錫槽中銅含量對(duì)焊接質(zhì)量影響初探

摘要本文通過對(duì)波峰焊和熱風(fēng)整平（HASL）工藝錫槽中銅含量升高所導(dǎo)致的產(chǎn)品最終焊接不良問題原因的探討，分析了銅含量升高所帶來的危害及其常用的降銅處理方法。 中圖分類號(hào)：TG151 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A Influence of Copper Content in Tin Bath to Welding Quality LI Xiancheng (The Three Ggo"，"Introduction":""，"Columns":"自然科學(xué)學(xué)科研究"，"Volume":""，"Content":"

摘要本文通過對(duì)波峰焊和熱風(fēng)整平（HASL）工藝錫槽中銅含量升高所導(dǎo)致的產(chǎn)品最終焊接不良問題原因的探討，分析了銅含量升高所帶來的危害及其常用的降銅處理方法。

中圖分類號(hào)：TG151 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Influence of Copper Content in Tin Bath to Welding Quality

LI Xiancheng

(The Three Ggorges Hydroelectric School， Chongqing 404160)

AbstractThis article through discuss the reason for the problem that the product eventually welding bad that caused by copper content rise wave soldering and hot air solder leveling (HASL)， then analyses harm of copper content rising brings and common used method to deal with it.

Key wordshot air solder level tin bath; copper content; Cu6Sn5; reduce copper content

在我國(guó)電子產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)中，目前因焊點(diǎn)質(zhì)量不良導(dǎo)致的不良產(chǎn)品數(shù)量約占企業(yè)不良產(chǎn)品總量的60%以上，在有的企業(yè)甚至高達(dá)80%。影響焊點(diǎn)質(zhì)量的因素很多，如焊接合金質(zhì)量、生產(chǎn)工藝條件、PCB層壓材料質(zhì)量、元器件、機(jī)械負(fù)荷條件等都能導(dǎo)致不良焊點(diǎn)的產(chǎn)生，針對(duì)這些因素對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的影響已經(jīng)有了較為成熟的分析和處理方法。但在電子產(chǎn)品整機(jī)生產(chǎn)企業(yè)與其PCB供應(yīng)商之間，具有相似工藝處理環(huán)節(jié)的波峰焊和熱風(fēng)整平（HASL）工藝錫槽中銅含量升高所導(dǎo)致的產(chǎn)品焊接不良問題較少有人進(jìn)行進(jìn)一步的探討，錫爐內(nèi)的銅皆因助焊劑、錫等的浸蝕，將PCB線路上的銅日積月累地帶進(jìn)錫爐，成為焊錫的污染物。但在高職高?！笆晃濉币?guī)劃教材江蘇省高等學(xué)校立項(xiàng)精品教材中其對(duì)熱風(fēng)整平工藝的表述是“熱風(fēng)整平工藝的目的是在銅的表面生成銅錫合金（Sn6Cu5）?！惫P者認(rèn)為其中的表述有待商榷。

1 PCB企業(yè)熱風(fēng)整平工藝錫槽中銅含量升高導(dǎo)致焊盤可焊性不良原因分析

印制線路板在圖形制作完成后，由于在其上安裝分立元件并進(jìn)行焊接的需要，對(duì)線路要進(jìn)行可焊性鍍層的鍍覆，但是由于線路之間并不是全部完全導(dǎo)通的，用電鍍法不可能在線路板上全部鍍出鍍層，這時(shí)只能采用浸鍍(化學(xué)鍍)的方法，而已經(jīng)制成的線路板尤其是安裝有分立元件的線路板不可能再在化學(xué)液中浸泡，這時(shí)就得采用熱浸錫的方法。

