錫渣的形成
1〉,
錫渣畢林-彼德沃爾斯(Pilling-Bedworth)〈1〉理論表明:金屬氧化膜是否緻密完整是抗氧化的關鍵,而氧化膜是否緻密完整主要取決於金屬氧化後氧化物的體積要大於金屬氧化前金屬的體積;熔融金屬的表面被緻密而連續氧化膜覆蓋,阻止氧原子向內或金屬離子向外擴散,使氧化速度變慢.氧化膜的組成和結構不同,其膜的生長速度和生長方式也有所不同;熔融SnCu0.7和Snpb37合金從260℃以同等條件冷卻凝固後,SnCu0.7的表面很粗糙,Snpb37的而表面較細膩.從這一角度反映了液態SnCu0.7合金氧化膜得緻密完整度較Snpb37要差.
哈佛大學的AlexeiGrigoriev〈2〉等人用99.9999%的純錫樣本放置在坩堝中,並在超低真空下加熱到240℃,然後向其中充純氧,通過X光線衍射,反射及散射觀察熔融Sn的氧化過程.他們在研究中發現,在沒到達氧化壓之前,熔融錫液具有抗氧化能力.壓力達到4×10－4Pa至8.3×10－4Pa範圍時,氧化開起發生.在這個氧分壓界限上,觀察到了在熔融錫表面氧化物"小島"的生長.這些小島的表面非常粗糙,並且從清潔錫表面的X射線鏡面反射信號一致減少,這種現象可以證明氧化碎片的存在.表面氧化物的X射線衍射圖案不與任何已知的Sn氧化物相相匹配,而且只有兩個Bragg峰出現,它的散射相量是√3/2,並觀察到強度很明確的面心立方結構.通過切向入射掃描(GID)測量了熔融液態錫表面結構,並與已知錫氧化物進行比較.可以說熔融液態錫在此溫度和壓力情況下,在純氧中的氧化物相結構不同於SnO或SnO2.
另外,不同溫度下SnO2與PbO的標準生成自由能不同,前者生成自由能低,更容易產生,這也在一定程度上解析了為什麽無鉛化以後氧化渣大量的增加.表一列出了氧化物的生成Gibbs自由能,可以看出SnO2比其他氧化物更易生成.通常靜態熔融焊錫的氧化膜為SnO2和SnO的混合物. 氧化物按分配定律可部分溶解於熔融的液態焊料,同時由於溶差關係使金屬氧化物向內部擴散,內部金屬含氧逐步增多而使焊料質量變差,這在一定程度上可以解釋為何經過高溫提煉(或稱還原)出來的合金金屬比較容易氧化,且氧化渣較多;氧化膜的組成,結構不同,其膜的生常速度,生長方式和氧化物在熔融焊料中的分配係數將會有很大差異,而這又和焊料的組成密切相關.此外,氧化還和溫度,氣相中氧的分壓,熔融焊料表面對氧的吸收和分解速度,表面原子和氧原子的化合能力,表面氧化膜的緻密度,以及生成物的溶解,擴散能力等有關.
2〉,動態熔融焊料的氧化波峰焊接過程中廣泛使用雙波峰,第一個波峰為汌流波峰,其波面寬度比較窄,熔融焊料流速比較快;第二個波峰為層流波,波面平整穩定,如一面鏡子,流速較慢.波的表面不斷有新的熔融焊料與氧接觸,氧化渣是在熔融焊料快速流動時形成的,它與靜態氧化有很大的不同,動態時形成的焊料渣有三種形態:
a,表面氧化膜錫爐中的熔融焊料在在高溫下,通過其在空氣中的暴露面和氧相互接觸發生氧化.這種氧化膜主要形成於錫爐中相對靜止的熔融焊料表面呈皮膜狀,主要成分是SnO.只要熔融焊料表面不被破壞,它就能起到隔絕空氣的作用,保護內層熔融焊料不被繼續氧化.這種表面氧化膜通常占氧化渣量的10%左右.
