实现无铅焊接

随着电子产品不断的趋向环保化，"无铅焊接"这个议题已经在过去的10年被慢慢的重视起来。相对于不厌其烦地重复讨论无铅焊接的理论、优点及缺点，我们会在这里提供一些针对手工无铅焊接的实际问题方案。

(1)无铅焊锡与传统有铅焊锡有何差别?

无铅焊锡内不含铅，且溶点比传统(63%锡+37%铅)焊锡高。
常用的无铅焊锡:
" Sn-Ag (锡+银, 96-98%锡)
" Sn-Cu (锡+铜, 96%锡)
" Sn-Ag-Cu (锡+银+铜, 93-96%锡)
" Sn-Ag-Bi (锡+银+铋, 90.5-94%锡)
" Sn-Ag-Bi-Cu (锡+银+铋+铜, 90-94%锡)

63/37有铅焊锡溶点为183℃，凝固点同样为183℃。注:此焊锡不会出现胶态[从液态冷却到固态(或相反)的温度点相同]。

60/40有铅焊锡溶点为191℃，凝固点为183℃。注:此焊锡有8℃范围形成胶态[从液态冷却到固态(或相反)所需的温度范围]。

无铅焊锡溶点范围从217℃到226℃。
　

(2)进行无铅焊接时会碰到甚么困难? 操作人员需要提供特别培训吗?

以下是一些进行无铅焊接时所遇到的问题:
i. 高温焊接会破坏一些电子组件，包括塑料连接器、继电器、发光二极管、电解电容及多层陶瓷电容
ii. 高温会使电路板弯曲，导致多层陶瓷电容损毁(常见损坏情况)
iii. 高温焊接会对组件造成热冲击
iv. 高温会使塑料组件溶解或变形
v. 高温焊接会加速氧化，影响焊锡的扩散性及润湿性
vi. 有需要使用活性较高(腐蚀性强)的助焊剂
vii. 要提供较多热量及焊接较长时间才可以达到理想的焊接效果
viii. 容易产生锡桥及虚焊，且不易修正
ix. 容易产生锡球及助焊剂飞散
x. 缩短焊咀寿命
xi. 焊点颜色会较暗淡
xii. 操作人员会感到不适应，忧虑是否需要改变焊接模式

防止对组件造成热冲击
" 保持以往传统焊锡所使用的温度来焊接
" 严格控制焊咀温度
" 使用高热回复性的焊台
" 使用大功率的焊台
" 配合焊点大少的同时，应尽量选择较大的焊咀进行焊接，因焊咀越大，设定温度可以越低，热量流失越少

帮助操作人员去适应、减少忧虑及改善焊接效果
提供特别培训给操作人员是不必要的，但当他们进行无铅焊接之前，必须要清楚了解以下几项事情:
" 进行无铅焊接时，焊咀必须要经常保持清洁，原因是相比起63/37或60/40之传统焊锡，无铅焊锡是不能够容忍杂质污染的。
" 操作人员必须愿意接受焊接模式的改变，他们需要经常清洁焊咀，而且要知道焊接时间会较使用63/37或60/40焊锡为长。

重要事项:
虽然无铅焊锡的溶点较高，但这并不代表必须要使用较高的温度来进行焊接。



(3)由于无铅焊锡的溶点较高，我们是否有必要提高焊台的焊接温度呢?

不一定需要的。提高焊接温度有可能会造成焊接困难，因为高温会加速氧化，影响溶锡的扩散性及润湿性。虽然使用某些助焊剂可以有效改善焊接效果，但是会对环境造成一定的污染，我们还是应该偏向保护环境，使用"免清洗"助焊剂的。

大多数"免清洗"助焊剂的活动时间都是很短暂的，在焊接过程中会很快进入活动期，而焊接完毕留下的残渣不带腐蚀性。但进行无铅焊接需要较长的时间，所以在还未能完全促进溶锡的扩散性及润湿性前，"免清洗"助焊剂可能已经结束他的活动期了。

最好的解决方法是使用高热回复性的焊台来进行无铅焊接。这样可以避免大幅提高焊接温度的需要。
　



(4)应该如何拆除无铅焊锡?

要拆除无铅焊锡并没有甚么特别的要求。相比起拆除传统焊锡，拆除无铅焊锡只不过是需要较长的除锡时间而已。注意: 不一定需要提高温度来拆除无铅焊锡的。

拆除无铅焊锡时，应该使用跟以往拆除传统焊锡时的温度一样，不一定要提高，因为高温会加速氧化，缩短吸咀寿命。

当使用真空吸锡鎗时，不单只吸咀与发热芯需要保持稳定的温度，且过滤管入口同样需要有足够的温度才可以避免发生焊锡堵塞的情况。QUICK201B吸锡鎗便能够有效避免此问题的发生。



(5)应用无铅焊接后，为何焊咀寿命会大幅缩短?

