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绿色制造 |
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| 你的波峰焊设备是否已切换到了“无铅” |
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“具有无铅能力”到底意味着什么？可以肯定地说，这是一系列观点的总和，而个人的看法或许会受到卖或买这些设备的销售人员的影响。如果你最近要买设备，而你对许多观点不是非常清晰和坚定，那就有可能买到一台供应商认为是“具有无铅能力”，而实际在你的无铅工艺中却达不到要求（你的产品/工艺要求）的设备。
无铅对设备的影响可以根据所使用的无铅焊料可以大致分为两类：熔点相当低的合金和熔点相当高的合金。低熔点合金（通常含铋）中的锡比例较低（约50％），通常其锡含量与共晶锡铅焊料类似[1]。
熔点较高的合金接近纯锡，合金中锡的比例高于90％，以SnCu无铅合金为例，Cu含量0.6％可以理解为“杂质”。
如此高的锡含量使合金呈毡性，尤其在焊料处于液体状态时。要注意，锡具有较强侵蚀作用，它在焊接过程中会产生化学反应。这一机理可以描述为金属问化合物的形成而后熔解，是一种侵蚀效应，会对设备造成问题。
当检视现有设备时，我们必须记住，我们想要用的合金和锡在更高温度和含量情况下可能造成的危害。然而，“具有无铅能力”这一概率并不仅限于材料特征，确保设备满足所有其它无铅焊接工艺需求是非常重要的。
波峰焊设备
波峰焊设备可大致划分为以下几个部分：
•传送系统
•助焊剂喷涂系统
•预热系统
•焊接模块
•控制系统
由于无铅焊料的润湿能力降低，为了提高润湿性能，设备应该有氮气装置，因为氮气可以减少锡渣的产生，从而降低成本。对比不同合金的锡渣数据和合金成本就会发现，所节约的成本还是相当可观的。
铋在固化时会产生膨胀，当然这取决于合金中铋的含量。如果不进行预防，会出现锡炉爆裂的危险，这就需要确保焊料永不凝固（不能断电）或使用能补偿这种膨胀的锡炉。
以前的经验表明：含铋焊料应使用相应的焊剂，因此需要检查助焊剂喷涂系统；助焊剂喷头系统的保养和助焊剂喷涂量可控是重要的考虑因素。
如果使用含锡量更高、熔点更高的无铅焊料，其影响面更广，我们应该详细考虑无铅切换对设备各组件的影响：
传送系统：
平稳运行、轨道平行和链条／指爪能牢固地固定单板是非常重要的。此外，设计无铅系统必须了解以下两个信息的含意：1、更高的熔点（这样经过预热区温度就已经很高了）；2、焊料的密度较低。必须确保轨道在高温不能变形或弯曲，同时，传送系统上所用的润滑油能承受高温。由于焊料熔点更高，单板在预热区到熔融焊料之间温度变化会增加（按照元器件供应商的推荐，该温度梯度应小于100K），PWB的变形会增加，所以指爪或框架的“弹性”必须考虑到这种变形。
无铅焊料密度较低会影响板上离开锡波时的焊料脱离，需要在原有的设置参数的基础上进行工艺试验，以补偿密度低带来的影响。具体方法有增大传送轨道角度等，如变更喷嘴设计。用一个简单焊料受力的矢量图就可以说明增大轨道角度会提高焊料脱离锡波的效果，为了利用重力作用，计算表明可调整角度为7~9°，影响焊料脱离的因素还有粘性、表面张力和助焊剂等。
增大轨道角度带来的主要不利因素是进口和出口的高度不一致，外围操作系统（即连接波峰焊到生产线的辅助设备）也许会有问题。如果将焊料喷嘴倾斜2°会改善无铅焊料合金的流动特性，同时不会有改变轨道角度带来的负作用，这样会提高焊料合金的流动速度，以抵消无铅焊料润湿特性差的问题。与改变传送轨道角度相比，改变焊料喷嘴角度有明显的好处：润湿长度和时间不需变化，这样就不需要费时地再调整锡炉的高度，此外，新的喷嘴设计让传送轨道角度处于传统的斜度。
助焊剂最好不要碰到传送系统，因为损坏链条和轨道会增加维修保养成本。
助焊剂喷涂系统：
化学家们绞尽脑汁地寻找无铅活化剂替代产品，但仍然没有发现比我们目前正在使用的更合适的。的确有更好的化学材料，但它们要么太贵、太稀少、难以获得，要么有毒或其它特性不理想；因此，我们似乎只能继续用双碳系列酸。由于它们的分解温度约为160℃，所以它们并不能真正满足大多数无铅焊接工艺的热需求，因为其所需温度更高。不仅仅是焊料熔点较高使助焊剂的应用有问题，许多元器件对助焊剂也有严格需求。
