无铅波峰焊工艺正交试验研究

无铅波峰焊工艺正交试验研究　苏州工业园区职业技术学ｂ￣（２１５０２１）　摘要唐雯　随着各国对环境保护的Ｅｔ益重视，在波峰焊技术中选用无铅焊料焊接印制板势在必行。因为无铅钎料　的成分配比不同于有铅钎料，因此在无铅钎焊时其工艺流程、工艺参数也有所改变。利用正交试验法进行无铅波　峰焊工艺试验，并对所得到的正交试验数据进行分析，寻求工艺参数的最佳组合，得到的无铅波峰焊优化工艺参数　为：锡炉温度为２６０　ｏＣ，钎剂类型选用ＩＦ２００５Ｃ，传送带速度为１．２　ｍ／ｍｉｎ，预热温度为１２０℃。　关键词：无铅波峰焊正交试验钎焊性　中图分类号：ＴＧ４０９。ＴＮ４３　０前　言　存环境的Ｅｔ益关注，更随着欧盟ＲＯＨＳ指令的出台　——从２００６年７月１　Ｅｔ起，出口至欧盟市场的新电子　波峰焊是插装有元器件、涂覆上钎剂并经过预热　的印制板沿一定工艺角度的导轨，从焊锡波峰上匀速　通过，即完成印制板焊接的工艺方法。波峰焊主要用　和电气设备中应不包含铅等物质，中国也在２００７年３　月１　Ｅｔ开始执行该指令，波峰焊工艺中常用的锡铅焊　料成了需要替代的物质。　文中通过在波峰焊中采用无铅钎料，分析了影响　无铅波峰焊的各个因素，设计了关于无铅波峰焊新工　艺的正交试验方案，寻求工艺参数的最佳组合；并对最　于传统通孔插装印制板电装工艺，以及表面组装与通　孔插装元器件的混装工艺。在焊接中具有生产效率　高，自动化程度高等优点，因此是电子产品自动化大批　量生产中主要的焊接设备。但是目前的波峰焊工艺中　常用的焊料是锡铅钎料，铅及其化合物的剧毒性对环　佳组合进行分析，验证其合理性。　１　影响无铅波峰焊因素分析　境和人类健康存在着不可忽视的影响。随着各国对生　收稿日期：２００７—１０—０９　在无铅波峰焊新工艺准备阶段，根据钎焊流程，从　人、机、料、法、环、测几个方面进行分析讨论，确定无铅　改善了淬透性（硬化）。此外，４１４Ｎ自保护药芯焊丝用　保证了使用寿命。　３使用效果　于明弧自保护焊本身冷却速度就比埋弧焊快，后者有　层渣并且焊接温度也较高，强烈地降低了冷却速度。　４１４Ｎ合金充分的硬化，提供了均匀的硬度，并可阻止　一通过对足辊堆焊材料的比较分析，选取合理的材　料对足辊进行强化处理，取得了比较好的效果。通过　局部低硬度区的形成。　通过以上分析，过渡层选用ＷＡ４３０—０明弧焊药　长寿化的足辊，在堆焊过程中，其工艺性能良好，无堆　焊缺陷，加工完后辊面金属硬度均匀。　强化处理后的足辊，经上线运行检验，使用寿命为　３５～４６天，新材料表现出良好的综合性能：　（１）在６５０～９００　ｏＣ保持高的屈服强度；　芯焊丝，其化学成分见表３。其直径为２．４　ｍｍ，堆焊层　数为一层，其可最大限度地降低合金稀释率，减少焊层　重复受热带来的硬度不均问题，减少焊接应力。　表３　ＷＡ４３０—０焊丝化学成分（质量分数。％）　（２）良好的高温抗氧化性能；　（３）工作硬度大幅提高；　（４）高的抗高温疲劳裂纹形成及扩展的能力。　作用层选用ＷＡ４１４Ｎ一０明弧焊药芯焊丝（成分见　作者简介：　唐丽英，１９７８年出生，大学本科学历，主要从事产　品开发设计研究。　２００８年第２期４９　表２），其直径为２．４　ｍｍ，超低碳和Ｃｒ含量高的特点，　维普资讯 http://www.cqvip.com 波峰焊的影响因素。图１为无铅波峰焊流程，图２为　无铅波峰焊影响因素的分析结果。　１．１　焊接设备的影响　无铅波峰焊机与传统的波峰焊机相比，其在结构　和性能上有所改进：　１．１．１　锡炉喷口结构改进　圈一圈一圈一园一园一回　图１无铅波峰焊流程图　原材料要求Ｉ　焊接时焊料浸润时间为５　ｓ。表面贴装器件是整　个器件浸在焊锡中，而对于穿孔元器件只是焊脚浸在　１人员要求　培训焊点　检验质量　无铅波峰焊　影响因素　笪垄堡窒ｌ　传送带调节要求　—　丽　ｌ堡垄堂堡　鱼　预热温度设定　增加抗腐蚀性措施Ｈ焊接环境要求　　波峰机器要求　图２无铅波峰焊影响因素分析图　焊锡中。