现今市场上大多数无铅焊锡的含锡比例都是很高的，所以我们必须要注意他们对焊咀造成的侵蚀影响。

一般焊咀结构，内部主要由铜制成，外面会镀上铁(镀铁层)，而镀铁层前端会镀上锡(镀锡层)，后端则会镀上抗氧化的铬。由于锡和铁同样属于高活动性的金属，所以他们很容易会结合成混合金属，特别是在高温的状态下。而且在焊接时所使用的助焊剂(特别是高活性的)亦是加速他们产生混合金属反应的催化剂。

图中表示当使用63/37传统焊锡时是近乎不会产生混合金属的，但当使用 锡+3.7银+0.7铜 的无铅焊锡时便会产生15微米厚度的混合金属了(图2)。

混合金属的产生速度会因应不同的焊接温度而改变。温度越高，产生速度越快，特别在400℃或以上的情况下更为明显。

进行焊接时，锡跟铁会不断产生混合反应，而由于所产生的混合金属会从焊咀镀层表面剥落，因此焊咀镀层会逐渐被侵蚀掉，继而锡会很快速地侵蚀焊咀内的铜，最后会在很短时间内造成焊咀穿洞(图4)。

不同成份的焊锡会对焊咀有不一样的侵蚀速度。图5表示 锡+0.7铜 对焊咀的侵蚀速度最快，然后是 锡+3.5银+0.75铜，锡+2银+0.75铜+3铋，而最后是 锡+37铅。

相比起传统的共晶焊锡(63/37焊锡)，在400℃的焊接温度下，无铅焊锡 锡+3.5银+0.7铜 对焊咀的侵蚀速度要快3倍，而 锡+0.7铜更加要快4倍。

除了侵蚀以外，无铅焊接还会加速焊咀氧化。

(6)如何延长焊咀寿命?

以下事项可以有效延长焊咀寿命:
i. 尽可能使用低温焊接 (360℃以下)
ii. 焊铁放回焊铁架前请先把焊咀上锡
iii. 如果焊铁不使用10分钟或以上，请关上电源

(7)何时需要开始生产无铅产品?

RoHS是欧洲议会颁布的『禁止使用有害物质』指令，禁止在电子电气设备中使用铅(Pb)、镉(Cd)、水银(Hg)、六价铬(CrVI)、聚溴联苯(PBBs)和聚溴二苯醚(PBDEs)等六种有害物质。从2006年7月1日开始，所有进入欧洲的电器/电子产品必须符合该指令。

(8)为什么焊咀表面不能上锡? 焊咀是否氧化?
o 当焊咀长时间暴露于高温状态，会容易产生锡和铁的金属间化合物，而且氧化迅速。所以焊铁不使用10分钟或以上，请关上电源。


o 焊咀是否沾满碳化助焊剂 (碳化物及助焊剂残渣是否黏附着镀铁层)?
如果焊咀沾满碳化助焊剂，焊咀便不能够溶锡把足够的热量传送到焊点上，因为焊咀是必须要透过溶锡作为媒介传送热量的。此外，焊咀镀铁层会因为溶锡不足而外露氧化，再加上锡和铁的金属间化合物氧化，焊咀便会迅速被损耗。在高温情况下会容易产生此现象，所以应尽量降低焊咀温度。
o 不良镀层所含的杂质会容易产生氧化物，所以应该选择高质量的焊咀。

(9)从传统焊接导入无铅焊接，在财政方面会带来怎样的影响?

生产成本必定会上涨，也有可能会大幅提升。无铅焊锡价格高昂，比较起传统焊接，无铅焊接便属于高成本生产工业。除了需要改用对应无铅的电路板外，有可能还需要投资购买对应无铅的各种各样设备，如回流焊炉、氮气系统、气相系统、波峰焊炉、溶锡炉等…。虽然现今生产工业普遍趋向于积极控制源料采购成本，但事实上，进行环境保护是必须要付出相对的金钱来换取的。

波峰焊接
导入无铅对波峰焊接的冲击是最大的。因为 锡+银+铜 及 锡+铜 合金是现今一般会使用的无铅焊锡，而由于铜被分解后会残留在无铅合金当中，所以使用无铅合金制成的溶槽便需要经常进行清洁保养来尽量保持使用周期。

锡+铅 焊锡所产生的混合金属化合物会浮于溶槽表面，而且容易清洁。但是 锡+铜 焊锡所产生的混合金属化合物却会沈积并散布于溶槽内，影响波峰质素。此外，溶槽的寿命周期也会因为铜的分解物质而大大降低。如果工场生产线主要属于波峰焊接类型，那么更换溶槽的经常性开支便会大大提高。

由此可见，随着无铅工艺的不继增加，越来越多的含铜物料会被使用，结果也会带来越来越多的铜质分解物黏附在溶槽内，加速损耗溶槽。

另外，因为需要使用较高的温度来进行无铅焊接，所以在能源消耗方面也会有所增加。有些工场可能会在能源消耗的开支上增加约25%。

手工焊接
无铅工艺也会增加手工焊接的生产成本。在之前的问题中已解释了为何在导入无铅焊接后，焊咀的使用寿命会大幅减少。

我们在针对此问题的方案下，改善了焊咀镀层的厚度，配合QUICK焊台强大的回热功能，作业者可以尽量使用较低的温度来进行无铅焊接。这样便能够有效减少焊咀的损耗，延长焊咀寿命。必须注意的是进行无铅焊接时，焊咀的寿命肯定比较进行传统有铅焊接的差很多。

在日常的焊接工作中，作业者可以通过经常清洁焊咀的方法来保护焊咀，延长焊咀寿命，减低生产成本。然而，这亦是只有作业者才可以控制的。