波峰焊接基础技术理论之五.doc

波峰焊接基础技术理论之五 桥连现象的发生及其预防 1 定义 过多的钎料使等电位或不等电位的相邻导体连通起来的现象统称为桥连。 要说“虚焊”是自动化软钎接( 波峰焊、再流焊等)中危害最大的一种焊接缺陷的话，那么“桥连”现象就是上述焊接工艺中形因最为复杂，而且是发生概率最高的一种焊接缺陷。它涉及到多方面的因素。如PCB的设计、制造、保管、储存；元器件引脚的类型、长短、表面状态和热容量；所用辅料（钎料、助焊剂等）的品牌、质量、化学成分、杂质容限；波峰焊接工艺参数的正确选择；钎料波峰形状的合理调整；焊接设备和钎料波形；甚至气候环境（晴天、雨天、空气中的温度和湿度）等都是造成“桥连”的潜在因素。因此，根除“桥连”缺陷是一项系统工程，一个环节不注意，就可能前功尽弃。要认识“桥连”现象发生的本质，必须先研究液态钎料的表面现象和钎料波峰的动力现象，从而找出解决问题的钥匙。2 桥连现象： 桥连现象A 焊盘和导线间桥连，如图 1 所示。 为了避免此现象，在通孔安装方式中通常相邻焊盘或导线之间的安全间距应尽可能0.8mm，而对密集型焊点群(如96芯插座)焊盘之间的最小间距必须1.0mm才行。 桥连现象B 相邻二引脚之间的空间发生的桥连，如图2所示。 此现象通常是由于相邻引线伸出焊盘的高度过长，引脚之间的间距过短所致。另外焊接速度过快，倾斜角过小对此现象的发生也有一定的影响。 桥连现象C 多芯接点间的横向桥连及纵向桥连，如图 3 所示。 纵向桥连主要影响因素是钎料波形选择不当，引脚伸出长度过长以及夹送速度过快。而横向桥连现象的出现则主要是由于钎料波峰中存在钎料的横向流动所致。 桥连现象D 多芯接点间的复合桥连现象，如图 4 所示。 复合桥连现象的发生原因，主要是由于波峰的平整度差而导致波峰钎料出现了明显的横向流动所致。波峰中存在漩涡一运动对复合桥连现象的发生也有一定的影响。 桥连现象E 在SMT波峰焊接中由于大元件阻挡造成液态钎料回流而形成桥连，如图5所示。 造成此现象的主要因素是PCB设计不良。 桥连现象F SMT波峰焊接中沿SMC上表面发生的桥连现象，如图6所示。 此现象的发生很大可能是由于SMC表面受污物污染和波峰焊时夹送方向不合适所致。 桥连现象G SMT波峰焊接中沿SMC下表面缝隙中发生的桥连现象，如图7所示。 出现此现象的可能原因是与SMC二电极相连的二焊盘之间的距离偏小，再加上元器件体和PCB板面之间的窄缝，形成了不流动的死角滞留了液态钎料而导致在窄缝中发生桥连。避免出现此现象的有效办法是阻断沿窄缝发生桥连的通道，如图8所示。 桥连现象H 由于SMT焊盘间距设计不当造成的桥连现象，如图9所示。 图9中虽然相邻二元件体电极之间的距离合适，但是焊盘间距大小而导致在相邻二电极之间被钎料填充而发生桥连。在SMT波峰焊接中相邻SMC/SMD元器件体及相关焊盘之间的安全距离应符合如图10图12所示。 桥连现象I 在波峰焊接中有时出现一条形区内发生大片的不润湿性桥连并伴有大量的拉尖，如图13所示。 出现此现象的根本原因是助焊剂喷雾系统不正常，出现了漏涂区所致。 3 桥连形成原因3.1 产生“桥连”的机理 为了描述波峰焊接中相邻导线和焊盘间发生“桥连”的形因，我们仅就图14所示的SMD波峰焊接发生桥连时的简单模型来进行讨论。 在图14 中R1 、R2 、 R3 、R4 是由熔融钎料所形成的曲率半径，位于钎料外侧的曲率半径R3 、R4 是负的，而位于钎料内部R1、R2 是正的， f 是液态钎料的表面张力。 