b,黑色粉末這種粉末的顆粒都很大,產生於熔融焊料的液面和機械泵軸的交界處,在軸的周圍呈圓形分布並堆積.軸的高速鏇轉會和熔融焊料發生摩擦,但由於熔融焊料的導熱性很好,軸周圍熔融焊料的溫度並不比其它區域的溫度高.黑色粉末的形成並不是應為摩擦溫度的升高所致,而是軸鏇轉造成周圍熔融焊料面的漩渦,氧化物受摩擦隨軸運動而球化.同時摩擦可造成焊料顆粒的表面能升高而加劇氧化;約占氧化渣量的20%左右.
C,氧化渣機械泵波峰發生器中,存在著劇烈的機械攪拌作用,在熔融焊料槽內形成劇烈的漩渦運動,再加上設計的不合理造成的熔融焊料面的劇烈翻滾.這些漩渦和翻滾運動形成的吸氧現象,空氣中的氧不斷被吸入熔融焊料內部.由於吸入的氧有限,不能使熔融焊料內部的氧化過程進行得像液面那樣充分,因而在熔融焊料內部產生大量銀白色沙粒狀(或稱豆腐渣狀)的氧化渣.這種渣的形成較多,氧化發生在熔融焊料內部,然後再浮向液面大量堆積,甚至占據焊料槽的大部分空間,阻塞泵腔和流道,最後導致波峰高度不斷下降,甚至損壞泵葉和泵軸;另一種是波峰打起的熔融焊料重新流回焊料槽的過程中增加了熔融焊料與空氣中氧的接觸面,同時在熔融焊料槽內形成劇烈的漩渦運動形成吸氧現象,從而形成大量的氧化渣.這兩種渣通常占整個氧化渣量的70%,是造成浪費最大的.套用無鉛焊料後將產生更多的氧化渣,且SnCu多於SnAgCu,典型結構是90%金屬加10%氧化物.
日本學者TadashiTakemoto〈3〉等人對SnAg3.5,SnAg3.0Cu0.5,Sn63Pb37焊料進行試驗,發現所有焊料的氧化渣重量都是通過線性增長的,三種焊料氧化渣的增長率幾乎相同,也就是其增長速率與焊料成分關係不大.氧化渣的形成與熔融焊料的流體流動有關,流體的不穩定性及瀑布效應,可能造成吸氧現象及熔融焊料的翻滾,使氧化渣的形成過程變得更加複雜.另外,從工藝角度講,影響氧化渣產生因素包括波峰高度,焊接溫度,焊接氣氛,波峰的擾度,合金的種類或純度,使用助焊劑的類型,通過波峰PCBA的數量及原始焊料的質量等.
波峰焊與錫渣問題注意事項
錫渣本身含錫量較高，但由於產生了難熔的Sn-Cu合金，所以很難被再利用。錫渣的產生有其必然性，也有規律性，在生產作業中注意各方面程式是可以將其降到最低的。
波峰焊時焊錫處於熔化狀態，其表面的氧化及其與其它金屬元素（主要是Cu）作用生成一些殘渣都是不可避免的，但是合理正確地使用波峰焊設備和及時地清理對於減少錫渣也是至關重要的。
一、嚴格控制爐溫
對於Sn63-Pb37錫條而言，其正常使用溫度為240-250oC。使用方要經常用溫度計測量爐內溫度並評估爐溫的均勻性，即爐內四個角落與爐中央的溫度是否一致，我們建議偏差應該控制在±5 oC之內。需要指出的是，不能單看波峰爐上儀表的顯示溫度，因為事實上儀表的顯示溫度與實際爐溫通常會存在偏差。這一偏差與設備製造商及設備使用時間均有關係。
