培训教材(无铅手工焊接)

Edit by Wolf,Motorola Service手机维修中无铅焊接操作控制手机维修中无铅焊接操作控制 铅规则规则制制度度现状状背景背景各国对铅的规则制度和中国的现状对儿童的影响特别大背景从从电子印刷子印刷线路路板中板中溶出溶出酸性雨即使是低浓度也会影响人的IQ或精神机能蓄积在体内废旧家电粉碎处理及填埋处理需要紧急对策各国各国对对铅使用铅使用的的规则规则 美国：铅暴露减少法美国：铅暴露减少法虽然现在开始推动无铅化，但是不包括电子机虽然现在开始推动无铅化，但是不包括电子机器制造中所含的铅。器制造中所含的铅。瑞典：环境保护品质目标瑞典：环境保护品质目标禁止使用禁止使用铅（全体）铅（全体）丹麦：铅排除丹麦：铅排除禁止禁止使用和进囗使用和进囗含铅含铅电子电子产品但电子零产品但电子零件和件和 CRT CRT 除外除外 EU EU：电气：电气?电子机器废品再利用指令想法（电子机器废品再利用指令想法（WEEE)WEEE)关关于于电气电气 电子机器废弃物的处理的规则电子机器废弃物的处理的规则电气电气 电子机器被使用电子机器被使用后关于对后关于对有害物质的规则有害物质的规则_年年 7 7 月实施（有些项目除外）月实施（有些项目除外）各国各国对对铅使用铅使用的的规则规则-2中国中国制定了和欧州的制定了和欧州的RoHSRoHS差不多内容的法律。差不多内容的法律。作为规则制度対象的成员目录正在制定中。作为规则制度対象的成员目录正在制定中。在在_年年_月公布电子信息产品污染控制管理办法月公布电子信息产品污染控制管理办法 。在此简称在此简称CMM,CMM,可登陆可登陆美国美国重金属规则制度重金属规则制度(与与 RoHS RoHS 内容一样内容一样),),包括包装材料包括包装材料,汞规则制度汞规则制度,铅规则制度铅规则制度,电池规则制度电池规则制度,有害化学物质规则制度等有害化学物质规则制度等.预计有关铅的规则预计有关铅的规则制制度在以后的度在以后的1212年間年間会在会在世界世界上上的许多国家内被实施的许多国家内被实施。电子信息产品污染控制管理办法电子信息产品污染控制管理办法出台的出台的目的、意义目的、意义将电子信息产品污染防治作为废旧电子信息产品将电子信息产品污染防治作为废旧电子信息产品回收处理再利用工作的基础性工作，体现回收处理再利用工作的基础性工作，体现“污染污染防治，预防在先防治，预防在先”环境保护原则，落实环境保护原则，落实“从源头从源头抓起抓起”的工作思路的工作思路 将电子信息产品污染防治纳入行业管理，法制化将电子信息产品污染防治纳入行业管理，法制化 实现有毒有害物质在电子信息产品中的替代或减实现有毒有害物质在电子信息产品中的替代或减量化，保护环境，节约资源量化，保护环境，节约资源 实现电子信息产业结构调整，产品升级换代，确实现电子信息产业结构调整，产品升级换代，确保电子信息产业可持续发展保电子信息产业可持续发展 积极应对欧盟两指令积极应对欧盟两指令 WEEE和ROHS 电子信息产品污染控制管理办法电子信息产品污染控制管理办法与欧盟与欧盟RoHS有何异同有何异同u中国的管理办法和欧盟的RoHS指令相同之处：限制和禁止使用的有毒有害物质是一样的，都是六种：u铅u汞u镉u六价铬u多溴联苯（PBB）u多溴二苯醚（PBDE）u中国的管理办法和欧盟的RoHS指令的不同：u中国的管理办法调整对象为电子信息产品，u欧盟的RoHS指令调整对象为交流电不超过1000伏特、直流电不超过1500伏特的电子电器设备。