业对无铅化加工法的要求更加严格了。
无铅化最初的课题是寻找取代锡铅锡丝的无铅焊料。找到有力的组成之后，又发生专利纠纷。还有由于与传统的锡铅锡丝不同的特性导致需要改善加工法，及锡槽•烙铁头等的寿命明显缩短的问题。
本文将就当前市场上主流无铅锡丝――锡•银•铜锡丝，针对其一般问题以及从焊接工具端出发的几个重点课题，进行分析并提出解决方法。
2．无铅锡丝的特征•问题点
无铅锡丝的特征大致归纳了看看。
①拉伸强度大体相同。
②比重不同∶ 锡铅锡丝 8.4
无铅锡丝 7.4
③浸润性•延展性变差
④溶点变高∶ 锡铅锡丝 183℃
锡银铜无铅锡丝 217~219℃
⑤烙铁头寿命缩短 约为1／3(相对于锡铅锡丝)
⑥光泽不同
在焊接完成后，以往的锡铅锡丝表面带有银色的光泽，而无铅锡丝没有光泽。针对这一点，延展率•表面裂纹的问题也包括在内，有必要讨论是否应该改变检查基准。
3．烙铁头寿命的解析~从两方面入手~
1．先端镀锡层的氧化•碳化
烙铁头镀锡层的氧化，是指吃锡面被锡的氧化物覆盖了、导致吃不了锡的现象。锡铅锡丝的时候，烙铁头上的附着物只要是助焊剂的碳化物，这些碳化物用海棉或吹气等通常的清洗方法即可除去。而无铅锡丝时，烙铁头上的残留物主要是锡的氧化物。这是因为无铅锡丝中锡的含量大大增多的缘故。在此状态下，锡丝无法溶化，热量就无法传递到焊接物上，事实上无法进行焊接。
这种情况时，只要除去先端表面的碳化物、再次形成镀锡层(预备送锡)就可以恢复。这种锡的氧化物用海棉等清洗方法是无法去除的，请使用氧化铝粉末或者特殊的助焊剂来除去。如果使用锉刀等工具的话，容易削薄镀铁层，导致寿命缩短，因此请勿使用。另外，通过实验证明了采用氮气保护可以明显地抑制烙铁头的氧化。
发现锡的氧化物(Sn和O)居多
2．由锡造成的镀铁层的侵食
这是镀铁层被锡侵食而出现穿孔的现象。烙铁头出现穿孔，就说明了使用寿命到了(通常烙铁头上是在母材铜棒上镀有500微米的镀铁层)。
看到的穿孔，意味着对烙铁头寿命起决定作用的镀铁层已经被消耗完了。此过程是使用实际的烙铁头实验得出的。
为了保证实验的安定性，实验时利用焊接机器人，固定在吃锡面的2处进行送锡，随后进行吹气清洗，此作业反复进行，直到烙铁头上出现穿孔时才停止实验。
实验结果为在32小时后在吃锡面的上部出现穿孔。
锡丝接触时间（h )
把已穿孔的烙铁头切开，通过SEM扩大，如(写真3的右图)。写真3中的左图为新烙铁头的断面。
黑色空洞，原来存在有母材铜。镀铁层出现穿孔后，里面的铜母材在很短的时间里就被侵食成空。为此空洞部分的扩大写真。继续放大，对弓形部分进行分析。
通过该部位的EPMA(Electron Probe Microanalyzer)写真，在同一个地方检测出铁和锡的存在。由此可确认该部位为铁和锡的反应层。
通过定量分析(表1)，Fe与Sn的原子比约为1∶2，因此可得出该反应层为FeSn2的结论。
烙铁头消耗的过程，实际上是对烙铁头寿命起决定作用的镀铁层，从开始形成锡的反应层，反应层逐渐变厚，直至崩溃消失的过程。接下来研究该反应层与温度和时间的关系。
写真9~12，是在烙铁头上送锡后进行放置、截面的扩大写真。每张写真的左侧为烙铁头的镀铁层，右侧为无铅锡丝，中间为反应层。经过1小时就已形成反应层；经过4小时后反应层成长了不少。然而，从照片中可以看出，16小时后，与4小时和9小时相比，反应层的成长速度明显变慢。
Fe FeSn2 无铅锡丝 Fe FeSn2 无铅锡丝
这是由于该反应为Sn扩散到FeSn2中与Fe接触而起的反应、经过的时间越长FeSn2层就越厚，Sn到达Fe所需的时间也就越长的缘故。
上面是温度为350℃时的实验。在不同的温度下进行了同样的实验。
通过实验可以得出如下结论∶
①烙铁头的镀铁层，一与锡丝接触就开始被侵食。
②无铅锡丝中，锡的含量在95%以上，与锡铅锡丝60%相比要高许多，所以被锡侵食的现象明显显著。
③镀铁层受锡侵食的现象，从无铅锡丝与烙铁头接触的瞬间急速开始，随着时间的推移逐渐减缓。
④镀铁层受锡侵食的现象，温度越高就速度越快。
由此可知∶如果可以①抑制锡•铁的反应②抑制烙铁头吃锡面的碳化•氧化的话，就能够在一定程度上抑制无铅锡丝时烙铁头的消耗。
3．结论
