CN103212761B - 一种焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种焊接方法，包括在焊料池中形成熔融焊料，从熔融焊料中形成高于熔融焊料表面的焊液流，将待焊物与所述焊液流接触进行焊接，其中，所述熔融焊料表面具有还原层；所述熔融焊料中的氧含量在10ppm以下。本发明提供的焊接方法产生浮渣少，并且工艺简单，安全，熔融焊料中的氧含量低。

Description

一种焊接方法

技术领域

本发明涉及一种焊接方法，尤其是一种通孔焊接方法。

背景技术

工业生产中，常会涉及到熔融一种金属或合金，使其与另一种金属结合或附着的工艺。由于多数金属与氧接触均会氧化，如在静态锡炉或动态波峰炉中产生的锡渣(SnO和SnO₂)即是一种工业中金属氧化最常见的例子。在高温环境下，尤其是在融化状态下，金属(或合金)氧化的状况会更加剧烈，很快会形成一层氧化物，且越聚越多。而在熔融金属与其他金属附着结合的工艺过程中，熔融金属须不停的流动循环，这一方面会加剧氧化速度，另一方面意味着表层的氧化物和少量的氧气会被带到液面以下，即液体内部。那么氧化在内部同样会发生。这样氧化物将夹带良好的金属浮上液面，形成浮渣。由于浮渣不停的产生，浮出，造成浮渣累积越来越多，层层相叠，越来越厚，几小时后影响液面流动，甚至产生外溢，污染又危险。所产生的浮渣不能正常参与融合的生产过程，只能不断地打捞出来，另行处理。因打捞出浮渣后，液面高度不够，甚至生产用量不够，只能不停地添加补充新的金属原料。

  为此，为尽量避免熔融金属氧化，需对熔融金属进行抗氧化处理，目前，现有抗氧化处理工艺主要有还原剂还原法、还原机处理法、充氮隔离保护法等。其中增加还原剂进行还原抗氧化的方法采用较为广泛，常用的还原剂有还原粉、还原金属及粘稠胶状还原物质等。

  其中，采用还原粉进行还原的工作方式为：在熔融金属液体表面，播撒粉状物质，其不足或局限性表现如下：

  A：使用形态非常不便，因为其为粉状物质，添加于高温熔融金属表面非常不易操作，对于表面面积较大的液面来讲，要想播撒均匀又要注意不要被高温烫到，须十分小心，所以使用极其不便。

  B：容易飞散，从而造成浪费和污染，因为是干性粉状物质，而熔融金属液面上面一般均有通风装置，如播撒不当将产生飞散，造成浪费和污染。

  C：烟雾较大，还原粉一般为酸，碱，盐类物质，与熔融金属液面接触后会与其他助剂反应，受热后烟雾较大，原有通风装置不足以将风排掉。

  D：危害性较大，如以上提及，因其为酸，碱，盐类物质，对人体，设备，环境都有一定的危害，计算其作用后还原物的节约，经济价值不高。而采用还原颗粒(金属)的作业原理为：在与熔融金属相同或相溶的金属中，加入高纯度活性物质(如还原粉)，冷却成型，制成金属颗粒(或金属段)，使用时添加与熔融金属液体。其不足之处有以下几点：

  A：昂贵，从其制备形态即可知，因经过了金属熔解，加入活性物，成型等工序，材料费用和加工费用都很高。

  B：使用方式不够优化，使用时，按比例投入熔融金属液体中，让金属颗粒熔化，析出还原物质，再起还原和防氧化作用。因熔化需要一个时间，活性物析出后溶于金属液体，要迅速扩散均匀，也非易事。

  C：合金含量比例会发生变化，因金属颗粒合金比例与工作合金不一定完全一致，长期投放，会改变工作合金含量比例，有时这种改变会带来严重的质量后果。

  D：有一定的副作用，因用量要求精确，不易控制，因生产线并非特别均衡，有些颗粒使用过量，除了可能造成浪费，还会使工作熔融合金张力变大，反而结合与附着质量下降。

  采用粘稠胶状还原物质的方法为国外一些公司推出。其工作原理为，在粘稠状液体中加入活性物质，使用时倒入熔融金属液面，经充分搅拌，扩散于液体表面，形成保护膜，并持续发生还原作用。其局限性在于以下几点：

