毕业设计（论文）-回流焊接工艺缺陷分析.doc

南京信息职业技术学院毕业设计论文作者学号系部专业题目回流焊接工艺缺陷分析指导教师评阅教师完成时间： 年 月日毕业设计(论文)中文摘要(题目)：回流焊接工艺缺陷分析摘要：焊接是表面组装技术中的主要工艺技术，是完成元件电气连接的环节，直接与产品的可靠性相关，也是影响整个工序直通率的关键因素之一。目前用于SMT焊接的方法主要有回流焊和波峰焊两大类。在回流焊接中难免会出现一些缺陷，我们可以采取一些措施去预防，但是这并不能杜绝缺陷的发生。为了保证表面贴装电子产品的质量，本文对表面贴装技术中的关键环节回流焊的工艺特点进行了分析。影响回流焊接质量的因素有多方面的，例如生产物料的影响，生产设备的影响等等。同时本文还列出回流焊接过程中几种常见的缺陷现象进行分析，例如立碑、桥连、偏移等，并总结一些解决措施。通过这些措施，可以降低焊接缺陷的发生，提高焊接质量。关键词:表面组装技术 回流焊 缺陷 分析毕业设计(论文)外文摘要Title :Reflow Soldering Defect Analysis ProcessAbstract:Welding is the main technology of surface mount technology, is to complete components of electrical connection link, directly related to the reliability of the product, one of the key factors of Pass rate also affects the whole process. The method currently used in SMT soldering reflow soldering and wave soldering two kinds big. In reflow soldering, hard to avoid can appear some defects, we can take some measures to prevent, but that doesnt put an end to happen the defect. In order to guarantee the quality of SMT electronic products, in this paper, the key links of surface-mount technology of reflow soldering process characteristics are analyzed. In many ways the factors affecting the quality of reflow soldering, such as the production material, the influence of the influence of the production equipment and so on. At the same time the article also lists several common reflow soldering process.keywords:Surface mount technologyReflow solderingDefects Analysis目录1 引言12 回流焊技术12.1 回流焊的定义12.2 回流焊的分类22.3 回流焊的特点与优点23 回流焊工艺23.1 回流焊工艺要求23.1.1有铅回流焊温度曲线及工艺设置 3 3.1.2无铅回流焊温度曲线及工艺设置 44 回流哈结果分析54.1 影响回流焊接质量的因素54.1.1 生产物料的影响54.1.2 生产设备的影响64.1.3 生产过程的影响75 回流焊常见缺陷分析及解决措施8 5.1焊球 8 5.2立碑9 5.3冷焊10 5.4桥接11 5.5偏移126 其他缺陷137 回流焊的发展趋势14结论15致谢15参考文献151 引言在科技高速发展的今天，电子产品的应用已经融入到人们的日常生活，例如手机，电脑等。同时电子产品更新速度非常之快，回流焊技术对于电子产品的研发，生产起到的技术支持。同时，电子产品的发展也促进的回流焊技术水平的不断提高，两者起着相互促进的作用。由于电子产品不断小型化的发展趋势，例如片状元件的出现，传统的波峰焊技术已经无法满足产品的需求。