罗道军 蔡颖颖
（中国赛宝实验室 广州 510610 ）
IKRTV摘要
本文通过对波峰焊工艺中不熔锡产生的典型案例的分析，到了一直困扰电子制造业界的不熔锡的生成机理，并给出了相应的控制对策。 前言
随着电子制造业的迅速发展，其中的关键工艺技术――SMT技术也日新月异，所使用的焊接工艺部分也越来越多的是回流焊工艺。但尽管如此，波峰焊工艺的使用仍然必不可少，特别是混装的各种主板。日前，众多的制造企业都遇到过这样类似的问题：即在波峰焊的工艺过程中，锡炉的表面浮起许多不熔化的成大块的锡渣，业界俗称“不熔锡”。这些不熔锡的特点是不论如何搅拌都不熔解，升高温度到350以上才熔化，外观上有明显的金属光泽，与传统的锡渣区别明显。这些不熔锡在锡炉的表面呈半漂浮状态，严重影响焊接的效果。而所使用的配套材料如助焊剂、焊锡条一般都符合相关验收标准，这就给业界造成了极大的困扰，笔者而常常接到客户委托解决由此产生的质量问题纠纷，因此如何查其产生的原因 并到有效的控制对策就极为重要。
1 不熔锡产生机理分析
1.1样品概况
通常的波峰焊过程的炉锡表面的锡渣产生，主要是由于焊锡在焊接高温过程中与空气中的氧发生反应生成，其次由于助焊剂及其残留物与焊锡之间的化学反应及其产物包覆造成，外观大多呈灰黑的沙砾或疏松的粘结状。本文中笔者发现的不熔锡则与传统的锡渣有较明显的区别，它有一定的金属光泽，典型样品的外观详见图1中的照片。为了便于机理与原因的分析，产生不熔锡的工艺所使用的焊锡与助焊剂也一同收集，详见图2。
图1 不熔锡典型的外观 图2 所使用的焊锡与助焊剂以及不熔锡
1.2 分析过程
1.2.1 光学显微镜分析
首先选择代表性的几块不熔锡，用显微镜对其组织结构进行仔细观察。图3就是其代 表性的外观结构，发现其结构疏松，含有黑的夹杂物以及部分大小不同的颗粒状的金属结
晶体。说明其中不但包覆有氧化物，还有一定的助焊剂残留的有机物。不熔锡的整体多成块
状，较普通的锡渣颗粒明显粗大，且不容易弄碎。为了弄清其内部结构，笔者将其与未经使
用的焊锡条一起制作金相，进一步分析其微观结构，图5～6分别是它们的金相结构。比较
其结构发现，未经使用的焊锡其结构致密均匀、没有如何夹杂物或特殊的结晶结构，而不熔
锡则很多孔洞，比表面积显然急剧增加，高温过程氧化自然严重。
图3 不熔锡典型的外观 图4 所使用的焊锡与助焊剂以及不熔锡
图5未经使用焊锡锡的典型的金相结构（×250）图6不熔锡的典型金相结构（×250）
1.2.2 化学成份分析矿泉水瓶盖
形成了大量的不熔锡，人们往往首先想到的就是焊锡质量不好，可能含有过多的杂质。为此，除了对不熔锡进行外观与金相分析以外，我们还对这些不熔锡以及未经使用的焊锡均匀取样按照国家标准进行化学组成的分析，结果见表1。从其结果看，未发现异常情况，未经使用的焊锡符合国家标准GB8012，而不熔锡的成分也符合国际标准（J-STD-001D，炉锡适用），只是使用过程中线路板或元器件引线脚上的铜的溶解造成了铜含量的增加，但也未超出0.3％重量百分比的控制标准。可见均匀取样进行的测试证明焊锡条与不熔锡在整体上其化学成分没有明显差异。
表1 未经使用的锡条与不熔锡的化学成分
序号 检测项目
实测结果，wt％
锡条 不熔锡
1 锡 (Sn) 59.8 59.5
2 锑 (Sb) 0.017 0.045
3 铅 (Pb) 余量 余量
4 铜 (Cu) 0.0008 0.21
5 银 (Ag) 0.00830.007
36xp6 铁 (Fe) 0.0063 0.008
