锡槽中铜含量对焊接质量影响初探
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摘要本文通过对波峰焊和热风整平（HASL）工艺锡槽中铜含量升高所导致的产品最终焊接不良问题原因的探讨，分析了铜含量升高所带来的危害及其常用的降铜处理方法。
中图分类号：TG151 文献标识码：A
Influence of Copper Content in Tin Bath to Welding Quality
LI Xiancheng
(The Three Ggorges Hydroelectric School, Chongqing 404160)
AbstractThis article through discuss the reason for the problem that the product eventually welding bad that caused by copper content rise wave soldering and hot air solder leveling (HASL), then analyses harm of copper content rising brings and common used method to deal with it.
Key wordshot air solder level tin bath; copper content; Cu6Sn5; reduce copper content
在我国电子产品生产企业中，目前因焊点质量不良导致的不良产品数量约占企业不良产品总量的60%以上，在有的企业甚至高达80%。影响焊点质量的因素很多，如焊接合金质量、生产工艺条件、PCB层压材料质量、元器件、机械负荷条件等都能导致不良焊点的产生，针对这些因素对焊点质量的影响已经有了较为成熟的分析和处理方法。但在电子产品整机生产企业与其PCB供应商之间，具有相似工艺处理环节的波峰焊和热风整平（HASL）工艺锡槽中铜含量升高所导致的产品焊接不良问题较少有人进行进一步的探讨，锡炉内的铜皆因助焊剂、锡等的浸蚀，将PCB线路上的铜日积月累地带进锡炉，成为焊锡的污染物。但在高职高专“十一五”规划教材江苏省高等学校立项精品教材中其对热风整平工艺的表述是“热风整平工艺的目的是在铜的表面生成铜锡合金（Sn6Cu5）。”笔者认为其中的表述有待商榷。
1 PCB企业热风整平工艺锡槽中铜含量升高导致焊盘可焊性不良原因分析
印制线路板在图形制作完成后，由于在其上安装分立元件并进行焊接的需要，对线路要进行可焊性镀层的镀覆，但是由于线路之间并不是全部完全导通的，用电镀法不可能在线路板上全部镀出镀层，这时只能采用浸镀(化学镀)的方法，而已经制成的线路板尤其是安装有分立元件的线路板不可能再在化学液中浸泡，这时就得采用热浸锡的方法。
热风整平工艺HASL是Hot Air Solder Level的简称，俗称喷锡。就是把印制板浸入熔融的锡焊料中，然后通过两个风刀(高压热空气)之间，用热的压缩空气将板面上和金属化孔内多余的焊料吹掉，得到平滑、光亮、厚度均匀的焊料涂覆层。实际上是把浸焊和热风整平二者结合起来，在印制板金属化孔内和印制板导线上涂覆低共熔金属焊料的工艺。在浸焊过程中铜被锡侵蚀溶入焊料中，当铜超过其在锡中的固溶度后，铜锡之间就将形成金属间化合物，一般为Cu6Sn5，随着锡槽中铜含量的升高焊料的熔点也升高，为了保证浸焊随之而来的是浸焊工艺温度的提高，导致焊盘表面的焊锡大量合金化，从而使得锡铜间化合物Cu6Sn5替代了本应该是焊料的焊锡，Cu6Sn5的熔点高达500℃，最终导致焊盘表面可焊性严重下降影响后续生产产品质量。这种情况在无铅焊接中表现尤为突出，因为无铅焊料的熔点比含铅焊料的熔点高，铜被锡侵蚀溶入焊料中的量会更大。Balver Zinn公司的无铅焊接专家Berger的研究也证明了这个事实，因此，PCB生产企业在热风整平工艺上如何控制锡槽中铜含量是其生产过程中的一个重要的工艺质量控制点。
2 电子产品整机生产企业波峰焊工艺锡槽中铜含量升高导致焊点不良原因分析
