錫渣的形成特點(diǎn)和減少措施

韓彬，檀正東，杜君寬，王海明，鄧映柳，杜彬，史建衛(wèi)

(1. 深圳市艾貝特電子科技有限公司，廣東 深圳，518103；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳，518055；3. 中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司，廣東，廣州，510300)

波峰焊生產(chǎn)中使用較多的無(wú)鉛釬料為SnAgCu 和SnCu 兩類，其錫含量都在95%以上，熔點(diǎn)都明顯高于傳統(tǒng)的SnPb 釬料。錫含量的增加和焊接溫度的提高，都會(huì)使波峰焊生產(chǎn)過(guò)程中的釬料氧化程度增加。錫渣的增加不僅造成了釬料的浪費(fèi)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響焊接質(zhì)量。本文說(shuō)明了錫渣分區(qū)形成的特點(diǎn)，并介紹了減少錫渣的措施和其實(shí)用性。

1 無(wú)鉛波峰焊中錫渣的形成與特征

1.1 無(wú)鉛波峰焊中釬料的氧化

根據(jù)液態(tài)金屬氧化理論[1]，處于熔融狀態(tài)下的金屬，其表面會(huì)強(qiáng)烈地吸附氧，高溫下被吸附的氧氣分子會(huì)得到金屬的電子，從而變成氧離子。氧離子與金屬會(huì)進(jìn)一步反應(yīng)生成該金屬的氧化物。氧化物在金屬表面成膜狀分布，進(jìn)一步的反應(yīng)則需電子或離子穿過(guò)該氧化膜，才能接觸到反應(yīng)物。在波峰焊接的情況下，高溫液態(tài)的錫會(huì)與空氣中的氧氣反應(yīng)，生成SnO 或SnO2。波峰焊系統(tǒng)廣泛使用雙波峰系統(tǒng)，在噴口處，液態(tài)的錫在不斷流動(dòng)的過(guò)程中與氧接觸形成錫的氧化物。動(dòng)態(tài)情況下，形成的氧化渣有3 種形態(tài)：

（1）表面氧化膜。錫爐中的液態(tài)釬料在高溫下，與空氣中的氧相互接觸而發(fā)生氧化。這種表面氧化膜主要出現(xiàn)于錫爐中相對(duì)靜止的液面，呈皮膜狀分布，主要成分是SnO，可以看做是動(dòng)態(tài)成膜。

（2）黑色粉末。這種粉末呈較大的顆粒狀，呈圓形堆積分布于液面與機(jī)械泵軸的交界處。這種黑色粉末也是錫的氧化物，機(jī)械泵軸會(huì)使周圍的液態(tài)釬料呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，生成的氧化物在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，逐漸形成球狀。同時(shí)摩擦?xí)斐赦F料顆粒的表面能升高[2]，而加劇氧化。

（3）氧化渣。在機(jī)械泵波峰發(fā)生器中，存在著劇烈的機(jī)械攪拌作用，使液態(tài)釬料形成強(qiáng)烈的漩渦運(yùn)動(dòng)，可能造成液面劇烈翻滾。液態(tài)釬料在表面的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)將空氣中的氧氣不斷吸入到釬料內(nèi)部，形成氧化渣，并與純錫相互混合包裹，形成銀白色砂礫狀的氧化渣。這種氧化渣形成于液態(tài)釬料內(nèi)部，并上浮到液態(tài)釬料表面，在液面附近大量堆積。

1.2 無(wú)鉛波峰焊錫爐表面不同區(qū)域氧化物特征

為研究錫渣生成后在錫爐中的分布情況，選用國(guó)內(nèi)Chipbest 公司FMW-350 型波峰焊機(jī)，錫爐具有雙噴嘴結(jié)構(gòu)，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，使熔融釬料從噴嘴噴出形成波峰。錫爐噴流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 和圖2 所示，所用釬料為Sn3.5Ag0.7Cu。

將錫爐溫度設(shè)定為250 ℃，波峰噴流一段時(shí)間后，錫爐釬料表面會(huì)形成氧化物。處于不同部位的釬料氧化物會(huì)呈現(xiàn)不同的形態(tài)和顏色，它們的分布具有規(guī)律性。氧化物主要產(chǎn)生在噴嘴和葉輪軸周圍，并聚集成一定高度，形狀類似小山丘，如圖3 中紫黑色位置和圖4 黑色粉末。為了分析方便，可以根據(jù)其特征將錫爐表面的氧化物分布分成5 個(gè)區(qū)，如圖5 所示。