同时，回流焊与波峰焊可以相互混合使用，组装的元件为片状电容、电感，二极管等；在SMT技术整体不断地发展的情况下，贴片元件和贴装器件的出现使得回流焊技术也得到了相应的发展。目前的电子产品的生产主要是采用回流焊工艺。在回流焊中不可避免的会产生各种缺陷，焊接质量与多方面的因素有关，像生产物料，生产设备等诸多因素。而出现焊接的缺陷可以分为两大类，第一类与冶金有关，例如冷焊，不润湿等；第二类与异常的焊点形态有关，例如立碑、偏移 、芯吸、桥接等。下面就浅谈一下回流焊工艺及其过程分析，焊接的缺陷分析。2 回流焊接技术2.1 回流焊的定义回流焊（Reflow soldering）,通过融化预先施放在印制板上适当量和适当形式的膏状软钎焊料，实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊，达到焊接目的的一种成组或逐点焊接工艺。图1 回流炉2.2 回流焊的分类(1) 按其加热区域分类： 对PCB整体加热进行回流焊。 对PCB局部加热进行回流焊。(2) 对PCB整体加热回流焊分类：热板回流焊、气象回流焊、红外回流焊、热风回流焊、红外加热回流等。(3) 对PCB局部加热回流焊分类 ：激光回流焊、聚焦红外回流焊、光束回流 焊、热气流回流焊等。2.3 回流焊的特点与优点(1) 回流焊的特点（与波峰焊相比较）： 不需要将元器件直接浸渍在熔融的焊料中，所以元器件受到的热冲击小。 回流焊仅在需要的部位上施放焊料，并可以控制施放量。 元器件贴放位置有一定偏离时，由于熔融焊料表面张力的作用，只要焊料施放位置正确，回流焊能在焊接时将此微小偏差自动纠正，使元器件固定在正确的位置上-自动定位效应。 焊料中的成分不会混入不纯物，保证焊料的组分。 可在同一基板上，波峰焊和回流焊可以混合使用。 工艺简单，焊接质量高。(2) 回流焊的优点： 焊膏能定量分配、精度高，焊料受热次数少、不易混人杂质。 适用于焊接各种高精度、高要求的元器件。3 回流焊工艺3.1 回流焊工艺要求设置合理的回流温度曲线。焊膏的温度曲线与PCB的具体情况是设定温度曲线的两个重要参考量。合理的温度曲线可以保证焊接质量；反之，则会出现焊接不完全、虚焊等焊接缺陷。同时也要做温度曲线的实时测试。按照PCB设计时的焊接方向进行焊接。（如图2所示）图2 PCB焊接方向焊接的过程中，PCB板在传送带上保持平稳，严防传送带的震动；在机器的出板口，要防止板子掉落损坏元件的引脚。新产品的生产，必须做一块样板，并对样板的焊接效果进行检查，检查焊接是否充分、焊点表面是否光滑、连焊和虚焊等缺陷现象，同时也要观察PCB表面颜色变化情况。根据检查结果对温度曲线进行设置，这样可以提高产品的焊接质量，对于大批量生产时要定期检查焊接质量。3.1.1 有铅回流焊温度曲线及工艺设置锡铅合金Sn63Pb37回流炉温度曲线（如图3所示）图3 锡铅合金温度曲线预热阶段。焊膏内的部分挥发性溶剂被蒸发，并降低对元器件之热冲击，若升温速度太快，则可造成锡球及桥连等现象；同时会使元器件承受过大的热应力而受损。保温阶段。在该区助焊开始活跃，化学清洗行动开始，并使PCB在到达回焊区前各部温度均匀，温度为130-170。回流阶段。也称峰值区，锡膏中的金属颗粒熔化，在液态表面张力作用下形成焊点表面，温度为215-235。若温度过高或回流时过长，会导致焊点变暗、元件受损等缺陷。反之，则会使焊料的润湿性变差，影响焊接的质量。冷却阶段。基板进入冷却区，控制焊点的冷却速度十分关键，焊点强度会随冷却速率增加而增加。冷却速率太快，则可能因热应力过大造成元件受损，焊点有裂纹；反之，则会形成较大的的晶粒，影响焊点的光亮。冷却温度不高于75。3.1.2 无铅回流焊温度曲线及工艺设置无铅合金Sn-Ag-Cu常规温度曲线（如图4所示）图4 回流焊温度曲线预热阶段。也称斜坡区，用来将PCB的温度从周围环境温度提升到所须的活性温度。其主要目的是将焊膏中熔点较低的溶剂挥发掉。保温阶段。也称均温区，是指温度升至焊膏熔点区域。其主要目的。第一，PCB在进入回流区可以减少热冲击；第二，使焊膏中的活性剂开始发生活性反应，增大焊件表面的润湿性；第三，进一步的挥发助焊剂中的溶剂。回流阶段。也称峰值区，将PCB贴片装配的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度。其目的是将焊膏融化发生润湿反应，形成金属化合物层。冷却阶段。冷却过程对焊接的质量起着关键作用，好的焊点光亮平滑。如果冷却效果不好，会产生焊点发暗、焊点不光滑等缺陷。