00103焊接工艺技术汇编03无铅合金波峰焊接的温度选择.doc
无铅合金波峰焊接的温度选择 By Al Schneider, Sanju Arora and Bin Mo本文介绍一种湿润平衡测试方法，它为几种具有典型的低固、免洗助焊剂的无嵌合金建立最佳的波峰焊接温度。湿润平衡(wetting balance)早就是一种有用的评估焊锡湿润特性的实验室试验，用它来预测在生产场所的印制板装配工艺中的情况。这里要求三种材料来进行湿润平衡的测量：基板、助焊剂和焊锡。因此，对这个湿润平衡试验有三个主要方面。基板可以是印刷电路板表面上的一块金属面积、一个电子元件的引脚或端子。湿润平衡试验使用来评估金属表面的可焊性。试验程序在 IPC J标准-002和-003中有详细规定。湿润平衡试验也可以用作评估替代焊接助焊剂成分的湿润效果的筛选工具。最近，湿润平衡被用来评估几种替代焊锡合金，特别是无铅焊锡的湿润特性。这个试验是对无铅回流焊接与波峰焊接广泛研究的一部分，其目的是要评估材料的兼容性、可焊性和焊接点的质量。该研究包括了各种混合的合金、焊接助焊剂、锡膏、板的表面涂层、表面贴装与通孔元件和一块专门设计的试验板。选择了湿润平衡仪器来决定适当的锡炉温度，以适合各种用于本研究波峰焊接阶段中的无铅合金。湿润平衡试验方法这里评估了五种无铅焊锡合金，包括锡与银和铜的二元合金、锡/银/铜的三元合金和锡/银/铜与铋和锑的四元合金。本研究中也包括了共晶的锡/铅焊锡，用作比较。评估的专门合金及其熔化范围如表一所示。试验基板试验基板是尺寸为1.0"x0.5"厚度0.005"的铜试样，该试样按照标准IPC-TM-650符合ISO 1634-CU-ETP 条件 HA。该试样是按如下预清洗的： 在沸腾的异丙醇中去脂 用铜表面调节剂去氧化物在纯水中冲刷 最后在异丙醇中冲刷湿润平衡试验是用刚清洁的试样和在 100°C下氧化一小时的干净试样进行的。表一、试验的合金合金熔化温度范围内Sn63/Pb37183°CSn99.3/Cu0.7227°CSn96.5/Ag3.5221°CSn95.5/Ag4/Cu0.5217218°CSn96/Ag2.5/Bi1/Cu0.51214218°CSn96.2/Ag2.5/Sb0.5/Cu0.82210216°C1 美国专利#4,879,096 2 美国专利#5,405,577试验参数焊锡湿润测试是使用一部湿润平衡测试仪进行的。该仪器的锡锅连续地装满要试验的每一种合金。把试样浸入一种低固免洗的试验助焊剂内达到 0.1"的深度。然后试样都悬空在锡锅之上 0.1"预热五秒钟。试样浸入与从助焊剂和焊锡中抽出的速度都是每秒一英寸。被氧化和未被氧化的铜试样都是使用该助焊剂。试验是使用一个范围的锡锅温度进行的。每个焊锡合金、锡锅温度和试样表面条件的组合使用了十五个试样。试验结果每个湿润平衡试验记录两组测试：湿润时间和湿润力。记录的湿润时间是要求穿过零湿润力轴的时间，单位为秒。希望得到短的湿润时间。记录的湿润力是最终的湿润力，单位为 N/mm。希望得到大的湿润力。从本研究获得的湿润平衡结果在图 14中介绍。每个数据点代表 15个读数的平均值。试验数据中的标准偏差对每个试验条件都是低的。图一、每种合金的湿润时间，使用试验助焊剂和干净铜图二、每种合金的湿润力，使用试验助焊剂和干净铜图三、每种合金的湿润力，使用试验助焊剂和受氧化的铜图四、每种合金的湿润力，使用试验助焊剂和受氧化的铜图一和二表示使用干净(不被氧化的)铜的每种试验合金和试验助焊剂的湿润时间和湿润力结果。图三和四表示使用被氧化的铜的每种试验合金和试验助焊剂的湿润时间和湿润力结果。结果显示，271°C似乎是当使用低固、免洗松香型助焊剂时对于这些无铅合金的合适的锡锅温度。对于干净的铜和低固助焊剂，湿润时间一般对无铅合金减少，直到达到 271°C，然后湿润时间平稳或者随着温度升高而稍微增加。类似地，湿润力一般增加到 271°C，然后平稳或者随着温度升高而稍微减少。二相与三相的锡、银和铜合金产生比四相合金和锡/铅合金较快的湿润时间和较高的湿润力。锡/铜合金要求最低的 260°C温度来获得正向的湿润力。四元合金要求最低 249°C的温度来获得正向湿润。锡/银和锡/银/铜合金在最低 232°C的温度获得正向湿润，和锡/铅对照焊锡一样。对于受氧化的铜和低固助焊剂，不同合金的结果更加靠近。对于受氧化的铜基板，271°C的锡锅温度一般比较低的温度得到较好的结果。可是，一些合金在最大 277°C的试验温度时或多或少地得到较好的结果。二元和三元的锡、银、铜合金对于干净的铜比氧化的铜产生稍微较快的湿润时间和稍微较高的湿润力。这个结果是预计到的；氧化的铜较难在冶金的意义上与焊锡湿润。尽管如此，对于四元合金和锡/铅对照样品，该趋势刚好相反。它们实际上对受氧化的铜比对干净的铜产生稍微较好的湿润平衡结果。结论湿润平衡试验表明，当使用一种低固、免洗松香型助焊剂时，对于所评估的无铅合金，271°C是一个适当的锡锅温度。锡/银、锡/铜和锡/银/铜合金一般产生最快的湿润时间和最大的湿润力。各无铅合金与锡锅温度的适合性必须在实际的波峰焊接工艺评估中确认，该工艺要使用到通孔与表面贴装电子元件的印刷电路板。 Bibliography 1. Bastecki, C. (1997). A Benchmark Process For The Lead-Free Assembly of Mixed Technology PCB's, Alpha Metals publication. 2. IPC. (Nov. 2000). IPC/ANSI J-STD-006A, Proposal, Appendix A Solder Alloys, Table A-1 Composition, and Temperature Characteristics of Lead-free Solder Alloys. 3. IPC. (Oct. 1998). IPC/EIA J-STD-002A, Solderability Tests for Component Leads, Terminations, Lugs, Terminals and Wires. 4. IPC. (Apr. 1992). IPC/EIA J-STD-003, Solderability Tests for Printed Boards. 5. IPC. IPC-TM-650, Test Methods Manual. Number 2.4.14.2. Smelik, G. Internal communications. Cookson Performance Solutions. 6. Zarrow, P. (1999). Lead-free: Don't fight a fact, deal with it! Circuits Assembly, pp. 18-20.
