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中图分类号：TF046.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-031-01
序言：无铅化生产作为一种强制性的环保法令已经在大多数国家开始执行。但铅是一种非常具有焊接工艺特性的材料，当我们将它去除后，到目前为止还没有找到一种能够完满取代它的金属或合金。无铅焊接因为其焊接温度过高、浸润性差、表面张力大、扩散率低等特点，在焊接过程中存在诸多工艺难点及质量缺陷，本文通过对无铅焊接工艺过程的研究及摸索试验，确定了射频电缆组件的无铅焊接工艺方法。
1. 电缆组件的工艺特点
1.1 电缆组件的结构特点
半刚/半柔性电缆组件在射频系统中起着传递信号的作用，它是由射频连接器及射频电缆焊接而成的组件。一般需要焊接两處，分别为内导体焊接和外导体与插头外壳的焊接。
1.2 电缆组件的质量要求
1.2.1 焊点美观一致，半刚性电缆组件使用在产品的面板上，客户对美观性要求非常高，焊点要做到光滑饱满并具有非常高的光亮度，电缆焊接处即使有略微的发黄现象也被视为不合格品。
1.2.2 良好的射频性能，虚焊会严重影响到电缆的射频性能。
1.3 电缆组件的焊接工艺
1.3.1 内导体焊接
插针和电缆内导体的材料为铜合金，表面镀涂金或银，其材质具有良好的可焊性。但插针孔为细长孔，尺寸较小，焊接过程中插针孔内空气不易排出，如果焊料流动性差就容易造成虚焊现象。焊接设备为专用插针焊接机，焊接时将焊料预先放置在插针孔内，预热插针，待焊料融化时将电缆内导体插入插针孔内，来回抽拉几次，确保插针内空气排出，避免虚焊现象。
1.3.2 外导体焊接
电缆外导体镀涂铜锡锌三元合金，这种镀层具有较差的可焊性。外导体焊接时要求焊接时间短，不能将热量传递到电缆介质上，因为介质材料为聚四氟乙烯，它的热膨胀系数很大，受热后很容易膨胀从电缆外导体中伸出，影响到电缆组件的电性能。所以外导体焊接具有较高的焊接难度。采用高频感应加热装置能有效解决加热时间过长的问题，该装置可在2-3秒内使电缆外导体温度上升到300℃以上，而因为感应加热的趋肤效应，只是外导体加热迅速，电缆内部的介质温度只有70-80℃。
2 无铅焊料
2.1 无铅焊料的基本要求
无铅焊接由无铅焊料、无铅焊接工具、无铅焊接环境三部分组成，无铅化的核心和首要任务是无铅焊料。无铅焊料必须满足以下要求：
从焊接工艺的要求出发，为了不破坏元器件的基本特性，无铅焊料熔点应尽可能接近锡铅共晶焊料的熔点183℃。因为熔点高的焊料将超过电子元件的耐热温度，同时由于焊接设备及手工焊接工具的制约，应尽可能使用熔点低的焊料。
从可焊性的观点出发，必须与电子元件及印制板的镀层铜、镍、银等材料有良好的润湿性。
从电子产品的可靠性出发，为了形成良好的冶金结合焊点，焊料本身的机械强度是非常重要的。特别要求焊点具有耐热疲劳性能，这是由于电子产品在使用过程中会产生发热现象而产生热膨胀，同时在不使用时温度下降会产生收缩，如此反复循环将在焊点处发生热疲劳现象。
从焊接的实际操作来看，希望焊接缺陷少是非常重要的。特别是桥接、拉尖等不良缺陷均和焊料的润湿性有密切关系。在再流焊接时，由于母材表面氧化，为了提高焊剂的去氧化作用，必须使用有活性的助焊剂予以去除。但是这样将产生残留物而出现腐蚀和电迁移等现象。
2.2 无铅焊的特点
2.2.1 较高的焊接温度
