选择性波峰焊技术在SMT中的应用.docx

（选择性波峰焊技术在 sm t 中的应用韩 彬 1,2，史建卫 1，檀正东 1，周 旋 1，王海英 1，李明雨 2(1. 深圳市艾尔摩迪精密科技有限公司 ，广东 深圳，518103；2. 哈尔滨工业大学深圳研究生院 ，广东 深圳，518055)摘要 ： 选 择 性 波 峰 焊 技 术 是 smt 技 术 中 新 兴 发 展 的 技 术 ，它 的 出 现 较 大 的 满 足 了 高 密 度 多 样性 混 装 pcb 板 的 组 装 要 求 。 选 择 性 波 峰 焊 具 有 焊 点 参 数 单 独 设 置 ， 对 pcb 热 冲 击 小 ， 助 焊 剂 喷涂 量 少 ，焊 接 可 靠 性 强 等 优 点 ，正 逐 渐 成 为 复 杂 pcb 不 可 或 缺 的 焊 接 技 术 。 通 过 查 阅 大 量 资 料 ，综 述 了 选 择 性 波 峰 焊 技 术 的 优 势 和 其 在 smt 领 域 内 的 应 用 及 其 设 备 的 维 护 。关 键 词 ： 表 面 组 装 技 术 ；选 择 性 波 峰 焊 ；应 用 ；设 备 维 护 。中 图 分 类 号 ： tg47文 献 标 识 码 ： a文 章 编 号 ：1004-4507(2014)08-0035-07application of selective wave soldering technologyin the field of smthan bin1，2，shi jianwei1，tan zhendong1，zhou xuan1，wang haiying1，li mingyu2(1. shenzhen aiamd precision technology co.，ltd.，518103，china；2. harbin institute of technology shenzhen graduate school，518055，china)abstract: selective wave technology is a new type technology of smt，and its appearance fulfills theassembly requirement of high density and diversity pcb greatly. selective wave technology has manyadvantages，such as thespraying amount of flux technology for complexseparate set of soldering parameter，little thermal shock to pcb，smalland good soldering reliability. it is becoming an indispensable solderingpcb. through consulting a number of literature materials，this paperoverviews the advantages and application of selective wave soldering technology in the field of smt，and the maintenance of its device.keywords: smt(surface mounted technology)；selective wave soldering；application；maintenancesmt 技术是表面安装元件 smc/ 器件 smd、pcb、点胶、涂锡膏、表面安装技术、焊接及在线测 试等一整套工艺技术过程的统称1。随着微电子组装技术的进一步发展，很多电子元器件呈现微型化、多功能化的趋势，这对传统的电子封装技术 提出了新的要求。收 稿 日 期 ：2014-06-15总第 234 期）35aug 2014对于大多数的表面贴装元件，已经成熟的回流焊技术可以满足其组装要求。但是对于可靠性要求 高，精密度高的通信系统、电力系统、汽车电器电 子、航空航天、军用设备等产品，其 pcb 板往往是 高密度双面板，并含有一定量的通孔插装元件，传 统的回流焊技术并不能满足其组装需求。