在电子制造过程中

深圳市福田区深现西路侨福大厦TEL:0755-82973531;FAX:[phone];E-mail:[e-mail]深圳市佳丽恒通科技有限公司在电子制造过程中，波峰焊接工艺必不可少，对电子产品的焊接质量起着关键性的作用；熔融焊料在流动状态下与空气中的氧接触并不断的发生氧化形成氧化渣。在电子制造业，随着无铅焊接工艺的逐步导入，高含锡量的无铅焊料合金逐步替代传统的Sn63/37合金焊料；随着无铅焊料的广泛应用，氧化渣问题变得更为严重，浪费率高达30%-50%以上；产品的焊接质量及可靠性能也受到相当大的影响；如何减少氧化锡渣的产生变成电子制造业所面临的必修之课程！一、氧化锡渣的危害1.影响锡液流动性和锡面高度，影响焊接质量。2.附着于板面，造成如锡球等质量问题，直接影响电子产品的电气可靠性能。3.锡渣的处理及运输造成的额外管理问题，且对环境有一定的影响。4.松散的氧化渣使空气更容易停留在熔融焊料内，从而加剧焊料的氧化。5.有用金属被锡渣包裹，无法利用，造成极大浪费。二、锡渣的形成：1〉、静态熔融焊料的氧化根据液态金属氧化理论，熔融状态的金属表面会强烈的吸附氧，在高温状态下被吸附的氧分子将分解成氧原子，得到电子变成离子，然后再与金属离子结合形成氧化物。暴露在空气中的熔融金属液面瞬间即可完成整个氧化过程，当形成一层单分子氧化膜后，进一步的氧化反应则需要电子运动或离子传递的方式穿过氧化膜进行，静态熔融焊料的氧化逐渐减少。不同温度下SnO2与PbO的标准生成自由能不同，前者生成自由能低，更容易产生，这也在一定程度上解析了为什麽无铅化以后氧化渣大量的增加;通常静态熔融焊锡的氧化膜为SnO2和SnO的混合物。氧化物按分配定律可部分溶解于熔融的液态焊料，同时由于溶差关系使金属氧化物向内部扩散，内部金属含氧逐步增多而使焊料质量变差，这在一定程度上可以解释为何经过高温提炼（或称还原）出来的合金金属比较容易氧化，且氧化渣较多；此外，氧化还和温度、气相中氧的分压、熔融焊料表面对氧的吸收和分解速度、表面原子和氧原子的化合能力、表面氧化膜的致密度、以及生成物的溶解、扩散能力等有关。2〉、动态熔融焊料的氧化动态时形成的焊料渣有三种形态：a、表面氧化膜锡炉中的熔融焊料在在高温下，通过其在空气中的暴露面和氧相互接触发生氧化。这种氧化膜主要形成于锡炉中相对静止的熔融焊料表面呈皮膜状，主要成分是SnO。只要熔融焊料表面不被破坏，它就能起到隔绝空气的作用，保护内层熔融焊料不被继续氧化。这种表面氧化膜通常占氧化渣量的5%左右。b、黑色粉末这种粉末的颗粒都很大，产生于熔融焊料的液面和机械泵轴的交界处，在轴的周围呈圆形分布并堆积。轴的高速旋转会和熔融焊料发生摩擦，但由于熔融焊料的导热性很好，轴周围熔融焊料的温度并不比其它区域的温度高。黑色粉末的形成并不是应为摩擦温度的升高所致，而是轴旋转造成周围熔融焊料面的漩涡，氧化物受摩擦随轴运动而球化。同时摩擦可造成焊料颗粒的表面能升高而加剧氧化；约占氧化渣量的10%左右。C、氧化渣机械泵波峰发生器中，存在着剧烈的机械搅拌作用，在熔融焊料槽内形深圳市福田区深现西路侨福大厦TEL:0755-82973531;FAX:[phone];E-mail:[e-mail]深圳市佳丽恒通科技有限公司成剧烈的漩涡运动。这些漩涡和翻滚运动形成的吸氧现象，空气中的氧不断被吸入熔融焊料内部。由于吸入的氧有限，不能使熔融焊料内部的氧化过程进行得像液面那样充分，因而在熔融焊料内部产生大量银白色沙粒状（或称豆腐渣状）的氧化渣。这种渣的形成较多，氧化发生在熔融焊料内部，然后再浮向液面大量堆积，甚至占据焊料槽的大部分空间，阻塞泵腔和流道，最后导致波峰高度不断下降，甚至损坏泵叶和泵轴；另一种是波峰打起的熔融焊料重新流回焊料槽的过程中增加了熔融焊料与空气中氧的接触面，同时在熔融焊料槽内形成剧烈的漩涡运动形成吸氧现象，从而形成大量的氧化渣。