熱風(fēng)整平工藝HASL是Hot Air Solder Level的簡(jiǎn)稱，俗稱噴錫。就是把印制板浸入熔融的錫焊料中，然后通過兩個(gè)風(fēng)刀(高壓熱空氣)之間，用熱的壓縮空氣將板面上和金屬化孔內(nèi)多余的焊料吹掉，得到平滑、光亮、厚度均勻的焊料涂覆層。實(shí)際上是把浸焊和熱風(fēng)整平二者結(jié)合起來，在印制板金屬化孔內(nèi)和印制板導(dǎo)線上涂覆低共熔金屬焊料的工藝。在浸焊過程中銅被錫侵蝕溶入焊料中，當(dāng)銅超過其在錫中的固溶度后，銅錫之間就將形成金屬間化合物，一般為Cu6Sn5，隨著錫槽中銅含量的升高焊料的熔點(diǎn)也升高，為了保證浸焊隨之而來的是浸焊工藝溫度的提高，導(dǎo)致焊盤表面的焊錫大量合金化，從而使得錫銅間化合物Cu6Sn5替代了本應(yīng)該是焊料的焊錫，Cu6Sn5的熔點(diǎn)高達(dá)500℃，最終導(dǎo)致焊盤表面可焊性嚴(yán)重下降影響后續(xù)生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量。這種情況在無鉛焊接中表現(xiàn)尤為突出，因?yàn)闊o鉛焊料的熔點(diǎn)比含鉛焊料的熔點(diǎn)高，銅被錫侵蝕溶入焊料中的量會(huì)更大。Balver Zinn公司的無鉛焊接專家Berger的研究也證明了這個(gè)事實(shí)，因此，PCB生產(chǎn)企業(yè)在熱風(fēng)整平工藝上如何控制錫槽中銅含量是其生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要的工藝質(zhì)量控制點(diǎn)。

2 電子產(chǎn)品整機(jī)生產(chǎn)企業(yè)波峰焊工藝錫槽中銅含量升高導(dǎo)致焊點(diǎn)不良原因分析

波峰焊是指將熔化的軟釬焊料（鉛錫合金），經(jīng)電動(dòng)泵或電磁泵噴流成設(shè)計(jì)要求的焊料波峰，使預(yù)先裝有元器件的印制板通過焊料波峰，實(shí)現(xiàn)元器件焊端或引腳與印制板焊盤之間機(jī)械與電氣連接的軟釬焊。根據(jù)機(jī)器所使用不同幾何形狀的波峰，波峰焊系統(tǒng)可分許多種。波峰焊工藝是讓插件板的焊接面直接與高溫液態(tài)焊料接觸達(dá)到焊接的目的，其高溫液態(tài)焊料由特殊裝置使之形成類似波峰的形狀，故稱為波峰焊。波峰焊工藝流程是將元件插入相應(yīng)的元件孔中 →預(yù)涂助焊劑→ 預(yù)烘（溫度90-1000C，長(zhǎng)度1-1.2m） → 波峰焊（220-2400C） → 切除多余插件腳 → 檢查。波峰焊將PCB焊盤與高溫液態(tài)焊料接觸，焊盤的銅被錫侵蝕溶入焊料中，導(dǎo)致錫槽中焊料的銅含量上升，形成Cu6Sn5合金。隨著錫槽中銅含量的升高焊料的熔點(diǎn)也升高，為了保證焊接目的隨之而來的是增高錫槽的爐溫，當(dāng)錫爐溫度升高后，銅被錫侵蝕溶入焊料中的量會(huì)更大，形成惡性循環(huán)。爐溫的升高又增大了錫的氧化量，大量形成錫灰錫渣。而且當(dāng)爐溫升高后，高溫會(huì)使助焊劑失效，因而焊接質(zhì)量更難保證，缺陷增多。再者爐溫的升高會(huì)使元器件失效的風(fēng)險(xiǎn)增大。即使焊上了，由于爐溫的升高，焊點(diǎn)上的焊錫大量合金化，從而使得錫銅間化合物Cu6Sn5替代了本應(yīng)該是焊料（下轉(zhuǎn)第71頁）（上接第46頁）的焊錫，而這種Cu6Sn5合金的物理特性又比較脆，柔韌性不夠，一經(jīng)撞擊或受外力拐曲，便會(huì)產(chǎn)生裂紋，造成產(chǎn)品質(zhì)量缺省，成為形成不良產(chǎn)品的又一原因。

