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摘要:三芯焊錫絲因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，焊接時(shí)助焊劑能充分釋放，減少焊錫絲飛濺，提高鋪展性，提升了焊接可靠性，比單芯焊錫絲更有優(yōu)勢。文章主要采用三孔的松香嘴，通過對(duì)合金配制、熔體工藝處理、水平連鑄、熱擠壓、輥軋及拉絲等關(guān)鍵工藝進(jìn)行了研究，并對(duì)制備的SnCu0.7三芯焊錫絲進(jìn)行了檢測，確定了生產(chǎn)SnCu0.7三芯焊錫絲的較佳生產(chǎn)工藝參數(shù)，相比傳統(tǒng)工藝，既提升了生產(chǎn)效率，又獲得了高純凈的焊料合金。此工藝生產(chǎn)的SnCu0.7三芯焊錫絲產(chǎn)品無論是在化學(xué)成分上還是性能上均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，而且SnCu0.7三芯焊錫絲產(chǎn)品斷芯率為零，避免了單芯絲因斷芯而影響焊接的問題。
焊錫絲是手工烙鐵焊接、焊接機(jī)器人、SMT焊后修補(bǔ)的重要焊接材料，廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)，家電制造業(yè)，維修業(yè)和日常生活中［1］。雖然目前在電子封裝行業(yè)大量使用的是波峰焊和SMT等自動(dòng)化技術(shù)和設(shè)備［2］，但手工軟釬焊作為PCB組裝和返修工藝中基本的工藝技術(shù)之一仍占有不可代替的一席之地［3］。隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，無鉛焊料得到了廣泛應(yīng)用［4，5］，電子元件和PCB板逐漸轉(zhuǎn)向微型化和復(fù)雜化［6，7］，對(duì)電子產(chǎn)品的質(zhì)量要求更加嚴(yán)格，特別是在焊錫絲飛濺、殘留、潤濕性和焊接可靠性方面提出了更高的要求［8～10］。目前，在焊錫絲傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝上，普遍采用單孔松香嘴擠壓技術(shù)，通過配料、熔煉、鑄錠、擠壓、輥軋、拉絲生產(chǎn)出單芯焊錫絲。此工藝比較成熟，但存在錫錠含渣多、斷芯嚴(yán)重、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。而且單芯焊錫絲主要缺點(diǎn)有三:一是外錫層過厚，焊接時(shí)需要烙鐵的表面溫度高且要更長的時(shí)間熔化，不節(jié)能;二是助焊劑一次性激烈反應(yīng)，容易導(dǎo)致飛濺等現(xiàn)象，影響焊點(diǎn)的牢固性;三是單孔松香嘴在助焊劑灌注過程中，一旦發(fā)生堵塞，則會(huì)發(fā)生焊錫絲斷芯現(xiàn)象。而無鉛三芯焊錫絲是有三個(gè)助焊劑溶劑孔且其內(nèi)注有助焊劑的焊錫絲，助焊劑獨(dú)立分開且分布更均勻，焊接時(shí)助焊劑能充分釋放，助焊劑的作用更突出，減少焊錫絲飛濺，提高鋪展性，提升了焊接可靠性［11］。因此，本文主要采用三孔的松香嘴，對(duì)合金配制、熔體工藝處理、水平連鑄、熱擠壓、輥軋及拉絲等關(guān)鍵工藝進(jìn)行了研究，并對(duì)制備的無鉛三芯焊錫絲進(jìn)行檢測，為無鉛三芯焊錫絲產(chǎn)品的生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。
1試驗(yàn)
1.1試驗(yàn)原料
本次試驗(yàn)采用的錫錠為湖南某廠生產(chǎn)的Sn99.90AA，符合GB/T728－2010;陰極銅為湖北某廠生產(chǎn)的A級(jí)銅，符合GB/T467－2010。原料的元素分析見表1。
1.2試驗(yàn)設(shè)備及分析儀器
試驗(yàn)設(shè)備為現(xiàn)有無鉛焊錫絲生產(chǎn)線，包括松香熔爐、GW750－300－1中頻爐、熔錫爐(1t)、VT－85A水平連鑄機(jī)、VT－500T擠壓機(jī)、XGG130輥軋機(jī)、VT－21Z中拉絲機(jī)、VT－21X細(xì)拉絲機(jī)和繞線機(jī)等，成分分析儀器為SPECTROMAXx(LMX06)直讀光譜儀。