在焊盘间形成桥连的熔融钎料的内压P3、P4 ，可以表示为： P3 ( 1 ) P4 = ( 2 )式中： P3、P4 桥连处熔融钎料的附加内压： f 熔融钎料的表面张力； R3、R4 桥连处的曲率半径。 内压P3 、P4作用力方向是指向桥连区域熔融钎料的外部，如图14中箭头所示。该内压的作用趋势是使桥连处的熔融钎料不断扩展而使桥连面积不断增大。 图14(b)焊盘或导线部位上的内压P1、P2 可表示为： P1 ( 3 ) P2 = ( 4 ) 焊盘或导线上的内压P1、P2 为正值，其作用方向是指向焊盘部分液态钎料内部的，如图14(b)所示。从而一旦发生桥连时，由于桥连部分液态钎料中的内压低，而位于焊盘或导线上的液态钎料内压高。以图14(b)左侧为例，它们之间的压差可表述如下：P = P1 P2 =() = f () ( 5 ) 由此可知，熔融钎料从焊盘或导线部流向桥连区域，导致桥连区域中钎料不断地增加和堆集，从而加剧了桥连现象的发生和发展。 由于P4 的值也是负值，也构成了吸收高内压区域熔融钎料的驱动力。 P4 ( 6 ) 由上述各式可知， 随着相邻导线和焊盘间的间距和宽度的不断变窄， 曲率半径R1、R2、R3 、R4 不断变小。由式（1）( 6 )可知，位于桥连区的熔融钎料内的附加内压也将随之变得更低，而焊盘或导线上的液态钎料的附加内压却变得更高 ，熔融钎料不断地向低内压区流动，使得桥连区内液态钎料愈积愈多，从而大大地增加了桥连的发生几率。而由式(5)可知，内压差P与液态钎料的表面张力成正比，因此减小表面张力 f 则可缩小它们之间的内压差，从而可以降低发生桥连的可能。 图15( a )中IC引脚弯曲部也构成了波峰焊接中钎料中的负压区，其值为： P5 = ( 7 ) 因此，在此区域就形成了此类器件在波峰焊接中桥连的高发区。如图15( b )所示。3.2 波峰焊接过程中形成桥连的区域 由上述分析可知，形成“桥连”现象的本质，是在当PCB退出波峰时所形成的剥离区的薄层钎料内部存在着压力差。在忽略钎料流动特性影响因素情况下，可以认为左右这种压力差的存在和大小的则是熔融钎料的表面张力，以及在波峰剥离薄层区的最后剥离线上所存在的那些微小的曲率半径的线段，如图16所示。 显然波峰焊接中PCB与液态钎料剥离过程中所形成的剥离薄层区，是形成桥连现象的作用区域。也就是说所有桥连都是在此区形成内形成的。3.2 波峰焊接中影响“桥连”现象发生的因素 在工业生产运行中，具体构成对“桥连”现象的直接或间接的各种影响因素是多种多样的。譬如说：钎料波峰的波形、钎料波峰的平整度、液态钎料的温度、相邻导体间的间距、基体金属表面的净度、钎料的纯度、助焊剂的活性、引脚伸出板面的高度、操作时的夹送角度、PCB压入波峰钎料的深度等。下面我们将对上述所列的各因素及其具体作用的物理化学过程一一分述如下： 钎料波峰形状的影响 波峰焊接效果与钎料波峰形状的正确设计关系极大，正确选定钎料工作波形是减少焊接缺陷(桥连、拉尖、气孔、板面污物等)的重要环节，公司所用的原设备上所采用的钎料工作波形，如图17(a)所示。 该波形不足之处是： 波的前端过于陡直，对波面上所出现的纵向凹纹、凹槽等不仅无填补作用，而且还有放大作用； 波峰的后部呈水平状，易滞留氧化浮渣； 流体流速(V2)很小(V2V0)， PCB与钎料波峰脱离时速度不易匹配，脱离条件差； 波峰阔度偏小(k1k1)，生产效率不高，透孔性能差。 