大多数的无铅焊料合金的熔点都比锡铅焊料合金高。常见的SnCu系及SnAgCu系合金共晶。
2.2.2 较差的润湿性
无铅合金具有不良的润湿性能，不利于焊点的形成，提高焊接温度可以显著增加焊料润湿效果，但这又加强了对较高温度的需求。熔化的金属，一般在其熔点温度上的润湿性是很差的，所以实际焊接中需要在熔点温度上至少加上50℃或以上的温度以确保能有足够的润湿。
2.2.3 较长的焊接时间
由于焊接温度提高了，为了确保足够的恒温以及预热，焊接的时间一般也需要增长。
3 存在的焊接质量
3.1 内导体焊接
虚焊；加热时间过长，SnAgCu焊料加热时间在20秒以上，SnCu甚至加热数分钟，焊料也不熔化。
3.2 外导体焊接
电缆焊接处发黄；焊锡和电缆浸润性差，流动性差。流锡、跑锡。焊点不平滑、色泽灰暗。
4 分析与解决
4.1 无铅焊料的选择
通过对目前业界普遍使用的几种无铅焊料的比较和前期大量的焊接试验，我们决定以SnCu系SnAgCu系焊料为基础，寻找添加了其它微量元素的适合电缆组件无铅焊接的焊料。
4.1.1 内导体焊接
4.1.2 外导体焊接
通过试验可以看出SnAg0.6CuCe和Sn0.7Cu0.1NiCe两种焊料的焊接效果最好，其焊点平滑，色泽光亮。但SnAg0.6CuCe焊料中加入了Ag元素，其成本较高，我们最终选择Sn0.7Cu0.1NiCe作为最适合我们的无铅焊料。该焊料中加入微量的Ni（镍）和Ce（铈）元素，Ni可以起到焊点光亮的作用，Ce是一种稀土元素，在地壳中大量存在，其成本较低。通过实验表明添加了Ce元素的焊料可以显著增加焊料熔化后的铺展性（流动性）和润湿性，当Ce元素的含量达到0.019wt%时焊料的铺展性（流动性）和润湿性达到最佳状态。
4.2 插针虚焊
4.2.1 原因分析
1）焊料流动性差；2）焊料润湿性差。
4.1.2 解决方案
改造插针焊接机。现用的插针焊接机最高控制温度为320℃，焊接时焊料熔化时间为6-8秒，插入电缆后焊接时间为20-30秒，总的焊接时间为30-40秒之间。改造后最高温度380℃，插针焊接机功率增加，供给焊接件的热量提高，将焊接时间缩短至10-15秒，大幅提高了生产效率。
4.3 电缆焊接处发黄
4.3.1 原因分析
加热温度过高，使电缆表面的铜锡锌三元合金镀层发生氧化变色。高频感应加热机的温度的高低依据加热时间而定，影响加热时间的因素有两方面：一是加热时间的精确控制；二是加热位置的精确定位。
4.3.2 解决方案
1）制作焊接定位工装，确保电缆焊接时加热位置一致，避免了因为加热位置不一致而延长加热时间。2）确定合理焊接时间，将高频焊接机加热时间由操作者经验控制改为设置加热时间参数进行自动控制，避免人为因素延长焊接时间而造成电缆焊接发黄。
4.4 流锡跑锡
4.4.1 原因分析
1）无铅焊接对被焊件的洁净度要求非常高，电缆在放置、运输、保管、生产过程中被少量的油污污染都会造成流锡、跑锡现象。2）焊料本身与电缆的浸润性差，容易出现流锡、跑锡现象。3）助焊剂的涂抹量和涂抹位置存在不确定性。
4.4.2 解决方案
1）焊接件清洁。以前焊接前电缆及插头的清洁是用半干酒精棉球擦拭，因为有些油污无法溶解于酒精，用它不能完全清理干净。现在改为先用半干汽油棉球擦拭电缆和插头焊接部位的油污，再用半干酒精棉球清洁。2）减小焊锡线的直径。以前使用的焊锡环是用直径φ0.8的焊锡线制做而成的，现改为φ0.5的焊锡线，而将焊锡环的数量由原来一个增加为两个。
5.结束语
