作爲一種傳統焊接技術,目前波峰焊接技術依然(rán)在電子制造領域發揮着積極(jí)作用。介紹了波峰焊接技術的原理(lǐ),并分别從焊接前的質量控制(zhì)、生産工藝材料及工藝參數這三個方面探讨了提高波峰焊質量的有(yǒu)效方(fāng)法。
波峰焊是将熔化的焊料,經電動泵或電磁泵噴(pēn)流(liú)成設計要求的焊料波峰,使預先裝有(yǒu)電子元器件的(de)印制闆通過焊料波峰,實現元器件焊端或引(yǐn)腳與印制闆焊盤之間機(jī)械與電氣(qì)連(lián)接(jiē)的軟釺焊。波峰焊用(yòng)于印制(zhì)闆裝聯已有20多年的曆(lì)史,現在已(yǐ)成爲一種非常成熟(shú)的電子裝聯工藝技(jì)術,目前主(zhǔ)要用于通孔插(chā)裝組件和(hé)采用(yòng)混合組裝方式的表面組件的焊接。
1 波峰焊工(gōng)藝技術介紹
波峰焊有單波(bō)峰焊和雙波峰焊之分(fèn)。單波峰焊(hàn)用于SMT時,由于焊(hàn)料的(de)"遮蔽效應"容易出現較嚴(yán)重的質量問題,如漏焊、橋接和(hé)焊縫不充實等缺陷。而雙波峰(fēng)則較好地克服了這個問題,大大減(jiǎn)少漏焊、橋接和焊縫不充實等缺陷(xiàn),因此目前在表面組裝中廣泛采用雙波峰焊(hàn)工藝和設備,見(jiàn)圖1。
波峰錫過程:治具安裝→噴塗助焊劑系統→預熱→一次波峰→二次波峰(fēng)→冷卻。下面分别介紹各步内(nèi)容及作用。
1.1 治具安裝
治具安裝是指(zhǐ)給待焊接的PCB闆安裝夾持的治具,可以限制基闆受熱變形的程度,防止冒錫現象的發生,從而确保浸錫效果的(de)穩定。
1.2 助焊劑系統
助焊(hàn)劑系統是保證焊接(jiē)質量的第一個環節,其主要作用是均勻地塗(tú)覆助焊劑,除去PCB和元器件焊接表(biǎo)面的氧化層和防止焊接過程中再氧化。助焊(hàn)劑的塗覆一定(dìng)要均勻,盡量不産生(shēng)堆積,否則(zé)将(jiāng)導緻焊接短路(lù)或開路。見圖2。
助焊(hàn)劑系統有多種,包括噴霧式、噴流式(shì)和(hé)發泡式。目前一般使用噴霧式助(zhù)焊系(xì)統,采用免清洗助焊劑,這是(shì)因爲免清洗助焊劑中固體含量極少,不揮發無含量隻有1/5~1/20。所以(yǐ)必須采用噴霧式助焊系統塗(tú)覆助焊劑,同時在焊接系統中加防氧化系統,保證在PCB上得到一層均(jun1)勻細密很薄的助焊劑塗層,這樣才不會因第一個波的擦洗作用和助焊劑的揮發,造成助焊劑量不足,而導緻焊料橋接和拉尖。
噴霧式有兩種方式:一是采用超聲波擊打助焊劑,使其顆粒變小,再噴塗(tú)到PCB闆上。二是采用微細噴嘴在一定空氣壓力下噴霧助焊劑。這種噴塗均勻、粒度小(xiǎo)、易于控制,噴霧(wù)高度/寬度可自動(dòng)調節,是今後發展(zhǎn)的主流。
1.3 預熱系統
1.3.1預熱系統的作用
(1)助焊劑中的溶劑成份在通過預熱器時,将會(huì)受熱揮(huī)發。從而避免溶劑(jì)成份在經過液面時高溫氣化造成(chéng)炸裂的現象發生,最終防止産生錫粒的品質隐患。 (2)待浸錫産(chǎn)品搭載的部品在通過預熱器時的緩慢升溫,可避免過波峰時因驟熱産生的物理作用造成部品損(sǔn)傷的情況發生。
(3)預熱(rè)後的部品或端子在經過波峰(fēng)時不會因(yīn)自身溫度較低的因素大幅度(dù)降低焊點的焊接溫度,從而(ér)确(què)保焊接在規定的時間内達到(dào)溫度要求。
1.3.2 預熱方法
波峰(fēng)焊機中(zhōng)常見的(de)預熱方法(fǎ)有三種:①空氣對流加(jiā)熱;②紅(hóng)外加熱器加熱;③熱空氣和輻射相結(jié)合的方法加熱。
1.3.3 預熱溫(wēn)度
一般預熱溫度爲130~150℃,預熱時間(jiān)爲1~3min。預熱溫度控制得好,可防止虛焊(hàn)、拉尖和橋接,減小焊料波峰(fēng)對(duì)基闆的熱沖擊(jī),有效地(dì)解決焊接過程中PCB闆翹曲、分層、變形問題。