7 锌 (Zn) 0.0002 0.0003
8 镉 (Cd) 0.0000 0.0000
茶农技艺9 砷 (As) 0.001 0.001
10 铝 (Al) 0.0005 0.0005
11 铋 (Bi) 0.0044 0.0084
中频炉炼钢
1.2.3 扫描电镜与能谱分析
由于简单的外观检查以及成分分析没有发现不熔锡产生的线索。于是笔者再使用扫描电镜（SEM）来对其结构作更细致而深入的分析，并对其中发现的异常区域使用能谱（EDS）进行微区现场分析。用SEM在不同放大辈数下进行观察，结果发现：在2000倍率下可以清晰的看到不熔锡表面有明显的针状结构，用EDS分析则证实该针状物质是氧化铝（见图8）；而在4000倍率下观察，则发现不熔锡表面有许多絮状结构的物质包覆在铅锡结构的焊料表面，对其成分进行分析后发现，该絮状物质的主要成分也为氧化铝（见图10）。而用SEM在同样的倍率下观察未经使用的正常的焊锡的表面结构，则发现明显不同（见图11），比较图9与图11就可以发现，去除图9中的絮状物质就跟图11的典型的正常的锡铅焊料的结构一致了。
图7 不熔锡的表面SEM照片（×2000） 图8 图7中针状物的能谱分析结果
图9不熔锡的表面SEM照片（×4000） 图10 图9中白絮状物的能谱分析结果
图9 典型的锡铅焊料的金相结构（SEM）【浅区域是富铅区，深区域是富锡区】
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2 不熔锡产生的机理
根据以上的对不熔锡与所使用的焊锡条的成分与结构发现的结果，就可以发现，造成不熔锡产生的机理已经非常清楚：不熔锡之所以不熔主要是其表面包覆了一层耐高温且比重很小的氧化铝，这层氧化铝则主要富集在锡渣的表面，它并没有均匀地分散在焊锡渣中，因此，当我们使用均匀取样的方式对其进行化学组成分析的时候，并没有发现铝或氧化铝超标。况且该不熔锡的结构疏松而氧化物夹杂物多，也会造成熔点明显升高。由于未经使用的焊锡条一切正常，而不熔锡中疏松且有机夹杂物不少，因此可以推断在波峰焊工艺中助焊剂的残留以及高温的氧化形成了初步的锡渣核。然后由于所焊接的PCBA组件上或夹具与制具上含有铝材，在酸性的助焊剂和焊接高温环境下，溶解到焊锡炉中，随着波峰焊的制程进行不断在锡渣核表面富集，导致不熔锡块生成并不断长大，形成现在所见的不熔锡。而本文中所提到的焊锡条的质量则没有任何问题。
3 不熔锡产生的控制对策
当我们弄清楚不熔锡产生的机理后，就很容易到控制不熔锡的办法，首先检讨我们所使用的制具与夹具，还有PCBA上所使用的零部件，尽量不使用含有铝的材料；其次，在我们采购焊锡的时候，应该按照国际和国家标准进行检测验收，并且选用抗氧化能力强的焊料，防止所用的焊锡中本身就含有
过高的铝杂质；再就是所使用的助焊剂的酸值或活性不能太强，如果必须使用活性的助焊剂，最好对其中的制具予以保护，以免产生反应带入铝杂质；最后就是焊接的温度在保证焊接质量的前提下要控制尽可能低些，以免焊料氧化加速产生过多的锡渣。
结 论
铝的带入是导致不熔锡产生的根本原因，可以通过加强对原材料与工艺过程的的管控来加以防止。一直困扰着使用波峰焊工艺的电子组装界的不熔锡问题现在已经非常清楚了，相关各方许多不必要的争执也可以停止了。事实证明许多质量问题或工艺问题，实际上是可以通过深入的研究和分析来到问题的症结，并可以很好地得到解决。
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