无铅焊接工艺是一个动态变化的过程，必须警惕可能出现的各种问题，避免出现工艺失控，同时还需要不断地改进工艺，使产品的质量和合格品率不断得到提高。
序言：无铅化生产作为一种强制性的环保法令已经在大多数国家开始执行。但铅是一种非常具有焊接工艺特性的材料，当我们将它去除后，到目前为止还没有找到一种能够完满取代它的金属或合金。无铅焊接因为其焊接温度过高、浸润性差、表面张力大、扩散率低等特点，在焊接过程中存在诸多工艺难点及质量缺陷，本文通过对无铅焊接工艺过程的研究及摸索试验，确定了射频电缆组件的无铅焊接工艺方法。
1. 电缆组件的工艺特点
1.1 电缆组件的结构特点
半刚/半柔性电缆组件在射频系统中起着传递信号的作用，它是由射频连接器及射频电缆焊接而成的组件。一般需要焊接两處，分别为内导体焊接和外导体与插头外壳的焊接。
1.2 电缆组件的质量要求
1.2.1 焊点美观一致，半刚性电缆组件使用在产品的面板上，客户对美观性要求非常高，焊点要做到光滑饱满并具有非常高的光亮度，电缆焊接处即使有略微的发黄现象也被视为不合格品。
1.2.2 良好的射频性能，虚焊会严重影响到电缆的射频性能。
1.3 电缆组件的焊接工艺
1.3.1 内导体焊接
插针和电缆内导体的材料为铜合金，表面镀涂金或银，其材质具有良好的可焊性。但插针孔为细长孔，尺寸较小，焊接过程中插针孔内空气不易排出，如果焊料流动性差就容易造成虚焊现象。焊接设备为专用插针焊接机，焊接时将焊料预先放置在插针孔内，预热插针，待焊料融化时将电缆内导体插入插针孔内，来回抽拉几次，确保插针内空气排出，避免虚焊现象。
1.3.2 外导体焊接
电缆外导体镀涂铜锡锌三元合金，这种镀层具有较差的可焊性。外导体焊接时要求焊接时间短，不能将热量传递到电缆介质上，因为介质材料为聚四氟乙烯，它的热膨胀系数很大，受热后很容易膨胀从电缆外导体中伸出，影响到电缆组件的电性能。所以外导体焊接具有较高的焊接难度。采用高频感应加热装置能有效解决加热时间过长的问题，该装置可在2-3秒内使电缆外导体温度上升到300℃以上，而因为感应加热的趋肤效应，只是外导体加热迅速，电缆内部的介质温度只有70-80℃。
2 无铅焊料
2.1 无铅焊料的基本要求
无铅焊接由无铅焊料、无铅焊接工具、无铅焊接环境三部分组成，无铅化的核心和首要任务是无铅焊料。无铅焊料必须满足以下要求：
从焊接工艺的要求出发，为了不破坏元器件的基本特性，无铅焊料熔点应尽可能接近锡铅共晶焊料的熔点183℃。因为熔点高的焊料将超过电子元件的耐热温度，同时由于焊接设备及手工焊接工具的制约，应尽可能使用熔点低的焊料。
从可焊性的观点出发，必须与电子元件及印制板的镀层铜、镍、银等材料有良好的润湿性。
从电子产品的可靠性出发，为了形成良好的冶金结合焊点，焊料本身的机械强度是非常重要的。特别要求焊点具有耐热疲劳性能，这是由于电子产品在使用过程中会产生发热现象而产生热膨胀，同时在不使用时温度下降会产生收缩，如此反复循环将在焊点处发生热疲劳现象。
从焊接的实际操作来看，希望焊接缺陷少是非常重要的。特别是桥接、拉尖等不良缺陷均和焊料的润湿性有密切关系。在再流焊接时，由于母材表面氧化，为了提高焊剂的去氧化作用，必须使用有活性的助焊剂予以去除。但是这样将产生残留物而出现腐蚀和电迁移等现象。
2.2 无铅焊的特点
2.2.1 较高的焊接温度
大多数的无铅焊料合金的熔点都比锡铅焊料合金高。常见的SnCu系及SnAgCu系合金共晶。
2.2.2 较差的润湿性