这两种渣通常占整个氧化渣量的85%，是造成浪费最大的。应用无铅焊料后将产生更多的氧化渣，且SnCu多于SnAgCu，典型结构是90%金属加10%氧化物。这种氧化渣的形成与熔融焊料的流体流动有关，流体的不稳定性及瀑布效应，可能造成吸氧现象及熔融焊料的翻滚，使氧化渣的形成过程变得更加复杂。另外，从工艺角度讲，影响氧化渣产生因素包括波峰高度、焊接温度、焊接气氛、波峰的扰度、合金的种类或纯度、使用助焊剂的类型、通过波峰PCBA的数量及原始焊料的质量等。三、氧化锡渣的结构通常我们所说的锡渣主要是由氧化锡SnO2（即锡灰）和被包裹在氧化锡内的锡Sn以及少部分的碳化物质组成，被包裹在氧化锡内的锡Sn的比例最少在50%以上，有的甚至高达90%（具体含量视捞渣的情况而定）。锡渣中的氧化锡（即锡灰）通常是SnO2，灰色粉末状;密度为6.95克/立方厘米;熔点1630℃；结构式：O:SnO；分子量：150.69；锡含量：70%-96.5%不等。四、氧化渣减少的措施国内外学者和企业对波峰焊氧化渣减少措施进行了大量的研究，主要有以下几方面：1、采用氮气保护氮气保护是一种减少氧化渣产生的有效措施，利用氮气将空气与熔融焊料隔开可有效减少氧化渣的产生；氮气气氛下焊接，随着氧气溶度的降低，无铅焊料的氧化明显减少。氮气保护也会带来不足，主要表现是增加了PCBA表面锡珠的产生和营运成本，通常节约的焊锡不足以抵消购买液氮或氮气发生器的运行和维护成本。2〉电磁泵的研究与使用1969年瑞士学者R.F.J.PERRIN首先提出了利用电磁泵泵送熔融金属焊料传导的新方案，70年代中期瑞士KRISTN公司利用此技术在行业中首先推出了单相交流传导式电磁波峰焊接机系列产品（6TF系列），1982年法国也有类似的技术获得专利权；其技术主要是去掉了机械泵所有旋转的零部件（含电机）；不足之处：a、波峰打起的速度很慢,耗电量大.b、同样存在流体的不稳定性及瀑布效应，由这几种现象形成的锡渣无法减少.c、且目前电磁泵的价格比较昂贵，远不如机械泵得到应用的广泛。3〉锡渣分离装置的研究即行业中所说的锡渣还原机，其工作原理利用对装入氧化渣的滚筒加热到400℃以上并进行压缩，分开可用的焊料被收集整理并引导流入热炉中，最后成型已备再利用。不可用的废渣Sno2（即锡灰）被堆积在一用于清除和循环利用的容器中。这种设备属离线分离处理，主要利用的是物理分离法，已氧化的锡渣SnO2是不可能被还原出锡Sn的，我们看到所谓还原出来的锡，只不过是在打牢锡渣时混杂在其中的纯锡而已；大多数焊料生产厂家都采用加入P元素来改善其抗氧化性能,而经过高温分离出来的合深圳市福田区深现西路侨福大厦TEL:0755-82973531;FAX:[phone];E-mail:[e-mail]深圳市佳丽恒通科技有限公司金焊料中的抗氧化元素早已消耗完毕，内部金属含氧逐步增多而使焊料质量变差；因此这种方法处理出来的焊料非常容易氧化；利用这种锡渣分离装置即行业中所说的锡渣还原机处理锡渣，需专人操作、耗电、占用空间、噪音大，打捞、运输、储存、还原过程复杂，增加管理成本。在还原率本身就不高的情况下，减去设备占用空间的租金+储存空间的租金+员工工资+电费+设备投资等，还不如直接与厂家兑换锡条！由于易造成二次污染，又要消耗电能，在电力供应本身就很紧张的情况下，使用此类设备的可行性也将遭到质疑！因此，大多数电子制造企业都在寻求一种既可抗氧化又可将SnO2还原成Sn的化学产品。4〉抗氧化焊料的使用日本学者TadashiTakemoto等人向焊料中加入P和Ge元素进行研究，试验用合金焊料为SnAg和SnAgCu。设备为可容纳15KG的小波峰锡炉，试验温度为250℃。通过实验得到：氧化渣的重量随时间线性增加；添加少量的Ge和P可有效降低氧化渣的重量，其中P的加入可使氧化渣的重量降低到原来的50%左右。但抗氧化效果都会随时间的延长、微量元素的消耗而逐步失效。因此有了抗氧化还原剂的出现！