无铅焊接的工艺选择

By Gerjan Diepstraten

本文将研究确定什么参数对无铅焊接有最大和最小影响的方法。目的是要建立一个质量和可重复性受控的无铅工艺 ... 。

开发一套有效的方法

　　既然生产线中的无铅焊接即将来临，那么我们应该开发出一套有效的方法，来决定正确的工艺设定。无铅焊接不仅仅是以另一种合金来取代一种合金，不存在“插入式”的取代。一种新材料的引入影响着整个工艺，因此，所有机器设定都必须再检查。

　　在回流焊接中，目标是要满足或再现锡膏的正确设定，保持在组件和电路板材料的规格之内。我们面临的挑战是使用现在生产中使用的机器并保持现有的产量，来达到这个目标。

　　为了实现这个目标，机器应该具有良好的热传导特性和均匀性 ( 板上的温度差别小 ) 。大多数今天的热风 / 氮气对流炉能够焊接无铅合金。可是，红外灯的炉子将很可能需要取代，因为板上的加热均匀性能差和温度差别大。

　　对于波峰焊接工艺，转变到无铅也将影响大多数机器参数。对于这个工艺，目标是在与无挥发性有机化合物 (VOC, volatile organic compound) 的水基助焊剂的结合中实施无铅合金 ( 消除卤化阻燃剂 ) ，而不减低生产率或产量。

　　我们必须设计一个适当的试验来决定是否计划中的生产设备可以接纳转换到无铅焊接的目标。 DOE(Design of experiment, 试验设计方法 ) ，特别是 Taguchi 方法，提供一个调查设备能力的有效方法。通过学习和使用该技术，可以大大减少试验研究所要求的时间。

设计一个有效的试验

Taguchi 试验优化产品 / 设备的设计，以最经济的方式使得性能对变量的不同原因敏感性最小，而不实际上消除这些原因。包括了研究开发、制造和运作的成本。 Taguchi 试验是基于正态数组，它减少试验运行的次数。

　　一个 Taguchi 试验的设计是非常重要的，因为结果的质量取决于一个适当的准备。这个准备要求仔细的计划、审慎的试验布局和输出数据的专家分析。试验以一个集思广益的会议开始，邀请来自不同部门 ( 设计、运作、质量和制造 ) 的雇员参加。所有个人都应该对焊接有第一手数据。每个成员在所有必须由这个小组所作的选择中都有一个投票权。因此，小组成员数量应该是奇数。

　　小组的工作是列出问题。目标是要通过确定设计因素的最佳结合，以尽可能最高的质量和可能获得的最好性能实现无铅焊接。

　　第一步是要列出控制因素，或者那些将对焊接质量有主要影响的参数，或者可以控制的输入。对于波峰焊接，控制因素的例子包括助焊剂数量、预热设定、传送带速度和焊锡温度。在回流焊接中，控制因素可能包括氮气的使用、传送带速度和保温与峰值区的温度设定。助焊剂类型和板的表面涂层是受控的输入因素的例子。

　　如果在这些因素的有些之间出现相互影响，那么它们也应该列出。每个小组成员分别按照其对于影响输出质量的重要性的次序排列这些因素。

　　噪音因素是那些影响变化、但又或者不可能控制或者控制成本太高的工艺或产品因素。例子有板的质量、空气温度和湿度。当必须量化一个设计的稳定性时，这些因素可以集中到一个试验中，以一个所谓的外部数组。

　　现在，必须选择试验的方式。 Taguchi 方法使用正交数组，这些是可以用同时变化的因素填充的严格定义的矩阵。每个因素的每个级别按照每个因素级别的每个级别测试相同的次数。正交数组和将选作试验的重复次数取决于成本、时间和现有的材料。有许多矩阵可用；例如， L4(2 3 ) ，它代表 4( 次运行 ) 、 2( 个级别 ) 和 3( 个因素 ) ； L8(2 7 ) 、 L9(3 4 ) 、 L12(2 11 ) 和几个 L18 变数。

　　现在选择运行次数 ( 有正交数组决定 ) 和重复次数，变化因素的级别也必须定义。小组在这一步应该大胆一点，因为在这类试验中的主要目的是要看到变化。如果质量差别没有看到，那么该小组还不够大胆，或者甚至更差，所选择的控制因素不能影响质量。

质量特征和方法
　　输出特征 ( 反应数据 ) 允许试验运行的结果被量化。这些特征将表示是否该产品按照质量规格焊接的，或者是否焊点质量差。对来自该工艺的焊接缺陷的 Pareto 分析可以提供在输出特征选择中的良好输入。可是，应该清楚，无铅焊接将有一些特殊的质量问题，如焊角升起、空洞和锡球。因为无铅焊接温度比锡 / 铅更接近于熔点，孔的填充和可靠性也必须量化。

做一个实际的试验来显示 Taguchi 分析法可以怎样应用。对于这个试验，小组决定在一个基本的波峰焊接机上做这个焊接，使用一个 L8 数组，重复三次运行 ( 图一 ) 。在外部数组中，测试了两种助焊剂。这个试验结果总共 48 次运行：八次对 L8 运行，三次重复和两次对外部数组 ( 表一 ) 。 表一、试验方案

L8 正交矩阵

因素
单位
级别 1
级别 2

A
锡锅温度
°C
255
265

B
氮气
-
开
关

C
接触时间
秒
2.3
4.3

D
Smart 波
-
开
关

E
预热温度
°C
最小
最大

F
助焊剂数量
-
低
高

G
板面涂层
-
OSP
NiAu



　　选择锡 / 银 / 铜 (SnAgCu) 合金来焊接。使用了两种无 VOC 的水基助焊剂，预热温度由助焊剂规格决定。波峰焊机装备有一个主波和一个 "Smart" 波。 Smart 波有一根六角形轴在波中转动，因此产生波上的紊流。其结果是较高的焊锡垂直力，提供更好的通孔渗透。


图一、在波峰焊机内的测试 PCB

　　使用了 1.6mm 的 FR-4 板。总共，装配了 14 个插针连接器 (280 个插针，等于 280 个潜在的锡桥 ) 。