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无铅HASL工艺的优化

放大字体  缩小字体 发布日期:2013-01-16  浏览次数:141

无铅HASL工艺中最大的麻烦,是设备使用过程中锡槽的沉铜堵塞问
题。在为HASL工艺提供支持期间,Berger一直处理Cemco、Pentagal、
Laif和Lantronic等公司的生产设备。他发现,在所有车间中,问题都是
一样的。随着铜成分的增加,焊料的熔化温度会提高,进而工艺温度
也会相应地提高。Berger的建议是铜成分的目标水平应该在0.9%左右。

 

最近的学术研究报告也支持Berger所提出的建议,对锡铜合金焊料来
说,0.9%比传统上认为的0.7%更接近实际(见图1)。他认为,在
Balver Zinn近年来对客户HASL 锡槽进行的5,600次分析中,铜成分的高
斯曲线峰值只是略高于这一水平,与此表现得出奇地一致(见图2)。

 

 


控制锡槽中铜成分的方法

HASL工艺的典型工作温度范围约为265~275°C,根据Berger的经验,这
个温度范围可以用于几乎所有实际生产的层压板。在这个温度下,即
使是CEM1,也没有分层劣化的问题。但是,要求的工艺温度的确随着
锡槽中铜成分的升高而提高。例如,对于锡铜镍合金(SN100CL),如果
铜成分比最优值1.2%高出0.3%,那么焊接温度必须提高到285°C。如果
锡槽中铜含量达到了这种水平,可以通过以下两种方式之一使其降到
0.9%左右:

选择1:加入不含铜的焊料合金,降低锡槽中铜的含量。

选择2:使用所谓的“冻干”方法。在锡铅共晶焊料(63%锡/37%铅) 温度
降至大约190°C时(约比183°C熔点温度高7°C),熔解中的锡铜金属间
化合物(Cu6Sn5)会“冻干”。在高密度含铅焊料中,这种金属间化合物一
般会漂浮在熔融焊料的表面,可以使用漏勺撇出。

 


无铅工艺下的除铜

对无铅焊接,情况略有不同,但仍可使用这种“冻干” 方法。由于无铅
焊料的密度约比锡铅共熔焊料低10%,因此,锡铜金属间化合物不是
漂浮在表面而会沉到锡槽底部。然而,通过使用专门设计的漏勺,也
可以从锡槽底部捞出金属间化合物;但是,这时靠的是感觉而不是视
觉。

Berger把这种方法称为“清除井里的沙子”。为了对锡铜镍合金
(SN100CL)除铜,他建议把温度降低到大约235°C(约比熔点温度高8°C)
,允许锡槽停工至少两个小时,最好是一整夜。这时,大部分合金仍
处于熔化状态,可以使用适当设计的工具,从锡槽的底部捞出沉淀的
金属间化合物(见图3)。这个过程一直持续到再不能捞出任何沉淀的金
属间化合物为止。

通过这种方式,锡槽的铜成分可以降低到大约0.9%,锡槽恢复到最优
的工艺温度。根据生产线处理层压板的区域状况,可能必须每天或每
周进行一次这种去铜工艺。

方式2的优势是材料的成本非常低。根据Berger的锡槽分析记录,锡槽
中的成分更加稳定(见图4)。

 


合金成分分析是关键

在进行任何去铜工序前,应对正确获得的样本进行化学分析,确定锡
槽中的焊料成分,以便知道开始时的状态。在锡槽去铜后恢复到正常
工艺温度时,还应进行抽样分析。PCB制造商有权要求焊料供应商提
供这种免费分析服务。如果化学分析经常出错,很难获得所要求的数
据以改善锡槽管理工艺。

在讨论铜成分管理中, 还有一个助焊剂的问题。Berger认为,如果锡
槽中的铜含量太高,助焊剂起不到太大的实际作用。当然,选择合适
的助焊剂的确很重要,我们将在今后的文章中加以讨论。

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对Leiter Platten Service Station公司Hubert Brautmeier的采访

 

Salzkotten PCB服务站首席代表Hubert Brautmeier承认,事实上,如果不
提高工艺温度,那么是不可能切换到无铅 HASL合金的。六年来,他的
公司一直使用Balver Zinn SN100CL,在PCB中应用无铅 HASL表面处理
工艺。到目前为止,Brautmeier的公司已经对大约600,000平方米的PCB
进行了无铅HASL表面处理。

回首过去,Hubert Brautmeier说,“在前期遇到困难及与客户进行多次讨
论后,无铅 HASL工艺现在非常稳定。为持续降低成本,在Thomas
Berger的支持下,我们进行了很多次锡槽分析,并不断根据分析结果进
行工艺优化。必须对每个工艺操作员进行认真指导,及时对工艺参数进
行微调。此外,我们的设备供应商必须对机器进行某些调节。特别需要
强调的是,实际工艺温度必须非常准确,这一点非常重要。最后,必须
在清洗前和清洗后进行调节,以实现最优效果。”

由于对无铅HASL表面处理的需求不断增加,Brautmeier计划投资设立另
一家能够提供这种服务的公司。

 
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