在这种 情况下，人们把目光转向了选择性焊接，以实现对 某些通孔插装元器件或其它高精密元器件组装。 目前，选择性焊接使用较多的是选择性波峰焊和 激光焊，其次为选择性回流焊2,3。本文将主要介 绍选择性波峰焊的优点和应用。1 选择性波峰焊接技术 选择性波峰焊主要是为了满足含通孔插装元器件的混装产品高品质的组装需求而发展起来的 新型波峰焊工艺。与传统的波峰焊类似，选择性波 峰焊一般由助焊剂喷涂、预热和焊接 3 个模块构 成。通过程序设定，助焊剂喷涂模块可对每个焊点 进行助焊剂选择性喷涂，经预热模块预热后，再由 焊接模块对每个焊点进行选择性焊接。选择性波 峰焊的优点是提高焊接品质和节约成本。图 1 不 同 焊 接 参 数 下 的 两 个 焊 点1.2 节 约 成 本对于目前混装线路板，通孔插装器件的焊接 只占整体线路板焊接的小部分。在这种情况下，选 择性波峰焊体现出了很大的成本优势3。（1） 设备占地面积较小。与传统的波峰焊相 比，选择性波峰焊不需要较大的锡炉和很长预热区，因此其占地面积一般不到传统波峰焊一半。与 手工焊相比，由于每个焊接工人都需要面积一定 大小的焊接桌面来摆放焊接器具和进行焊接，因此选择性波峰焊占地面积也小于手工焊4。（2）节省助焊剂。通常情况下，混装线路板中通 孔插装器件的焊接面积只占整个板面的小部分5。传统的波峰焊需要对线路板进行大面积助焊剂喷涂，而选择性波峰焊只针对需要的焊接部分进行 喷涂，在很大程度上减少了助焊剂使用量。据某公 司统计，采用选择性波峰焊，两台机器两班工作， 年助焊剂用量不过百公斤，而普通波峰焊生产将 消耗助焊剂达 4 吨以上。图 2 为某款设备选择性 助焊剂喷嘴。由于选择性波峰焊只针对所需焊接的焊 点 进行助焊剂喷涂，对其他部分没有影响，因此，pcb 离子污染率大大降低，而清洁度提高。 助焊1.1 提 高 焊 接 品 质当使用选择性波峰焊对 pcb 进行焊接时，每 一个焊点的焊接参数都可以通过编程进行单独制 定，这使不同性能的元器件拥有了专属的焊接工艺，极大地满足了其组装要求。针对不同焊接要求 的元器件，焊接工程师可以就助焊剂喷涂量，焊接波峰高度，焊接时间这几个方面进行焊接工艺调 试，有效的降低了波峰焊缺陷率，甚至做到了焊接的零缺陷。图 1 为采用不同的焊接参数对两个相同 焊点进行的焊接，可以看出，焊点的外观和形状有 很大的差别。同时，使用选择性波峰焊时，喷嘴只对需要焊接 的焊点进行焊接，焊接所造成的热影响区域有限，混装线路板上贴装元器件的引脚与通孔插装器件的引 脚只要不是距离过近，基本不会发生焊点重熔，避免 了热冲击的产生。这样，就不需制作大量复杂的工装卡具对已焊好的贴装器件进行遮蔽和保护。36（总第 234 期）aug 2014电子工业专用 设 备epe先进封装技术与设备equipment for electronic products manufacturing（选择性波峰焊技术的应用 22.1 选择性波峰焊的应用领域 近几年来，选择性波峰焊作为高品质高精密 的组装技术，在多个领域内的著名企业正得到广 泛的应用。首先，选择性波峰焊广泛应用于汽车电子领 域，如伟创力汽车电子(上海)有限公司，惠州西门 子 vdo(大陆集团)，上海联合汽车电子（德国博世合资厂），联创汽车电子有限公司等。其次是通信电子领域，如华为技术有限公司， 中兴通讯股份有限公司，北京大唐通讯，上海贝尔 阿尔卡特通讯，杭州贝莱胜通讯，南京爱立信熊猫 通讯有限公司等。第三是电力系统，如南京南瑞继保电气有限 公司，国电（南京）自动化有限公司，南京南瑞成套公司，上海思源电气，山东 ge 鲁能等。此外，采用选择性波峰焊的院所还有南京第14 所，南京北方光电，华东电子研究所，北京电子 应用研究所，以及航空，航天的兰州飞行控制有限 责任公司，陕西宝成航空仪表有限公司，西安 618 所等7。图 2 选 择 性 助 焊 剂 喷 嘴剂一般含有腐蚀性离子，如果残留在 pcb 上会腐蚀板面和焊点，造成电路开路。 传统的波峰焊 因为需要对 pcb 进行大面积喷涂，焊后还需对线路板进行清洁。（3）锡渣产生量和氮气使用量减少。与传统波 峰焊相比，由于锡炉尺寸和喷嘴尺寸的减少，锡渣产生量和氮气使用量均有大幅度的减少6。