solderbuy波峰高度的控制不僅對於焊接質量非常重要，對於減少錫渣也有幫助。首先，波峰不宜過高，一般不應超過印刷電路板厚度方向的1/3，也就是說波峰頂端要超過印刷電路板焊接面，但是不能超過元器件面。同時波峰高度的穩定性也非常重要，這主要取決於設備製造商。從原理上講，波峰越高，與空氣接觸的焊錫表面就越大，氧化也就越嚴重，錫渣就越多。另一方面，如果波峰不穩，液態焊錫從峰頂回落時就容易將空氣帶入熔融焊錫內部，加速焊錫的氧化。
三、清理
經常性地清理錫爐表面是必須的。否則，從峰頂上回落的焊錫落在錫渣表面上，由於缺乏良好的傳熱而進入半凝固狀態，如此惡行循環也會導致錫渣過多。
solderbuy在每天/每次開機之前，都應該檢查一下爐面高度。先不要開波峰，而是加入錫條使錫爐里的焊錫達到最滿狀態。然後開啟加熱裝置使錫條熔化。由於，錫條的熔化會吸收熱量，此時的爐內溫度很不均勻，應該等到錫條完全熔解、爐內溫度達到均勻狀態之後才能開波峰。適時補充錫條，有助於減小焊接面與焊錫面之間的高度差，即減小焊錫波峰與空氣的接觸面積，也能減小錫渣的產生。
五、豆腐渣狀Sn-Cu化合物的清理
在波峰焊過程中，印刷電路板表面的敷銅以及電子元器件引腳上的銅都會不斷地向熔融焊錫中溶解。而Cu與Sn之間會形成Cu6Sn5金屬間化合物，該化合物的熔點在500oC以上，因此它以固態形式存在。同時，由於該化合物的密度為8.28g/cm3，而Sn63-Pb37焊錫的密度為8.80g/cm3，因此該化合物一般會呈現豆腐渣狀浮於液態焊錫表面。當然，也有一部分化合物會由於波峰的帶動作用進入焊錫內部。因此，排銅的工作就非常重要。其方法如下：停止波峰，錫爐的加熱裝置正常動作，首先將錫爐表面的各種殘渣清理乾淨，露出水銀狀的鏡面狀態。然後將錫爐溫度降低至190-200oC（此時焊錫仍處於液態），而後用鐵勺等工具攪動焊錫1-2分鐘（幫助焊錫內部的Cu-Sn化合物上浮），然後靜置3-5個小時。由於Cu-Sn化合物的密度較小，靜置過後Cu-Sn化合物會自然浮於焊錫表面，此時用鐵勺等工具即可將表面的Cu-Sn化合物清理乾淨。
上述方法可以排除一部分的銅。但是如果焊錫中含銅量太高，就要考慮清爐。根據生產情況，大約每半年或一年要清爐一次。
六、定期檢測錫爐中錫的成分
嚴格控制錫中不純物含量;因為不純物含量的增加會影響到錫渣的產生量.
引起錫渣多的原因
1.沒有經常清理錫渣,使峰頂掉下來的含錫不能儘快進入爐中,而不是留在錫渣上面;加熱不均勻,也會造成錫渣過多.
2.平時的清爐也是很關鍵的,長時間沒有清爐,爐中的雜質含量偏高,也會造成錫渣過多的原因之一,還要定期清爐換錫,一般大約每半年換錫一次。
3.波峰爐的溫度一般都控制得比較低,一般為 250℃±5℃(針對 63/37 的錫條來說),而這個溫度是焊料在焊接過程中所要求的最基本要達到的溫度,溫度偏低,以致錫不能達到一個很好的溶解,在使用之時就會造成錫渣過多的情況。
4.是波峰爐設備的問題: 波峰太高,焊料從峰頂掉下來的時候,溫度降低偏差比較大,焊料混合著空氣衝進錫爐中造成於氧化和半溶解現象,導致錫渣的產生。
5.錫條的純度也有關係,波峰爐一般都要求純度高的錫條,雜質多的錫條在焊接時會造成錫渣過多。
6.波峰爐里錫使用時間過久,錫本身的抗氧化能力在降低,造成氧化速度加快,從而影響到錫渣產生量增加。
