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摘要:三芯焊錫絲因其獨特的結構特征，焊接時助焊劑能充分釋放，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勢。文章主要采用三孔的松香嘴，通過對合金配制、熔體工藝處理、水平連鑄、熱擠壓、輥軋及拉絲等關鍵工藝進行了研究，并對制備的SnCu0.7三芯焊錫絲進行了檢測，確定了生產SnCu0.7三芯焊錫絲的較佳生產工藝參數，相比傳統工藝，既提升了生產效率，又獲得了高純凈的焊料合金。此工藝生產的SnCu0.7三芯焊錫絲產品無論是在化學成分上還是性能上均達到標準要求，而且SnCu0.7三芯焊錫絲產品斷芯率為零，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、焊接機器人、SMT焊后修補的重要焊接材料，廣泛應用于電子工業，家電制造業，維修業和日常生活中［1］。雖然目前在電子封裝行業大量使用的是波峰焊和SMT等自動化技術和設備［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之一仍占有不可代替的一席之地［3］。隨著電子工業的快速發展，無鉛焊料得到了廣泛應用［4，5］，電子元件和PCB板逐漸轉向微型化和復雜化［6，7］，對電子產品的質量要求更加嚴格，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，在焊錫絲傳統生產工藝上，普遍采用單孔松香嘴擠壓技術，通過配料、熔煉、鑄錠、擠壓、輥軋、拉絲生產出單芯焊錫絲。此工藝比較成熟，但存在錫錠含渣多、斷芯嚴重、勞動強度大、生產效率低等缺點。而且單芯焊錫絲主要缺點有三:一是外錫層過厚，焊接時需要烙鐵的表面溫度高且要更長的時間熔化，不節能;二是助焊劑一次性激烈反應，容易導致飛濺等現象，影響焊點的牢固性;三是單孔松香嘴在助焊劑灌注過程中，一旦發生堵塞，則會發生焊錫絲斷芯現象。而無鉛三芯焊錫絲是有三個助焊劑溶劑孔且其內注有助焊劑的焊錫絲，助焊劑獨立分開且分布更均勻，焊接時助焊劑能充分釋放，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，對合金配制、熔體工藝處理、水平連鑄、熱擠壓、輥軋及拉絲等關鍵工藝進行了研究，并對制備的無鉛三芯焊錫絲進行檢測，為無鉛三芯焊錫絲產品的生產提供數據支撐。
1試驗
1.1試驗原料
本次試驗采用的錫錠為湖南某廠生產的Sn99.90AA，符合GB/T728－2010;陰極銅為湖北某廠生產的A級銅，符合GB/T467－2010。原料的元素分析見表1。
1.2試驗設備及分析儀器
試驗設備為現有無鉛焊錫絲生產線，包括松香熔爐、GW750－300－1中頻爐、熔錫爐(1t)、VT－85A水平連鑄機、VT－500T擠壓機、XGG130輥軋機、VT－21Z中拉絲機、VT－21X細拉絲機和繞線機等，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，升溫進行熔體工藝處理，取樣分析合格之后便采用水平連鑄機進行鑄造，接著進行擠壓及灌注助焊劑、連續輥軋、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工藝流程圖。按照圖1所示的流程圖，試生產直徑為Φ1.0mm及助焊劑含量為2.5%的SnCu0.7無鉛三芯焊錫絲產品，嚴格按照國家標準GB/T20422－2018進行產品成分分析和性能檢測。
2結果與討論
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，升高溫度至550～600℃，使金屬原料全部熔化后，加入0.5kg氯化鋅進行攪拌20～30min，在電磁力作用下強烈攪拌，保證熔體成分均勻，然后靜置10min后進行撈渣，最后進行澆鑄成錫銅中間合金。由于錫銅中間合金生產工藝溫度高，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A，開啟攪拌器強烈攪拌30min左右，促使A物質漩入熔體內部充分反應，同時使熔體充分合金化，確保熔體成分均勻。在合金化過程中，溫度較高，攪拌時會吸入空氣，錫與氧容易反應成氧化渣，懸浮在熔體中，澆鑄時會導致鑄錠夾雜孔洞多，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的金屬熔體。本工藝采用的A物質在熔體中充分反應，脫除焊料熔體中殘留的微量O2、CO2等氣體，同時能夠吸附熔體內部懸浮的氧化物顆粒，并帶到表面進行撈渣去除。相比傳統的熔煉工藝，熔體工藝處理能夠獲得高純凈的焊料合金。
2.2水平連鑄
水平連鑄機主要是由保溫箱、成型裝置、牽引裝置、切割裝置、冷卻系統組成。首先，錫焊料經熔錫爐合金化及工藝處理后把錫閥打開，合金熔液沿導錫管注入水平連鑄機的保溫箱內。在保溫箱中，對合金熔液再次進行溫度調整，以獲得最優澆鑄溫度。然后，開啟保溫箱內的閥門，合金熔體便注滿成型套，經充分冷卻成直徑為Φ84mm的錫棒材。最后，錫棒材通過牽引裝置進行拉拔到一定的長度后，切割裝置對錫棒材進行切斷，切斷的錫棒材將輸送到料架上。整個過程可以完全實現自動化操作，相比傳統人工澆鑄，既降低勞動強度，提高生產效率，又防止錫棒材夾渣，省去切頭和剝皮作業。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，氣孔數量不超過5個，而且單個氣孔面積不大于1mm2。工藝處理及合金化完成后，焊料熔體流入水平連鑄機的保溫箱內進行鑄錠作業，考察澆鑄溫度對錫棒外觀和輥軋工序的影響，試驗結果見表2。