而图15(b)的优势在于： 波的前部宽，坠落过程比较缓，对波面出现的纵向凹纹和凹槽有良好的填平作用； 波的前半部液流逆PCB夹送方向互动时间长，擦拭和浸润效果好； 波面呈曲面，不易滞留氧化浮渣； V2V0 ，脱离时速度匹配性好 调节调节板1可以方便地调节前半部波形特性和波速V1的大小和方向，而调节调节板2可以改变后半部分的波形特性和波速V2 的大小和方向，使其达到最佳的脱离条件： V1V0 V2V0 (在脱离点B相对速度为零) 波的阔度： K 1K1 ，故图17(b)生产效率比图17(a)高。 钎料波峰平整度的影响 钎料波峰平整度差是导致波峰钎料浸入PCB后产生横向流动的根源，而在波峰焊接过程中波峰中横向流动和漩涡运动，是导致密集型焊点群(如96芯扦座等)产生横向桥连和复合桥连现象的要害，如图18所示。此现象的危害，就在于它还未被人们所发现。 图18中当V_过大时是导致横向桥连的主因，而合成速度Va往往最易导致复合桥连现象的发生，如图4所示。 温度的影响 影响表面张力 f 大小的因素，对熔融钎料本身来说主要是液态钎料的温度和液态钎料本身的粘度。，它们之间的变化关系可以下通过式( 8 )和（ 9）来描叙。 f 4 98.10.045T ( 8 ) 0 e ( 9 )式中： f 表面张力； T 绝对温度； 粘度； 0 室温下的粘度； E 活化能量； k 波耳兹曼常数。 由式( 8 )、( 9 )可知随着温度的升高熔融钎料的表面张力和粘度都要减小，这有利于熔融钎料从PCB上的剥离。然而温度过高熔融钎料氧化加剧，液态钎料表面为一层氧化膜所包裹，其综合效果相当于表面张力增大、熔融钎料漫流性变差，此时薄层中的多余钎料不容易被拉回波峰也要形成“桥连”。因此选择合适的焊接温度对消除“桥连”影响很大，高了不行，低了也不行。由于钎料表面张力是受钎料温度影响的，温度高会减少表面张力，但也会使液态钎料表面氧化加剧。因此，采取过量升温的办法不能显著改善钎料表面张力状态。 相邻导线或焊盘间距的影响 影响位于薄层区剥离线上的一些曲线段，如图16所示。曲率半径的大小是相邻导线之间间距的函数，间距增大，曲率半径随之增大，附加内压降低，因此不易形成“桥连”的条件。相反相邻导线之间的间距变窄，曲线的曲率半径变小，跨接在剥离线相邻二导体之间的熔融钎料内压负得更大，从而导致与相邻区域(焊盘或导线)熔融钎料之间的内压差增大，相邻区域(焊盘或导线)的熔融钎料都流向跨接区，造成钎料在跨接区集聚而形成“桥连”。 基体金属表面净度的影响 基体金属表面净度反映了熔融钎料对基体金属表面的润湿能力，通常可用润湿力（吸附力）来表述。我们知道，纯净的金属表面均存在着由原子引力所构成的力场，只有当基体金属表面很洁净时，钎料与基体金属原子才能接近到能够相互吸引结合的距离，即接近到原子引力起作用的距离。钎料对基体金属的润湿力（附着力），就表现在这种原子间的引力以及熔融钎料沿着表面的凸凹和伤痕所形成的毛细吸管润湿扩散时所存在的作用力之和。当基体金属表面或熔融钎料表面粘附有氧化物或污垢时，它就将妨碍熔融钎料原子自由地接近基体金属原子，这样就不会产生润湿作用。 熔融钎料对基体金属润湿力大小对“桥连”现象的发生影响很大。图19 示出了基体金属表面净度对形成“桥连”现象的影响(忽略重力作用的影响)。位于相邻二焊盘之间的熔融钎料对基体金属的润湿力Fw 作用方向是指向焊盘的，它有将中间钎料吸向焊盘的趋势，显然该力对消除“桥连”有好处。而位于桥连区域内液态钎料中附加的负压却要将焊盘上的钎料吸向桥连区，其作用正好与润湿力的作用效果相反。焊盘表面若很洁净，则润湿力就大，对消作用也就大，所以不易“桥连”；如果表面被污染了，则润湿力很小甚至为零，因此润湿力的对消作用就很微弱甚至丧失，所以发生“桥连”的可能性就很大。 