無鉛回流焊要求更先進的爐溫監(jiān)控技術

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當今世界越來越關注鉛帶來的環(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品，在全世界大部分市場都得到了嚴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備中含有以下成分[鉛]的元器件。”本法令將于2006年一月一日生效，雖然其中含有很多豁免情況。這一行動將影響到那些含鉛產品進入歐洲市場，不管這些產品是在哪里生產的。

事實上，早在1998年，****電子工業(yè)協(xié)會就決定主動消除電子組裝中的鉛。他們的目標是到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，認為它是一種比“無鉛”更好的解決辦法。總之，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言家們，覺得法律手段是無實際意義的，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，摩托羅拉先進技術中心主任在IPC主辦的Works99會議發(fā)表的市場調查報告中表明：

1.

20%的消費者在購買時會主動考慮環(huán)境問題。

2.

45%的消費者購買動機是因為產品對環(huán)境安全。

3.

50%的消費者更換品牌是因為發(fā)現(xiàn)它對環(huán)境有害。

4.

76%的消費者將在價格和質量相當?shù)那闆r下首先選擇環(huán)保產品。

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

汽車行業(yè)將是“無鉛”趨勢的主要動力。汽車“無鉛”化不僅對環(huán)保有益，而且無鉛焊接也改善了焊點的耐溫特性。大部分汽車電子部件都被安裝在發(fā)動機室，因此要承受更高的工作溫度（高達攝氏150度）和更劇烈的溫度變化。競爭的壓力以及擔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廠家開始為無鉛產品做準備。

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衡。錫/銀/銅合金的焊點比現(xiàn)在的錫/鉛合金可靠性要高，但是其熔化溫度達到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。盡管人們認為對于消費類電子產品來說，它的焊點有足夠的可靠性，但性能還是不如現(xiàn)在的含鉛焊料，主要是因為眾所周知的焊點起皺現(xiàn)象。有些人選擇鉍合金是因為它們最接近含鉛合金，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，并且也有人關注是否有足夠的鉍資源滿足整個市場需求。

將來不可能有一種所謂“標準”的無鉛焊料，而是會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品的具體要求。

對制造工藝的沖擊

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，是因為無鉛焊膏回流時自對位能力較差。

回流：由于熔化溫度高出20°到50°C，對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“焊點起皺”等問題?？赡苄枰涞?/p>

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

最后一個較為感性的因素是無鉛焊點不如含鉛焊點光亮好看。當然這不影響組裝質量。

返工：耗時且難度大。與錫/鉛組裝相比，返工時涉及到更高溫度和更長時間的加熱。不過實驗證明無鉛組件良好的返工是可以實現(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，因此對這些元件來說，這種工藝是不可行的。（參見西門子的研究報告）。還有許多其他元件所能承受的最高溫度都在262°C以下。對于這樣的組件，與含鉛生產相比，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熱到回流的整個制程溫度。這個工藝窗口不可能在近期內拓寬。更多地可能要依賴元件制造商花費數(shù)年時間發(fā)明一代新的抗高溫元件。而這種元件也許將因高價格而告終。

較高的溫度以及在較高溫度下滯留更長的時間，將帶來更大的潛在氧化和對可焊性的負面影響。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，不是每個人都相信無鉛工藝中使用惰性氣體的必要性。由于氮氣成本高，再加上有些無鉛產品使用正常氣體成功的例子，人們仍在討論是否需要使用惰性氣體。

隨著元件密度增加組件日趨復雜，工藝窗口狹窄的問題將變得越來越突出。尋求一個工藝曲線可以適應這樣的組件和工藝，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行這項工作需要使用更先進的工藝優(yōu)化工具。

有些公司在轉向無鉛產品過程中猶豫不決的原因，除了質量問題，另一個原因是產品成本更高。一個最大的擔心是生產線的生產量和生產率將下降。在生產線上回流爐顯然不是最慢的機器。但是在為無鉛生產設置回流爐時，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生產線的瓶頸，并且拖低產量。對于生產多種產品的生產線，使爐子的轉換時間最小化是關鍵，在整個生產線上，爐子往往是準備進入新產品生產的最慢環(huán)節(jié)。在含鉛工藝中，由于工藝窗口寬，一臺很普通的爐子就能容易地完成多品種生產。這在將來顯然會很困難。

好的方面就是上述質量和生產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。為了實現(xiàn)這一點，需要采用全新的思維和工藝規(guī)范，同時還需要借助更先進的工藝手段。生產者需要著重于開發(fā)更好的工藝，并在生產中不斷地加以控制。

工藝開發(fā)

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

事實證明以下三個步驟，對于建立一個適合于無鉛產品的熱制程開發(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過程中，是一個非常重要的部分。產品的質量基本取決于制造中的板子通過一個恰當?shù)墓に嚧翱?。而這又是由具體的焊膏特性決定的，當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，可能會燒焦的區(qū)域。

考量工藝

通過測量曲線的結果，確定上述設置的工藝窗口是否適合于所生產的產品。我們必須確定各個元件上放置的熱電偶的測量結果是否都落在所確立的工藝窗口內。這一過程比較耗時，是一種自覺行為，而且還需要具備有關回流焊的工藝知識儲備。進行這項工作，一個非常有用的概念叫做工藝窗口指數(shù)（PWI）。它能算出相對于先前確定的范圍（工藝窗口），設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%表示設定曲線占用了整個工藝窗口。這是一個不穩(wěn)定的工藝，任何波動都將導致曲線超出它的限度。任何低于100%的曲線都在這個范圍內，數(shù)字越小，設置越好，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)代的曲線調制工具和專用軟件能夠在幾秒鐘內在所有的參數(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，或者可能是窗口內產量最高的曲線，或者是二者兼顧。這極大地影響到無鉛產品的質量和生產率。

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。由于無鉛工藝范圍狹窄，留給那些由于無可避免的溫度、導軌速度、對流速率等變化帶來的工藝波動的空間就很小了。統(tǒng)計過程控制(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)提供實時工藝數(shù)據(jù)(每塊PCB板上真實曲線的數(shù)據(jù),而不是來自爐子的數(shù)據(jù))。當超出曲線范圍時，這種連續(xù)控制系統(tǒng)就會即時報警。它還可以監(jiān)測每個制程參數(shù)的CPK水平。這樣在超出曲線范圍之前就對失控工藝實時報警，可以保證零缺陷生產的實現(xiàn)。

結論

今天已有許多公司，特別是****的一些消費類電子產品制造商，正在大量生產無鉛產品，并且成效卓著。另外，國際上不同的實驗室和生產線，已經(jīng)進行了大量關于產量，抗力強度和使用壽命的無鉛實驗。也許這些測試會出乎意料地證明：在正確的工藝操作下，無鉛焊點比普通的含鉛焊點更牢固，有更長期的可靠性。

西門子Dematic電子公司對錫/銀/銅焊料進行的一個突破性的研究結論說，峰值溫度為232°C焊點的潤濕性和焊點強度與峰值溫度為242°C和257°C時一樣。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，因為它說明對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)適當并采取控制，就可以用于無鉛工藝。當然我們還需要對無鉛焊接峰