u中国的管理办法于_年_月_日颁布，_年_月_日开始实施；u欧盟的RoHS指令_年_月_日开始实施。维修中的操作要求及注意使用不含有害物质的无铅材料:无铅焊锡丝,无铅锡膏,清洁济,助焊笔,清洗笔,吸锡线,易碎标贴等.无铅焊接过程控制温度控制与烙铁系统选择BGA的无铅焊接操作正确选择热风枪各各种无铅焊锡的种无铅焊锡的特性特性和Sn-Pb共晶锡膏的不同无无铅焊锡的铅焊锡的种类种类焊锡焊锡 Sn-Ag Sn-Ag 系列：系列：Sn-3.5 Ag Sn-3.5 Ag，Sn-3.0 Ag-0.5 Cu Sn-3.0 Ag-0.5 Cu，Sn-(2-4)Ag-(1-6)Sn-(2-4)Ag-(1-6)Bi+(1-3 In)Bi+(1-3 In)Sn-Ag-In Sn-Ag-In 系列：系列：Sn-3.5Ag-(3-8In)+(Bi)Sn-3.5Ag-(3-8In)+(Bi)Sn-Zn Sn-Zn 系列：系列：Sn-9 Zn Sn-9 Zn，Sn-8 Zn-3 BiSn-8 Zn-3 Bi Sn-Bi Sn-Bi 系列：系列：Sn-58 Bi Sn-58 Bi，Sn-57 Bi-1.0 AgSn-57 Bi-1.0 Ag焊锡焊锡膏膏 Sn-Ag Sn-Ag 系列：系列：Sn-3.5 Ag Sn-3.5 Ag，Sn-3.0 Ag-0.5 CuSn-3.0 Ag-0.5 Cu Sn-Cu Sn-Cu 系列：系列：Sn-0.7 Cu Sn-0.7 Cu，+少量添加元素少量添加元素因为因为熔点高，熔点高，所以回流所以回流温度管理温度管理很很重要。重要。从含有从含有Bi Bi 主主板板零件中零件中，要注意由于铅的混入而造成融点降低。要注意由于铅的混入而造成融点降低。含有含有Bi Bi 主主板板 ，要注意由于混入铅而造成的融点降低。要注意由于混入铅而造成的融点降低。InIn价格高，埋藏量和产出量不多。价格高，埋藏量和产出量不多。含含Zn Zn 系列系列的的反应性高反应性高 ,但是在作业性方面比其他型号的焊锡要差。但是在作业性方面比其他型号的焊锡要差。在在高温高湿度化的环境高温高湿度化的环境下下强度强度降降低。低。含含BiBi要注意从主要注意从主板板和零件中因混入铅，而造成融点降低。和零件中因混入铅，而造成融点降低。对镀对镀Sn-Pb Sn-Pb 的产品要注意焊盘的的产品要注意焊盘的剥离剥离和锡膏的脱离和锡膏的脱离。无铅焊锡的选择无铅焊锡的选择 在焊接和波峰焊被广泛使用。Sn-0.7Cu 在波峰焊中被使用.低温无铅锡膏,Sn-8.0Zn-3.0Bi,Sn-3.5Ag-0.5Bi-8.0In,等被广泛使用.其他无铅锡膏高温：Sn-5.0Sb,Sn-10Sb,Au-20Sn.低温：建建议:使用低温无使用低温无铅焊锡Sn-3.0Ag-0.5Cu Sn-Ag Sn-Ag 系列系列无无铅焊锡的铅焊锡的回流回流条件条件 零件耐热零件耐热温度上限温度上限能够能够焊锡焊锡的的最低温度最低温度焊锡熔点焊锡熔点 Sn-37 PbSn-37 PbSn-Ag Sn-Ag 系列系列无无铅铅2 26 60 0 200 200 183 183 230 230 220 220 上升上升 !