隨著產(chǎn)品小型化,高密度實(shí)裝基板、微細(xì)間距部品、多層基板開(kāi)發(fā)的急速發(fā)展,伴隨著錫絲的無(wú)鉛化、錫焊接變得更困難了,因此必須重新研究焊接方法。在 SMT 再流焊的附加焊接工程及局部焊接的領(lǐng)域,微細(xì)化程度高且多種多樣的手工焊與機(jī)器人的無(wú)鉛錫焊接技術(shù)的確立也成了當(dāng)務(wù)之急。
日本UNIX公司是國(guó)際著名自動(dòng)錫焊機(jī)器人和高端錫焊焊接工具的制造商,產(chǎn)品廣泛被世界著名大型企業(yè)所采用 。公司自1974 年成立以來(lái),在自動(dòng)錫焊機(jī)器人和高端錫焊焊接工具領(lǐng)域不斷創(chuàng)新,技術(shù)始終領(lǐng)先于同行業(yè)之首,市場(chǎng)占有率處于領(lǐng)先地位,先后生產(chǎn)出世界速度最快 (0.5 秒/點(diǎn))的錫焊機(jī)器人,目前最為先進(jìn)的第二代半導(dǎo)體激光錫焊機(jī)器人 。
日本UNIX公司長(zhǎng)期致力于焊錫材料、焊接方法、焊接工具包括焊接工業(yè)用機(jī)器人方面的開(kāi)發(fā) , 并率先在無(wú)鉛焊錫方面取得技術(shù)突破。公司通過(guò)反復(fù)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn),再加上生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),對(duì)無(wú)鉛焊錫中的問(wèn)題以及對(duì)策進(jìn)行了深入的研究。
無(wú)鉛錫絲與傳統(tǒng)錫鉛焊絲的比較
無(wú)鉛錫絲 | 傳統(tǒng)錫鉛焊絲 | |
拉伸強(qiáng)度大體相同 | 大體相同 | 大體相同 |
比重 | 7.4 | 8.4 |
浸潤(rùn)性、延展性 | 比錫鉛焊絲 差 | |
烙鐵頭壽命 | 約為 錫鉛錫絲的 1 / 3 | |
光澤 | 沒(méi)有 | 銀色的光澤 |
采用無(wú)鉛錫絲容易出現(xiàn)的問(wèn)題及原因
(1)焊接溫度的上升與錫球、助焊劑的飛濺
往高溫的烙鐵頭上供給含助焊劑的錫絲 ( 以后簡(jiǎn)稱(chēng)∶錫絲) ,則錫絲中的助焊劑會(huì)因受熱膨脹而破裂,造成錫絲飛濺。而且錫絲中所含助焊劑會(huì)因?yàn)闇囟鹊纳叨鴮?dǎo)致其活性降低。
提高烙鐵頭溫度,烙鐵頭溫度和錫絲(室溫)溫差就變得更大,對(duì)錫絲的熱沖擊也更大, 錫絲和助焊劑飛濺就越厲害 。
(2)漏焊、短接
由于無(wú)鉛錫絲浸潤(rùn)性、延展性差,一般條件焊接時(shí),尤其對(duì)多層板通孔的焊接容易形成 漏焊、短接。
(3) 烙鐵頭氧化及助焊劑碳化
焊接作業(yè)中氧化物及助焊劑的碳化物等會(huì)附在烙鐵頭上。在機(jī)器人連續(xù)運(yùn)行的情況下,尤其是烙鐵頭吃錫面的氧化會(huì)造成焊接的不良。通過(guò)能量分散型 X 射線(xiàn)來(lái)分析烙鐵頭前端附著物的成分,我們發(fā)現(xiàn),在使用共晶錫絲的烙鐵頭上,附著物中碳 C 的含量比錫 Sn 多 , 這些碳是錫絲中的助焊劑被碳化后析離出來(lái)的。與之相反,在使用無(wú)鉛錫絲時(shí),附著物中錫SN 的含量比碳 C 多。而這些錫是從無(wú)鉛錫絲中含量為 96% 的錫在受熱被氧化成氧化錫中析離出來(lái)的。 烙鐵頭消耗的過(guò)程,實(shí)際上是對(duì)烙鐵頭壽命起決定作用的鍍鐵層從開(kāi)始形成錫的反應(yīng)層,反應(yīng)層逐漸變厚,直至崩潰消失的過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)1小時(shí)就已形成反應(yīng)層;經(jīng)過(guò) 4 小時(shí)后反應(yīng)層成長(zhǎng)了不少。16 小時(shí)后,與4小時(shí)和9小時(shí)相比,反應(yīng)層的厚度明顯變厚。
(4)烙鐵頭和錫槽壽命短
根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),使用無(wú)鉛錫絲時(shí),5000 次后吃錫面被侵蝕導(dǎo)致烙鐵頭發(fā)生變形;到10000 次后,烙鐵頭上就出現(xiàn)了空洞。與使用共晶錫絲的情況相比,其消耗快了2~3 倍。其次,在往烙鐵頭定量送錫的同時(shí)進(jìn)行清洗的連續(xù)作業(yè)中,測(cè)定了吃錫面厚度的變化量。通過(guò)比較得知∶使用無(wú)鉛錫絲時(shí)吃錫面的消耗量,是使用共晶錫絲時(shí)的2~3 倍。同時(shí),烙鐵頭溫度越高消耗也就越劇烈。因此,烙鐵頭壽命當(dāng)然短。同樣的道理,錫槽壽命也變短。