  A：扩散不够迅速，须费力搅拌。

  B：油性物质粘度过大，常会附着于工件，造成产品污染，难于清洗。

  C：其粘性残留与熔融金属混合物，在熔融金属流动循环中，附着于设备部件，导致设备循环通道堵塞、不畅，给设备维护造成不便。

  D：沉淀物，粘于设备部件，类似于树脂型坚硬物质，清理非常困难。设备保养清理非常不便，从长期看，一定会损伤设备。

  E：不易降解、不具环保性，其中含有的卤素，会附着于工件，造成产品易吸潮氧化。

但是，通过现有技术中的各种焊接方法焊接时，熔融焊料中的氧含量均较高，焊接得到的焊点中容易产生缺陷，影响焊接质量。

发明内容

为克服现有技术中焊接方法产生浮渣多，工艺复杂，熔融焊料中的氧含量高的问题，本发明提供了一种焊接方法，该方法产生浮渣少，并且工艺简单，安全，熔融焊料中的氧含量低。

本发明公开的焊接方法包括在焊料池中形成熔融焊料，从熔融焊料中形成高于熔融焊料表面的焊液流，将待焊物与所述焊液流接触进行焊接，其中，所述熔融焊料表面具有还原层；所述熔融焊料中的氧含量在10ppm以下。

本发明公开的焊接方法具有如下效果：

A、工艺简单，易于操作。

本发明公开的焊接方法中，还原层为水溶性油状液体，浮于熔融焊料表面，可发生作用，无需精确控制还原层的量，易于操作。

B、产生浮渣少。

上述焊接方法中，还原层可有效的分散金属浮渣的内部引力，主动打散浮渣结构，将浮渣内部包含的金属还原到焊池中，从而大大降低浮渣的产生量。

C、焊接质量高。

焊接过程中，熔融焊料中会存在游离态的氧，这部分氧对焊连接过程中，焊料的可焊性以及形成的焊点的质量均存在不利影响，会导致焊接质量下降。本发明公开的焊接方法可有效的降低熔融焊料中的氧含量，提高焊接质量。

D、使用安全。本发明公开的焊接方法在焊接过程中不会产生还原层飞溅、汽化等现象，避免了高温环境中极易产生的起火爆炸等隐患，大大提高了使用的安全性能。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开的焊接方法包括在焊料池中形成熔融焊料，从熔融焊料中形成高于熔融焊料表面的焊液流，将待焊物与所述焊液流接触进行焊接，其中，所述熔融焊料表面具有还原层；所述熔融焊料中的氧含量在10ppm以下。

上述焊接方法中，在焊池中形成熔融焊料方法为本领域公知的，例如可以将固体焊料添加到焊池中，然后加热使之融化。加热的温度须使固体焊料能够融化，本领域技术人员可以根据所采用的不同的固体焊料，进行实际调整，达到将固体焊料融化的目的即可。

对于上述固体焊料，可根据不同的使用场合选用的不同的焊料，例如可以采用无铅或含铅的锡焊料。出于环保考虑，优选采用无铅焊料，具体可以为含有95-96.5％锡及3.5-5％银的锡银合金焊料、锡银铜（96.5％Sn、3％Ag、0.5％Cu）焊料或者锡与锑、铋、铟、镍、锌中的一种或多种形成的合金焊料，其中，锡是无铅焊料的基底且通常是以占合金中大于90％的量出现。上述焊料均可通过商购得到。

在焊池中形成熔融焊料后，从熔融焊料中形成高于熔融焊料表面的焊液流，将待焊物与所述焊液流接触进行焊接。

上述方法可以为波峰焊、喷泉焊或级联焊中的一种。具体例如，在一焊池内容纳有熔融焊料，在焊池底部具有泵，泵从焊池底部抽取熔融焊料并产生一定的压力驱使熔融焊料向上通过一个或多个喷嘴，熔融焊料如瀑布般自所述喷嘴流出并回到焊池内部。从喷嘴流出的熔融焊料即为焊液流。