上下有上下有6 6的余地的余地3 30 0 零件耐热性不改变零件耐热性不改变但但是是由于由于焊锡熔点上升，焊锡熔点上升，焊接温度差焊接温度差变低。变低。有铅焊锡无铅焊锡无铅焊接温度差的缩小对焊接设备的加热控制能力要求更高了，通常需要更大的功率，更多的温区和改进的热风控制装置 Sn-Ag-Cu系列系列无无铅焊锡铅焊锡的的回流回流条件条件Sn-Pb与与无无铅焊锡熔点熔点对比比 焊锡熔点焊锡熔点.能够焊接的最低温度Sn-Pb：183 200 Sn-Ag-Cu：219 235以上必要.元件元件耐耐热温度温度能够能够焊锡焊锡的的最低温度最低温度焊锡融点融点260200183235220温度差温度差 60温度差温度差 25Sn-Ag-Cu由于由于焊锡熔点上升，焊锡熔点上升，焊接温度差变低。焊接温度差变低。UP!Sn-PbSn-Ag-CuSn-Ag 系列以外系列以外无无铅焊锡铅焊锡 即使是熔点即使是熔点比较低的比较低的 Sn-Zn 系列系列无无铅焊锡铅焊锡，使用耐热性低的，使用耐热性低的（例如（例如 保证保证220）主板主板零件的零件的时候时候，为了减少温度差，高温为了减少温度差，高温预加热是必要的。目前由于预加热是必要的。目前由于Sn-Zn系列焊锡技术还处于研制阶段系列焊锡技术还处于研制阶段,在此不推荐使用在此不推荐使用零件耐热温度上限零件耐热温度上限焊焊锡锡能能达到的达到的最低温度最低温度焊锡熔点焊锡熔点 Sn-37 PbSn-Zn 系列系列无无铅铅焊锡焊锡 260 200 183 215 200 上下有上下有6余地余地 45 Sn-Ag-Cu 无铅特征无铅特征焊接焊接強度強度:Sn-Ag-Cu无铅锡膏的无铅锡膏的接合強度接合強度很高很高.Sn-PbSn-Ag-Cu因为焊接强度高因为焊接强度高、所以也提高了所以也提高了接合接合信信赖性。性。但是，当有铅混入时，强度会有所下降。但是，当有铅混入时，强度会有所下降。建议使用Sn-Ag-CuSn-Pb Sn-Ag-Cu 无铅锡膏特征无铅锡膏特征扩展性：无铅锡膏扩展性较差扩展性较差.印刷后焊接后Sn-Ag-Cu无铅锡膏很难扩展到印刷以外的地方无铅锡膏很难扩展到印刷以外的地方。用和用和Sn-Pb相同相同设计的网板有可能无法覆盖住整个焊盘。的网板有可能无法覆盖住整个焊盘。Sn-Ag-Cu 无铅特征无铅特征表面光泽：无铅表面光表面光泽暗淡泽暗淡.Sn-PbSn-Ag-Cu焊接后表面光泽暗淡焊接后表面光泽暗淡、用用光学式外光学式外观检查机确认时有时机确认时有时会判断错误。会判断错误。为什么会没光泽为什么会没光泽?溶融溶融的锡膏的锡膏Sn的结晶被折出的结晶被折出凝固収縮凝固収縮Sn-Ag-Cu凝固時凝固時的的模式模式图因为因为的结晶在焊接表面变的凹的结晶在焊接表面变的凹凸不平，再经过光的反射，所以凸不平，再经过光的反射，所以冷却冷却冷却冷却 Sn-Ag-Cu 无铅特征无铅特征小结：小结：Sn-Ag-Cu 无铅锡膏无铅锡膏融融点点高高.扩展性差扩展性差.表面光表面光泽暗淡泽暗淡.接合接合信信赖性高性高.有必要推动无铅并使其成功有必要推动无铅并使其成功.有利环保有利环保.弱点弱点优优点点无铅锡膏导入时的无铅锡膏导入时的注意事项注意事项探讨重点 焊接主板时：焊接主板时：插座类元件屏蔽罩贴片阻容元件集成芯片是指所有焊接的地是指所有焊接的地方或零件内部都不方或零件内部都不含铅。