培训教材（无铅手工焊接）.ppt
手机维修中无铅焊接操作控制,铅规则制度现状背景,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,从电子印刷线路板中溶出,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,各国对铅使用的规则,美国：铅暴露减少法,虽然现在开始推动无铅化，但是不包括电子机器制造中所含的铅。,瑞典：环境保护品质目标,禁止使用铅（全体）,丹麦：铅排除,禁止使用和进囗含铅电子产品但电子零件和 CRT 除外, EU ：电气 ? 电子机器废品再利用指令想法（ WEEE),关于电气 电子机器废弃物的处理的规则,电气 电子机器被使用后关于对有害物质的规则,2006 年 7 月实施（有些项目除外）,各国对铅使用的规则-2,中国,制定了和欧州的RoHS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。 在2006年2月公布电子信息产品污染控制管理办法 。 在此简称CMM,可登陆 http:/www.mii.gov.cn/art/2006/03/02/art_521_7344.html 查阅,美国,重金属规则制度 (与 RoHS 内容一样) , 包括包装材料,汞规则制度, 铅规则制度 , 电池规则制度 , 有害化学物质规则制度等.,预计有关铅的规则制度在以后的12年間会在世界上的许多国家内被实施。,电子信息产品污染控制管理办法出台的目的、意义,将电子信息产品污染防治作为废旧电子信息产品回收处理再利用工作的基础性工作，体现“污染防治，预防在先”环境保护原则，落实“从源头抓起”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 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 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 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与欧盟RoHS有何异同,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： 铅 汞 镉 六价铬 多溴联苯（PBB） 多溴二苯醚（PBDE） 中国的管理办法和欧盟的RoHS指令的不同： 中国的管理办法调整对象为电子信息产品， 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。 中国的管理办法于2006年2月28日颁布，2007年3月1日开始实施； 欧盟的RoHS指令2006年7月1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,各种无铅焊锡的特性,和Sn-Pb共晶锡膏的不同,无铅焊锡的种类,焊锡, Sn- Ag 系列：Sn-3.5 Ag ， Sn-3.0 Ag-0.5 Cu ， Sn-(2-4) Ag-(1-6) Bi+(1-3 In), Sn- Ag- In 系列：Sn-3.5Ag-(3-8In)+(Bi), Sn- Zn 系列：Sn-9 Zn ， Sn-8 Zn-3 Bi, Sn- Bi 系列：Sn-58 Bi ， Sn-57 Bi-1.0 Ag,焊锡膏, Sn- Ag 系列：Sn-3.5 Ag ， Sn-3.0 Ag-0.5 Cu, Sn- Cu 系列：Sn-0.7 Cu ， + 少量添加元素,因为熔点高，所以回流温度管理很重要。 从含有Bi 主板零件中，要注意由于铅的混入而造成融点降低。,含有Bi 主板 ，要注意由于混入铅而造成的融点降低。 In价格高，埋藏量和产出量不多。,含Zn 系列的反应性高 , 但是在作业性方面比其他型号的焊锡要差。 在高温高湿度化的环境下强度降低。,含Bi要注意从主板和零件中因混入铅，而造成融点降低。,对镀Sn- Pb 的产品要注意焊盘的剥离和锡膏的脱离。,无铅焊锡的选择, Sn-3.0Ag-0.5Cu 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： Sn-58Bi and Sn-57Bi-1.0Ag,建议: 使用低温无铅焊锡Sn-3.0Ag-0.5Cu,Sn- Ag 系列无铅焊锡的回流条件,零件耐热温度上限,能够焊锡的最低温度,焊锡熔点,Sn-37 Pb,Sn- Ag 系列无铅,260 ,200 ,183 ,230 ,220 ,上升 !,上下有6的余地,30 ,零件耐热性不改变但是由于焊锡熔点上升，焊接温度差变低。,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系列无铅焊锡的回流条件,Sn-Pb与无铅焊锡熔点对比, 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.,元件耐热温度,能够焊锡的最低温度,焊锡融点,260,200,183,235,220,温度差 60,温度差 25,Sn-Ag-Cu由于焊锡熔点上升，焊接温度差变低。 。,UP!,Sn-Pb,Sn-Ag-Cu,Sn- Ag 系列以外无铅焊锡,即使是熔点比较低的 Sn- Zn 系列无铅焊锡，使用耐热性低的（例如 保证220 ） 主板零件的时候，为了减少温度差，高温预加热是必要的。