钎料纯度的影响 我们知道液体的表面张力与液体的纯度有关。在纯净的液体中如果掺进杂质，虽然有降低表面张力的趋势，但液态钎料粘度却明显增大多了。粘度的增大将导致液态钎料的流动性明显变差。表现的现象和表面張力增大有相似的效果。在波峰焊接中钎料槽中的钎料会不断地受到杂质金属（如铜等）的污染，当杂质金属积累到一定浓度后，将改变合金的物化特性，导致钎料的粘度发生明显的变化（增大），所以“桥连”现象将频繁出现。 助焊剂的活性及预热温度的影响 通常被焊基体金属表面都会被一层薄的氧化膜所包裹，因此波峰焊接之前必须要通过助焊剂中的活性物质，将其破除以获得纯净的金属表面。如果说助焊剂的活性达不到此目的，就将因润湿性不好而产生“桥连”。助焊剂活性的充分发挥与预热温度关系密切。预热温度低，助焊剂的化学活性发挥不充分，基体金属表面洁净度达不到要求，也易造成“桥连”。预热温度过高也是不利于“桥连”现象的消除。其原因是： 助焊剂中的溶剂过量挥发，活性剂迅速分解，被净化了的表面因得不到保 护而出现二次氧化现象； 因助焊剂干枯，PCB基板进入波峰后，助焊剂已丧失降低液态钎料表面张力、加速钎料漫流的作用。 PCB元器件安装设计不合理，板面热容量分布差异过大 在实践中经常出现下述现象：即波峰焊接工艺参数的设置、基体金属表面的可焊性、钎料及助焊剂的成分和物化特性等均无问题，但在一些大热容量焊点密集的区域却老出现“桥连”现象。分析此现象，纯属安装设计不合理所造成。将本身热容量很大的零部件均密布在某一区域内，从而构成了大热容量区域。波峰焊接时在同样操作条件下，这部分区域不能从波峰钎料中吸取到达到润湿温度所需要的足够的热量。导致这部分温度偏低，钎料表面张力和粘度都将偏大，从而造成润湿性不良而形成“桥连”。提高钎料槽温度或者降低夹送速度，可以抑制此区域内“桥连”现象的发生，但对大部分热容量小的区域的元器件，又将因过热而损坏。从理论上讲，采用小惯量可变速夹送自动拖动系统，可解决这一问题，然而现有的波峰焊接设备都不具备这样的功能。 PCB吃锡深度对“桥连”现象的影响 波峰焊接中PCB的吃锡深度，反映了PCB在波峰上所受液体压力的大小。浸入钎料一定深度而产生的向上压力，虽然在焊点形成期间它是一个推力，但它主要的作用是逐渐地送进钎料和传热，而不是使钎料上爬。浸入的深度与PCB厚度及类型要相适应 。过大不仅易导致熔融钎料溢流到PCB板的元件面，同时也是导致“桥连”现象的因素。主要原因是： PCB板厚的挡流作用明显了，管道截面变窄、流道不畅破坏了管道内的层流状态； PCB离开钎料波峰时剥离薄层区将加宽加厚，更多的液态钎料被PCB板携带出来堆积在负压区而形成“桥连”和“拉尖”。 元器件引脚伸出PCB板的高度对“桥连”现象的影响 元器件引腿伸出焊盘的高度，是引起相邻焊点间发生桥连的重要因素。特别是对密集型焊点群(如96芯插座)优为明显。 图20(a)中，因引脚伸出板面过长，由于前面引脚的阴影效应，脱离时剥离薄层区被拉长，将后面焊点及引脚全套入了薄层区内，因而造成了“桥连”的条件。 图20(b)为标准伸出高度，由于前面引脚阴影效应不明显，剥离薄层区很窄，不可能跨越两个焊盘，因此不易形成“桥连”的条件。 引脚伸出的安全高度与所用钎料波峰的形状及夹送的倾斜角有关，根据公司的设备条件经过初步测算，对96芯插座的安全高度(不发生桥连的高度)的临界值大约为0.7mm左右。 PCB夹送速度对“桥连”现象的影响 对此问题的讨论将涉及到钎料波峰动力理论，在后续的专题课中将讨论到，故此处不作分析。 PCB夹送倾角对“桥连”现象的影响 当PCB采用倾斜某一角度进入钎料波峰的