采用双波峰焊，第一波峰为絮流波，第二波峰　为层流宽平波。采用加宽波峰口、减小波峰口间距的　度平稳适当。　１．１．５波峰高度和传送带倾斜角　波峰高度的升高和降低直接影响到波峰的平稳程　度及波峰表面焊锡的流动性。适当的波峰高度可以保　证印制板有良好的压锡深度，使焊点能充分与焊锡接　设计方案。两波峰口之间距离为６０　ｍｍ左右，使得两　波之间的焊锡相距３０　ｍｍ左右。焊接时两波峰之间的　温度跌落（下降）最大不超过５Ｏ℃。　１．１．２焊锡防氧化措施　无铅钎焊的高含锡量使焊料更容易氧化，控制焊　锡氧化成为无铅焊接的重要问题。在２００℃以上时，　触。平稳的波峰可以使整块印制板在焊接时间内都能　得到均匀的焊接；当波峰偏高时，表示泵内液态焊料的　流速增大，导致波峰不易稳定，造成印制板浸锡，使元　焊盘容易氧化，氧化膜的厚度随温度的升高快速增加，　可能出现焊料润湿性变差，影响焊接质量。用氮气保　护，可减少氧化渣的形成。　器件损坏，虽有利于焊缝的填充，但易引起拉尖、桥接　等缺陷；波峰偏低时，容易产生吃锡量不够，锡点不饱　满等缺陷。　印制板沿着倾斜角度运动时，倾角太小易出现桥　接；而倾角过大，虽然有利于桥接的消除，但焊点吃锡　量太小，容易产生虚焊。在新工艺中，控制波峰高度为　８　ｍｍ，传送装置倾斜６。。　１．２原材料的影响　１．２．１　钎料　在钎焊时，凡是用来使两种或两种以上金属连接　１．１．３对焊料槽、喷口增加抗腐蚀性措施　无铅钎焊在高温下，锡对铁有较强的溶解性，传统　波峰焊机的不锈钢焊料槽会逐渐腐蚀，特别是泵的叶　轮等更容易损坏。采用奥氏体Ｃｒ—Ｎｉ—Ｍｏ不锈钢作　为焊料槽材料，同时在泵的叶轮上涂覆特殊的碳化物。　１．１．４传送速度　钎焊时间往往可以用传送速度来表示。被焊表面　浸入和退出熔化锡料波峰的速度，对润湿质量、锡料层　的均匀性和厚度影响很大。钎焊被吸收到印制板焊盘　成为一个整体的金属或合金被称为钎料。也就是焊接　时用来填充工件接合处的材料。在波峰焊过程中，有　铅钎料通常用的是Ｓｎ一３７Ｐｂ钎料，而在无铅钎焊时，　孔内，立即产生热交换；当印制板离开波峰时，放出热　量，焊料由液相变成固相。因此在钎焊时要求传送速　５０　２００８年第２期　无铅钎料合金必须满足下列要求：　维普资讯 http://www.cqvip.com 生产应用俘掳　（１）合金成分中不含铅或对环境造成污染的元　素；　（２）合金熔点的温度范围在１８０～２３０　ｏＣ；　（３）合金具有良好的物理特性，如导电性、导热　性、润湿性、表面张力等；　可以防止虚焊、拉尖和桥接等缺陷的发生，减小钎焊波　峰对基板的热冲击，可有效地避免焊接过程中印制板　翘曲、分层、变形等问题。锡炉温度过低，则钎焊的铺　展率、润湿性能变差，使焊盘或元器件焊端由于不能充　分地润湿而产生虚焊、拉尖、桥接等缺陷；锡炉温度过　高，则加速了焊盘、元器件引脚及钎焊的氧化，容易产　生虚焊。　（４）合金具有良好的化学性能，如腐蚀性、氧化　性、残渣的形成、电迁移等；　（５）合金的冶金性能良好；　（６）合金具有可制造性，容易加工成焊膏、焊条、　焊丝形式；　２正交试验方法设计及试验结果分析　２．１　试验设计　（７）合金的成本合理，资源丰富；　（８）合金的力学性能良好。　目前得到普遍共识的无铅钎料有Ｓｎ—Ｚｎ，Ｓｎ—Ａｇ　—在生产试制阶段，经常要做许多试验，并通过对试　验数据的分析来寻求问题的解决方法。因此，就存在　着如何安排试验和如何分析试验数据结果的问题，也　就是如何进行试验设计和数据处理。如果试验安排的　合理，就能在较短的时间和较少的试验次数内得到满　意、可信的结果。对于多因素的试验安排方法，目前最　为实用的是正交试验设计。　