目前由于Sn-Zn系列焊锡技术还处于研制阶段,在此不推荐使用,零件耐热温度上限,焊锡能达到的最低温度,焊锡熔点,Sn-37 Pb,Sn- Zn 系列无铅焊锡,260 ,200 ,183 ,215 ,200 ,上下有6余地,45 ,Sn-Ag-Cu 无铅特征, 焊接強度: Sn-Ag-Cu无铅锡膏的接合強度很高.,Sn-Pb,Sn-Ag-Cu,因为焊接强度高、所以也提高了接合信赖性。,但是，当有铅混入时，强度会有所下降。,建议使用,Sn-Ag-Cu,Sn-Pb,Sn-Ag-Cu 无铅锡膏特征, 扩展性：无铅锡膏扩展性较差.,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。,用和Sn-Pb相同设计的网板有可能无法覆盖住整个焊盘。,Sn-Ag-Cu 无铅特征, 表面光泽：无铅表面光泽暗淡.,Sn-Pb,Sn-Ag-Cu,焊接后表面光泽暗淡、用光学式外观检查机确认时有时会判断错误。,为什么会没光泽?,溶融的锡膏,Sn的结晶被折出,凝固収縮,Sn-Ag-Cu凝固時的模式图,因为的结晶在焊接表面变的凹凸不平，再经过光的反射，所以,冷却,冷却,Sn-Ag-Cu 无铅特征,小结：,Sn-Ag-Cu 无铅锡膏, 融点高., 扩展性差., 表面光泽暗淡., 接合信赖性高., 有必要推动无铅并使其成功., 有利环保.,弱点,优点,无铅锡膏导入时的 注意事项,探讨重点,焊接主板时：,插座类元件,屏蔽罩,贴片阻容元件,集成芯片,是指所有焊接的地方或零件内部都不含铅。,所谓的无铅产品,装配主板的无铅化,QFP,BGA,元件,主板电极表面处理,焊锡,电镀管脚,焊锡膏,元件电极处理,虽然和焊锡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/Pb 223C (183C) Sn 3.8Ag0.7Cu 257C (217C) Sn0.7Cu 267C (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热能量转移过程 (从烙铁头通过焊锡,助焊剂,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: 一旦烙铁头接触到焊盘, 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: 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 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 40°C 焊锡在被焊物表面流动, 填充间隙形 形成合金焊点 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 4. 降温区 烙铁头从被焊物离开 关注点: 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.,助焊剂活化区及合金焊点形成区,焊锡回流焊接区 形成焊锡回流焊接并保持一定时间形成合金焊点 需要可控制的加热体热能量输出给焊盘,助焊剂活化区 传递的第一部分热能量 = 烙铁头存储的热能量 (热能量值取决于烙铁头密度和设置的烙铁头闲置温度),温度,时间 3-5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35秒钟内完成,这样才能保证助焊剂充分发挥作用,焊锡完全熔化并且经过回流形成合金焊点,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 40°C 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183°C 上升到 217 °C) 造成损坏的最高温度没有变化 ( 260 °C) 因此, 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,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,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 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 (watts) ,热传导效率 ,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,大焊点,热传导效率 ,传导的热能量(单位为瓦特),W/L =0.89,W/L =0.50,W/L =0.27,0.89 0.50 0.27,0.89 0.50 0.27,W/L = 热传导因子, 其中 W = 烙铁头直径 L = 烙铁头长度,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 ,烙铁头的镀层厚度,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 vs 热容量的传递效率,热容量的传递效率 ,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,铜芯,铬 镍 铁镀层,失效机理,Cu,Fe,烙铁头前端的焊锡,烙铁头表面镀铁的缺陷,破裂扩展,镀层损坏导致内部分解,Cu,Fe,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,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。,