在不 充氮的情况下，波峰焊一天的锡渣产生量可能高 达 1020 kg。与之相比，选择性波峰焊一周产生的锡渣量只有 0.51 kg。与此同时，波峰焊的锡 炉比较大，耗氮量达 15 m3/h，而选择性波峰焊采用封闭小锡炉方式，单一锡炉的耗氮量大约为1.5 m3/h，且氮气环境焊接更好。（4）工装载具费用减少。在波峰焊生产中，一 个品种需制作 1020 个工装载具，而目前合成石制作的工装载具价格约为 1 000 2 000 元 / 个。在选择性波峰焊生产中，一般不需要工装载具，由此减少了大量的成本。由于选择性波峰焊具有很多传统波峰焊难以 相比的优点，因此，在电子元器件组装行业中正得到越来越广泛的应用。2.2 选择性波峰焊的技术要点 选择性波峰焊作业流程一般由助焊剂喷涂、 预热、焊接 3 个部分组成。通过设备的程序设置， 可对将要焊接的焊点依次完成助焊剂喷涂工作， 然后焊点经预热模块预热后，再由焊接模块对其进行逐点焊接。2.2.1 助 焊 剂 喷 涂助焊剂的喷涂方式可以分为单咀喷雾式，微 孔喷射式，同步式多点 / 图形喷雾等多种方式2， 可根据 pcb 的线路布局特点及元器件引脚进行 选择。在保证喷涂位置精确度的情况下，根据焊点 的不同，参考传统波峰焊喷涂量，选择性助焊剂的喷涂可以分为以下几种情况8：（1）单点喷涂时，助焊剂量一般控制在 20%以 内（与元件引脚、孔径的大小有关），喷涂时间为 1 s 以内，喷涂时间不宜过长，否则会造成 pcb 板面助 焊剂残留。总第 234 期）37aug 2014epe电 子 工 业 专 用 设 备equipment for electronic products manufacturing先进封装技术与设备图 3 选 择 性 波 峰 焊 的 双 喷 嘴 结 构（2）连续焊点喷涂时，助焊剂量应控制在 30%40%，喷头的移动速度应控制在 1530 mm/s。（3）对于一些特殊位置，特殊元器件焊接时， 助焊剂喷涂量有所不同，在保证焊接效果的情况下，尽量减少助焊剂喷涂量。2.2.2 预 热评价通孔插装元器件的焊接质量时，钎料在 焊盘上的铺展面积和对通孔的填充率是两个重要 的指标。pcb 在焊接前的预热对这两个方面有很 大的作用。在波峰焊过程中 ，pcb 承受的温度一 般 为215255 。在此温度下，pcb 处于高弹状态，已 发生形变。 而选择性波峰焊是局部焊接，冷的 pcb 直接焊接会带来焊接质量差、板材易变形等 缺陷。因此，预热过程是选择性波峰焊不可缺少的 过程。日本电子机械工业协会标准分会推荐的预 热工艺参数：预热温度 80 150 ，预热时间20120 s。一般情况下，预热温度控制在 135 以内，时间为 30 s，而顶部预热系统的温度控制在110 左右，时间为 10 s8。预热系统的另一作用是活化助焊剂，并对焊 盘和覆铜通孔进行预热9。选择性波峰焊一般采 用整体预热方式，防止线路板因受热不均而发生 变形。选择性波峰焊多采用松香型助焊剂，它的活 化温度一般是在 120150 ，超过这一温度则活 化作用消失。因此，松香型助焊剂必须在焊接之前 活化，同时，松香是一种大分子多环化合物，具有 一定的成膜性，在活化过程中去除金属氧化物后 可以在金属表面成膜防止其再氧化10。当选择顶部预热时，可以选择热风预热方式。 但与其相比，红外预热的效率较高，但却存在着如 下三个问题11：（1）对于插装器件，其母体均在顶部，而引脚 在底部。在整块 pcb 中可能存在少量的热敏感元 器件。热风预热方式在对线顶部 pcb 和热敏感器件的预热过程中，温度控制方面比短波红外方式 更加有效和安全；（2）短波红外线在照射到 pcb 顶部插装元器 件的母体时，母体本身会使其下方的部位出现阴 影，这会使的不同部分出现温差；（3）短波红外属于亮红外，也叫可见光红外，对不同颜色的吸收率和反射率存在着显著差异； 而 pcb 本身及其所布置的大量元器件母体必然 会有较大的颜色差异。因此，当选择红外预热方式 时，要考虑 pcb 板实际情况与以上的问题。对于热容较大的电子元器件，或厚度较大的 多层板，预热过程显得尤为重要。对于大热容量和 多层线路板，为了达到良好的焊接效果，一般需采用底部红外预热和顶部热风预热的联合预热方 式，可以明显的改善透锡效果7。