波峰焊接基础技术理论之二.doc

波峰焊接基础技术理论之二PCB焊点接头结构对焊点工作可靠性的影响 1 PCB焊点结构形式的发展和演变1.1 无金属化孔的单面PCB的焊点结构1.1.1 焊点结构模型 早期的电子设备中所用PCB都是无金属化孔的单面PCB，焊点的结构形式大致如图1所示。 在图1所示的结构模式中，焊点只存在外露部分，而不存在孔内部分。因此，焊点的机械强度只处决于焊盘铜箔和基板材料之间的粘合力，以及钎料浸润高度(h)和蓝色线表示的合金层。 显然无金属化孔的单面PCB不论是机械强度还是电气性能都不是很理想的。因此，在无金属化孔的单面PCB上安装元器件时必须采取必要的补强措施，以提高焊点的可靠性。1.1.2 对焊点的补强措施 采用补强安装结构 焊盘铜箔和基板的胶合面不能因安装了元器件而增加额外的应力。这种应力主要受元器件本身的质量和外力作用的结果，因此，在安装结构上通常采取如图2所示的形式进行结构补强。 图2所示的安装形式中，元器件本身的重量( Fg )或者所受的外力( F )都不会直接作用在焊盘铜箔上，从而避免了焊盘铜箔受力作用而导致焊盘铜箔从基板的胶合面上剥离现象的发生。 控制引线伸出焊盘的高度和浸润高度 日本学者纲岛瑛一就图1所示的焊点接头结构(无金属化孔的单面板)，试验确定当引线伸出高度H3.18mm(18”)时焊点的强度最高，如图3所示。 钎料浸润高度的增加，意味着焊点的接触面积加大（焊点的圆锥高度增大），通常把它作为提升无金属化孔的单面PCB焊点可靠性的一个有效手段。钎料的浸润高度与抗拉强度，之间的关系，如图4所示。 美国波音公司对无金属化孔的单面板要求伸出高度(H)最小为焊盘半径，最大为焊盘直径，浸润高度 hH2/3，如图5所示。 美国军标MIL-S-45743E 规定基本与波音公司相同。 IPC-A-610C 规定“对于单面板，无论是哪一级要求，引线或导线的伸出高度H 至少为 0.5mm”，如图6所示。 1.2 有金属化孔的双面PCB的焊点结构 1.2.1 焊点结构模型 无金属化孔的单面PCB不论是机械强度还是电气性能都不是很理想的，因此在现代有可靠性要求的电子产品中应用愈来愈少。而孔金属化的双面PCB，正以优异的机械强度、电气性能及导热性能在电子工业中迅速取代无金属化孔的单面PCB。 分析孔金属化的双面PCB的焊点结构，如图7所示。 对孔金属化的双面PCB安装元器件焊接后，典型的焊点结构特征是存在着孔内部分和孔外部分(即外露部分)。 孔内部分 孔内完全充满钎料，并在与钎料相接触的界面处形成铜锡合金层。只要间隙合适，波峰焊接的工艺参数选择合理。那么在孔壁和引线之间就完全为机械强度高，导电性能好，导热能力强的铜锡合金层所充填。中间将不再夹有机、电、热等性能相对都差的纯钎料层，如图8所示。因而此时的接头状态不论是机械强度还是导电性、导热性都将达到最佳。 1.2.2 外露部分的结构参数要求 孔金属化双面PCB安装元器件后焊点结构外露部分，实际上指的就是在焊接面的孔外部分。 描述此部分的结构参数仍然是：引线伸出焊盘面的高度和钎料的浸润高度。但就影响焊点可靠性的主要因素而言，起主导作用的是孔内部分，孔外部分对焊点综合性能的影响与孔内部分相比，巳经是微乎其微。因此目前在世界电子产品安装结构中，为了改善装联中波峰焊接的工艺性以及提高焊点在恶劣环境中的工作能力，国外各工业部门都作出了修正。 美国军标：MIL-S-45743E 规定： “引线应穿过印制板，伸出长度为 0.030英寸 ( 0.76 mm )，最大为 0.060 英寸 ( 1.5mm)。”如图9所示。 美国波音公司(从事飞机、导弹、卫星生产)“电子工艺标准手册” 规定 不弯曲也不与电路勾合的元件引线应妥善洗净并剪断，剪到引线能伸出焊盘1/32英寸（0.79mm）的长度，如图10所示。 美国工业标准 IPC-A-610C 规定： 元器件引脚伸出焊盘的部分不能导致出现以下情况：减小电气间陈、由于引脚的偏移而产生焊接缺陷、或日后使用、操作环境中发生的静电防护封装被穿透的可能。