无铅合金具有不良的润湿性能，不利于焊点的形成，提高焊接温度可以显著增加焊料润湿效果，但这又加强了对较高温度的需求。熔化的金属，一般在其熔点温度上的润湿性是很差的，所以实际焊接中需要在熔点温度上至少加上50℃或以上的温度以确保能有足够的润湿。
2.2.3 较长的焊接时间
由于焊接温度提高了，为了确保足够的恒温以及预热，焊接的时间一般也需要增长。
3 存在的焊接质量
3.1 内导体焊接
虚焊；加热时间过长，SnAgCu焊料加热时间在20秒以上，SnCu甚至加热数分钟，焊料也不熔化。
3.2 外导体焊接
电缆焊接处发黄；焊锡和电缆浸润性差，流动性差。流锡、跑锡。焊点不平滑、色泽灰暗。
4 分析与解决
4.1 无铅焊料的选择
通过对目前业界普遍使用的几种无铅焊料的比较和前期大量的焊接试验，我们决定以SnCu系SnAgCu系焊料为基础，寻找添加了其它微量元素的适合电缆组件无铅焊接的焊料。
4.1.1 内导体焊接
4.1.2 外导体焊接
通过试验可以看出SnAg0.6CuCe和Sn0.7Cu0.1NiCe两种焊料的焊接效果最好，其焊点平滑，色泽光亮。但SnAg0.6CuCe焊料中加入了Ag元素，其成本较高，我们最终选择Sn0.7Cu0.1NiCe作为最适合我们的无铅焊料。该焊料中加入微量的Ni（镍）和Ce（铈）元素，Ni可以起到焊点光亮的作用，Ce是一种稀土元素，在地壳中大量存在，其成本较低。通过实验表明添加了Ce元素的焊料可以显著增加焊料熔化后的铺展性（流动性）和润湿性，当Ce元素的含量达到0.019wt%时焊料的铺展性（流动性）和润湿性达到最佳状态。
4.2 插针虚焊
4.2.1 原因分析
1）焊料流动性差；2）焊料润湿性差。
4.1.2 解决方案
改造插针焊接机。现用的插针焊接机最高控制温度为320℃，焊接时焊料熔化时间为6-8秒，插入电缆后焊接时间为20-30秒，总的焊接时间为30-40秒之间。改造后最高温度380℃，插针焊接机功率增加，供给焊接件的热量提高，将焊接时间缩短至10-15秒，大幅提高了生产效率。
4.3 电缆焊接处发黄
4.3.1 原因分析
加热温度过高，使电缆表面的铜锡锌三元合金镀层发生氧化变色。高频感应加热机的温度的高低依据加热时间而定，影响加热时间的因素有两方面：一是加热时间的精确控制；二是加热位置的精确定位。
4.3.2 解决方案
1）制作焊接定位工装，确保电缆焊接时加热位置一致，避免了因为加热位置不一致而延长加热时间。2）确定合理焊接时间，将高频焊接机加热时间由操作者经验控制改为设置加热时间参数进行自动控制，避免人为因素延长焊接时间而造成电缆焊接发黄。
4.4 流锡跑锡
4.4.1 原因分析
1）无铅焊接对被焊件的洁净度要求非常高，电缆在放置、运输、保管、生产过程中被少量的油污污染都会造成流锡、跑锡现象。2）焊料本身与电缆的浸润性差，容易出现流锡、跑锡现象。3）助焊剂的涂抹量和涂抹位置存在不确定性。
4.4.2 解决方案
1）焊接件清洁。以前焊接前电缆及插头的清洁是用半干酒精棉球擦拭，因为有些油污无法溶解于酒精，用它不能完全清理干净。现在改为先用半干汽油棉球擦拭电缆和插头焊接部位的油污，再用半干酒精棉球清洁。2）减小焊锡线的直径。以前使用的焊锡环是用直径φ0.8的焊锡线制做而成的，现改为φ0.5的焊锡线，而将焊锡环的数量由原来一个增加为两个。
5.结束语
无铅焊接工艺是一个动态变化的过程，必须警惕可能出现的各种问题，避免出现工艺失控，同时还需要不断地改进工艺，使产品的质量和合格品率不断得到提高。