1.4 焊(hàn)接系統(tǒng)
焊接系統一般采用雙波峰。在波峰焊接時,PCB闆先接(jiē)觸第(dì)一個波峰,然後接(jiē)觸第二(èr)個波峰。第(dì)一個波峰是由窄噴嘴噴流出的"湍(tuān)流"波峰,流速快(kuài),對組件有較高的垂直壓力,使焊料對尺寸小,貼裝密度高的表面組裝元器件的焊端有較(jiào)好的滲透性;通過湍流(liú)的熔融焊料(liào)在所有方向擦洗組件表面,從而提(tí)高了焊料的潤濕性,并克服了由于(yú)元器件的複雜(zá)形狀和取向帶來的問題(tí);同時也克服(fú)了焊料的"遮蔽效應"湍(tuān)流波(bō)向上的(de)噴射力足以使焊劑氣體排出。因此,即使印制闆(pǎn)上不(bú)設置(zhì)排氣孔也不存在焊劑氣體的(de)影響,從而大大(dà)減小了漏焊、橋接和(hé)焊縫不充實等焊接缺陷,提高(gāo)了焊(hàn)接可靠性(xìng)。經過第一個(gè)波峰的産品,因浸錫時間短以及部品自身的散熱等因素,浸錫後存在着(zhe)很多(duō)的短路,錫多,焊點光潔(jié)度不正常以及焊接強(qiáng)度不足等不良(liáng)内容。因此,緊接着必須進行浸錫不良的修正,這個動作由噴流面(miàn)較平(píng)較寬闊,波峰較(jiào)穩定(dìng)的二級噴流進行。這(zhè)是一個"平(píng)滑"的波峰(fēng),流動速度慢,有利于(yú)形成充實(shí)的焊縫,同時(shí)也可有效地去除焊端上過量的焊料,并使所有焊接面上焊料潤濕良好,修正了焊接面(miàn),消除了可(kě)能的拉尖和橋接,獲(huò)得充(chōng)實無缺陷的焊縫,最終确保了組件(jiàn)焊接(jiē)的可靠性。雙波峰基本原理如圖3。
1.5 冷卻
浸錫後适當的冷卻有助于增強焊點接(jiē)合強度(dù)的功能,同時,冷卻後的産品更(gèng)利于(yú)爐後操作人員的作業,因此,浸錫(xī)後産品需進行冷(lěng)卻處理。
2 提高波峰焊接質量的(de)方法(fǎ)和措施
分别從焊接前的質量(liàng)控制(zhì)、生産工藝材料及工藝參數這三個(gè)方面(miàn)探讨了提高波峰(fēng)焊(hàn)質量的方法。
2.1 焊接前對印制闆質量及元件的(de)控制
2.1.1 焊盤設計
(1)在設計插件元(yuán)件焊(hàn)盤時,焊盤大小(xiǎo)尺寸設計應合适。焊(hàn)盤太大,焊料鋪展面積較大,形成的(de)焊點不飽滿,而較(jiào)小的焊盤銅箔表面張力太小,形成(chéng)的焊點爲不浸潤焊點。孔徑與元(yuán)件引線的配合間隙太大,容易虛焊,當孔(kǒng)徑比引線寬0.05~0.2mm,焊(hàn)盤直徑爲孔徑的2~2.5倍時,是焊接比較(jiào)理想的條件。
(2)在設計貼片元件焊盤(pán)時,應考慮以下幾(jǐ)點:①爲了盡量去除"陰影效應",SMD的焊端(duān)或引腳應正對着錫流的方向,以利于與錫(xī)流的接觸(chù),減少虛焊(hàn)和漏焊,波峰焊時推(tuī)薦采用的元件布置方向(xiàng)圖如圖4所示;②波(bō)峰焊接不适合于細(xì)間距QFP、PLCC、BGA和小間距SOP器件焊接,也就是說在要(yào)波峰焊接的這一面盡量不要布置這類元件;③較小的元件不應(yīng)排在較大的元件後,以免較(jiào)大元件(jiàn)妨礙錫(xī)流與較小元件的焊盤接觸,造成漏焊。
2.1.2 PCB平(píng)整度控制
波峰(fēng)焊接對印制闆的平(píng)整度要求很高(gāo),一般要求翹曲度要小于0.5mm,如果大于0.5mm要(yào)做平整(zhěng)處理。尤其是某些印制闆厚度(dù)隻有1.5mm左右,其翹(qiào)曲度要求就更高,否則(zé)無法保證焊接質量。
2.1.3 妥善保存印(yìn)制闆及元件,盡量縮(suō)短儲存周期
