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无铅三芯焊锡丝生产工艺

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摘要:三芯焊锡丝因其独特的结构特征,焊接时助焊剂能充分释放,减少焊锡丝飞溅,提高铺展性,提升了焊接可靠性,比单芯焊锡丝更有优势。文章主要采用三孔的松香嘴,通过对合金配制、熔体工艺处理、水平连铸、热挤压、辊轧及拉丝等关键工艺进行了研究,并对制备的SnCu0.7三芯焊锡丝进行了检测,确定了生产SnCu0.7三芯焊锡丝的较佳生产工艺参数,相比传统工艺,既提升了生产效率,又获得了高纯净的焊料合金。此工艺生产的SnCu0.7三芯焊锡丝产品无论是在化学成分上还是性能上均达到标准要求,而且SnCu0.7三芯焊锡丝产品断芯率为零,避免了单芯丝因断芯而影响焊接的问题。

关键词:无铅;三芯焊锡丝;断芯;松香嘴

焊锡丝是手工烙铁焊接、焊接机器人、SMT焊后修补的重要焊接材料,广泛应用于电子工业,家电制造业,维修业和日常生活中[1]。虽然目前在电子封装行业大量使用的是波峰焊和SMT等自动化技术和设备[2],但手工软钎焊作为PCB组装和返修工艺中基本的工艺技术之一仍占有不可代替的一席之地[3]。随着电子工业的快速发展,无铅焊料得到了广泛应用[4,5],电子元件和PCB板逐渐转向微型化和复杂化[6,7],对电子产品的质量要求更加严格,特别是在焊锡丝飞溅、残留、润湿性和焊接可靠性方面提出了更高的要求[8~10]。目前,在焊锡丝传统生产工艺上,普遍采用单孔松香嘴挤压技术,通过配料、熔炼、铸锭、挤压、辊轧、拉丝生产出单芯焊锡丝。此工艺比较成熟,但存在锡锭含渣多、断芯严重、劳动强度大、生产效率低等缺点。而且单芯焊锡丝主要缺点有三:一是外锡层过厚,焊接时需要烙铁的表面温度高且要更长的时间熔化,不节能;二是助焊剂一次性激烈反应,容易导致飞溅等现象,影响焊点的牢固性;三是单孔松香嘴在助焊剂灌注过程中,一旦发生堵塞,则会发生焊锡丝断芯现象。而无铅三芯焊锡丝是有三个助焊剂溶剂孔且其内注有助焊剂的焊锡丝,助焊剂独立分开且分布更均匀,焊接时助焊剂能充分释放,助焊剂的作用更突出,减少焊锡丝飞溅,提高铺展性,提升了焊接可靠性[11]。因此,本文主要采用三孔的松香嘴,对合金配制、熔体工艺处理、水平连铸、热挤压、辊轧及拉丝等关键工艺进行了研究,并对制备的无铅三芯焊锡丝进行检测,为无铅三芯焊锡丝产品的生产提供数据支撑。

1试验

1.1试验原料

本次试验采用的锡锭为湖南某厂生产的Sn99.90AA,符合GB/T728-2010;阴极铜为湖北某厂生产的A级铜,符合GB/T467-2010。原料的元素分析见表1。

1.2试验设备及分析仪器

试验设备为现有无铅焊锡丝生产线,包括松香熔炉、GW750-300-1中频炉、熔锡炉(1t)、VT-85A水平连铸机、VT-500T挤压机、XGG130辊轧机、VT-21Z中拉丝机、VT-21X细拉丝机和绕线机等,成分分析仪器为SPECTROMAXx(LMX06)直读光谱仪。

1.3工艺流程及性能测试

工艺流程是首先采用中频炉制备锡铜中间合金,再在熔锡炉中投入纯锡和锡铜中间合金,升温进行熔体工艺处理,取样分析合格之后便采用水平连铸机进行铸造,接着进行挤压及灌注助焊剂、连续辊轧、水箱拉拔等工序,即可制造出无铅三芯焊锡丝,图1为无铅三芯焊锡丝的生产工艺流程图。按照图1所示的流程图,试生产直径为Φ1.0mm及助焊剂含量为2.5%的SnCu0.7无铅三芯焊锡丝产品,严格按照国家标准GB/T20422-2018进行产品成分分析和性能检测。