含铅。所谓的无铅产品所谓的无铅产品装配装配主主板的板的无无铅化铅化 QFP BGA 元件元件 主板主板电极表面处理电极表面处理焊锡焊锡电镀管脚电镀管脚焊锡膏焊锡膏 元件元件电极处理电极处理虽然和虽然和焊锡焊锡膏焊接相关联的全部材料要求无铅是膏焊接相关联的全部材料要求无铅是有必要的，但是引进的初期是混在一起的。所以有必要的，但是引进的初期是混在一起的。所以一定要注意将有铅和无铅进行分区操作一定要注意将有铅和无铅进行分区操作无铅焊接控制无铅焊接控制手工焊接的过程控制传统的 Pb-Sn含铅焊料的手工焊接目前的 Pb Free 无铅手工焊接必须重新考虑的特殊性焊接的热能量的讨论如何确保手工焊接的过程控制焊接要达到的目的形成可靠的焊点产品废品率低生产效率高所有上述三点的获得均与焊接的过程控制有紧密联系无铅焊接的控制参数要求更严格正确的焊接温度焊点的温度为焊锡溶点温度加40,烙铁头停留在焊点的时间为 2-5 秒钟 焊锡+40C(MP)Sn/Pb223C(183C)Sn 3.8Ag0.7Cu257C(217C)Sn0.7Cu267C(227C)无铅焊接的温度比有铅焊接高出10 to 20 焊接过程焊接过程是热能量从热源向被焊物的焊接过程是热能量从热源向被焊物的热能量转移过程热能量转移过程(从烙铁头通过焊锡从烙铁头通过焊锡,助焊剂助焊剂,管脚形成热能量转移管脚形成热能量转移)1.加热的烙铁头接触焊盘和焊锡烙铁头上存储的热能量传递给焊盘,被焊物的管脚和焊锡升温到焊接温度关注点关注点:一旦烙铁头接触到焊盘一旦烙铁头接触到焊盘,其存储热能量的供应是非控制的其存储热能量的供应是非控制的.2.助焊剂活化区热能量传递到焊盘,助焊剂开始活化,开始去除被焊物上的氧化层使确保能够形成很好的焊接润湿过程关注点关注点:存储热能量过大将瞬间烧掉助焊剂存储热能量过大将瞬间烧掉助焊剂,焊接过程没有助焊剂活化区焊接过程没有助焊剂活化区3.形成合金焊点区热能量继续传递给被焊物直到温度达到焊锡溶点温度加上 40C 焊锡在被焊物表面流动,填充间隙形形成合金焊点关注点关注点:是否使用的烙铁加热体能够补充失去的存储热能量的同时不产生温度过冲是否使用的烙铁加热体能够补充失去的存储热能量的同时不产生温度过冲4.降温区烙铁头从被焊物离开关注点关注点:操作人员是否能掌控在操作人员是否能掌控在3-5秒中离开焊盘是需要充足的焊接经验的秒中离开焊盘是需要充足的焊接经验的.助焊剂活化区及助焊剂活化区及合金焊点形成区焊锡回流焊接区焊锡回流焊接区形成焊锡回流焊接并形成焊锡回流焊接并保持一定时间形成合保持一定时间形成合金焊点金焊点需要可控制的需要可控制的加热体加热体热能量热能量输出给焊盘输出给焊盘助焊剂活化区助焊剂活化区传递的第一部分热能量传递的第一部分热能量=烙铁头烙铁头存储的热能量存储的热能量(热能量值取决于烙铁头密度和设置的烙铁头闲置温度热能量值取决于烙铁头密度和设置的烙铁头闲置温度)温度温度时间时间 3-5秒钟秒钟正确的焊接过程助焊剂活化区回流焊接区3-5 秒钟正确的焊接操作应该在正确的焊接操作应该在35秒钟内完成秒钟内完成,这样才能保证助焊这样才能保证助焊剂充分发挥作用剂充分发挥作用,焊锡完全熔化并且经过回流形成合金焊点焊锡完全熔化并且经过回流形成合金焊点总结:有铅与无铅的过程控制存储热能量的烙铁头接触到焊盘时存储的热能量以失控的状态将热能量立即供给焊盘助焊剂活化区氧化层被清掉,改善焊接润湿合金焊点形成区焊点温度上升到焊锡溶点加 