無鉛波峰焊

無鉛波峰焊的焊接機理是將熔融的液態焊料，藉助動力泵的作用，在焊料槽液面形成特定形狀的焊料波，插裝了元器件的PCB置與傳送帶上，經過某一特定角度以及一定的浸入深度穿過焊料波峰而實現焊點焊接的過程。

基本介紹

• 中文名：無鉛波峰焊
• 產品特點：生產的PCB是否含鉛
• 標誌：pb
• 特點：多品種小批量生產需求的選擇

無鉛波峰焊簡介

剛出廠的新波峰焊機是沒有無鉛與有鉛之分的，只是自己使用時加以區分，一般無鉛波峰焊都貼有一個標誌是國際上通用的"pb"也就是無鉛標誌。有鉛或無鉛波峰焊機，在外表沒有可區別性（主要是看用的是用的是有鉛的錫還是無鉛的錫）主要是在於生產的PCB是否含鉛。無鉛的波峰焊可以直接生產有鉛的PCB，要是有鉛的再次轉換為無鉛的，必須要清洗錫槽，換為無鉛的錫料，方可生產。

無鉛波峰焊特點

模組化設計

多品種小批量生產需求的選擇；

多種工藝技術要求的最佳適配；

安裝、調試、維護及保養方便快捷，減少設備維護成本；

可靈活選配多級助焊劑管理系統適應環保要求；

可任意組合紅外及熱風加熱方式適應生產需求；

可靈活選擇冷水機及冷氣機製冷輕鬆實現高效柔性化冷卻特點。

人性及數位化設計

工藝參數、高度及角度、導軌調寬極限溫度數字顯示，通過量化的設定，提高工藝能力的精確控制；

整體及模組採用高溫玻璃可視化設計，提高設備可操作性及可監控性；

內嵌焊接缺陷幫助選單及設備維護手冊，提升設備附加值。

三大新技術

新型防腐蝕鑄鐵錫爐，有效防止釺料腐蝕，5年包換，提高設備使用壽命及可靠性；

低氧化裝置，有效防止“豆腐渣”，可控制氧化量低於0.3KG/小時；

噴口、流道、葉輪專利設計，波峰平穩度可控制在0.5MM以內，提高設備的焊接品質。

無鉛波峰焊流程

無鉛波峰焊焊料波的表面被一層均勻的氧化皮覆蓋，它在無沿焊料波的整個長度方向上幾乎都保持靜態，在波峰焊接過程中，PCB接觸到焊料波的前沿表面，氧化皮破裂，PCB前面的焊料波無皸褶地推向前進，這說明整個氧化皮與PCB以同樣的速度移動。

當PCB進入波峰面前端時，基板與引腳被加熱，並在未離開波峰面之前，整個PCB浸在焊料中，即被焊料所橋聯，但在離開波峰尾端的瞬間，少量的焊料由於潤濕力的作用，粘附在焊盤上，並由於表面張力的原因，會出現以引線為中心收縮至最小狀態，此時焊料與焊盤之間的潤濕力大於兩焊盤之間的焊料的內聚力。因此會形成飽滿、圓整的焊點，離開波峰尾部的多餘焊料，由於重力的原因，回落到錫鍋中。

無鉛焊料氧化性

同Sn-Pb合金焊料相比，高Sn含量的無鉛焊料在高溫焊接中更容易氧化，從而在錫爐液面形成氧化物殘渣(SnO2)，影響焊接質量，同時也造成浪費。典型的錫渣結構是90%的可用金屬在中心，外面包含10%的氧化物組成[6]。產生錫渣的原因有：

1）原始焊料的質量；

2）焊接溫度；

3）波峰高度；

4）波峰的擾度。

溫度升高，增加無鉛焊料的氧化性，高溫下錫爐表面氧化物的厚度如下表示：

其中：k=k0exp(-B/T)

m= mass(kg)

A= area(m2)

k= growth coefficient

B= is a constant

T= absolute temperature(K)

相同條件下，純錫的k值是Sn-Pb合金k值的兩倍，而且無鉛焊料的焊接溫度比Sn-Pb合金焊料的要高，故其具有更強的氧化率。為了防止無鉛焊料的氧化，解決辦法是改善錫爐噴口，最好的對策是加氮氣保護。

改善錫爐噴口的結構，主要就是控制波峰的高度和擾度，減少無鉛焊料的氧化。氮氣保護就是減小氧氣的濃度，從氧化性的本質上減小無鉛焊料的氧化，其效果是顯著的。隨著O2濃度的降低，無鉛焊料的氧化量是明顯減少的。當N2保護中O2的含量在50ppm或以下時，無鉛焊料基本上不產生氧化，N2流量為16m3/h是降低O2含量的臨界值。