波峰焊是指将熔化的软钎焊料（铅锡合金），经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰，使预先装有元器件的印制板通过焊料波峰，实现元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。根据机器所使用不同几何形状的波峰，波峰焊系统可分许多种。波峰焊工艺是让插件板的焊接面直接与高温液态焊料接触达到焊接的目的，其高温液态焊料由特殊装置使之形成类似波峰的形状，故称为波峰焊。波峰焊工艺流程是将元件插入相应的元件孔中 预涂助焊剂 预烘（温度90-1000C，长度1-1.2m） 波峰焊（220-2400C） 切除多余插件脚 检查。波峰焊将PCB焊盘与高温液态焊料接触，焊盘的铜被锡侵蚀溶入焊料中，导致锡槽中焊料的铜含量上升，形成Cu6Sn5合金。随着锡槽中铜含量的升高焊料的熔点也升高，为了保证焊接目的随之而来的是增高锡槽的炉温，当锡炉温度升高后，铜被锡侵蚀溶入焊料中的量会更大，形成恶性循环。炉温的升高又增大了锡的氧化量，大量形成锡灰锡渣。而且当炉温升高后，高温会使助焊剂失效，因而焊接质量更难保证，缺陷增多。再者炉温的升高会使元器件失效的风险增大。即使焊上了，由于炉温的升高，焊点上的焊锡大量合金化，从而使得锡铜间化合物Cu6Sn5替代了本应该是焊料（下转第71页）（上接第46页）的焊锡，而这种Cu6Sn5合金的物理特性又比较脆，柔韧性不够，一经撞击或受外力拐曲，便会产生裂纹，造成产品质量缺省，成为形成不良产品的又一原因。
3 锡槽焊料降铜的有效途径
不管是PCB企业还是电子产品整机生产企业，锡槽中焊料铜含量的升高都会导致不良品的大量产生，那么到底焊料中铜含量达到多高就需要降铜呢？关于这个指标的理论研究还没有明确的答案，因为影响焊接质量的因素实在太多，要想排除其他因素而专注于铜含量影响的研究十分困难。根据实际生产经验锡铅焊料在铜含量超过0.3%时就需要降铜，无铅焊料在铜含量超过0.9%时就需要降铜。降铜之前要对锡槽里的焊料进行化学分析，确定焊料的成份，以便知道降铜前后的状态。降铜的途径主要有以下三种方法：
（1）在锡槽中添加不含铜的焊料，即锡铅焊接工艺添加纯锡铅焊料，无铅焊接工艺添加纯锡条。
（2）工艺除铜。除铜的方法是根据Cu6Sn5合金的熔点较高（约500℃）进行降温除铜。具体操作方法又根据使用的焊接工艺不同而不同。①锡铅焊接工艺除铜法。Sn-Pb焊料比重为8.4，Cu6Sn5合金的比重为8.28。因此可采用比重排铜法，具体的操作过程是：先把锡槽的炉温升至300℃，然后开始自然降温，当降至200℃时开始保温除铜，这时的Cu6Sn5以固态形式漂浮在锡面上，用特制的漏勺浇出即可。当炉温降至190℃时停止除铜。若需继续除铜，可重复以上过程。除铜完毕添加纯Sn-Pb焊料。②无铅焊接工艺除铜法。无铅焊料的比重一般为7.4左右，小于Cu6Sn5合金8.28的比重，Cu6Sn5不是漂浮在表面而是沉到锡槽底部，一般也是通过使用专门设计的漏勺从锡槽底部捞出金属间化合物。具体操作方法是：先把锡槽的炉温升至300℃，然后开始自然降温，当降至235℃时开始保温除铜，用漏勺轻轻将锡槽底部的Cu6Sn5结晶体捞出，注意，Cu6Sn5结晶体为针状易碎物，用漏勺捞时动作幅度要小，否则Cu6Sn5结晶体会被振碎而无法捞出。当炉温降至233℃时停止除铜，若需继续除铜，可重复以上过程。除铜完毕添加纯Sn焊料。
（3）添加焊锡除铜剂。直接添加焊锡除铜剂是最近出现的一种锡槽除铜方法，可将焊锡内的铜提纯抽出，而使焊锡回归到原来的标准，湿润性大增，使焊工成为零缺陷。其除铜机理不详，除铜效果和对焊接质量的影响也没有太多的统计数据进行佐证。
无论在PCB生产企业还是在电子产品成品生产企业中，在质量控制体系里都要求控制锡槽中铜的含量，因为锡槽中铜含量的升高引起Cu6Sn5合金的大量产生，如果对此不加以关注不良品率就会出现大幅上升。由此可见，热风整平工艺的真正目的是保护PCB焊盘不被氧化，提高PCB的可焊性。
参考文献
[1]王钧铭;金鸿,陈森编.印制电路技术.化学工业出版社.