1.3工藝流程及性能測試
工藝流程是首先采用中頻爐制備錫銅中間合金，再在熔錫爐中投入純錫和錫銅中間合金，升溫進(jìn)行熔體工藝處理，取樣分析合格之后便采用水平連鑄機(jī)進(jìn)行鑄造，接著進(jìn)行擠壓及灌注助焊劑、連續(xù)輥軋、水箱拉拔等工序，即可制造出無鉛三芯焊錫絲，圖1為無鉛三芯焊錫絲的生產(chǎn)工藝流程圖。按照?qǐng)D1所示的流程圖，試生產(chǎn)直徑為Φ1.0mm及助焊劑含量為2.5%的SnCu0.7無鉛三芯焊錫絲產(chǎn)品，嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20422－2018進(jìn)行產(chǎn)品成分分析和性能檢測。
2結(jié)果與討論
2.1合金配制及熔體工藝處理
投入10kg陰極銅和90kg錫錠于中頻爐內(nèi)，升高溫度至550～600℃，使金屬原料全部熔化后，加入0.5kg氯化鋅進(jìn)行攪拌20～30min，在電磁力作用下強(qiáng)烈攪拌，保證熔體成分均勻，然后靜置10min后進(jìn)行撈渣，最后進(jìn)行澆鑄成錫銅中間合金。由于錫銅中間合金生產(chǎn)工藝溫度高，加入氯化鋅能有效減少金屬的氧化。在熔錫爐中投入930kg錫錠和70kg錫銅中間合金，加熱至360～380℃，加入1kg工藝物質(zhì)A，開啟攪拌器強(qiáng)烈攪拌30min左右，促使A物質(zhì)漩入熔體內(nèi)部充分反應(yīng)，同時(shí)使熔體充分合金化，確保熔體成分均勻。在合金化過程中，溫度較高，攪拌時(shí)會(huì)吸入空氣，錫與氧容易反應(yīng)成氧化渣，懸浮在熔體中，澆鑄時(shí)會(huì)導(dǎo)致鑄錠夾雜孔洞多，表面粗糙。因此，在焊料合金熔煉過程中，要盡量減少熔體中的氧化物顆粒和殘留的氣體，所以，熔體工藝處理的主要目的是脫氣和除渣，以獲得高純凈高品質(zhì)的金屬熔體。本工藝采用的A物質(zhì)在熔體中充分反應(yīng)，脫除焊料熔體中殘留的微量O2、CO2等氣體，同時(shí)能夠吸附熔體內(nèi)部懸浮的氧化物顆粒，并帶到表面進(jìn)行撈渣去除。相比傳統(tǒng)的熔煉工藝，熔體工藝處理能夠獲得高純凈的焊料合金。
2.2水平連鑄
水平連鑄機(jī)主要是由保溫箱、成型裝置、牽引裝置、切割裝置、冷卻系統(tǒng)組成。首先，錫焊料經(jīng)熔錫爐合金化及工藝處理后把錫閥打開，合金熔液沿導(dǎo)錫管注入水平連鑄機(jī)的保溫箱內(nèi)。在保溫箱中，對(duì)合金熔液再次進(jìn)行溫度調(diào)整，以獲得最優(yōu)澆鑄溫度。然后，開啟保溫箱內(nèi)的閥門，合金熔體便注滿成型套，經(jīng)充分冷卻成直徑為Φ84mm的錫棒材。最后，錫棒材通過牽引裝置進(jìn)行拉拔到一定的長度后，切割裝置對(duì)錫棒材進(jìn)行切斷，切斷的錫棒材將輸送到料架上。整個(gè)過程可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，相比傳統(tǒng)人工澆鑄，既降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，又防止錫棒材夾渣，省去切頭和剝皮作業(yè)。水平連鑄澆鑄的錫棒外觀要求表面呈銀白色，光亮，無裂紋，無夾渣，氣孔數(shù)量不超過5個(gè)，而且單個(gè)氣孔面積不大于1mm2。工藝處理及合金化完成后，焊料熔體流入水平連鑄機(jī)的保溫箱內(nèi)進(jìn)行鑄錠作業(yè)，考察澆鑄溫度對(duì)錫棒外觀和輥軋工序的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可以看出，當(dāng)澆鑄溫度低于300℃時(shí)，合金凝固速度快，外表容易產(chǎn)生裂紋，在輥軋時(shí)錫桿易斷裂，澆鑄溫度越低越嚴(yán)重;當(dāng)澆鑄溫度高于360℃時(shí)，錫棒表面發(fā)黃，縮氣孔增多且面積增大，在輥軋時(shí)錫桿嚴(yán)重?cái)嗔?。這是由于焊料合金澆鑄溫度越高，吸收的氣體越多，合金凝固時(shí)析出，在錫棒材表面形成氣孔。因此，鑄錠溫度以320～340℃為宜。澆鑄需要特別注意釬料成分的控制，應(yīng)對(duì)爐頭、爐中和爐尾取樣進(jìn)行光譜測試，釬料偏離規(guī)定的成分容易影響釬焊質(zhì)量和焊錫絲的熔點(diǎn)。因此，在熔錫爐和保溫爐中開啟攪拌機(jī)進(jìn)行慢速攪拌，以確保焊料合金的均勻性。
