波峰焊中不熔锡产生的机理与控制对策

随着电子制造业的飞速发展，锡业也获得了迅猛发展，焊锡丝、锡条业务量逐增。其中的关键工艺技术——SMT技术也日新月异，所使用的焊接工艺部分也越来越多地是回流焊工艺。但尽管如此，波峰焊工艺的使用仍然必不可少，特别是混装的各种主板。日前，众多的制造企业都遇到过这样类似的问题，即在波峰焊的工艺过程中，锡炉的表面浮起许多不不熔化的大块的锡渣，业界俗称“不熔锡”。这些不熔锡的特点是不论如何搅拌都不溶解，升高温度达到350℃以上才熔化，外观上明显的金属光泽，与传统的锡渣区别明显。这些不熔锡在锡炉的表面呈半漂浮状态，严重影响焊接的效果。而所使用的配套材料如助焊剂、焊锡条一般都符合相关验收标准，这就给业界造成了极大的困扰，技术员常常接到客户委托解决由此产生的质量问题纠纷，因此如何查找其产生的原因并找到有效的控制对策就极为重要。
 样品概况      通常的波峰焊过程的炉锡表面的锡渣产生，主要是由于焊锡在焊接高温过程中与空气中的氧发生反应生成，其次由于助焊剂及其残留物与焊锡之间化学反应及其产物包覆造成，外观大多呈灰黑色的砂砾或疏松的粘结状。本文中笔者发现的不熔锡则与传统的锡渣有较明显的区别，它有一定的金属光泽，典型样品的外观。为了便于机理与原因的分析，产生不熔锡的工艺所用的焊锡与助焊剂也一同收集。
 
 
  分析过程
  1）光学显微镜分析
      首先选择代表性的几块不熔锡，用显微镜对其组织结构进行观察。发现其结构疏松，含有黑色的夹杂物以及部分大小不同的颗粒状的金属结晶体。说明其中不但包覆有氧化物，还有一定的助焊剂残留的有机物。不熔锡的整体多成块状，较普通的锡渣颗粒明显粗大，且不容易弄碎。为了弄清其内部结构，技术员将其与未经使用的焊锡条一起制作金相，进一步分析其微观结构。通过其结构发现，未经使用的焊锡其结构致密均匀、没有夹杂物或特殊的结晶结构，而不熔锡则有很多空洞，比表面积急剧增加，高温过程氧化自然严重。
  
  2）化学分析 
      形成了大量的不熔锡，人们往往首先想到的就是焊锡丝/焊锡条焊锡质量不好，可能含有过多杂质。为此，除了对不熔锡进行外观与金相分析以外，我们还对这些不熔锡以及未经使用的焊锡均匀取样，按照国家标准进行化学组成的分析。从其结果看，未发现异常情况，未经使用的焊锡符合国家标准GB 8012，而不熔锡的成分也符合国家标准只是使用过程中线路板或元器件引线脚上的铜的溶解造成了铜含量的增加，但也未超出0.3%重量百分比的控制标准。可见均匀取样进行的测试证明焊锡条与不熔锡在整体上其化学成分没有明显差异。
 
 
  3）扫描电镜与能谱分析
      由于简单的外观检查以及成分分析没有发现不熔锡产生的线索，于是技术员再使用扫描电镜来对其结果做更细致而深入的分析，并对其中发现的异常区域使用能谱进行微区现场分析。用SEM在不同放大倍数下进行观察，结果发现：在2000倍率下可以清晰地看到不熔锡表面有明显的针状结构，用EDS分析则证实该针状物质是氧化铝；结构的焊料表面对其成分进行分析后发现，该絮状物质的主要成分也为氧化铝。而用SEM在同样的倍率下观察未经使用的正常的焊锡的表面结构，则发现明显不同。

当我们弄清楚不熔锡产生的机理后，就很容易找到控制不熔锡的办法。首先，检讨我们所使用的制具与夹具，还有PCBA上所使用的零部件，尽量不使用含有铝的材料；其次，在采购焊锡的时候，应该按照国际和国家标准进行检测验收，并且选用抗氧化能力强的焊料，防止所用的焊锡中本身就含有过高的铝杂质；再次，就是所使用的助焊剂的酸枝或活性不能太强，如果必须使用活性的助焊剂，最好对其中的制具予以保护，以免产生反应带入铝杂质；最后，就是焊接的温度在保证焊接质量的前提下要控制尽可能低些，以免焊料氧化加速产生过多的锡渣。一直困扰着使用波峰焊工艺的电子组装界的不熔锡问题现在终于清楚了，相关各方许多不必要的争执也可以停止了。
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