圖1 錫爐俯視結(jié)構(gòu)

圖2 錫爐剖面結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 錫爐表面氧化物分布

A 區(qū)位于前波峰噴嘴鄰近區(qū)域，在前噴嘴的兩頭靠爐壁處，它主要是由第一波峰釬料氧化和噴流造成。A 區(qū)氧化渣的形成開始于前波峰" 瀑布" 流入錫爐液面時(shí)，主要發(fā)生在前噴嘴和其對(duì)面爐壁之間的位置，氧化物呈小“丘陵”狀堆積，表面出現(xiàn)紫灰色顆粒狀，如圖6(a)，其內(nèi)部是黑白交錯(cuò)的豆腐渣狀混合物，白色的是可用金屬釬料，黑色為金屬氧化物，圖6(b)為氧化物凝固后的內(nèi)部剖面照片。

圖4 葉輪軸根部氧化物

圖5 表面氧化物分區(qū)示意圖

B 區(qū)位于在前后波峰噴嘴中間區(qū)域的兩側(cè)，由前后兩波峰相互作用形成，同樣呈“丘陵”狀分布。它的氧化物表面如圖7(a)所示，呈黑色平行褶皺狀，有較明顯的谷脈分布。從圖7(b)切面圖可以清楚的看到除表層為褶皺外，內(nèi)部與A 相同，依然是豆腐渣狀物質(zhì)。

C 區(qū)氧化物產(chǎn)生于后波噴嘴與錫爐壁之間間隙中，與A 區(qū)類似，分布較少。

D 區(qū)氧化物產(chǎn)生于葉輪軸周圍與錫爐液面交接處，表面呈黑色小顆粒狀物質(zhì)，堆積于軸周圍，且顆粒度并不十分均勻。

E 區(qū)為上述幾區(qū)之外的所有液面，通常這些區(qū)域呈靜止?fàn)顟B(tài)，產(chǎn)生的氧化物呈皮膜狀，膜的顏色隨時(shí)間的變化而變化，最開始為黃色，逐漸變?yōu)樽虾谏孔钌佟?/p>

在工業(yè)生產(chǎn)中，多將A、B、C 這三區(qū)的氧化渣稱為錫渣。在多次實(shí)驗(yàn)中，開啟錫爐和波峰，不進(jìn)行焊接操作，撈取各區(qū)的氧化渣進(jìn)行稱量，其平均質(zhì)量的比例為：A:B:C:D = 6.9:4:1:1.9。其中，E 區(qū)的氧化渣質(zhì)量很小，可以忽略不計(jì)。

可以看出，A 和B 區(qū)的錫渣質(zhì)量最大，約占總量的79%，因此，在生產(chǎn)中對(duì)錫渣的處理主要針對(duì)這兩部分。在錫渣中，超過(guò)90%的物質(zhì)是純金屬釬料，而金屬氧化物的含量將近10%。

圖6 A 區(qū)氧化物狀態(tài)

圖7 B 區(qū)氧化物狀態(tài)

2 無(wú)鉛波峰焊中錫渣的減少與分離措施

國(guó)內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)對(duì)無(wú)鉛波峰焊氧化渣減少措施進(jìn)行了一些研究，主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1 氮?dú)獗Ｗo(hù)的采用

氮?dú)獗Ｗo(hù)可以有效減少氧化渣的產(chǎn)生，利用氮?dú)鈱⒖諝馀c液態(tài)釬料隔開, 避免了液態(tài)釬料與氧氣的接觸。因無(wú)鉛釬料的潤(rùn)濕性低于傳統(tǒng)有鉛釬料，并易氧化，在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下進(jìn)行無(wú)鉛波峰焊接已經(jīng)成為普遍的技術(shù)之一。圖8 為某設(shè)備的氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置圖。

