| RoHS时期中的焊接工作 |
|
| 2007-02-07 |
电子设备在日常生活的所有领域内发挥越来越大的作用。结果，废弃和多余的电子设备和部件不断增加。欧盟的成员国每年产生超过6百万吨的电子废物。而许多电子和电气用具却含有铅、汞和镉之类的有毒物质。
欧洲议会和欧盟理事会代表欧盟各国政府在2002年颁布两个指令2002/95/EC和2002/96/EC，它们分别以RoHS和WEEE表示。有关“电气和电子设备废气物”的指令要求制造商有责任在它们制造的设备上标明要回收旧的用具，尽可能循环再造，以及准备好要废置的剩余废物。
制造新用具时禁止使用某些指定的有害物质可以避免损坏环境和人体健康，于是还出现弃置废物方法的问题。正是为了这个目的，采用RoHS（在电气和电子设备中限制使用某些有害物质）的法规限制使用指定的有害物质。这些法规不仅针对铅（它是焊料的重要成分，在很大程度上确定焊料的特性），而且还涉及汞和镉以及用在电缆和外盒的其他物质。欧盟各成员国正在把这些法规制订成各国的法律。
千分之一的限制
2006年7月1日是电子设备开发商和制造商的重要日子：这是有害物质的禁令开始生效的日期。从那时起，就不再容许不符合RoHS（亦即含有禁用物质）的电气和电子设备进入市场。为了在技术上和经济上可以把材料提供和分析，人们规定一个界限，如果一种材料含有某种物质的数量低于该界限，就可以认为该材料“没有”该物质：例如，焊料中含有的铅低于其重量的0.1%，从RoHS方面来看，就可以认为这种焊料是“无铅”的。
这些界限适用于可能用来制作设备的所有“单一性”材料。（“单一性”是指这些材料只可以用化学方法而不可以用机械方法分解的。）例如用来制作外盒，电路板的铜迹线，焊料等等的金属。因此，不仅是设备，而且设备中所用的电路板和元件都必须符合RoHS的。举个例说，如果所用焊料的铅含量多于最大的容许数量，整个设备就不再可以合法销售。不过，不符合法规的元件和印刷电路板在2006年7月1日以后却可以用作在该关键日期之前已经出售的设备的零部件或维修器件。在2010年之前，含铅的焊料还可以用在伺候器和储存系统以及各种通讯设备。在军用设备中还可以获得全面豁免。
原则上，这些法规是针对电气设备和电子设备的制造商，但却在某种程度上影响到生产链和销售链中的所有参与者。必须有新的无铅元件和制作方法。开发商和制造要应付这些法规都要面临新的挑战。另一方面，最终使用者却看不见什么改变。纯粹为自己使用而不是投入市场所制作的电路或设备仍然可以使用旧元件和含铅的焊料。
购买和设计
RoHS指令对于选择元件有双重影响，因为组装车间和制造商可能不再使用熔点特别低（183oC）的含铅焊料。这就是说，通常必须采用较高的焊接温度。可惜的是宣称符合RoHS的元件并不能得出能够抵受较高焊接温度的结论。符合RoHS只说明引线的表面镀层是不含铅的锡。主要元件包括电解质电容、采用球形栅格阵列封装的器件，以及表面安装型连接器在内。购买新型号元件时应慎重考虑。在经销商的网页上可以找到有关这问题的更多资料（见图1）。
在大批量生产的环境中，人们认为一步到位地完全改变所有元件的类型是最好的处理方法。当然，这需要大量研究新的元件、重新设计，以及试验新焊接方法。在这方面，可以通过工业协会和小组学习其他人的经验。ZVEI（德国电气和电子工程工业的中央协会）已经公布无铅焊接的指引，可从网页www.zvei.org/fileadmin/user_upload/Technik_Umwelt/Elektro_ElebtronikalLgeraete/Bleifrei/Leitfaden/Lf-Blei-En.pdf免费下载。通常，并不需要显著改变印刷电路板的布局，例如加大焊片的尺寸以及铜面积之间的距离。不过，较大的元件和较大的迹线必须有垫焊片才可以获得最佳的焊接。
波峰焊
在工业中，最经常采用波峰焊的方法焊接通孔元件。这种方法把印刷电路板通过熔锡槽，槽内利用喷咀产生波浪。
如果在转换到无铅加工方法时，不想完全更换焊接设备时，那就需要修改现有设备。新设备中的储存容器和泵系统的表面已经有镀层可以抵受更具侵蚀性的合金；必须相应地修改旧设备。