錫爐的腐蝕性

無鉛波峰焊接PCB上的插裝電子元器件，當採用無鉛焊料時，由於無鉛焊料的焊接溫度比Sn-Pb合金焊料高約30-50℃，另外無鉛焊料中Sn的含量大幅度提高，一般都在95%以上，造成了波峰焊時無鉛焊料對錫爐和噴口的腐蝕性加強。國內一般錫爐採用的材料是SUS304和SUS316型不鏽鋼。實驗表明，不鏽鋼材料在高溫條件下6個月就被高Sn無鉛焊料明顯腐蝕。最容易受到腐蝕的是與流動焊料接觸的部位，如泵的葉輪、輸送管和噴口。

不鏽鋼具有防腐蝕性能的原因就是合金元素Cr的作用，對大多數材料包括普通的Sn-Pb焊料合金，不鏽鋼都具有很好的耐腐蝕性能。但對於高Sn無鉛焊料，高溫下其在不鏽鋼表面具有良好的鋪展能力，容易產生浸潤現象，從而產生浸潤腐蝕不鏽鋼。另外由於在波峰焊過程中，液態合金焊料是在不斷流動的，沖刷與之接觸的表面，導致沖刷腐蝕，這就是為什麼泵的葉輪、輸送管和噴口處的腐蝕更為嚴重的原因。採用X射線化學分析儀對無鉛焊料腐蝕不鏽鋼的截面作成分分析。

無鉛焊料在不鏽鋼表面完全浸潤，並與不鏽鋼基體之間發生了相互擴散。這種擴散最終導致不鏽鋼錫爐及其內部不鏽鋼結構件的腐蝕。

為了防止高Sn無鉛焊料對波峰焊設備的腐蝕作用，提高設備的使用壽命，對於無鉛波峰焊設備，錫爐裡面的葉輪、輸送管和噴口多採用以下材料：

1）鈦及其合金結構；

2）表面滲氮不鏽鋼；

3）表面陶瓷噴塗不鏽鋼。

對於錫爐，多選用的材料為：

1）鈦及其合金；

2）鑄鐵；

3）表面陶瓷噴塗不鏽鋼；

4）表面滲氮不鏽鋼。

錫爐溫度

無鉛波峰焊接溫度並不等於錫爐溫度，線上測試表明，一般焊接溫度要比錫爐溫度低5℃左右，也就是250℃測量的潤濕性能參數大致對應於255℃的錫爐溫度。

實驗研究表明，對於一般的無鉛焊料合金，最適當的錫爐溫度為271℃。此時，Sn/Ag、Sn/Cu、Sn/Ag/Cu合金一般存在最小的濕潤時間和最大的濕潤力。當採用不同的助焊劑時，無鉛焊料潤濕性能最佳的錫爐溫度有所不同，但差別不是很大。對於採用低固免清洗助焊劑的波峰焊接過程。

無鉛波峰焊錫爐的溫度對焊接的質量影響很大。溫度若偏低，焊錫波峰的流動性就變差，表面張力大，易造成虛焊和拉尖等焊接缺陷，失去波峰焊接所應具有的優越性。若溫度偏高，有可能造成元器件受高溫而損壞，同時溫度偏高，亦會加速無鉛焊料的表面氧化。

波峰高度

波峰高度的升高和降低直接影響到波峰的平穩程度及波峰表面焊錫的流動性。適當的波峰高度可以保證PCB有良好的壓錫深度，使焊點能充分與焊錫接觸。平穩的波峰可使整塊PCB在焊接時間內都能得到均勻的焊接。當波峰偏高時，表明泵內液態焊料的流速增大。

雷諾數值增大將使液態流體進行湍流（紊流）狀態，易導致波峰不穩定，造成PCB漫錫，損壞PCB上的電子元器件。但對於波峰上PCB的壓力增大，這有利於焊縫的填充。不過容易引起拉尖、橋連等焊接缺陷。波峰偏低時，泵內液態釺料流體流速低並為層流態，因而波峰跳動小，平穩。焊錫的流動性變差了，容易產生吃錫量不夠，錫點不飽滿等缺陷。波峰高度通常控制在PCB板厚度的1/2~2/3，其焊點的外觀和可靠性達到最好。

浸錫時間

被無鉛波峰焊表面浸入和退出熔化焊料波峰的速度，對潤濕質量，焊點的均勻性和厚度影響很大。焊料被吸收到PCB焊盤通孔內，立即產生熱交換。當印製板離開波峰時，放出潛熱，焊料由液相變為固相。當錫爐溫度在250℃-260℃左右，焊接溫度就在245℃左右，焊接時間應在3-5秒左右。也就是說PCB某一引線腳與波峰的接觸時間為3-5秒，但由於室內溫度的變化，助焊劑的性能和焊料的溫度不同，接觸時間有所不同。