在无铅波峰焊过程中，通常预热温度可能提高到助焊剂难以应付的水平，如果不采取相应的措施，助焊剂的失效是不可避免的；最常见的调整方法是提高松香含量，降低溶剂所占比重。如有些选择性波峰焊设备和日本采取的其它应用方法：改变喷涂助焊剂和预热工序的顺序，可以认为是另一种解决方案。
人们担心切换到无铅工艺是否需要进行清洗，助焊剂成份变化使助焊剂喷涂系统要应付更高的粘性和更重的污染。合适的排风、甚至将助焊剂喷涂模块从设备内部移到外部都能确保维修保养工作强度降到最小。在焊接设备前设置独立的助焊剂喷涂模块有许多优点，首先，这能确保免受工艺区域的污染；其次，为增大预热区提供了空间，因为如果不降低链速就需要延长预热区长度。
预热系统：
预热系统有两大功能：稳步提高组件温度（温度梯度），在单板接触到熔融焊料前达到目标温度。如今，复杂单板的加热温度梯度一般是0.5~2.0K／秒。先作以下基本假设，我们就可以进行一个简单的计算：
•假设1：锡炉中熔融焊料的温度为285℃。
•假设2：单板从预热到焊接之间的温度差小于100K。
•假设3：链速为90厘米／分钟。
•假设4：SnPb焊料焊接时锡炉温度为250℃，在有铅工艺条件下，单板进入焊接区前一般会预热到110℃（单板正面／T面测量得到）。对于无铅工艺，其相应的温度会到145℃，这样单板背面／B面的温度就可能到160~170℃。
•假设5：室温为20℃。
基于以上假设，从预热到焊接的温度增加量为120K。如果加热温度梯度为2.0K／秒，就必须在预热阶段停留70秒；如果加热温度梯度为0.5
K／秒，预热阶段停留就增加到280秒，这还不包括蒸发溶剂（如水）所需的预热滞留时间。链速为90厘米／分钟，那也就意味着预热区的长度需要105厘米。然而，如果加热温度梯度为0.5
K／秒，整个预热区的长度需要4.2米，没有几款设备能满足这一要求。
为了解决这一问题，我们至少可以降低预热区段的链速（需要分离传送轨道），这样就不会反过来影响单板的锡波接触时间。在许多情况下可能可以降低链速，然而，如果生产没有闲置时间（因为这明显会降低生产产出率），那在大多数情况下就不可接受了。所以，应该首先检查预热区结构是否可以改变，如安装功率更大的预热模块（石英或对流预热模块，而不是红外），以及将助焊剂喷涂系统拿出来作为单独模块，这样预热区就能变长。
焊接模块：
波峰焊设备最关键的部件就是焊接模块，这里装有熔融焊料并要进行泵喷。当我们考虑采用SnAg、SnAgCu或SnCu合金进行无铅焊接时就显得尤为重要。无铅高温条件下锡的侵蚀力强，常规的305或316不锈钢没有足够的耐侵蚀能力。这种情况已经在过去的一些高温应用条件下发生过，尤其是那些要运动和可能发生摩擦的部件更为严重，泵、叶轮和形成波峰的一些部件会表现出非常早期的退化（如图1所示），另外，有些区域的内壁也会受到侵蚀。
有些金属（如镍基合金）有较好的耐锡侵蚀能力，但这种材料（涉及专利）价格昂贵而且难以焊接和切割。这样波峰焊设备制造商就将主要精力放在锡炉的涂层处理上，许多设备不仅能通过实验室环境的测试，在实际运作中也没有问题（如果涂层没有被破坏）。然而在现实环境中，锡炉和泵之间难免磕磕碰碰，在维修时被螺丝刀刮伤，在混凝土地板上敲打泵以清除残渣都是很常见的。如果我们考虑到这些情况，就会发现很少有涂层能既耐受这种“野蛮”操作和高温锡的侵蚀，即便是最好的涂层也会由于裂纹和缺口而最终失效。
锡炉的涂层有从简单地喷涂聚四氟乙烯（不推荐）、钛硝酸盐，到烤瓷。不论是何种情况，都建议与供应商进行深入地讨论。图4为SEHO联合业界合作伙伴和研究机构一起开发的一种复合涂层，它能适用于目前所有己知的无铅焊料合金。
锡渣成本的增加，提高了氮气使用的必要性，如果没有降锡渣措施，损失的成本是巨大的（如表1所示）。因此，有必要安装高效的氮气保护系统，使用氮气所带来的焊料润湿性的提高可以看作是其额外好处，虽然无铅焊接本身就强烈地推荐使用氮气，没有氮气就不得不提高无铅工艺温度，给
板上的元器件带来风险。
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