待焊物，如印刷线路板（PCBA）在焊池上方移动并横跨焊池，并使印刷线路板的下表面接触焊液流的上表面。熔融焊料湿润待焊物的受焊接表面、并渗入镀金属通孔内及引线周围、且在印刷线路板与引线之间产生良好的焊接接头。上述过程可以在现有的波峰焊接机、喷泉焊接机或级联焊接机中完成。

对于上述焊接方法，具体的，其焊接温度根据焊料的不同而不同，总体而言，所述焊接温度为240-280℃。温度过低，无法将焊料有效熔融，将影响焊接质量；温度过高，会导致能耗升高，影响电子元器件及PCB的可靠性。本发明中，焊接的温度没有太大要求，只需将焊料熔融即可。

根据本发明公开的焊接方法，重点在于，在焊池中的熔融焊料表面上具有还原层，该还原层中含有非离子表面活性剂、抗氧化剂和偏磷酸铵。

上述还原层为水溶性油状液体，在焊接过程中，存在于熔融焊料表面，可降低熔融焊料表面金属张力，使其自身能迅速扩散，在一定程度上能将熔融焊料与空气隔开（如还原层的量足够，可将熔融焊料表面全部覆盖，将熔融焊料与空气完全隔开），避免熔融焊料中的金属锡被空气中的氧所氧化而形成浮渣。

同时，还原层可扩散浮渣结构，减小其结构张力，使得浮渣迅速分散，从不规则固态迅速变成分散的稠状液态，有用金属（如锡）即马上还原流回到焊池中，继续参与有效作业工艺，大大降低浮渣的产生量，提高了熔融焊料的利用率。

另外，由于上述焊接过程并非在封闭环境中进行，所以，不可避免的会与氧接触，使熔融焊料中存在氧，其中部分氧与熔融焊料中的金属反应生成相应的金属氧化物，即浮渣；另一部分以游离态存在于熔融焊料中，但这部分游离态的氧不稳定，会继续与熔融焊料中的金属反应，未反应掉的会存在于熔融焊料中，当焊接时，会对焊料的可焊性产生影响；并且，当形成焊点后，这部分氧也会导致焊点内部产生缺陷，影响焊接质量。如前所述，本发明公开的焊接方法可将金属氧化物浮渣还原成金属，消除浮渣；同时，还可以将熔融焊料中的游离态氧反应掉，大大降低熔融焊料中的氧含量，使熔融焊料中的氧含量在10ppm以下，保证了焊接质量。

对于上述还原层中，所述非离子表面活性剂选自壬基酚聚氧乙烯醚、聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯中的一种或多种，优选为壬基酚聚氧乙烯醚。

所述抗氧化剂选自植酸、苹果酸、柠檬酸中的一种或多种。

在焊接过程中，所述还原层中的非离子表面活性剂、抗氧化剂和偏磷酸铵相互之间的含量关系没有要求，只要存在即可。为了更好的去除浮渣，提高焊接质量，优选情况下，所述还原层中的非离子表面活性剂的含量为59-80wt%。抗氧化剂的含量为15-40wt%。偏磷酸铵的含量为0.5-5wt%。

上述还原层在熔融焊料表面会自动移动，在还原层覆盖熔融焊料部分表面的情况下即可达到优异的减少浮渣的效果。

作为对上述焊接方法的进一步改进，优选情况下，所述还原层中还含有促进剂。

所述促进剂选自苯胺、溴化四丁基胺、三乙醇胺、乙二胺、甲胺、柠檬酸三铵、磷酸二氢铵中的一种或多种。当还原层中含有上述促进剂时，可以进一步提高降低浮渣，降低熔融焊料中氧含量的效果。优选情况下，所述还原层中促进剂的含量为0.5-5wt%。