3 錫槽焊料降銅的有效途徑

不管是PCB企業(yè)還是電子產(chǎn)品整機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，錫槽中焊料銅含量的升高都會(huì)導(dǎo)致不良品的大量產(chǎn)生，那么到底焊料中銅含量達(dá)到多高就需要降銅呢？關(guān)于這個(gè)指標(biāo)的理論研究還沒有明確的答案，因?yàn)橛绊懞附淤|(zhì)量的因素實(shí)在太多，要想排除其他因素而專注于銅含量影響的研究十分困難。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)錫鉛焊料在銅含量超過0.3%時(shí)就需要降銅，無鉛焊料在銅含量超過0.9%時(shí)就需要降銅。降銅之前要對(duì)錫槽里的焊料進(jìn)行化學(xué)分析，確定焊料的成份，以便知道降銅前后的狀態(tài)。降銅的途徑主要有以下三種方法：

（1）在錫槽中添加不含銅的焊料，即錫鉛焊接工藝添加純錫鉛焊料，無鉛焊接工藝添加純錫條。

（2）工藝除銅。除銅的方法是根據(jù)Cu6Sn5合金的熔點(diǎn)較高（約500℃）進(jìn)行降溫除銅。具體操作方法又根據(jù)使用的焊接工藝不同而不同。①錫鉛焊接工藝除銅法。Sn-Pb焊料比重為8.4，Cu6Sn5合金的比重為8.28。因此可采用比重排銅法，具體的操作過程是：先把錫槽的爐溫升至300℃，然后開始自然降溫，當(dāng)降至200℃時(shí)開始保溫除銅，這時(shí)的Cu6Sn5以固態(tài)形式漂浮在錫面上，用特制的漏勺澆出即可。當(dāng)爐溫降至190℃時(shí)停止除銅。若需繼續(xù)除銅，可重復(fù)以上過程。除銅完畢添加純Sn-Pb焊料。②無鉛焊接工藝除銅法。無鉛焊料的比重一般為7.4左右，小于Cu6Sn5合金8.28的比重，Cu6Sn5不是漂浮在表面而是沉到錫槽底部，一般也是通過使用專門設(shè)計(jì)的漏勺從錫槽底部撈出金屬間化合物。具體操作方法是：先把錫槽的爐溫升至300℃，然后開始自然降溫，當(dāng)降至235℃時(shí)開始保溫除銅，用漏勺輕輕將錫槽底部的Cu6Sn5結(jié)晶體撈出，注意，Cu6Sn5結(jié)晶體為針狀易碎物，用漏勺撈時(shí)動(dòng)作幅度要小，否則Cu6Sn5結(jié)晶體會(huì)被振碎而無法撈出。當(dāng)爐溫降至233℃時(shí)停止除銅，若需繼續(xù)除銅，可重復(fù)以上過程。除銅完畢添加純Sn焊料。

（3）添加焊錫除銅劑。直接添加焊錫除銅劑是最近出現(xiàn)的一種錫槽除銅方法，可將焊錫內(nèi)的銅提純抽出，而使焊錫回歸到原來的標(biāo)準(zhǔn)，濕潤(rùn)性大增，使焊工成為零缺陷。其除銅機(jī)理不詳，除銅效果和對(duì)焊接質(zhì)量的影響也沒有太多的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行佐證。

無論在PCB生產(chǎn)企業(yè)還是在電子產(chǎn)品成品生產(chǎn)企業(yè)中，在質(zhì)量控制體系里都要求控制錫槽中銅的含量，因?yàn)殄a槽中銅含量的升高引起Cu6Sn5合金的大量產(chǎn)生，如果對(duì)此不加以關(guān)注不良品率就會(huì)出現(xiàn)大幅上升。由此可見，熱風(fēng)整平工藝的真正目的是保護(hù)PCB焊盤不被氧化，提高PCB的可焊性。

參考文獻(xiàn)

[1]王鈞銘;金鴻，陳森編.印制電路技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社.