2结果与讨论

2.1合金配制及熔体工艺处理

投入10kg阴极铜和90kg锡锭于中频炉内,升高温度至550~600℃,使金属原料全部熔化后,加入0.5kg氯化锌进行搅拌20~30min,在电磁力作用下强烈搅拌,保证熔体成分均匀,然后静置10min后进行捞渣,最后进行浇铸成锡铜中间合金。由于锡铜中间合金生产工艺温度高,加入氯化锌能有效减少金属的氧化。在熔锡炉中投入930kg锡锭和70kg锡铜中间合金,加热至360~380℃,加入1kg工艺物质A,开启搅拌器强烈搅拌30min左右,促使A物质漩入熔体内部充分反应,同时使熔体充分合金化,确保熔体成分均匀。在合金化过程中,温度较高,搅拌时会吸入空气,锡与氧容易反应成氧化渣,悬浮在熔体中,浇铸时会导致铸锭夹杂孔洞多,表面粗糙。因此,在焊料合金熔炼过程中,要尽量减少熔体中的氧化物颗粒和残留的气体,所以,熔体工艺处理的主要目的是脱气和除渣,以获得高纯净高品质的金属熔体。本工艺采用的A物质在熔体中充分反应,脱除焊料熔体中残留的微量O2、CO2等气体,同时能够吸附熔体内部悬浮的氧化物颗粒,并带到表面进行捞渣去除。相比传统的熔炼工艺,熔体工艺处理能够获得高纯净的焊料合金。

2.2水平连铸

水平连铸机主要是由保温箱、成型装置、牵引装置、切割装置、冷却系统组成。首先,锡焊料经熔锡炉合金化及工艺处理后把锡阀打开,合金熔液沿导锡管注入水平连铸机的保温箱内。在保温箱中,对合金熔液再次进行温度调整,以获得最优浇铸温度。然后,开启保温箱内的阀门,合金熔体便注满成型套,经充分冷却成直径为Φ84mm的锡棒材。最后,锡棒材通过牵引装置进行拉拔到一定的长度后,切割装置对锡棒材进行切断,切断的锡棒材将输送到料架上。整个过程可以完全实现自动化操作,相比传统人工浇铸,既降低劳动强度,提高生产效率,又防止锡棒材夹渣,省去切头和剥皮作业。水平连铸浇铸的锡棒外观要求表面呈银白色,光亮,无裂纹,无夹渣,气孔数量不超过5个,而且单个气孔面积不大于1mm2。工艺处理及合金化完成后,焊料熔体流入水平连铸机的保温箱内进行铸锭作业,考察浇铸温度对锡棒外观和辊轧工序的影响,试验结果见表2。由表2可以看出,当浇铸温度低于300℃时,合金凝固速度快,外表容易产生裂纹,在辊轧时锡杆易断裂,浇铸温度越低越严重;当浇铸温度高于360℃时,锡棒表面发黄,缩气孔增多且面积增大,在辊轧时锡杆严重断裂。这是由于焊料合金浇铸温度越高,吸收的气体越多,合金凝固时析出,在锡棒材表面形成气孔。因此,铸锭温度以320~340℃为宜。浇铸需要特别注意钎料成分的控制,应对炉头、炉中和炉尾取样进行光谱测试,钎料偏离规定的成分容易影响钎焊质量和焊锡丝的熔点。因此,在熔锡炉和保温炉中开启搅拌机进行慢速搅拌,以确保焊料合金的均匀性。

2.3热挤压

单芯焊锡丝是采用单孔松香嘴,单孔松香嘴在助焊剂灌注过程中,一旦松香嘴堵塞,挤压的焊锡杆都是空芯的,也就造成了焊锡丝的断芯问题;无铅三芯焊锡丝工艺的核心就是采用了三孔松香嘴,三孔松香嘴分散了单孔松香嘴堵塞的风险,减少了断芯的几率。经过反复试验,当采用3×Φ1.0mm的三孔松香嘴时,助焊剂在灌注过程中不顺畅,甚至出现助焊剂无法灌注的情况;当采用3×Φ1.5mm的三孔松香嘴时,助焊剂可以正常灌注,不会出现堵塞。因此,三孔松香嘴的孔径对助焊剂的灌注有影响,后续均采用3×Φ1.5mm的三孔松香嘴开展试验。挤压过程主要是对出线模直径、料筒温度和挤压速度对挤压杆质量的影响进行试验,表3为出线模直径、料筒温度和挤压速度对挤压工序的影响结果。由表3可知,当出线模直径为Φ14mm时,挤压出的无铅三芯杆三个助焊剂孔是相连的,而当出线模直径为Φ12mm时,挤压出的无铅三芯杆三个助焊剂孔是独立分开的,因此三孔相连或者独立分开与出线模直径有很大关系;挤压速度在快速档会造成挤压压力过高甚至报警,在慢速档可以顺利挤压出无铅三芯杆;料筒温度太高挤压杆容易产生裂纹,温度太低跟冷料挤压一样,会导致压力偏高。经过多次反复生产试验,确定了采用直径为Φ12mm的出线模,在挤压速度为慢速,料筒温度为85~95℃条件下,可以正常挤压出合格的无铅三芯杆。此外,助焊剂也是挤压无铅三芯焊锡杆能否顺利进行的关键组成,助焊剂的灌注也是一道重要工序,需要严格控制助焊剂温度在150±10℃,而且采取氮气加压的方式进行灌注。在焊锡丝的挤压灌芯过程中,通过调整三芯松香嘴与出线模的距离来控制助焊剂含量,在挤压开始和结束都要取样进行助焊剂含量的分析。