圖8 波峰焊接過(guò)程氮?dú)獗Ｗo(hù)示意圖

在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下，隨著氧氣濃度的降低，無(wú)鉛釬料的氧化量明顯減少。當(dāng)?shù)獨(dú)獗Ｗo(hù)中的氧氣濃度降至50×10-6或更低，無(wú)鉛釬料基本上不被氧化。根據(jù)文獻(xiàn)[3]提供的數(shù)據(jù)，當(dāng)氧濃度更低時(shí)，焊接質(zhì)量有了很大的提升。氮?dú)獗Ｗo(hù)下氧濃度在（50～500）×10-6時(shí)，可減少氧化渣達(dá)95%左右，其它文獻(xiàn)也給出了高達(dá)85%～95%的結(jié)果。表1是國(guó)外研究學(xué)者所做的試驗(yàn)結(jié)果[4]，可以看出，錫渣量的減少非常顯著，高達(dá)95%左右，而且根據(jù)Claude Carsac 等人[5]提供的數(shù)據(jù)，對(duì)于不同合金釬料種類，氧化渣降低的相對(duì)含量差異不大。

氮?dú)獗Ｗo(hù)也有較為明顯的缺點(diǎn)，它會(huì)增加PCB 表面錫珠和運(yùn)營(yíng)成本。購(gòu)買液氮或氮?dú)獍l(fā)生器的運(yùn)行和維護(hù)成本通常會(huì)高于節(jié)省的釬料成本。當(dāng)要求焊接質(zhì)量較高或使用較昂貴的無(wú)鉛釬料的情況下，是否節(jié)約成本又要另當(dāng)別論。總之，在使用氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)之前，需要經(jīng)過(guò)仔細(xì)的成本計(jì)算。

表1 大氣條件和氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下無(wú)鉛釬料氧化渣形成量對(duì)比[10]

2.2 防氧化油的使用

防氧化油是一種液態(tài)防氧化劑，在波峰焊生產(chǎn)中應(yīng)用于錫爐內(nèi)液態(tài)金屬釬料的表面，通過(guò)物理隔絕作用把液態(tài)釬料和空氣分隔開，起到防止釬料被氧化的作用。同時(shí)，防氧化油均勻的覆蓋在液態(tài)釬料的表面，也可以在一定程度上阻止錫爐的熱量向外界散發(fā)，使工藝溫度下降5 ℃左右。防氧化油一般是液態(tài)或者淡黃色的液體，無(wú)毒，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，在使用過(guò)程中會(huì)有少量的顯煙和氣味，錫爐上方要配備良好的抽風(fēng)或通風(fēng)設(shè)備，其單次使用的壽命一般在8 h 左右。

防氧化油的使用溫度一般在220～280 ℃，當(dāng)釬料溫度大于260 ℃的時(shí)候，防氧化油揮發(fā)的煙霧會(huì)增加，對(duì)設(shè)備造成一定的污染。因此，對(duì)于一些難焊的插裝器件，如果要求波峰焊的工藝溫度過(guò)高，不適宜使用防氧化油。

2.3 電磁泵的使用

機(jī)械泵波峰發(fā)生器在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)發(fā)生劇烈的機(jī)械攪拌作用，使液態(tài)釬料發(fā)生強(qiáng)烈的漩渦運(yùn)動(dòng)和液面的翻滾，形成吸氧現(xiàn)象，空氣中的氧被不斷地吸入釬料內(nèi)部形成氧化渣，然后浮向液面并出現(xiàn)大量堆集。1969年瑞士人R.F.J.PERRIN 首先提出了泵送液態(tài)金屬軟釬料的傳導(dǎo)式液態(tài)金屬電磁泵的新方案，20 世紀(jì)70年代中期瑞士KIRSTN 公司利用此技術(shù)首先推出了配備單相交流傳導(dǎo)式電磁泵的波峰焊接機(jī)系列產(chǎn)品(6TF 系列)，1982年法國(guó)也在類似技術(shù)上取得專利權(quán)。20 世紀(jì)80年代末我國(guó)電子工業(yè)部二十所發(fā)明了單相感應(yīng)式液態(tài)金屬電磁泵，并試制了樣機(jī)，為波峰動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展開辟了一個(gè)新的途徑。它去掉了機(jī)械泵的所有旋轉(zhuǎn)零部件(含電機(jī))，與瑞士人發(fā)明的傳導(dǎo)式電磁泵相比，它完全去掉了傳導(dǎo)電流及其產(chǎn)生系統(tǒng)，技術(shù)上有很大的進(jìn)步。

電磁泵目前有單相感應(yīng)式和多相感應(yīng)式兩種。電磁泵的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）壽命長(zhǎng)、永不磨損，維修方便；