高频情况时要对元器件引脚的长度有更加明确的要求以免影响产品的功能。 IPC-A-610C 3 级（高性能电子产品）具体要求如图11所示。 注：对于厚度超过2.3mm的通孔板，引脚长度己确定的元器件，如DIP、插座等，引脚突出允许不可辨识。 通过上述讨论可知： 在孔金属化的双面PCB的焊点结构中，元器件引脚像钉子一样被钉住在金属化孔内，显然此时的机、电性能及传热能力等均是无金属化孔的单面PCB焊点结构(图1)所无法比拟的。 在图7所示的结构中，影响焊点机、电性能的主要因素是孔内部分孔和引线之间的间隙和位於间隙内钎料的合金化程度。相比之下，而受焊点外露部分结构参数(引脚伸出高度H) 的影响巳极为有限。 2 金属化孔双面PCB焊点外露部分结构参数对工作状态的影响 前面己经讨论到有金属化孔的双面PCB焊点结构外露部分，对焊点的机、电、热性能所起的作用是非常微弱的。在此前提下减小焊点引脚的突出高度，还可以获得下列好处： 改善了波峰焊接的工艺性 引脚突出焊盘高度的增大，PCB经过波峰时对液态钎料的流态干扰愈大，附面层厚度增加，形成大量紊流和漩涡，导致焊接缺陷(如桥连、锡珠、鼓泡等)频频发生。当突出高度小1mm以后，引脚突出部分在经过钎料波峰时对液态钎料流态的干扰就很小，故焊接缺陷就少，特别是对密集型焊点阵列(如DIP、插座等)更为明显。 有利于电路工作的稳定性 过长的引脚在PCB板面上不同电位点之间将形成额外的杂散电埸，从而加剧了分布电容对电路工作稳定性的影响，如图12所示。 因此在高频情况时对元器件引脚突出的高度有更加严格的要求，以免影响产品的性能。 对高压电路和恶劣环境工作的影响 对在高压和恶劣环境中工作的电子电路，还往往因为过长的引脚引发尖端放电而导致系统的损坏。 六十年代中后期，某海防(岸舰)导弹末制导雷达在湿热和盐雾环境试验中出现电泄漏，问题表叙如图13所示。 按现在PCB所达到的技术和质量水平，只需要减低引线伸出高度就能使焊点获得所需厚度的三防漆膜，既避免了电泄漏，又不降低焊点的机、电、热性能。 而将焊点用钎料人工堆成镘头状不仅浪费钎料，而且这种不露筋焊点按现在的观点看是属于不合格的焊点。 增加了产品的质量 在一些特种电子装备(如航空、航天电子装备)中，产品的质量要求特别严格，决不允许过载，过长的引线是增加产品质量的一个要素。例如： 60年代中期我国在首次仿制某歼击机用雷达中，产品仿制出来后就因为重量超标了数百克被军方拒收，不得己只好人工将过长的导线一一减短，凑了一个来星期才减出这数百克的重量； 据有关报告称，在导弹生产中重量每增加1kg，射程就要损失2km。 当然作为通用型电子产品来说，对产品的重量要求不是很严格的。但作为一名工艺工程师来说，平时就应养成追求轻、薄、短、小的良好习惯。3 金属化孔插器件引线头的修剪 IPC-A-610C规定：只要剪切时无物理冲击，不破坏元件和焊点，引线在焊后允许修剪，修整线应符合图11所示的要求。经过修剪的引线应该进行再次焊接，线头修剪的再次焊接是整个焊接过程的一部分，不能看作是返修。 修剪后的焊点由于引脚端面的保护层被去除，端面基体金属直接暴露在外，在以后的工作过程中极易锈蚀而造成焊点故障，另外在剪切力的作用下，还极易在端部引线和焊点间产生裂缝，如图14所示。 因此，波峰焊接后一般不允许再剪掉，否则就必须对剪过腿的焊点重新补焊一次。 4 如何利用通用标准的数据窗口来优化工艺的可操作性 以IPC-A-610C为例，其引脚伸出焊盘面的高度范围为H=(01.5)mm,在该数据窗口我们以中值为基准可以划分为上半数据窗口和下半数据窗口两部分，如图15所示。 下半数据窗口 其取值范围为(00.75)mm，此尺寸范围特别适合于密集型焊点群(如DIP、多芯插座等)。此类器件在安装和波峰焊接过程中，位置的稳定性通常都不存在问题，而影响最大的问题是引脚伸出长度不合适时，将严重干扰波峰而导致桥连缺陷的发生。为了改善工艺的可操作性，对密集型的焊点群其引脚的突出高度应优先在此范围内选取。