2.4辊轧

采用XGG130辊轧机可将挤压机挤压出的无铅三芯杆从Ф12mm辊轧成Ф4.4mm锡铜合金线。在辊轧锡杆时,用冷却水喷淋辊轮和锡杆,以防止辊轧时温度过高,助焊剂软化而发生流动,造成助焊剂含量不准确。辊轧机的轧制变形道次具体排列顺序为: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,经过辊轧机14道次辊扎,轧制的锡铜合金线表面质量高,圆度误差小于±0.1mm。连续辊轧示意图如图2所示。

2.5拉丝

拉丝分为两个阶段,分别为中拉和细拉。中拉通过塔轮拉丝,可将锡杆从Ф4.4mm直接拉至Ф2.2mm的锡铜合金线。根据SnCu0.7合金杆的延展性和线径,设计拉伸系数为0.914,16道次拉拔,拉丝模排列顺序为: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。中拉设备为中型水箱拉丝机,采用高晶模的拉丝模具,丙二醇作为拉丝液,控制拉丝液温度保持在60~80℃即可。细拉通过塔轮拉丝,可将锡铜合金线从Ф2.2mm直接拉至Ф1.0mm合金丝,根据实际操作情况,拉拔道次为17道次,拉丝模排列顺序为: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。细拉设备为小型水箱拉丝机,拉丝模具、拉丝液及拉丝液温度与中拉参数一致。最终得到的Ф1.0mm无铅三芯丝表面光滑,无划痕,下一步可以进入绕丝和包装工序。

2.6产品质量及性能检测

采用上述工艺流程及最佳工艺参数生产1t直径为1.0mm及助焊剂含量为2.5%的SnCu0.7无铅三芯焊锡丝产品。从该1t产品的头、中、尾部任意取3个样品,用型号为SPECTROMAXx(LMX06)的斯派克直读光谱仪对其进行元素分析,检测结果见表4。性能检测主要考察线径、断芯率和焊芯含量三项指标,检测结果见表5。由表4可以看出,任意抽取的3个线径为Φ1.0mm、焊芯含量为2.5%的SnCu0.7无铅三芯锡丝样品,在化学成分上均符合国家标准GB/T20422-2018的要求。由表5可知,按照国标GB/T20422-2018的要求,焊锡丝断芯率应小于1.5%,公称直径为Φ1.0mm的焊锡丝线径范围在Φ0.95~1.05mm之间,焊芯公称含量为2.5%的焊锡丝焊芯含量在2.2%~2.8%之间,从测试结果看,3个样品也符合国家标准要求。试验及测试结果表明,在最佳工艺参数条件下制得的SnCu0.7无铅三芯焊锡丝产品符合标准要求,而且基本上不存在断芯现象。

3结论

1.无铅三芯焊锡丝有三个助焊剂孔,助焊剂独立分开且分布更均匀,焊接时助焊剂能充分释放,助焊剂的作用更突出,减少焊锡丝飞溅,提高铺展性,提升了焊接可靠性。

2.对合金配制、熔体工艺处理、水平连铸、热挤压、辊轧及拉丝等关键工艺进行了研究,确定了生产SnCu0.7无铅三芯焊锡丝最优工艺参数,并实现了工业化稳定生产。

3.与传统单芯丝生产工艺相比,采用熔体工艺处理,强化了熔体的净化力度,获得高纯净的焊料合金;采用水平连铸,既降低劳动强度,提高生产效率,又防止了锡棒材夹渣,省去了切头和剥皮作业。

4.在最佳工艺参数条件下制备的SnCu0.7无铅三芯焊锡丝产品,经检测均达到国家标准GB/T20422-2018的要求,而且SnCu0.7三芯焊锡丝产品断芯率为零,避免了单芯丝因断芯而影响焊接的问题。

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作者:卢红波 刘庆富 汤建所 李纯敏 刘泽新 单位:云南锡业郴州矿冶有限公司高新材料分公司

无铅三芯焊锡丝生产工艺责任编辑:张雨    阅读:人次