無鉛焊接工藝分析論文

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一、我們面對的無鉛焊接挑戰

鉛是種特性十分適合焊接工藝的材料。當我們將它除去后，到目前還無法找到一種能夠完全取代它的金屬或合金。當我們在工藝、質量、資源和成本等方面找到比較滿意的代用品時，我們在工藝和成本上都不得不做出讓步。而在工藝上較不理想的情況有以下幾個方面。

1．較高的焊接溫度。大多數的無鉛焊料合金的熔點都較傳統錫鉛焊料合金高。業界有少部份溶點低的合金，但由于其中采用如銦之類的昂貴金屬而成本高。熔點高自然需要更高的溫度來處理，這就需要較高的焊接溫度。

2．較差的潤濕性。無鉛合金也被發現具有較不良的潤濕性能。這不利于焊點的形成，并對錫膏印刷工藝有較高的要求。由于潤濕效果可以通過較高的溫度來提高，這又加強了無鉛對較高溫度的需求。熔化的金屬，一般在其熔點溫度上的潤濕性是很差的，所以實際焊接中我們都需要在熔點溫度上加上20度或以上的溫度以確保能有足夠的潤濕。

3．較長的焊接時間。由于溫度提高了，為了避免器件或材料經受熱沖擊和確保足夠的恒溫以及預熱，焊接的時間一般也需要增長。

以上這些不理想的地方帶給用戶什么呢？總的來說就是器件或材料的熱損壞、焊點的外形和形成不良、以及因氧化造成的可焊性問題等工藝故障。這些問題，在錫鉛技術中都屬于相對較好處理的。所以到了無鉛技術時，我們面對的焊接技術挑戰更大。

二、工藝窗口

簡單來說，無鉛的工藝挑戰或工藝難處，在于其工藝窗口相對錫鉛技術來說是縮小了。例如器件的耐熱性，在錫鉛技術中一般為240℃，到了無鉛技術，IPC和JEDEC標準中建議必須能夠承受260℃的峰值溫度。這提高只是20℃。但在合金熔點上，從錫鉛（Sn37Pb）的183℃到SAC305的217℃卻是提高了34℃！這就使工藝窗口明顯縮小。使工藝的設置、調整和控制都更加困難。

如果不采用較高成本的低溫無鉛合金，你的最低溫度（約235℃），幾乎已經是錫鉛技術中的最高焊接溫度了。而如果你采用美國NEMI的建議，也就是使用SAC305和焊接溫度在245到255℃時，你的熱-冷點溫度窗口只有10℃，而在錫鉛技術中這溫度窗口有30℃之多。

無鉛器件的耐熱標準，目前多認同確保在260℃最高溫度上，這距離推薦的SAC305合金的最高焊接溫度只有5℃。如果我們考慮測量設置的系統誤差（注二）的需要保留6℃，以及業界許多回流的波動性時，我們根本無法使用高達255℃的溫度。

三、工藝設置

回流焊接的工藝設置，就是通過爐子的各溫區溫度，以及傳送鏈速度的設置來取得最適當的“回流溫度曲線”的工作。最適當的意思，表示沒有單一的曲線是可以供所有用戶使用的，而必須配合用戶的材料選擇、板的設計、錫膏的選擇來決定。不論是錫鉛技術還是無鉛技術，其實工藝設置的方法都是一樣的。所不同的是其最終的參數值。基本上，無鉛由于前面提到的工藝窗口縮小的問題，使得工藝設置的工作難度較高。這需要更高的工藝能力，以及對技術的了解和掌握上做得更完整更細化。

工藝設置的首要條件，是用戶必須知道所要焊接產品的溫度時間要求。對于大多數用戶來說，這就是回流曲線規范。為了方便技術管理，一般只制定了一個規范，規范中清楚地指出了各參數的調整極限。在錫鉛技術中，絕大多數用戶的這個規范曲線都來自錫膏供應商的推薦。在工藝窗口較大的錫鉛技術中，人們遇到的問題似乎不大（但絕非沒有問題）。但進入無鉛后，這種法未必可靠。原因是錫膏并非決定焊接溫度曲線的唯一因素，以及供應商提供的曲線并不精確。在掌握工藝技術較好的企業中，選擇錫膏前都必須對錫膏等進行測試評估。