发明人发现，当还原层中的促进剂为磷酸二氢铵且偏磷酸铵与磷酸二氢铵的含量比为2-5:1时，对去除浮渣，降低熔融焊料中氧含量更为有利。

上述还原层可通过向焊池中添加具有上述组成和含量的还原剂组合物形成。形成的还原层的组成和含量可视为与还原剂组合物中的相同。

根据本发明，上述还原剂组合物可在形成熔融焊料后即加入也可以在焊接进行一段时间后加入或产生浮渣后加入。

由于还原剂组合物为水溶性油状液体，加入时直接添加到熔融焊料表面，即可在熔融焊料表面形成所述还原层。

上述焊接方法中，还原剂组合物的添加量没有特定的限定，可根据实际使用过程中，浮渣的多少进行添加。

通过上述方法可大大降低浮渣的产生，同时，可抑制杂质的碳化，降低熔融焊料中氧含量。

对于上述还原剂组合物，可通过如下方法制备得到：

在80-100℃下向偏磷酸铵中加入抗氧化剂和第一部分非离子表面活性剂，然后在50-90℃搅拌10-50min，然后加入第二部分非离子表面活性剂，并搅拌15-50min。

根据本发明，上述非离子表面活性剂分两次添加，即先添加第一部分，在50-90℃搅拌10-50min，然后添加第二部分，再搅拌15-50min，具体的，首次添加的非离子表面活性剂的量可以在较大范围内变动。进一步优选情况下，首次添加的第一部分非离子表面活性剂与再次添加的第二部分非离子表面活性剂的重量比为2.5-1:1。本发明通过分两次加入非离子表面活性剂，可避免还原剂组合物出现分层等不利现象，对进一步提高还原剂组合物的还原效果非常有利。

上述制备方法中，各物质的添加量可根据所需制备得到的还原剂组合物中的各组分的含量为准进行调整，例如，可以为所述非离子表面活性剂的添加量为59-80wt%，抗氧化剂的添加量为15-40wt%，偏磷酸铵的添加量为0.5-5wt%。

当需要还原剂组合物中含有促进剂（如磷酸二氢铵）时，可在加入抗氧化剂和非离子表面活性剂前，先将偏磷酸铵与促进剂混合。当需添加促进剂时，其添加量可以为0.5-5wt%。

为了更加节约，达到更好的经济效果，实际使用中，本发明公开的焊接方法中，进一步包括：

所述焊池内设置有金属挡片，所述金属挡片位于熔融焊料表面下。进一步的，所述金属挡片具有3-5个。具体设置于熔融焊料表面下3-5cm处。

上述结构可将熔融金属流动的部分限定在一个较小的区域内，使大部分液面处于静止，但液面以下又可以充分循环流动，不影响整个工序原有作业方式。同时熔融焊料液面流动小，减少了氧化物的形成量，同时也可在一定程度上减少还原剂组合物的使用量。

同时，该焊接方法还可以包括，所述焊池内设置有筛网，所述筛网为液体可通过而浮渣无法通过的网状结构；所述筛网具有凹陷部，所述筛网的凹陷部位于熔融焊料中，且筛网的边沿高于熔融焊料表面；所述焊液流从所述凹陷部落回熔融焊料中。

优选情况下，所述筛网边沿高于熔融焊料表面1-2cm。

发明人发现，熔融金属液面，只有流动或扬起的熔融焊料氧化严重，通过上述方法可将浮渣集中处理，通过还原层的作用，使整个熔融焊料表面基本没有浮渣。

以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例1

本实施例用于说明本发明公开的焊接方法。

在90℃下向3重量份偏磷酸铵中加入27重量份植酸和35重量份壬基酚聚氧乙烯醚，然后在70℃搅拌30min。再加入35重量份壬基酚聚氧乙烯醚并搅拌30min。得到还原剂组合物S1。

在波峰焊接机的焊池中，于275℃下将锡铜合金焊料（99.3％Sn、0.7％Cu）熔融，然后加入还原剂组合物S1，在熔融焊料表面形成具有上述成分的还原层，开始对印刷线路板进行波峰焊接。