2.2.3 焊 接选择性波峰焊最主要的优点就是对 pcb 上 的每个焊点都可以单独设置焊接参数，确保其得 到最优的焊接效果。在传统的波峰焊过程中，由于 焊接范围大，pcb 大部分元器件都会经历同样的 温度变化过程。选择性波峰焊只是针对特定点的 焊接，只会在焊点及其邻近极小区域产生热冲击， 可以避免热冲击带来的危害12。无铅波峰焊的温 度一般为 260 左右，对于上锡难的元器件，其波 峰焊温度可调到 280 。在选择性波峰焊系统中，正是由于各个焊点 的焊接参数可以单独设置，单个喷嘴一次只能焊一个点或一排点，这使其焊接的效率有所降低。目前，很多选择性波峰焊设备配备了双模组串联工 作方式。一模组使用较小的喷嘴，用于完成单点焊 接；另一模组采用较大喷嘴，用于完成某些元器件 双排针的焊接，这样生产效率得到了很大的提高。 图 3 为某款单点焊设备的双喷嘴结构。对于多喷 嘴选择性波峰焊系统，由于多个喷嘴（如图 4）一 次性实施浸焊，生产效率可大幅提高。38（总第 234 期）aug 2014电子工业专用 设 备epe先进封装技术与设备equipment for electronic products manufacturing（图 4 多 喷 嘴 选 择 性 波 峰 焊 结 构d0 = 4 mmdi = 4 mmdf = 5 mm5.0 mm2.0 mm2.0 mm mm2.0 mm0.82.0 mm图 5 单 喷 嘴 周 边 设 计 要 求6mm5 m m12 mm2.0 mm2.0 mm2.0 mm m m92.0 mm 图 6 多 喷 嘴 周 边 设 计 要 求1.0 mm1.27 mm拖焊浸 焊2.5 mm2.54 mm某公司多喷嘴的设计要求为：（1）最小喷嘴设计尺寸为 5 mm8 mm；（2）多喷嘴多为非润湿性焊接喷嘴，主要应用 浸焊工艺。图 6 为多喷嘴周边设计要求不同喷嘴结构对 pcb 板上引脚的伸出长度和间距有着不同的要求。图 7 和图 8 分别说明了 在采用单喷嘴和多喷嘴进行焊接时，pcb 板上引脚的设计要求。2.3 选择性波峰焊的关键技术 合适的喷嘴形状、尺寸及采用的技术（如润湿 性、非润湿性焊接喷嘴，去桥接刀），可有效降低焊接缺陷，大大提高生产效率和控制品质。某公司单喷嘴设计有如下要求 （图 5 为单喷 嘴周边空间要求）：图 7单 喷 嘴 焊 接 时 引 脚 的 设 计 要 求（1）喷嘴内径不超过 6 mm，一般为 3 mm，外径一般为 4 mm，可实现 012倾角；（2）单喷嘴多为润湿性材料制成，主要应用于 浸焊和拖焊工艺。常见与金属锡可以润湿的金属 材料有 au、ag、fe、ni、pt 等，非金属材料有合金、 经表面处理的陶瓷等；（3）除润湿外，还要保证喷嘴材料耐腐蚀性，正 常工作温度下 275300 ，最低 5 000 h 的寿命。图 8 多 喷 嘴 焊 接 时 引 脚 的 设 计 要 求焊点和邻近元器件间如果间距过小，会使选择性焊接的工艺产生问题13。单点焊时要求焊接 位置处相邻元器件的距离大于喷嘴直径 1.25 倍，或喷嘴外边缘距离最近元件 1.5 mm，如图 9 所总第 234 期）39aug 2014epe电 子 工 业 专 用 设 备equipment for electronic products manufacturing先进封装技术与设备示。如果喷嘴中心偏离焊点中心，则相邻元器件距喷嘴外边缘或焊点距波峰边缘最小为 1 mm。多点 焊时，要求焊点孔环边缘到表面贴装焊盘边缘的最小距离为 1 mm，如图 10 所示。焊接时间越长。焊接高度是指焊接头完成焊接动作时的高度，一般要高于被焊元件伸出 pcb 引脚 长度的 1 mm 以上，防止焊接头对元器件造成碰伤，但高出的值不应大于 2.5 mm，否则影响焊接 质量。波峰高度指焊料高出焊接头的高度。理想情况下，80% 的波峰高度形成的焊接面可以达到焊 接喷嘴的外径。相同的波峰高度，型号越小的喷嘴 形成的波峰越不稳定，所以在保证焊接质量的情 况下，尽量减小波峰高度 （一般控制在 60% 85%）。在焊接过程中要避免 pcb 移动。当钎料还未 完全凝固时，如果元器件引脚或者钎料发生抖动，会使焊点失去光泽，甚至使焊点产生裂纹。