40C 焊锡回流焊形成合金焊点降温区焊点冷却 solder solidifies无铅焊接和有铅焊接的焊点形成方式无变化,但焊锡的溶点不同:高溶点(从从183C 上升到上升到 217 C)造成损坏的最高温度没有变化造成损坏的最高温度没有变化 (260 C)因此因此,焊接的加工窗口变小了焊接的加工窗口变小了无铅焊接的过程控制步骤 1:-助焊剂活化区目的:控制烙铁头上存储的热能量(最佳为在进入助焊剂活化区时消耗掉大部分存储的热能量)控制两个基本因素:烙铁头的选择 使存储热能量在进入助焊剂活化区时及时消耗掉烙铁头闲置温度的设置危险性在盲目提高闲置温度(造成干焊,峰尖毛刺,主板及元件损坏)步骤 2 形成合金焊点区的控制目标:控制加热体热能量的传递控制的基本因素:烙铁头几何形状的正确选择 确保最大化的使热能量从烙铁头能快速传递给焊盘注意烙铁头的保养 确保烙铁头同焊盘能够有效传递热能量烙铁应该采用热能量控制型 确保能够满足最佳热能量的传递温度控制与烙铁系统选择对烙铁系统的技术要求确保能够对每个焊盘提供所需要的热能量而同时热能量不要超过加工窗口系统的热能量控制是根据焊盘所需要的热能量,而不时通过中间温度传感器的温度判断得出的热能量结论.系统取保能够有很好的热能量传导特性烙铁头设计同时满足助焊剂活化和形成合金焊点烙铁头密度应该适合储存最佳的存储热能量烙铁头几何形状提供最佳的热能量传递给焊盘润湿差润湿差冷焊冷焊好的润湿好的润湿优质焊接优质焊接PCB破坏破坏 脆化脆化 温度太低温度太高 提高温度提高温度接触温度适宜的时间和温度活化助焊剂达到润湿充足的温度使焊料熔化形成合金焊点低温可以避免PCB破坏 热量传导的控制理想的金属焊点导致增大焊点金属层的体积,产生易脆的缺陷焊点内部金属层的形成速率与焊接时间和温度有关热量传导的控制 冷焊1.0 m 增加焊锡厚度增加焊锡厚度铜铜/锡锡 的化合物的化合物如何正确选择烙铁头选择烙铁头的几何形状使其同焊盘的接触面积最佳确保热能量的有效传递给焊盘采用最大直径的烙铁头确保有足够的通路使热能量能有效传递给焊盘采用最短的烙铁头确保热能量传递路径最短热传导效率 及 烙铁头选择 影响热传导效率的因素影响热传导效率的因素烙铁头与焊盘的接触面积烙铁头的长度,直径烙铁头的镀层厚度烙铁头的质量密度加热体的功率密度烙铁头的闲置温度设定烙铁头与焊盘的接触面积传输功率传输功率(watts)热传导效率热传导效率 无铅焊接要求的最低功率无铅焊接要求的最低功率接触面积接触面积大小焊点热能传导区别小焊点小焊点大焊点大焊点热传导效率热传导效率 传导的热能量传导的热能量(单位为瓦特单位为瓦特)W/L=热传导因子热传导因子,其中其中W=烙铁头直径烙铁头直径L=烙铁头长度烙铁头长度无铅焊接需要的基本功率无铅焊接需要的基本功率烙铁头的镀层厚度与热传导效率热传导效率热传导效率 烙铁头的镀层厚度烙铁头的镀层厚度无铅焊接需要的基本功率无铅焊接需要的基本功率烙铁头的闲置温度设定闲置温度闲置温度 vs 热容量的传递效率热容量的传递效率热容量的传递效率热容量的传递效率 烙铁头的闲置温度烙铁头的闲置温度(Deg