由表2可以看出，當澆鑄溫度低于300℃時，合金凝固速度快，外表容易產生裂紋，在輥軋時錫桿易斷裂，澆鑄溫度越低越嚴重;當澆鑄溫度高于360℃時，錫棒表面發黃，縮氣孔增多且面積增大，在輥軋時錫桿嚴重斷裂。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，應對爐頭、爐中和爐尾取樣進行光譜測試，釬料偏離規定的成分容易影響釬焊質量和焊錫絲的熔點。因此，在熔錫爐和保溫爐中開啟攪拌機進行慢速攪拌，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險，減少了斷芯的幾率。經過反復試驗，當采用3×Φ1.0mm的三孔松香嘴時，助焊劑在灌注過程中不順暢，甚至出現助焊劑無法灌注的情況;當采用3×Φ1.5mm的三孔松香嘴時，助焊劑可以正常灌注，不會出現堵塞。因此，三孔松香嘴的孔徑對助焊劑的灌注有影響，后續均采用3×Φ1.5mm的三孔松香嘴開展試驗。擠壓過程主要是對出線模直徑、料筒溫度和擠壓速度對擠壓桿質量的影響進行試驗，表3為出線模直徑、料筒溫度和擠壓速度對擠壓工序的影響結果。由表3可知，當出線模直徑為Φ14mm時，擠壓出的無鉛三芯桿三個助焊劑孔是相連的，而當出線模直徑為Φ12mm時，擠壓出的無鉛三芯桿三個助焊劑孔是獨立分開的，因此三孔相連或者獨立分開與出線模直徑有很大關系;擠壓速度在快速檔會造成擠壓壓力過高甚至報警，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生裂紋，溫度太低跟冷料擠壓一樣，會導致壓力偏高。經過多次反復生產試驗，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行的關鍵組成，助焊劑的灌注也是一道重要工序，需要嚴格控制助焊劑溫度在150±10℃，而且采取氮氣加壓的方式進行灌注。在焊錫絲的擠壓灌芯過程中，通過調整三芯松香嘴與出線模的距離來控制助焊劑含量，在擠壓開始和結束都要取樣進行助焊劑含量的分析。
2.4輥軋
采用XGG130輥軋機可將擠壓機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，用冷卻水噴淋輥輪和錫桿，以防止輥軋時溫度過高，助焊劑軟化而發生流動，造成助焊劑含量不準確。輥軋機的軋制變形道次具體排列順序為: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，經過輥軋機14道次輥扎，軋制的錫銅合金線表面質量高，圓度誤差小于±0.1mm。連續輥軋示意圖如圖2所示。
2.5拉絲
拉絲分為兩個階段，分別為中拉和細拉。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SnCu0.7合金桿的延展性和線徑，設計拉伸系數為0.914，16道次拉拔，拉絲模排列順序為: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。中拉設備為中型水箱拉絲機，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，根據實際操作情況，拉拔道次為17道次，拉絲模排列順序為: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。細拉設備為小型水箱拉絲機，拉絲模具、拉絲液及拉絲液溫度與中拉參數一致。最終得到的Ф1.0mm無鉛三芯絲表面光滑，無劃痕，下一步可以進入繞絲和包裝工序。
2.6產品質量及性能檢測
采用上述工藝流程及最佳工藝參數生產1t直徑為1.0mm及助焊劑含量為2.5%的SnCu0.7無鉛三芯焊錫絲產品。從該1t產品的頭、中、尾部任意取3個樣品，用型號為SPECTROMAXx(LMX06)的斯派克直讀光譜儀對其進行元素分析，檢測結果見表4。性能檢測主要考察線徑、斷芯率和焊芯含量三項指標，檢測結果見表5。由表4可以看出，任意抽取的3個線徑為Φ1.0mm、焊芯含量為2.5%的SnCu0.7無鉛三芯錫絲樣品，在化學成分上均符合國家標準GB/T20422－2018的要求。由表5可知，按照國標GB/T20422－2018的要求，焊錫絲斷芯率應小于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，從測試結果看，3個樣品也符合國家標準要求。試驗及測試結果表明，在最佳工藝參數條件下制得的SnCu0.7無鉛三芯焊錫絲產品符合標準要求，而且基本上不存在斷芯現象。
3結論
1.無鉛三芯焊錫絲有三個助焊劑孔，助焊劑獨立分開且分布更均勻，焊接時助焊劑能充分釋放，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.對合金配制、熔體工藝處理、水平連鑄、熱擠壓、輥軋及拉絲等關鍵工藝進行了研究，確定了生產SnCu0.7無鉛三芯焊錫絲最優工藝參數，并實現了工業化穩定生產。
3.與傳統單芯絲生產工藝相比，采用熔體工藝處理，強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，既降低勞動強度，提高生產效率，又防止了錫棒材夾渣，省去了切頭和剝皮作業。
4.在最佳工藝參數條件下制備的SnCu0.7無鉛三芯焊錫絲產品，經檢測均達到國家標準GB/T20422－2018的要求，而且SnCu0.7三芯焊錫絲產品斷芯率為零，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：云南錫業郴州礦冶有限公司高新材料分公司