在元器件有很多引脚的情况下，如果焊盘发生移动，可能 导致焊锡撕裂，浮起甚至焊盘的撕裂。因此，在对 设备进行评估时，要尽量选择焊接过程中锡炉移 动而 pcb 不动的波峰焊设备。焊接速度一般控制 在 2.54.5 mm/s，速度过快或过慢都可能造成桥 连、堆锡、拉尖等不良现象。3 mm4 mmdndnd +25 %n喷嘴尺寸总的工艺尺寸图 9 单 点 焊 接 时 相 邻 元 器 件 尺 寸 要 求a3选择性波峰焊设备的维护13dntht 连接器与 smd 元件的距离 a1.0 mm多排针可以同时焊接图 10 多 点 同 时 焊 接 时 焊 接 空 间 尺 寸 要 求对于选择性波峰焊设备，一般有 3 个保养维护模块：助焊剂喷涂模块、预热模块和焊接模块。为保证焊接的质量，如果 pcb 有不可使用边缘，则焊点中心到 pcb 板边距离可为 3.0 mm，如 有可使用边缘，则到板边最小距离为 6.0 mm13。 对于元器件的引脚及引脚与通孔的孔径比，选择 性波峰焊也有一定的要求。多喷嘴浸焊工艺要求 引脚长度应不小于 2.5 mm，以保证热量的传导。 孔径比对焊接质量有一定的影响，比例过大时就 不能形成毛细作用，钎料爬升缓慢；比例过小，助 焊剂无法深入通孔，也不能得到良好焊点。一般要 求通孔直径等于引脚直径加 0.30.5 mm。在波峰焊过程中，要注意 3 个高度的设定，即 移动高度，焊接高度与波峰高度8。移动高度是指 焊接头移动到焊接位置时的行走高度，一般要高于焊接面最高元器件 5 mm 以上，防止行走过程 中焊接头对 pcb 造成撞伤。但是，移动高度越高，3.1 助焊剂喷涂模块的维护与保养 助焊剂喷涂针对每一个焊点进行选择性 喷 涂，正确的维护可以保证其稳定的运行和精度。在 喷涂过程中，一般会有少量助焊剂残留在喷嘴上， 其溶剂挥发后会产生凝结。因此，在每次开机生产 之前，需要用蘸了酒精或其他有机溶液的无尘布来清洁喷头和周围，清除掉喷头的助焊剂残留，避 免喷头被堵住致使在连续生产中前几块板的喷涂 不良。需对喷头进行彻底保养的三种情况：（1）设备 连续运行达 3 000 h；（2） 设备连续运行 1 年；（3）设备停工一周后重新开始投入生产。彻底保养时 要注意对喷头内部的清洁，其雾化装置最好使用 超声波清洗。在使用超声波清洗前，清洁溶液加热到 65 左右，这样可以增强去污能力。同时，还要40（总第 234 期）aug 2014电子工业专用 设 备epe先进封装技术与设备equipment for electronic products manufacturing（彻底检查喷涂模块的管路和密封部件。3.2 预热模块的维护保养 每次设备开机使用前都要检查预热模块，看 看高温玻璃是否有破裂和皴裂，若有要及时更换。 如果没有则需用软棉布蘸水或酒精擦去其表面的 污染物。当其表面有顽固的助焊剂残留时，可使用 专用的清洁液对其表面进行清洁。在预热模块中，热电偶用来测量预热温度，有着 很重要的作用。一般情况下，热电偶与加热管平行安 装。在使用过程中，如果热电偶与加热管不平行，要 检查其是否发生损坏，需要时及时更换热电偶。并可选用多种波峰大小与高度，多区域可编程的灵活焊接方式来提高焊接效果，选择性波峰焊必 将拥有越来越广阔的发展前景。参 考 文 献 ：中国电子学会生产技术学会分会丛书编委会. 微电子封装技术m. 合肥：中国科学技术出版社，2003. 1-5.鲜飞. 选择性焊接工艺技术的研究j. 中国集成电路，2008，17(6)：61-64.koscielski m，sitek j. influence of the fluxes properties on quality and the microstructure of lead-free solder joints executed by selective solderingj. soldering & surfacemount technology，2014，26(1)：2-7.鲜飞. 波峰焊接工艺技术及质量提升j. 现代表面贴 装资讯，2012 (3)：42-46.鲜飞. 波峰焊接工艺技术的研究j. 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