C)烙铁的选择推荐产品(可参考esupport上的技术通告:无铅产品焊接方法)可参考esupport上的无铅产品焊接操作指导无铅烙铁头寿命的考虑烙铁头寿命降低的几个原因:焊锡的高温溶点高含量的锡(Sn)成分高温下加剧氧化采用活性更高的助焊剂烙铁头镀层锡焊料锡焊料铜芯铜芯铬铬镍镍铁镀层铁镀层失效机理CuFe烙铁头前端的焊锡烙铁头前端的焊锡烙铁头表面镀铁的缺陷烙铁头表面镀铁的缺陷破裂扩展镀层损坏导致内部分解CuFe内部铜芯迅速分解一旦熔化的焊锡穿透烙铁的镀层,内部的铜芯会迅速分解,最终使烙铁尖端损坏.这种损坏的延伸时间接近整体损坏时间的10%烙铁头失效机理分析镀铁层的裂痕是造成烙铁头失效的主要原因镀铁层的裂痕产生于镀铁层的彻底磨损之前结论:加厚度铁层不能提高烙铁头寿命,只会降低热能量的传递因此,无铅焊接需要操作员经常保养烙铁头清洁,否则,一旦烙铁头氧化或合金镀层在烙铁头表形成,热的传递下降,操作员会用力压烙铁头造成产生镀铁层裂痕烙铁头失效原因条件条件症状症状原因原因防止防止处理办法处理办法有机残留物不沾锡,黑色残留物酸性腐蚀保持烙铁头裹锡定时用金属丝去除残留物,重新对烙铁头在锡炉中沾锡氧化氧化,铁锈色空气接触氧化保持烙铁头裹锡强力助焊剂,裹锡合金层覆盖不沾锡,黑色残留物过度裹锡不用时,低功率输出定时用金属丝去除残留物,重新对烙铁头在锡炉中沾锡Fe-Cracking 破裂Hole in Fe 有洞Operator tip pressure操作员用力压迫Keep Tip Well Tinned保持烙铁头裹锡Discard Tip,损坏Fe-Dissolution(flux)腐蚀或分解Hole in Fe 有洞Acidic Erosion酸腐蚀Rotate tip to distribute solder旋转烙铁头Discard Tip,损坏Fe-Dissolution(tin)分解Hole in Fe 有洞Long term tin exposure长期裸露Power back system at idle不用时,低功率输出Discard Tip,损坏已经损坏可处理继续使用BGA的无铅焊接操作BGA的无铅焊接无铅焊接中的BGA变形问题无铅工艺条件下焊接温度增加,使面阵列器件特别是PBGA的变形更大BGA的无铅焊接无铅焊接维修BGA对温度的要求BGA焊接如何解决无铅焊接中BGA的温度控制问题解决措施：选择加热能力强的设备，要求底部加热器的能力要大于顶部加热器；合理调制，控制顶部加热温度，提高底部预热温度热风枪的设置温度请参考esupport上的操作指导主板底部加热效果对比带有底部加热的无铅焊接效果未带有底部加热的无铅焊接效果底部加热结论对于无铅产品的维修操作应该在元件上部正常加热的同时采用底部加热底部加热设备HAKO853正确选择热风枪热风枪选择与使用型号：HL2305LCD 温度设定：在220245度（建议设定显示温度为350度左右,风枪口距离PCBA的高度：13.5厘米。(见图,注：根据风枪口高度的不同、更换器件（如塑料件）的不同可适当改变设定温度。)可参考esupport上的无铅产品焊接操作指导无铅与有铅焊点外观差异无铅焊点在外观上与有铅焊点的差异:相对有铅焊点而言，无铅焊点发暗、发灰，甚至有点粗糙。无铅焊料对焊盘的润湿性相对较差，焊料铺展面积相对较小。