器件焊端鍍層是另外一項沒有被仔細了解和控制的材料參數。鍍層的材料（例如NiPd或Sn等等）、鍍層的工藝（例如無極電鍍，浸鍍等等）、以及鍍層的厚度，將決定用戶的庫存能力，可焊性以及質量問題或故障模式。而這些也會因為無鉛技術到來而有所變化。以往不太需要注意的，現在也許會成為不得不給予關注的。PCB焊盤的鍍層也一樣，材料、工藝和厚度都必須了解和給予適當的控制。總之，要有良好的工藝設置，用戶必須首先知道自己的材料和設計需求。從需求上制定應該有的溫度曲線標準。

四、工藝管制和監控

以上所談的內容，如果掌握得好，就能協助用戶設置出一個較好的回流焊接工藝。而在整個產品產業化過程中，以上的內容要點可以協助用戶進行試制和試生產的工藝階段。當以上工作處理好后，接下來的就是面對批量生產了。批量生產的重點，在與推動快速生產的同時，確保每一個產品都是完好地被制造出來。所以我們就有所謂的質量管理工作和責任部門。

時至今日，大多數工廠的質量管理，還是較依賴傳統的一些檢驗和返修的做法。例如采用MVI（目檢）、AOI（自動檢驗）等手段，配合以一些量化統計做法如SPC等。但在今天的先進生產技術中，這些都屬于較落后的手段方法。以下指出幾個常遇到的缺點。

1．對故障的改正成本高；

2．屬于事后更正的概念，無法取得零缺陷成績；

3．目前的檢查技術無法檢出所有問題（一些故障的可檢性還不好）；

4．目前檢查技術在速度和精度上都還跟不上組裝技術；

5．太多和濫用檢查技術，反會對它形成不良的依賴性，而忽略了從工藝著手；

6．SPC不適合于小批量和高質量的生產模式。這情況下其能力非常低。

較好的做法是檢查設備和工藝能力，控制過程，而不是檢查加工的結果（也就是產出品的檢查）。廠內的所有爐子的性能必須給予測量和量化。在保養管理中確保Cm和Cmk的受控。這是良好質量的前提條件之一。這方面的討論不在本文的范圍之內。而工藝能力以及加工過程的控制，在生產現場又如何進行呢？

我們不可能對每一個產品都焊上熱耦。有一種技術可以做到，就是非接觸式測量的紅外測溫技術。曾有爐子供應商在爐子內部設計這樣的溫度監控，但由于技術不成熟，效果不理想而最終沒有大量推廣。過后就沒有見到有開發這類技術的。

這類系統通過以下的途徑提供用戶很好的質量控制方法：

1．100%不間斷的檢查；

2．實時測量和監督；

3．提供預警；

4．完整的紀錄方便質量跟蹤；

5．完整的報告可以提高客戶的信心。

除了以上功能之外，其實這類系統還可以協助監控爐子的表現，提高爐子的維護保養管理，以及將來的采購工作。是個先進數據管理系統中重要的一個工具。

當我們進入無鉛技術后，縮小的工藝質量窗口對于參數等的偏移敏感得多，也推動了我們對這類質量監控工具的需求。其作用就像質量管理學中的一句常用名言：“不要靠猜測，而要測量和理解它！”

[摘要]要開發一條健全的、高合格品率的無鉛焊接生產線，需要進行仔細地計劃，并要為計劃的實施作出努力以及嚴格的工藝監視以確保產品的質量和使工藝處于受控狀態。本文針對回流工藝技術來進行探討，探討了在無鉛技術的更嚴格要求下，如何對工藝進行優化和監控。

[關健詞]無鉛焊接工藝工藝監控工藝設置