如此通过反复进行各种实验，再加上生产现场的实际经验，我们找到了在与锡铅锡丝同等条件下进行PCB无铅焊接的方法∶
① 不要一味地提升温度，在适温下进行焊接
选择最适合的烙铁。不需要把无铅锡丝溶点的上升幅度(与锡铅锡丝相比)全盘转移到烙铁头上。问题的关键，不在于温度的高低，而在于要能够以最快的速度传给焊点所需的热量。是否拥有加热焊接物所需的足够热量、烙铁头的形状是否与焊接物相符等成为解决问题的重点。
② 使用长寿命的烙铁头
烙铁头镀铁层的厚度和品质很重要。
③ 在短时间内完成焊接作业
要达到此要求，烙铁的性能很关键。要求烙铁头具有快速传热短时间内完成焊接作业的性能。
④ 在休息时间等不进行焊接作业时烙铁头温度能够自动下降
自动待机温度功能很重要。由烙铁部内藏的感应器监控焊接使用状态，若超过设定时间不进行焊接作业时烙铁头温度自动降至待机温度。这样可以抑制残留在烙铁头上的锡对镀铁层的侵食。
① 作业结束时，清洗后往烙铁头添上预留锡丝，尽快关闭电源。
这样既可以抑制预留锡丝的氧化，又可以抑制锡的侵食。
② 锡丝的预热，焊接物的预热
在焊接机器人上，利用独自开发的锡丝预热机构，先加热锡丝至100℃左右再进行焊接作业。由此提高了无铅锡丝初期溶化的速度和锡丝的浸润性，从而可以相对降低烙铁头的设定温度。另外还具有抑制锡球•助焊剂飞散的效果。
同时，对焊接对象进行预热，在PCB无铅焊接中也成为一种常用的方法。
③ 在氮气氛围中进行焊接
利用氮气保护，在无铅锡丝出现之前就已被采用的方法，具有改善锡丝浸润性的效果。在氮气氛围中进行焊接，能抑制烙铁头的氧化。同时具有预热效果，降低设定温度和延长烙铁头寿命的作用。总而言之，作为解决焊接天敌――氧化的手段，利用氮气保护具有很好的效果。
4．最佳工具的选择
在以往的锡铅锡丝焊接中，锡丝的种类、助焊剂的特性、温度、焊接对象等具有相当大的自由度。即使不是最佳的焊接条件，也可以进行焊接作业。
然而，当变成无铅锡丝后，这些问题都随之发生变化了。即使在焊接做到了与锡铅锡丝同样或接近的品质，在随后品质的保持上会出现各种各样的新条件。如果不能遵守那些条件的话，就很难维持与以往一样的品质。
与无铅锡丝出现初期相比，由于厂家的努力研发，焊接的实际效果也与锡铅锡丝接近了，但是因为组成的根本不同而导致的差依然存在着。因此，烙铁的综合能力问题益发显著起来。
针对无铅锡丝而开发的烙铁。具有高效率的新型加热器• 压倒性热量的烙铁头构造•长寿命的烙铁头•自动待机温度安全管理功能•氮气保护等最新的功能。
5．支持无铅化的焊接机器人
以上讲述了手工烙铁的原则，当要进行微细和精密部件的焊接时，就到了焊接机器人的登场时间了。
在焊接条件要比锡铅锡丝严格多的PCB无铅焊接中，对于同种产品、如果可以保持在一致的条件(相同的温度•相同的加热时间•相同的锡丝量•相同的时间内)下达到良好的焊接效果的话，可以称为理想的焊接工具。
配合前面所提到的加热器和烙铁头构造的特征，再通过机器人实现焊接的再现性和一致性，其作业的安定性成为工程管理•品质管理的必需品。
最近，短间距的部件不断增多，在其PCB无铅焊接工艺中，配有标准CCD显示器的激光焊接系统能够满足多种多样的需求。最小集光径为Ф0.2mm，根据同轴光学观测可以得到正确的位置，同时还配有保护光学系统免受助焊剂等污染的机构(写真20)。
6．支持无铅化的开发伙伴
PCB无铅焊接的要求越来越高，越来越的用户就多种多样产品的焊接提出各种不同的问题。至今利用丰富多样的产品和技术及经验解决了许多用户的实际问题。
然而，也还有许多未知的领域。在几千年的锡焊历史中，PCB无铅焊接才出现不长时间。一开始，努力致力于针对无铅化的研究开发(包括独自开发、与研究机关•锡丝厂家•用户的共同开发)。同时，在公司内外开展关于PCB无铅焊接方法的教育活动。在用户购入设备的时候，与用户共同探讨最佳的工法。
无铅化后，出现很多利用至今的常识无法解决的问题。同时也有基板的焊盘问题、树脂的耐热等问题。
在自然环境中使用的产品，其焊接品质能否经受10年或20年时间的考验，会成为今后的重点话题。今后，将继续致力于无铅化的研究和开发，以最适合PCB无铅焊接的工具为更多的用户服务。
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