如果以具有较高熔点的其他金属代替铅，那就必须提高焊接温度。直至目前为止，大约230oC的温度是适合的，这时焊锡槽必须高达260oC以下的温度下工作。这时，预热温度通常发挥更重要的作用：大元件具有较高的热容量，必须加以检查和适当加热以免出现故障或者损坏。
市场上有过多的焊接合金，通常熔点为217oC的SuAgCu（铅、银、铜）合金是最受欢迎的，因而使用这种合金已经有足够的经验。使用纯锡合金可能会出现晶须，SuAgCu合金就可以避免出现这些问题。这些晶须是在焊接点形成的焊料细丝，可能造成不希望出现的短路。
使用无铅合金时，必须不时取样一直监测焊料槽内的内含物质，因为铜的含量有增加的趋势。当铜含量达到关键的数值时，焊料可能流动过快而导致不满意的结果。可以根据测试结果，在槽内的焊料加添锡银合金、纯锡，或者锡银铜合金。
回流焊
和波峰焊的情况一样，回流炉（见另文）也需要修改或者改用新的设备。修改工作通常要根据加工过程中涉及的较高温度采用更强的加热系统和提高热绝缘。必须提防焊锡搭桥的出现：焊锡搭桥是在焊料加速氧化时出现的，可以使用惰性气体避免出现这种情况（见图2）。在大批量生产时，使用惰性气体是必不可少的。
有名的制造商提供一些无铅焊膏。试验时，可以使用标准的无铅焊接温度曲线，通常这样做可以让90%的元件都有好的结果。可用的温度曲线数目可以是相当大的，在很大程度上和产品的范围有关。
人手焊接
要进行修理和人手焊接，变换工作是简单和容易的：只须提高焊接工作站的温度。无锡焊料会比较快地腐蚀烙铁尖，不过维修公司并没表示所用的烙铁尖会显著增加。但是，有些制造商已经推出新的产品，例如用银制成烙铁尖以改善热传导。在有些实例中，电路板散热太快时，使用热空气加热可以获得较好的结果。
无铅焊接需要经过一段时间才会习惯。焊口不像使用含铅焊料形成的焊口那么光亮，而且外表有多孔的表面（见图3）。没有铅的焊口会比较厚和比较坚硬，而且有不同的形状（见图4）。因此，外表不会令人满意的焊口很可能是非常好的。这就需要对焊口的质量控制有新的指引，见IPC（以前的“电子电路内部连接和封装研究所”）提出的文件“IPCA-610D”（请看www.leadfree.org）
展望
在适中的时间之后，人们就不再需要两套元件储存库和两套焊接工作站。除了现有的制造商和电子维修公司之外，还会设立适当的公司为不受规程管制的设备提供维修设施以及材料和生产能力。
对于业余爱好者来说，转换到无铅体制意味着要选择各式各样的新焊料、助焊剂和元件。同时，各式各样的含铅材料就会在市场上消失。不过，预计在短时间到适中时间之内，含铅元件还是容易找到的，因为剩余物质还是会在市场上出现。
回流焊
虽然使用细的烙铁尖；细的焊料，采用球形网格阵列封装的元件仍然可以用人手焊接大部分“普通”的表现安装型之元件，可是片状封装和类似封装的元件仍然只能利用机器焊接。回流焊的加工方法是可靠的方法。这种方法把焊膏涂在电路板上元件安放的焊片上，当然焊膏可能是无铅的。然后把元件放在印刷电路板上而使其连接点陷入焊膏之中。这时，可以在回流炉中焊接连接点。这种加工方法分为五个受到精确控制的阶段进行。
阶段1称为“预热阶段”。回流炉中的温度逐渐上升至125oC左右。温度必须慢慢上升，否则就可能在焊膏中形成气泡。阶段2是“均热阶段”或者“激活阶段”。在这个阶段，温度非常缓慢地升至175oC左右。这时，焊膏受到激活，助焊剂变为液态而流过焊片。
电路板和元件经过均热处理之后，就进入阶段3“回流阶段”。温度较快地升至锡的熔点之上而使焊膏的锡熔化，因而进入实际的焊接过程。如果采用含铅焊料，预定温度大约是220oC至240oC；如果采用无铅焊料，该温度就必须增至250oC至260oC之间。在阶段4——“静态阶段”，焊接温度保持固定不变约几秒钟之久。焊膏中含有的锡粒子熔化而移动焊膏的其他元件。这时，在电路板上的元件连接点和焊片之间只有熔化的锡，因而把它们固定在一起。在静态之后15至25秒，就进入阶段5——“冷却阶段”，组装好的电路板逐渐冷却到室温。 |
|
|
|