（2）波峰溫度，釬料氧化程度低，可以自動(dòng)對(duì)消電網(wǎng)電壓；

（3）能量綜合利用率高；

（4）具有良好的釬料波峰動(dòng)力學(xué)特性；

（5）波峰釬料溫度跌落小。

但是，目前國(guó)內(nèi)電磁泵的價(jià)格還比較昂貴，并沒有得到廣泛的應(yīng)用。

2.4 合理波峰發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氧化渣的產(chǎn)生與釬料液體的流動(dòng)行為有很大的關(guān)系，大部分氧化渣的形成屬于動(dòng)態(tài)成渣。一般情況下，流體越不穩(wěn)定、液面波動(dòng)越大，越容易吸氧而使氧化量增加。合理設(shè)計(jì)錫槽、噴嘴結(jié)構(gòu)和液態(tài)穩(wěn)流系統(tǒng)，可以使錫波層流分量增加、紊流分量減少，進(jìn)而降低因瀑布效應(yīng)引起的釬料氧化，最終減少氧化渣的含量。在實(shí)際的波峰焊生產(chǎn)中，一般可以通過(guò)以下幾個(gè)方面對(duì)波峰焊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善：

（1）增加導(dǎo)流裝置，防氧化套及可變噴口，如圖9 所示。T 型防氧化套能夠較好的避免液態(tài)釬料從噴口流下時(shí)被氧氣氧化，直接減少了氧化渣的生成。改進(jìn)的導(dǎo)流裝置和可變噴口使液態(tài)釬料的流動(dòng)更穩(wěn)定，與空氣的接觸面減少，也減少了氧化渣的生成。

圖9 改進(jìn)的導(dǎo)流裝置，T 型防氧化罩，可變噴口

（2）波峰焊噴嘴流道的改進(jìn)，如圖10 所示。對(duì)噴嘴流道的改進(jìn)，可以降低液態(tài)錫流從噴嘴流出后到液面的速度，減弱錫流對(duì)液面的沖擊力，從而可以減少在錫流流入液面處液態(tài)釬料與空氣之間的擾動(dòng)，最終減少氧化量。

圖10 噴嘴流道的改進(jìn)

（3）傾斜式導(dǎo)流，如圖11 所示。傾斜式導(dǎo)流裝置可以使液面處錫流的循環(huán)流動(dòng)更加平穩(wěn)，與空氣之間的擾動(dòng)較少，可以更好的減少液面處錫的氧化物形成，也使液態(tài)釬料對(duì)已形成的錫氧化物的沖擊減少，從而減少錫渣的生成。

圖11 傾斜式導(dǎo)流

2.5 錫渣還原劑（粉）的研究

在波峰焊接過(guò)程中，錫渣還原劑(粉)可使生成的氧化物重新被還原成金屬，或者將釬料的氧化物與液態(tài)釬料分隔開來(lái)，有效的減少了錫渣的生成量。

臺(tái)灣某公司研制出一種錫渣還原粉，主要吸收液態(tài)釬料中的雜質(zhì)及各種氧化物，避免熔錫氧化，減少散熱損失。據(jù)報(bào)道抗氧化粉末的使用可使錫氧化量降低95%以上。P.Kay 金屬Fein-Line 合伙公司研制出的液態(tài)釬料表面活性劑，與熔化釬料相接觸有兩個(gè)功能：一是在釬料表面形成單層膜保護(hù)表面釬料不被空氣氧化，其活性成分可以與金屬氧化物反應(yīng)形成有機(jī)金屬化合物，漂浮于液態(tài)釬料表面。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，藥劑被消耗掉，清理周期一般為一周。活性劑一般不與金屬發(fā)生反應(yīng)，只與氧化渣反應(yīng)，無(wú)煙無(wú)味。當(dāng)氧化渣中的金屬氧化物被溶解時(shí)，相互連接的金屬氧化物則被分散開，任何夾在渣中有用的金屬被分散流回到熔錫中，并且不會(huì)受到活性劑的影響。據(jù)報(bào)道這種新技術(shù)可降低釬料成本40%～75%，工作中的狀態(tài)如圖12。