在焊接中,無塵埃、油脂、氧化物的銅箔及元件引(yǐn)線有利于形成合格的焊點(diǎn),因此印制闆及元件應保存在幹燥、清潔的環境下,并且盡量縮(suō)短儲存周(zhōu)期。對于放(fàng)置時間較長的印制闆,其(qí)表面一般要做清潔處理,這樣(yàng)可提高可焊性,減少(shǎo)虛焊和橋接,對表(biǎo)面有一定程度氧(yǎng)化的元件引腳,應先除去其表面氧化層(céng)。
2.2 生産工藝材料的質量控制
在(zài)波峰焊接中,使用(yòng)的生産(chǎn)工藝材料有:助焊劑和焊料。
2.2.1 助焊劑質量控制(zhì)
助焊劑在焊接質量的控制上舉足輕重,其作用是:(1)除去焊接表面的氧(yǎng)化物;(2)防止焊接時焊料和焊接表面再氧化;(3)降低焊料的表面張力;(4)有助于熱量傳(chuán)遞到焊接區。目前波峰焊接所(suǒ)采用的多爲(wèi)免清洗助焊劑。選擇助焊(hàn)劑時有(yǒu)以下要求:(1)熔點比焊料低;(2)浸潤擴散(sàn)速度比熔化焊料快(kuài);(3)粘度和比重比焊料(liào)小;(4)在常溫下貯存穩定。
2.2.2 焊料的(de)質量控制
錫鉛焊料在高溫下(xià)(250℃)不斷氧化,使錫鍋中錫-鉛焊料含錫量不斷下(xià)降,偏離共晶點(diǎn),導緻流動性差,出現連焊、虛焊(hàn)、焊點(diǎn)強度不夠等質量問題。可(kě)采用以下幾個方法來解決這(zhè)個問題:①添加氧化還原劑,使已氧化的SnO還原爲Sn,減小錫渣的産生;②不斷除去浮(fú)渣; ③每次焊接前添加一定量的錫;④采用含抗氧(yǎng)化磷的焊料;⑤采用氮氣保護,讓(ràng)氮氣把焊料與空氣隔絕開來,取代普通氣體,這樣就避免了浮渣的産生,這種方(fāng)法要求對設備改型(xíng),并提供氮(dàn)氣。
目前最好的(de)方法是在氮氣保護的氛圍下使用含磷的焊料,可将浮渣率控制在最低程(chéng)度,焊接缺(quē)陷最少,工藝控制最佳。
2.3 焊接過程中的工藝參數控制
焊接工藝參數對焊接(jiē)表面(miàn)質量的影響比較複雜,并涉及到較多的技術範(fàn)圍。
2.3.1 預熱溫度的控制
預(yù)熱的作用:①使助焊劑中(zhōng)的溶劑充分發揮,以免印制(zhì)闆通過焊錫時(shí),影響印制闆的潤(rùn)濕和焊點的形成;②印制闆在焊接前達到一定溫度,以免受到熱沖擊産(chǎn)生翹曲(qǔ)變形。一般預熱溫度(dù)控制在(zài)180~210℃,預熱時間1~3min。
2.3.2 焊(hàn)接軌(guǐ)道傾角
軌道(dào)傾角對焊接效果的影(yǐng)響較爲明顯,特别是在焊接高(gāo)密度SMT器件時更是如此。當傾角太小時,較(jiào)易出現橋接,特别是(shì)焊接中,SMT器件的"遮蔽區"更(gèng)易出現橋接;而傾角過大(dà),雖(suī)然有利于橋接的消除,但焊點吃錫量(liàng)太小,容易産生虛焊。軌道傾角(jiǎo)應控制在5°~8°之間(jiān)。
2.3.3 波峰高度
波峰的高度會(huì)因焊接工作(zuò)時間的推(tuī)移而有(yǒu)一些變化,應(yīng)在焊接(jiē)過程(chéng)中進行适當的修正,以保證理想(xiǎng)高度進行焊接波峰高(gāo)度,以壓錫深度爲PCB厚度的1/2~1/3爲準(zhǔn)。
2.3.4 焊接溫度
焊(hàn)接(jiē)溫度是影(yǐng)響焊接質量的一個重要(yào)的工藝參數。焊接溫度過(guò)低時,焊料的擴展率、潤濕性能變差,使焊盤或元器件焊端由于不能充分的潤濕,從而産生虛焊、拉(lā)尖、橋接等缺陷;焊接溫度過高時,則加速了焊盤、元器件引腳及焊料的氧化,易(yì)産生虛(xū)焊。焊接溫度(dù)應(yīng)控制在250±5℃。
3 常見焊接(jiē)缺(quē)陷及排(pái)除
影響焊接質量的因素是很(hěn)多的,表1列出的是一(yī)些常(cháng)見缺陷及排除方法,以供(gòng)參考。
波峰焊接是(shì)一項精細工作,影響焊接質量的因素(sù)也很多,還需我們更深一步地研究和讨論,以期提高波(bō)峰(fēng)焊的工藝知識。
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