(5)對(duì)周邊部件的熱影響
對(duì)于無(wú)鉛化,由于溫度提高,擔(dān)心的是對(duì)周邊部件的熱影響。今后,耐熱材料、零件的開(kāi)發(fā)也會(huì)不斷發(fā)展,但是仍然會(huì)存在一些沒(méi)有進(jìn)行耐熱處理或很難進(jìn)行耐熱處理的部件。
無(wú)鉛焊錫的對(duì)策
(1)錫球、助焊劑等飛濺
通過(guò)加熱錫絲從而減輕熱沖擊的預(yù)熱方法。雖然有把錫絲送入 V 形槽的方法,但是在使用無(wú)鉛錫絲時(shí)錫絲會(huì)迅速硬化,而且 烙鐵頭與送錫部件相接觸,烙鐵頭的熱量就會(huì)被奪走而造成溫度下降。 故可通過(guò)加熱錫絲從而減輕熱沖擊的預(yù)熱方法,大量減少 錫球、助焊劑等的飛濺 。
開(kāi)發(fā)用于焊接機(jī)器人的含助焊劑的錫絲,即使在高溫下也不會(huì)失去活性力,比用于手工焊的錫絲在一定程度更具有耐熱性。
(2) 漏焊、短接等的對(duì)策
氮?dú)庾鳂I(yè)氛圍的焊接,通過(guò)使焊接氛圍處于低氧狀態(tài)、有抑制母材及錫絲的氧化從而提高錫焊接品質(zhì)的效果而被廣泛采用。不管是焊接機(jī)器人還是手工焊,通過(guò)利用氮?dú)舛歼_(dá)到了以下幾個(gè)效果。其一,焊點(diǎn)的光澤及切面變好,減少漏焊及短接等不良。其二,利用氮?dú)饪梢詼p少助焊劑的殘?jiān)?。焊接機(jī)器人加工時(shí)通常使用含助焊劑的錫絲,為了確保焊接品質(zhì),助焊劑的含有量通常為 2%~3% 。多層基板等中不易滲透的通孔也可能使用含 6% 助焊劑的錫絲。在品質(zhì)上,希望焊接后的助焊劑殘?jiān)M可能少。其三,通過(guò)使用氮?dú)饪梢允估予F頭壽命延長(zhǎng) 2 倍左右。這是因?yàn)樵诘獨(dú)庾鳂I(yè)氛圍可以抑制烙鐵頭吃錫面的氧化。
(3)防止烙鐵頭氧化及助焊劑碳化
使用傳統(tǒng)的錫鉛錫絲的時(shí)候,烙鐵頭上的附著物主要是助焊劑的碳化物,這些碳化物用海棉或吹氣等通常的清洗方法即可除去。而無(wú)鉛錫絲時(shí),烙鐵頭上的殘留物主要是錫的氧化物。在此狀態(tài)下,錫絲無(wú)法溶化,熱量就無(wú)法傳遞到焊接物上,事實(shí)上也就無(wú)法進(jìn)行焊接,只能使用氧化鋁粉末或者特殊的助焊劑來(lái)除去。
(4) 提高烙鐵頭和錫槽壽命
不要一味地提升溫度,在適宜溫度下進(jìn)行焊接。選擇最適合的烙鐵。不需要把無(wú)鉛錫絲溶點(diǎn)的上升幅度 ( 與錫鉛錫絲相比 ) 全盤(pán)轉(zhuǎn)移到烙鐵頭上。問(wèn)題的關(guān)鍵不在于溫度的高低,而在于要能夠以最快的速度傳給焊點(diǎn)所需的熱量。是否擁有加熱焊接物所需的足夠熱量、烙鐵頭的形狀是否與焊接物相符等成為解決問(wèn)題的重點(diǎn)。具體注意事項(xiàng),如下所述:
① 使用長(zhǎng)壽命的烙鐵頭,烙鐵頭鍍鐵層的厚度和品質(zhì)很重要。
②在短時(shí)間內(nèi)完成焊接作業(yè)。要達(dá)到此要求,烙鐵的性能很關(guān)鍵。要求烙鐵頭具有快速傳熱短,時(shí)間內(nèi)完成焊接作業(yè)的性能。
③在休息時(shí)間等不進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)烙鐵頭溫度能夠自動(dòng)下降。
④作業(yè)結(jié)束時(shí),清洗后往烙鐵頭添上預(yù)留錫絲,盡快關(guān)閉電源。
⑤錫絲的預(yù)熱,焊接物的預(yù)熱。先加熱錫絲至 100 ℃ 左右再進(jìn)行焊接作業(yè)。由此提高了無(wú)鉛錫絲初期溶化的速度和錫絲的浸潤(rùn)性,從而可以相對(duì)降低烙鐵頭的設(shè)定溫度,另外還具有抑制錫球、助焊劑飛散的效果。同時(shí),對(duì)焊接對(duì)象進(jìn)行預(yù)熱,在無(wú)鉛焊接中也成為一種常用的方法。
⑥在氮?dú)夥諊羞M(jìn)行焊接。既可改善錫絲浸潤(rùn)性的效果,又能抑制氧化。同時(shí)具有預(yù)熱效果。
選擇烙鐵頭也是重中之重.
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