圖12 還原劑在波峰焊中的使用

目前，錫渣還原劑也有一些缺點(diǎn)。其直接加入到錫爐中使用，存在一定的安全隱患，可能會(huì)造成離子污染，也容易對(duì)錫爐內(nèi)膽等處造成一定的腐蝕。同時(shí)，液態(tài)釬料的溫度較高，某些還原劑也會(huì)揮發(fā)出少量刺激性氣體，其成本也隨著使用連續(xù)增加。

2.6 錫渣分離設(shè)備

日本學(xué)者Tadashi Takemoto 等人在試驗(yàn)中研制了一種錫渣分離再利用裝置，如圖13 該裝置可以附在錫爐上使用。波峰焊機(jī)工作8 h 而錫渣分離系統(tǒng)（OSS）只運(yùn)行半小時(shí)即可。據(jù)稱該系統(tǒng)可減少錫渣產(chǎn)生量達(dá)50%。日本千駐公司研發(fā)出一款焊錫回收設(shè)備，將氧化渣放入設(shè)備中加熱后，加入經(jīng)特殊加工的芝麻，將氧化渣與其混合攪拌均勻，芝麻油將氧化物從氧化渣混合物中全部還原出來(lái)，并吸附在芝麻上，這樣實(shí)現(xiàn)了焊錫和氧化物分開。據(jù)報(bào)道其分離效果在90%左右。

圖13 錫渣分離系統(tǒng)示意圖(OSS)[6]

另外日本及香港的廠家推出了靠機(jī)械攪拌作用分離的錫渣分離器，其分離出的釬料成份與原成份幾乎相同。

深圳市艾貝特電子科技有限公司推出了多款錫渣分離機(jī)，根據(jù)設(shè)備功能的不同，可以分為在線自動(dòng)型與手動(dòng)型，全部采用物理分離的方法，在分離過(guò)程中不添加任何其他的物質(zhì)。其工作原理是將錫渣放置于設(shè)備的爐腔內(nèi)，利用濕式或干式法將錫渣熔化，由于錫的氧化物和錫渣中的純錫密度不同，錫渣將自動(dòng)分成兩部分，上部分為錫的氧化物，下部分為純錫。純錫可以通過(guò)自動(dòng)排放裝置分離出來(lái)，可以繼續(xù)使用。根據(jù)設(shè)備類型，錫渣中的錫含量和錫渣撈取方式的不同，錫渣中純錫的綜合分離率可達(dá)65%～85%。與氮?dú)獗Ｗo(hù)法或者化學(xué)還原法相比，采用錫渣分離機(jī)具有一次性投入，后續(xù)成本基本為零的優(yōu)點(diǎn)。錫渣分離機(jī)屬于外置型設(shè)備，占地面積小，對(duì)于原波峰焊系統(tǒng)沒有任何的影響。在采用還原劑或者其他需要人工打撈錫渣反應(yīng)產(chǎn)物的方法中，由于操作者技術(shù)水平的差異，在打撈過(guò)程中也會(huì)帶走一定量的液態(tài)釬料，造成一定的額外損失，在選擇減少錫渣設(shè)備和材料的時(shí)候，這一方面也要加以考慮。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了波峰焊生產(chǎn)中錫渣的形成機(jī)理和分布情況，并簡(jiǎn)要分析了目前市場(chǎng)上減少錫渣的各種方法和設(shè)備。

對(duì)于使用波峰焊的電子廠商，需要根據(jù)自己生產(chǎn)的規(guī)模、生產(chǎn)節(jié)拍、成本等多個(gè)方面綜合考慮選用減少錫渣的方法，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)波峰焊設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，最終減少錫渣造成的損失，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。從生產(chǎn)成本上看，如果采用氮?dú)獗Ｗo(hù)、還原劑（粉）、防氧化油等方法，需連續(xù)投入資金來(lái)購(gòu)買原材料，成本隨著使用而增加。對(duì)波峰焊噴流系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和改進(jìn)，以及新型電磁泵的使用能夠在一定程度上減少錫渣的生成，但無(wú)法將已形成的錫渣中的純錫分離出來(lái)，與其他方法相比，效果不是很明顯。錫渣分離機(jī)具有資金一次性投入，連續(xù)回收成本，操作簡(jiǎn)單，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，并可將人工打撈產(chǎn)生的含較多純錫的錫渣進(jìn)行最終分離，在電子廠商中得到了一致的認(rèn)可，也受到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

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