2.3熱擠壓
單芯焊錫絲是采用單孔松香嘴，單孔松香嘴在助焊劑灌注過程中，一旦松香嘴堵塞，擠壓的焊錫桿都是空芯的，也就造成了焊錫絲的斷芯問題;無鉛三芯焊錫絲工藝的核心就是采用了三孔松香嘴，三孔松香嘴分散了單孔松香嘴堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，減少了斷芯的幾率。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，當(dāng)采用3×Φ1.0mm的三孔松香嘴時(shí)，助焊劑在灌注過程中不順暢，甚至出現(xiàn)助焊劑無法灌注的情況;當(dāng)采用3×Φ1.5mm的三孔松香嘴時(shí)，助焊劑可以正常灌注，不會(huì)出現(xiàn)堵塞。因此，三孔松香嘴的孔徑對(duì)助焊劑的灌注有影響，后續(xù)均采用3×Φ1.5mm的三孔松香嘴開展試驗(yàn)。擠壓過程主要是對(duì)出線模直徑、料筒溫度和擠壓速度對(duì)擠壓桿質(zhì)量的影響進(jìn)行試驗(yàn)，表3為出線模直徑、料筒溫度和擠壓速度對(duì)擠壓工序的影響結(jié)果。由表3可知，當(dāng)出線模直徑為Φ14mm時(shí)，擠壓出的無鉛三芯桿三個(gè)助焊劑孔是相連的，而當(dāng)出線模直徑為Φ12mm時(shí)，擠壓出的無鉛三芯桿三個(gè)助焊劑孔是獨(dú)立分開的，因此三孔相連或者獨(dú)立分開與出線模直徑有很大關(guān)系;擠壓速度在快速檔會(huì)造成擠壓壓力過高甚至報(bào)警，在慢速檔可以順利擠壓出無鉛三芯桿;料筒溫度太高擠壓桿容易產(chǎn)生裂紋，溫度太低跟冷料擠壓一樣，會(huì)導(dǎo)致壓力偏高。經(jīng)過多次反復(fù)生產(chǎn)試驗(yàn)，確定了采用直徑為Φ12mm的出線模，在擠壓速度為慢速，料筒溫度為85～95℃條件下，可以正常擠壓出合格的無鉛三芯桿。此外，助焊劑也是擠壓無鉛三芯焊錫桿能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵組成，助焊劑的灌注也是一道重要工序，需要嚴(yán)格控制助焊劑溫度在150±10℃，而且采取氮?dú)饧訅旱姆绞竭M(jìn)行灌注。在焊錫絲的擠壓灌芯過程中，通過調(diào)整三芯松香嘴與出線模的距離來控制助焊劑含量，在擠壓開始和結(jié)束都要取樣進(jìn)行助焊劑含量的分析。
2.4輥軋
采用XGG130輥軋機(jī)可將擠壓機(jī)擠壓出的無鉛三芯桿從Ф12mm輥軋成Ф4.4mm錫銅合金線。在輥軋錫桿時(shí)，用冷卻水噴淋輥輪和錫桿，以防止輥軋時(shí)溫度過高，助焊劑軟化而發(fā)生流動(dòng)，造成助焊劑含量不準(zhǔn)確。輥軋機(jī)的軋制變形道次具體排列順序?yàn)?12.0mm－11.2mm－10.4mm－9.8mm－9.2mm－8.6mm－8.0mm－7.5mm－7.0mm－6.5mm－6.0mm－5.5mm－5.0mm－4.4mm，經(jīng)過輥軋機(jī)14道次輥扎，軋制的錫銅合金線表面質(zhì)量高，圓度誤差小于±0.1mm。連續(xù)輥軋示意圖如圖2所示。
2.5拉絲