Ｃｕ，Ｓｎ—Ｃｕ等合金，其中Ｓｎ—ｚｎ共晶合金提供了　相对较低的熔点温度（１９９　ｏＣ）和有利的力学性能，但　钎料在大气中易产生氧化，且在波峰焊时残渣形成量　大，限制了其在波峰焊中的使用；Ｓｎ—Ａｇ—Ｃｕ三重共　晶合金熔点高（２１７℃），其润湿性、残渣的形成和可靠　性比较理想，但价格贵，制约了其推广应用；Ｓｎ—Ｃｕ合　金共晶点在２２７　ｏＣ，其润湿性、残渣的形成和可靠性仅　次于Ｓｎ—Ａｇ—Ｃｕ，且价格比Ｓｎ—Ａｇ—Ｃｕ便宜很多，成　本仅为锡铅共晶钎料（Ｓｎ一３７Ｐｂ）的１．３倍，所以在波　峰焊中，Ｓｎ—Ｃｕ合金成为很有吸引力的无铅替代合金。　１．２．２钎剂　２．１．１测试板准备　测试板上安装了一系列具有代表性的ＳＭＴ器件　和通孔器件；板材采用高　（１７５　ｏＣ）ＦＲ４材料、与无　铅工艺兼容的层压方式制作的印制板，尺寸为４５０　ｍｍ　Ｘ３０５　ｍｍ、厚度为３　ｍｍ；每次钎焊试验以３００个焊点　为试验单位；验收时依据检验标准，用可接受焊点数量　ｙ来评判钎焊质量。　２．１．２试验因子的确定　钎剂是一种促进焊接的化学物质，它可以溶解被　焊母材表面的氧化膜，防止被焊母材的再氧化　降低熔　融焊料的表面张力。有铅钎焊时，常用的钎剂是松香；　而无铅钎焊需要的钎焊温度较高，要求钎焊在高温时　有更大的稳定性。　１．３焊接环境的影响　在波峰焊过程中，预热温度和锡炉温度是影响焊　对钎焊中能影响焊接品质的所有可控因素进行筛　选，确定试验因素。首先要考虑钎焊过程中各因素的　重要程度，还需考虑到以后大批量生产的成本问题以　及试验时各因素改变的难易程度，分析结果见表１。　２．１．３各试验因素水平参数的确定　根据经验和资料查询，确定各试验因素水平参数，　见表２。　接质量的两个重要工艺参数。若预热温度控制得好，　表１　钎焊过程可控因素分析表　２００８年第２期　５１　维普资讯 http://www.cqvip.com 表２试验因素和水平　在水平１、２、３下的指标之和；Ｓ是偏差平方和（即方　差），５　用来描述数据的总波动，５　表示由于试验因素ｉ　的水平不同所引起的数据波动的度量（ｉ表示Ａ、Ｂ、Ｃ、　Ｄ）。　２．２试验结果分析　由于试验条件不同，因此各试验结果不同：Ｓ　＝　３　０３８、ＳＢ：４　２３２．７、Ｓｃ：１　２６４．７、ＳＤ：２　３９２．７，ＳＢ＞ＳＡ　＞Ｓ。＞Ｓ　；从四个因素的方差可知，各因素对钎焊品质　影响由主到次的顺序为：Ｂ（钎剂类型）、Ａ（锡炉温　度）、Ｄ（预热温度）、Ｃ（传送带速度）。同时结果表明，　波峰炉各试验因素最佳组合方案是Ａ。Ｂ　ｃ　Ｄ　；将波峰　２．１．４试验设计及试验结果　这是一个四因素、三水平正交试验，故选用　炉各试验因素按照最佳组合方案调整工艺参数值，进　入批量生产，焊点的一次通过率均达到检验标准，满足　客户要求，说明参数匹配适用，即最佳组合工艺参数　是：锡炉温度为２６０℃，助焊剂类型选用ＩＦ２００５Ｃ，传送　带速度为１．２　ｍ／ｒａｉｎ，预热温度为１２０　ｏＣ。　３结　论　（３　）表，见表３。表３中　、　、　分别表示每个因子　表３焊接过程正交试验表　（１）锡炉温度、钎剂类型、传送带速度、预热温度对　焊接结果都有着直接的影响，它们均是影响焊点质量　的相关因素。　（２）在影响焊点质量的各因素中，对钎焊质量影响　的主次顺序是：钎剂类型、锡炉温度、预热温度、传送带　速度。若由于某种原因（如成本）在钎焊时不能对所有　的因素进行整体考虑，可以先按照主次顺序进行个体　考虑。　（３）该焊接生产流水线最佳组合工艺参数是：锡炉‘　温度为２６０　ｃＩ＝，钎剂类型选用ＩＦ２００５Ｃ，传送带速度为　１．２　ｍ／ｒａｉｎ，预热温度为１２０　ｏＣ。　作者简介：　唐试验结果：最佳方案ＡＩＢ　Ｃ　Ｄ　雯，１９７２年出生，大学本科学历，高级工程师，　，　质量工程师。主要从事印制板焊接质量改善工作　和电子专业课程讲授。　５２　２００８年第２期