焊接进行30min后收集熔融焊料，作为测试样品A1。

实施例2

本实施例用于说明本发明公开的焊接方法。

在90℃下向3重量份偏磷酸铵中加入3重量份磷酸二氢铵，然后加入24重量份植酸和50重量份壬基酚聚氧乙烯醚，然后在70℃搅拌40min。再加入20重量份壬基酚聚氧乙烯醚并搅拌40min。得到还原剂组合物S2。

在波峰焊接机的焊池中，于275℃下将锡铜合金焊料（99.3％Sn、0.7％Cu）熔融，然后加入还原剂组合物S2，在熔融焊料表面形成具有上述成分的还原层，开始对印刷线路板进行波峰焊接。

焊接进行30min后收集熔融焊料，作为测试样品A2。

实施例3

本实施例用于说明本发明公开的焊接方法。

在100℃下向5重量份偏磷酸铵中加入15重量份柠檬酸和50重量份壬基酚聚氧乙烯醚，然后在90℃搅拌10min。再加入30重量份壬基酚聚氧乙烯醚并搅拌15min。得到还原剂组合物S3。

在波峰焊接机的焊池中，于260℃下将锡铜合金焊料（99.3％Sn、0.7％Cu）熔融，然后加入还原剂组合物S3，在熔融焊料表面形成具有上述成分的还原层，开始对印刷线路板进行波峰焊接。

焊接进行30min后收集熔融焊料，作为测试样品A3。

实施例4

本实施例用于说明本发明公开的焊接方法。

在80℃下向1重量份偏磷酸铵中加入40重量份苹果酸和35重量份聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯，然后在50℃搅拌50min。再加入24重量份聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯并搅拌50min。得到还原剂组合物S4。

在波峰焊接机的焊池中，于260℃下将锡铜合金焊料（99.3％Sn、0.7％Cu）熔融，然后加入还原剂组合物S4，在熔融焊料表面形成具有上述成分的还原层，开始对印刷线路板进行波峰焊接。

焊接进行30min后收集熔融焊料，作为测试样品A4。

实施例5

本实施例用于说明本发明公开的焊接方法。

    在90℃下向8重量份偏磷酸铵中加入27重量份植酸和35重量份壬基酚聚氧乙烯醚，然后在70℃搅拌30min。再加入30重量份壬基酚聚氧乙烯醚并搅拌30min。得到还原剂组合物S5。

在波峰焊接机的焊池中，于260℃下将锡铜合金焊料（99.3％Sn、0.7％Cu）熔融，然后加入还原剂组合物S5，在熔融焊料表面形成具有上述成分的还原层，开始对印刷线路板进行波峰焊接。

焊接进行30min后收集熔融焊料，作为测试样品A5。

实施例6

本实施例用于说明本发明公开的焊接方法。

    在90℃下向4重量份偏磷酸铵中加入1重量份磷酸二氢铵，然后加入25重量份植酸和50重量份壬基酚聚氧乙烯醚，然后在70℃搅拌40min。再加入20重量份壬基酚聚氧乙烯醚并搅拌40min。得到还原剂组合物S6。

在波峰焊接机的焊池中，于275℃下将锡铜合金焊料（99.3％Sn、0.7％Cu）熔融，然后加入还原剂组合物S6，在熔融焊料表面形成具有上述成分的还原层，开始对印刷线路板进行波峰焊接。

焊接进行30min后收集熔融焊料，作为测试样品A6。

实施例7

本实施例用于说明本发明公开的焊接方法。

    在90℃下向4重量份偏磷酸铵中加入2重量份磷酸二氢铵，然后加入24重量份植酸和50重量份壬基酚聚氧乙烯醚，然后在70℃搅拌40min。再加入20重量份壬基酚聚氧乙烯醚并搅拌40min。得到还原剂组合物S7。

在波峰焊接机的焊池中，于275℃下将锡铜合金焊料（99.3％Sn、0.7％Cu）熔融，然后加入还原剂组合物S7，在熔融焊料表面形成具有上述成分的还原层，开始对印刷线路板进行波峰焊接。

