无铅焊锡的对策：问题分析与焊接工艺改进

随着产品小型化、高密度实装基板、微细间距部品与多层基板的快速发展，锡丝无铅化让焊接变得更困难，必须重新研究焊接方法。在 SMT 再流焊的附加焊接工程与局部焊接领域，微细化程度高且多样化的手工焊与机器人无铅锡焊技术的确立已成当务之急。本文从铅/无铅锡丝的对比讲起，分析无铅焊锡中容易出现的问题与成因，并给出可落地的对策，供工艺与设备工程师参考。

一、无铅锡丝与传统锡铅焊丝的比较

无铅化并非简单替换材料，它在多项物理与工艺特性上与锡铅焊丝存在明显差异：

其中浸润性/延展性变差与烙铁头寿命大幅缩短是无铅焊锡现场最直观的两大痛点，也是后续对策的核心。

二、采用无铅锡丝容易出现的问题及原因

（1）焊接温度升高带来的锡球、助焊剂飞溅

往高温烙铁头上供给含助焊剂的锡丝时，锡丝中的助焊剂因受热膨胀而破裂，造成锡丝飞溅；同时助焊剂因温度升高活性下降。烙铁头温度越高、与室温锡丝的温差越大，对锡丝的热冲击越大，飞溅越厉害。

（2）漏焊、短接

由于无铅锡丝浸润性、延展性差，在一般条件下焊接时，尤其对多层板通孔的焊接容易形成漏焊、短接。

（3）烙铁头氧化及助焊剂碳化

焊接作业中氧化物及助焊剂碳化物会附着在烙铁头上。通过能量分散型 X 射线分析烙铁头前端附着物成分发现：使用共晶锡丝时，附着物中碳 C 含量比锡 Sn 多（碳来自助焊剂碳化）；而使用无铅锡丝时，附着物中锡 Sn 含量比碳 C 多——这些锡是从无铅锡丝中约 96% 的锡受热氧化成氧化锡后析离出来的。烙铁头消耗的过程，实质是镀铁层从形成反应层、逐渐变厚直至崩溃消失的过程：实验发现 1 小时即形成反应层，4 小时后明显成长，16 小时后厚度显著变厚。

（4）烙铁头和锡槽寿命短

实验表明，使用无铅锡丝时，约 5000 次后吃锡面被侵蚀导致烙铁头变形；到 10000 次后烙铁头上出现空洞。相比共晶锡丝，其消耗快了 2~3 倍。在定量送锡同时进行清洗的连续作业中，无铅锡丝吃锡面的消耗量同样为共晶锡丝的 2~3 倍，且温度越高消耗越剧烈。

（5）对周边部件的热影响

无铅化使温度提高，需关注对周边耐热性不足部件的热影响。耐热材料与零件会不断发展，但仍会存在一些未做或难做耐热处理的部分。

三、无铅焊锡的对策

（1）抑制锡球、助焊剂飞溅

采用预热锡丝以减轻热冲击的方法，可大量减少飞溅。开发用于焊接机器人的含助焊剂锡丝，即使在高温下也不易失去活性，比手工焊锡丝更具耐热性。

（2）漏焊、短接的对策：氮气作业氛围

氮气焊接氛围通过将焊接环境置于低氧状态、抑制母材与锡丝氧化，从而提升焊接品质，被广泛应用。其效果包括：① 焊点光泽与切面变好，减少漏焊及短接等不良；② 减少助焊剂残渣（常规含助焊剂锡丝助焊剂含量约 2%~3%，多层基板通孔可能用到含 6% 助焊剂的锡丝，氮气可显著降低残渣）；③ 使烙铁头寿命延长约 2 倍（氮气抑制吃锡面氧化）。关于氮气发生与供给，可参考 UNIX 氮气产生器。

（3）防止烙铁头氧化及助焊剂碳化

使用锡铅锡丝时，附着物主要是助焊剂碳化物，用海绵或吹气等常规清洗即可去除；而无铅锡丝时残留物主要是锡的氧化物，此时锡丝无法熔化、热量无法传递，只能使用氧化铝粉末或特殊助焊剂去除。因此更依赖选用长寿命烙铁头与稳定的加热系统，例如 UNIX AH 加热器（配 P 系列烙铁头）、BH 加热器（配 L 系列） 与 BHS 加热器（配 LS 系列），其镀铁层品质直接决定烙铁头寿命。

（4）提高烙铁头和锡槽寿命

不要一味提升温度，应在适宜温度焊接，选择最适合的烙铁。关键不在于温度高低，而在于能否以最快速度把所需热量传给焊点。具体要点：

① 使用长寿命烙铁头，镀铁层厚度与品质很重要；
② 在短时间内完成焊接作业，要求烙铁具备快速传热性能；
③ 休息等不进行焊接时，烙铁头温度能自动下降；
④ 作业结束时清洗后给烙铁头添上预留锡丝，尽快关闭电源；
⑤ 锡丝预热、焊接物预热：先将锡丝加热至约 100℃ 再焊接，可提高无铅锡丝初期熔化速度与浸润性，相对降低烙铁头设定温度，并抑制锡球/助焊剂飞散；对焊接对象预热在无铅焊接中也是常用方法；
⑥ 在氮气氛围中焊接，既可改善浸润性，又能抑制氧化，同时具备预热效果。

四、延伸阅读

• 真假 UNIX 鉴别：原装与仿制配件如何分辨（采购原装加热器/烙铁头，避免山寨件拉低焊接稳定性）
• 激光焊锡机技术专题：原理·优缺点·选型（非接触精密焊接方案）
• UNIX 加热器与烙铁头总览

本文首发于 2015 年，系我司基于长期现场焊接经验与无铅化实测数据整理，现重新编排发布；技术结论与对策在当前产线仍适用。涉及原装 UNIX 加热器/烙铁头的选型与采购，欢迎通过 深圳市小马驰骋科技 咨询。

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