其目的可以细化焊点的微观组织，焊点达到固态的结构越紧密，得到焊接点的质量越高。回流焊示意图如图5所示图5 热风回流焊炉总体结构示意图4 回流焊接结果分析根据电子产品的验收标准，焊点的焊料量适当，元件的焊端与焊盘和焊料有着良好的润湿性，焊接处形成连续的弧形焊接表面，连接角不大于90，焊点牢固可靠。(如图6所示)图6 标准焊点示意图4.1 影响回流焊接质量的因素回流焊质量与温度曲线有直接的关系，同时与生产设备、元件的可焊性、焊膏的质量、生产人员的操作等诸多因素都有着密切的关系。4.1.1 生产物料的影响元器件的影响。元器件的焊端引脚被氧化污染；元器件本身的共面性不好。 （如图7所示）图7 元件不良共面性示意图PCB焊盘设计。PCB焊盘设计合理，贴装是少量歪斜在回流时由熔融料的表面张力的作用得到修正；反之，即使贴装位置十分的准确，回流后也会出现偏移等焊接缺陷。（如图8所示）图8 各种元器件焊点结构示意图PCB焊盘设计关键要素： 对称性两端焊盘必须对称，确保熔融焊料表面张力的平衡。 盘间距确保元件焊端或引脚与焊盘的搭接尺寸。 焊盘剩余尺寸搭接后的剩余尺寸能够保证焊点能够形成弯月面。 焊盘宽度宽度与元件焊端或引脚的宽度基本一致。图9 印刷后焊膏的不良现象焊膏的影响。焊膏中的金属微粉含量、金属粉末的含氧量、黏度、触变性都有一定要求。焊膏金属微粉含量高，回流时金属微粉随着气体蒸发而飞溅；焊膏的触变性不好，印刷后的图形会出现塌陷或粘连等缺陷。（如图9所示）（a）焊膏料大易桥连（c） 焊膏塌陷（b） 焊膏不均匀有断点4.1.2 生产设备的影响印刷设备。印刷精度和重复精度直接影响到印刷的质量，从而影响到焊接的质量；模板的质量也会间接的影响到焊接的质量，模板厚度、开口尺寸过大，焊料量过多，会产生桥接等缺陷。反之，则会出现焊料不足或虚焊。模板的开口形状及开口的光滑度会影响焊膏的脱模质量，模板开口喇叭口一定要向下，否则会脱模不良。（如图10所示）图10 模板开口壁形状（a）意图率过快，对元器件会造成损坏，带出金属成分得焊接的不充分，为777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777意图率过快，对元器件会造成损坏，带出金属成分得焊接的不充分，为777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777垂直开口易脱模(b) 喇叭口向下易脱模(c) 喇叭口向上脱模差回流焊接设备。回流炉温控精度为0.1-0.2；传送带横向温差要求为5以下；传送带宽度满足PCB的尺寸要求；回流炉加热长度越长、加热区多，温度曲线越好调整；回流炉最高温度约为300-350，无铅焊料则在350以上；传送带的平稳也是个重要因素，它的震动会产生移位、立碑等缺陷。（如图11所示）图11 传动钢网4.1.3 生产过程的影响印刷工艺的影响。正确的控制印刷参数如刮刀速度、刮刀压力、刮刀与模板的角度、焊膏的黏度。贴装工艺的影响。元件的贴装应做到焊端或引脚与焊盘尽量对齐。贴片压力不足，元器件的焊端或引脚没有和焊膏黏在一起，致使在传送和焊接时产生位移；压力过大，焊膏会被挤出，焊接时产生桥连，还可能使元器件发生损坏。(如图12所示)图12 贴装位置不准确5 常见回流焊接缺陷分析及解决措施5.1 焊球定义：回流时，焊料离开了主要的焊接场所，凝固后不在焊接场所聚集而成的不同尺寸的球状颗粒。通常称之为锡珠。片状元件侧面或细间距引脚之间常常出现焊球。（如图13所示）图13 焊球焊球产生的原因:用鱼骨图分析如图14所示印刷时模板与PCB对中偏移贴片时压力太大模板厚度与开口尺寸过大焊球焊膏中助焊剂成分过多回流时升温速率过快回流时预热时间短人机料法图14 焊球现象鱼骨图解决措施:(1) 调整回流温度曲线，严格控制预热区的升温速率。(2) 不同形状和中心距的焊盘图形，要选用相适宜的模板材料和模板制作工艺。(3) 设定适当的贴片高度。(4) 操作者和工艺人员要严格遵照工艺和操作规程，加强生产工艺中的质量控制。(5) 选用合适的焊膏，元器件和PCB的存储环境要加强控制。5.2 立碑定义：无引脚与器件的一端被提起，整个元器件站在另一端之上。立碑也称为曼哈顿效应。（如图15所示）图15 立碑立碑的形成原因:图16 立碑现象鱼骨图两焊盘焊膏印刷量不均匀贴片时移位贴片时受力不均匀立碑焊接时加热速度过快且不均匀不不焊盘设计布局不合理两焊盘之间润湿不良人机法料用鱼骨图分析如图16所示解决措施:(1) 保持元件两端同时进入回流焊限线，使两焊盘上的焊料同时融化，使其表面张力保持平衡，确保元件位置不变。