拉絲分為兩個(gè)階段，分別為中拉和細(xì)拉。中拉通過塔輪拉絲，可將錫桿從Ф4.4mm直接拉至Ф2.2mm的錫銅合金線。根據(jù)SnCu0.7合金桿的延展性和線徑，設(shè)計(jì)拉伸系數(shù)為0.914，16道次拉拔，拉絲模排列順序?yàn)?4.40mm－4.208mm－4.024mm－3.848mm－3.680mm－3.519mm－3.365mm－3.218mm－3.077mm－2.943mm－2.814mm－2.691mm－2.574mm－2.461mm－2.354mm－2.251mm。中拉設(shè)備為中型水箱拉絲機(jī)，采用高晶模的拉絲模具，丙二醇作為拉絲液，控制拉絲液溫度保持在60～80℃即可。細(xì)拉通過塔輪拉絲，可將錫銅合金線從Ф2.2mm直接拉至Ф1.0mm合金絲，根據(jù)實(shí)際操作情況，拉拔道次為17道次，拉絲模排列順序?yàn)?2.260mm－2.020mm－1.920mm－1.850mm－1.780mm－1.710mm－1.646mm－1.595mm－1.502mm－1.435mm－1.371mm－1.309mm－1.220mm－1.194mm－1.141mm－1.090mm－1.020mm。細(xì)拉設(shè)備為小型水箱拉絲機(jī)，拉絲模具、拉絲液及拉絲液溫度與中拉參數(shù)一致。最終得到的Ф1.0mm無鉛三芯絲表面光滑，無劃痕，下一步可以進(jìn)入繞絲和包裝工序。
2.6產(chǎn)品質(zhì)量及性能檢測
采用上述工藝流程及最佳工藝參數(shù)生產(chǎn)1t直徑為1.0mm及助焊劑含量為2.5%的SnCu0.7無鉛三芯焊錫絲產(chǎn)品。從該1t產(chǎn)品的頭、中、尾部任意取3個(gè)樣品，用型號(hào)為SPECTROMAXx(LMX06)的斯派克直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行元素分析，檢測結(jié)果見表4。性能檢測主要考察線徑、斷芯率和焊芯含量三項(xiàng)指標(biāo)，檢測結(jié)果見表5。由表4可以看出，任意抽取的3個(gè)線徑為Φ1.0mm、焊芯含量為2.5%的SnCu0.7無鉛三芯錫絲樣品，在化學(xué)成分上均符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20422－2018的要求。由表5可知，按照國標(biāo)GB/T20422－2018的要求，焊錫絲斷芯率應(yīng)小于1.5%，公稱直徑為Φ1.0mm的焊錫絲線徑范圍在Φ0.95～1.05mm之間，焊芯公稱含量為2.5%的焊錫絲焊芯含量在2.2%～2.8%之間，從測試結(jié)果看，3個(gè)樣品也符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)及測試結(jié)果表明，在最佳工藝參數(shù)條件下制得的SnCu0.7無鉛三芯焊錫絲產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而且基本上不存在斷芯現(xiàn)象。
3結(jié)論
1.無鉛三芯焊錫絲有三個(gè)助焊劑孔，助焊劑獨(dú)立分開且分布更均勻，焊接時(shí)助焊劑能充分釋放，助焊劑的作用更突出，減少焊錫絲飛濺，提高鋪展性，提升了焊接可靠性。
2.對(duì)合金配制、熔體工藝處理、水平連鑄、熱擠壓、輥軋及拉絲等關(guān)鍵工藝進(jìn)行了研究，確定了生產(chǎn)SnCu0.7無鉛三芯焊錫絲最優(yōu)工藝參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)。
3.與傳統(tǒng)單芯絲生產(chǎn)工藝相比，采用熔體工藝處理，強(qiáng)化了熔體的凈化力度，獲得高純凈的焊料合金;采用水平連鑄，既降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，又防止了錫棒材夾渣，省去了切頭和剝皮作業(yè)。
4.在最佳工藝參數(shù)條件下制備的SnCu0.7無鉛三芯焊錫絲產(chǎn)品，經(jīng)檢測均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20422－2018的要求，而且SnCu0.7三芯焊錫絲產(chǎn)品斷芯率為零，避免了單芯絲因斷芯而影響焊接的問題。
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作者：盧紅波 劉慶富 湯建所 李純敏 劉澤新 單位：云南錫業(yè)郴州礦冶有限公司高新材料分公司