锡渣还原剂（粉）的研究与应用由于无铅焊料中的抗氧化微量元素倾向于向熔融焊料表面凝聚并优先于Sn元素与空气中的氧结合，微量元素很快被消耗掉，焊料也就失去抗氧化的效果；流体的不稳定性及瀑布效应，及熔融焊料的翻滚造成的吸氧现象；氧化物按分配定律可部分溶解于熔融的液态焊料，同时由于溶差关系使金属氧化物向内部扩散，种种原因使焊料合金内部的含氧逐步增多；因此在熔融的焊料炉内添加一种抗氧化还原剂，使产生的氧化锡渣立即被还原而无法堆积，同时有效阻止氧化渣的进一步产生，是目前最切实可行的有效措施；因此国内外商家先后推出了锡渣（焊料氧化渣即SnO2工业中又成为锡渣）抗氧化还原剂（粉）。抗氧化还原剂必须具备的条件：a、必须符合环保要求，不影响生产场所的工作环境，不影响焊料的合金成分；b、反应后的残留物无粘性或不能飞散，不能污染PCBA的板面及现有生产设备（如波峰焊等）；c、不易燃，无腐蚀性，不改变现有生产工艺，不影响现有设备的日常维护与保养；d、用量少，还原率高，反应后的残留物易于处理，最好能通过生物降解；真正从环保的角度为企业节能、降耗。台湾某公司研究出一种锡渣还原粉，主要吸收各种杂质及氧化物，避免熔融焊锡氧化及散热损失。不足之处是烟雾大、有刺鼻的气味，使用该还原粉时必须对波峰焊设备进行改进，且反应后的残留物有粘性，冷却后变成坚硬的固体，对设备的日常维护、保养带来一定的不便，甚至有客户反映炉壁被腐蚀穿孔现象。P.Kay金属Fein-Line合伙公司研制的熔融钎料表面活性剂，据称可降低焊料成本40%-75%；不足之处是使用该还原剂是反应后的残留物有粘性，黏附在设备或PCBA上很难清理，甚至有可能堵塞喷嘴，对设备的日常维护、保养带来一定的不便，一旦不小心沾到PCB板上很难清洗掉，将影响到产品的电气性能和焊点的可靠性！且价格昂贵，降低的焊料成本与使用活性剂的成本持平。堃琦鑫华科技研发的ICHIMURA--JR07锡渣抗氧化还原剂，属高分子有机化合物，系由多种表面活性剂、润湿剂、分散剂等经科学方法复配而成；该还原剂可以将包在氧化渣里面的锡分离出来，也可以将氧化的锡（SnO2）还原成可利用的锡（Sn）；并且抗氧化还原剂中的有效成分优先于Sn元素与氧元素O2结合，明显减少熔融焊料内部的氧O2含量，防深圳市福田区深现西路侨福大厦TEL:0755-82973531;FAX:[phone];E-mail:[e-mail]深圳市佳丽恒通科技有限公司止熔融焊料进一步发生氧化，增强熔融焊料液面的流动性，有效帮助PCBA的焊接。其与氧化物的还原过程大致可视为：O2+R=OxRx；PbOx+R=Pb+OR(1)；SnOy+R=Sn+OR(2)式中：PbOx为铅氧化物，R为液体还原剂，Pb为还原铅，OR为氧化物，SnOy为锡氧化物，Sn为还原锡。其优点主要表现为：aPH值6-7为中性，不易燃，无腐蚀性，无粘性；b几乎无烟、无味，无卤素，不含任何重金属成分，符合ROHS；c优异的耐高温（燃点330℃以上）和耐挥发性能（几乎不会挥发）d不会改变焊料的有效成分；不污染PCBA，不用担心堵塞喷嘴或叶轮；e用量少，还原率高，达90%以上，有效提高产品品质及焊料的利用率；f减少熔融焊料中氧的含量，增强焊料的流动性和润湿性，有效帮助PCBA的焊接；g无需改装设备和添加人员，可在线操作，直接加入锡缸，减少锡渣打捞的量及次数；h反应后的残留物为泥状物，无粘性，易碎，可溶于水，有利于设备的日常维护与保养；i反应后的残留物可水解或通过生物降解；真正从环保的角度为企业节能、降耗。ii产品通过SGS、MSDS、SIR、STIR、切片等的测试与认证，真正属于环保节能产品。在ICHIMURA--JR07锡渣抗氧化还原剂的再生处理工艺中，成功地采用了液体覆盖化学置换反应还原法。这种还原剂为无毒的有机类材料，是可生物降解的物质，其本身和氧化物对人类和环境无害。利用液体覆盖还原处理废焊料工艺，一方面，由于温度控制在280℃以下相对较低范围，