(2) 严格按照规范对焊盘进行设计。(3) 设定合理的贴装高度和贴装压力。(4) 合理的PCB电路设计和适当的选择再流方法，可以减少阴影效应。(5) 对元器件和PCB的储存环境要加强控制。5.3 冷焊定义：具有不完全回流现象的焊点，如出现颗粒状焊点、不规则焊点形状、或金属粉末不完全融合。（如图17所示）图17 冷焊冷焊的形成原因:用鱼骨图分析如图18所示工艺规范选择不当回流炉传动带不平稳冷焊温度曲线设置不合理不不人机法料库存环境不良环助焊剂选用不合适助焊剂使用量过少助焊剂能力不足使用劣质焊膏焊盘，引脚表面受污染图18 冷焊现象鱼骨图解决措施:(1) 设定合适的温度曲线，合适的液相线上时间。(2) 严防传送中的震动。(3) 使用活性较高的助焊剂或增使用量。(4) 实行严格的来料检查制度，对元器件和PCB的储存环境要加强控制。(5) 不使用劣质的焊膏，对焊膏的管理使用做到规范化，保证焊膏的质量。5.4 桥接定义：局部过多的焊料量，在相邻焊点之间形成焊料桥，发生在焊锡固化前未从两个引脚或多个引脚间分离。（如图19所示）图19 桥接桥接的形成原因:用鱼骨图分析如图20所示焊膏添加量过多贴片时压力过大，焊膏挤出过多桥接脱模不良或印刷位置偏移不不焊盘设计有缺陷焊膏黏度过低触变性不好人机法料印刷质量不好回流时较快的升温速率贴片机压力设置不合理模板设计不当库存环境不良环图20 桥接现象鱼骨图解决措施:(1) 适当增大印刷压力，使焊膏量减少。(2) 使用合适厚度的网板，以减少焊膏厚度，(3) 设置合理的贴装压力，使产品轻放在焊膏上而不产生塌陷。(4) 调整印刷位置，使焊膏印在焊盘的正中间位置。(5) 合理布置顶针，调整印刷脱模速度与距离。(6) 调整贴装坐标，吸料位置和印刷机程序中PCB厚度设置，减少印刷焊膏量。5.5 偏移定义：元器件在水平面上的移动。产生回流时元器件的不对准。（如图21所示）图21 偏移偏移的形成原因:图22 偏移现象鱼骨图人为触碰取料偏移无法正确辨认mark点偏移焊料过厚或过薄不不焊盘设置不合理焊盘或引脚的可焊性不好人机法料焊膏印刷不均匀回流炉炉温设置不合理未修正mark点助焊剂活性不足卡板处理不当其它人为处理不当回流轨道有杂物送板速度快用鱼骨图分析如图22所示解决措施:(1) 调整贴装程序的X,Y坐标或角度。(2) 不同的贴装元件采用不同的相机识别方式。(3) 确认轨道宽度，确认顶针布置均匀合理。(4) 调整吸料位置，使吸嘴吸在元件中间无偏移。(5) 适当减少印刷刮刀压力及均匀分布顶针，使焊膏印刷量增加且均匀。(6) 根据元件的实际尺寸设置元件数据，选择与之相适应的吸嘴。6 其他缺陷不润湿：基板焊盘或器件引脚上焊料的覆盖范围少于目标焊料润湿面积，回流后基板金属暴露在外。（如图23所示）图23 不润湿不润湿的形成原因:(1) 时间太短或者太低的温度，导致热量不足，助焊剂的反应完全及不完全的冶金润湿反应，造成不良润湿；焊料在融化前本身有着过高的热量，使得焊盘和引脚的过度氧化，同时消耗了更多的助焊剂，造成润湿不良。(2) 焊料合金质量不好，含有杂质。焊料粉末质量的不好，焊料粉末的不规则反映了焊料中有大量的氧化物含量，消耗的更多的氧化剂。(3) 焊盘和引脚的氧化或焊盘和引脚本身的原因造成了金属润湿性差。解决措施:(1) 应设定合理的温度曲线，有条件可采用氮气回流焊。(2) 选用的焊膏要满足要求。(3) 应该严格遵循来料检查制度，同时要注意元器件和PCB的储存环境。芯吸：熔融焊料润湿元器件引脚时，焊料从焊料点位置爬升到引脚上，导致焊接部位的焊接位置焊料不足。此种缺陷多发生在J型引脚或翼性引脚的器件中。(如图24所示)图 24 芯吸芯吸的形成原因:由于引脚与印制电路板之间的温度差以及熔融焊料的表面的张力引起。回流时，元器件的引脚比焊盘先达到焊料的熔融温度，使得焊料的上升，产生了芯吸现象。解决措施:(1) 采用底部加热使焊料融化，先润湿焊盘，焊盘润湿后引脚逐渐变热。(2) 设定缓慢的升温速率将热量均匀的传送到PCB，以此来减少芯吸现象。空洞：焊点中所出现的空洞，尺寸大者称为吹孔，小者为针孔。此种缺陷会使焊点的强度不足，造成破裂。（如图25所示）图25 空洞空洞的形成原因:(1) 焊料的影响。第一，锡银铜合金表面的张力大于锡铅合金，前者与后者相比，留下来的气体都很难逃脱熔融的锡银铜合金；第二，无铅工艺的高温和停留时间使得基板和元器件释放出更多的化合物，致使无铅焊点中有更多的气体；第三，助焊剂中活性剂、溶剂