焊接进行30min后收集熔融焊料，作为测试样品A7。

对比例1

本对比例用于对比说明本发明公开的焊接方法。

    在波峰焊接机的焊池中，于275℃下将锡铜合金焊料（99.3％Sn、0.7％Cu）熔融，开始对印刷线路板进行波峰焊接。

焊接进行30min后收集熔融焊料，作为测试样品D1。

对比例2

本对比例用于对比说明本发明公开的焊接方法。

    按照实施例1的方法进行焊接，不同的是，不含有偏磷酸铵。

焊接进行30min后收集熔融焊料，作为测试样品D2。

性能测试

测试上述实施例1-7和对比例1、对比例2焊接过程中，熔融焊料内的氧含量，测试方法如下：

按照“GB/T 5158.4-2001 金属粉末 总氧含量的测定 还原-提取法”规定的方法进行测试。

上述测试结果记入表1。

表1。

样品	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6	实施例7	对比例1	对比例2
										氧含量ppm	4.1	3.4	4.6	4.5	5.2	3.1	3.0	6.8	6.2

从表1的测试结果可以看出（其中，A1-A7中的氧含量分别为4.1ppm、3.4ppm、4.6ppm、4.5ppm、5.2ppm、3.1ppm、3.0ppm，D1-D2的铜离子含量分别为6.8ppm、6.2ppm），采用本发明公开的焊接方法可显著降低熔融焊料中氧含量，可大大提高焊接质量。

从实施例1与对比例2的测试数据可以看出，本发明公开的焊接方法可以更显著的降低熔融焊料中氧含量。从实施例1与实施例2的测试数据可以看出，当还原层中进一步含有磷酸二氢铵等促进剂时，对进一步降低熔融焊料中氧含量十分有利。从实施例1与实施例5的测试数据可以看出，当偏磷酸铵含量在本发明优选的范围内，对进一步降低熔融焊料中氧含量十分有利。并且，从实施例2与实施例6、实施例7的测试数据可以看出，当还原层中偏磷酸铵和磷酸二氢铵的含量比在2-5:1内时，对进一步降低熔融焊料中氧含量最为有利。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种焊接方法，其特征在于，包括在焊料池中形成熔融焊料，从熔融焊料中形成高于熔融焊料表面的焊液流，将待焊物与所述焊液流接触进行焊接，其中，所述熔融焊料表面具有还原层；所述熔融焊料中的氧含量在10ppm以下；所述还原层中含有非离子表面活性剂、抗氧化剂和偏磷酸铵；所述非离子表面活性剂选自壬基酚聚氧乙烯醚、聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯中的一种或多种；所述抗氧化剂选自植酸、苹果酸、柠檬酸中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述还原层中，非离子表面活性剂的含量为59-80wt％，抗氧化剂的含量为15-40wt％，偏磷酸铵的含量为0.5-5wt％。

3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述焊接温度为240-280℃。

4.根据权利要求1或2所述的焊接方法，其特征在于，所述还原层中还含有促进剂。

5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述促进剂选自苯胺、溴化四丁基胺、三乙醇胺、乙二胺、甲胺、柠檬酸三铵、磷酸二氢铵中的一种或多种；所述还原层中促进剂的含量为0.5-5wt％。

6.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述促进剂为磷酸二氢铵，偏磷酸铵与磷酸二氢铵的含量比为2-5:1。

7.根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于，所述促进剂为磷酸二氢铵，偏磷酸铵与磷酸二氢铵的含量比为2-5:1。

8.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述焊料池内设置有金属挡片，所述金属挡片位于熔融焊料表面下。

9.根据权利要求8所述的焊接方法，其特征在于，所述金属挡片具有3-5个；所述金属挡片设置于熔融焊料表面下3-5cm处。

10.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述焊料池内设置有筛网，所述筛网为液体可通过而浮渣无法通过的网状结构；所述筛网具有凹陷部，所述筛网的凹陷部位于熔融焊料中，且筛网的边沿高于熔融焊料表面；所述焊液流从所述凹陷部落回熔融焊料中。