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波峰焊工艺 徐翰霖2015 08 01 内容 第一节 概述第二节 焊接辅材第三节 波峰焊原理第四节 波峰焊工艺对元器件和印制板的基本要求第五节 波峰焊接可接受要求第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法第七节 波峰焊后清洁度可接受性要求第八节 波峰焊工艺参数控制要点第九节 PCB设计对波峰焊接质量的影响第十节 无铅波峰焊特点及对策第十一节 波峰焊机的实际操作 第一节 概述 波峰焊接是我们生产装配过程中的一道非常关键的工序 波峰焊接质量的好坏直接影响着整机产品的质量 因此 波峰焊工序一直是生产过程中重点控制的关键工序之一 第一节 概述 纯手工插件 波峰焊接单面贴装 单面插件 波峰焊接双面贴装 单面插件 波峰焊接点红胶 贴装 插件 波峰焊接 常见的波峰焊接方式 UTStarcomConfidential 5 第一节 概述 图为点了红胶的PCB板 第二节 焊接辅材 1 焊料a 有铅锡条成份 由锡和铅组成的共晶化合物 Sn 63 Pb 37 熔点 183 C 公司目前使用的型号有 重庆荣昆Sn63 Pb37b 无铅锡条成份 由锡 银和铜组成的合金化合物 Sn 99 7 Cu 0 3 熔点 217 C 公司目前使用的型号有 重庆荣昆Sn 99 7 Cu 0 3 第二节 焊接辅材 2 助焊剂的成份和分类主要成份 有机溶剂 松香树脂及其衍生物 合成树脂表面活性剂 有机酸活化剂 防腐蚀剂 助溶剂 成膜剂 简单地说是各种固体成份溶解在各种液体中形成均匀透明的混合溶液 其中各种成份所占比例各不相同 所起的作用也不同 例如我们公司所使用的就只都是深圳同方电子新材料有限公司的TF 800H这一款 第二节 焊接辅材 3 助焊剂的作用去除被焊金属表面的氧化物 促使热从热源向焊接区传递 降低融熔焊料表面张力 增强润湿性 防止焊接时焊料和焊接面的再氧化 第二节 焊接辅材 4 助焊剂的特性要求熔点比焊料低 黏度和比重比熔融焊料小 容易被置换 不产生毒气 焊剂的比重可以用溶剂来稀释 水清洗 半水清洗和溶剂清洗型助焊剂要求焊后易清洗 常温下储存稳定 第三节 波峰焊原理 下面以双波峰焊机为例来说说波峰焊原理 我公司所使用的则是劲拓公司的波峰焊机 第三节 波峰焊原理 第三节 波峰焊原理 喷涂助焊剂已插完成元器件的电路板 将其嵌入治具 由机器入口处的接驳装置以一定的倾角和传送速度送入波峰焊机内 然后被连续运转的链爪夹持 途径传感器感应 喷头沿着治具的起始位置来回匀速喷雾 使电路板的裸露焊盘表面 焊盘过孔以及元器件引脚表面均匀地涂敷一层薄薄的助焊剂 第三节 波峰焊原理 PCB板预加热进入预热区域 PCB板焊接部位被加热到润湿温度 同时 由于元器件温度的升高 避免了浸入熔融焊料时受到大的热冲击 预热阶段 PCB表面的温度应在75 110 之间为宜 预热的作用 助焊剂中的溶剂被挥发掉 这样可以减少焊接时产生气体 助焊剂中松香和活性剂开始分解和活性化 可以去除印制板焊盘 元器件端头和引脚表面的氧化膜以及其它污染物 同时起到保护金属表面防止发生高温再氧化的作用 使PCB板和元器件充分预热 避免焊接时急剧升温产生热冲击损坏PCB板和元器件 第三节 波峰焊原理 温度补偿进入温度补偿阶段 经补偿后的PCB板在进入波峰焊接中减小热冲击 第一波峰 高波 第一波峰是由狭窄的喷口喷出的波峰 流速快 对治具有影阴的焊接部位有较好的渗透性 同时 高波向上的喷射力可以使焊剂气体顺利排出 大大减少了漏焊及垂直填充不足的缺陷 第二波峰 平波 第二波峰是一个 平滑 波 焊锡流动速度慢 能有效去除端子上的过量焊锡 使所有的焊接面润湿良好 并能对第一波峰所造成的拉尖和桥接进行充分的修正 第三节 波峰焊原理 冷却阶段过完波峰以后 通过风扇将PCB板冷却 第三节 波峰焊原理 第三节 波峰焊原理 焊点的形成过程当PCB进入波峰面前端A处至尾端B处时PCB焊盘与引脚全部浸在焊料中被焊料润湿 开始发生扩散反应 此时焊料是连成一片 桥连 的 当PCB离开波峰尾端的瞬间 由于焊盘和引脚表面与焊料之间金属间合金层的结合力 润湿力 使少量焊料沾附在焊盘和引脚上 此时焊料与焊盘之间的润湿力大于两焊盘之间焊料的内聚力 使各焊盘之间的焊料分开 并由于表面张力的作用使焊料以引脚为中心 收缩到最小状态 形成饱满 半月形焊点 相反 如果焊盘和引脚可焊性差或温度低 就会出现焊料与焊盘之间的润湿力小于两焊盘之间焊料的内聚力 造成桥接 漏焊或虚焊 PCB与焊料波分离点位于B1和B2之间某个位置 分离后形成焊点 第三节 波峰焊原理 波峰焊接温度曲线原理图 说明 1 预热温度 70 115 时间 75 130S升温速率 210 焊接时间 3 6S3 冷却速率 3 Sec4 链速 1600 1900mm min 第三节 波峰焊原理 免清洗助焊剂在波峰焊接中的作用机理 第四节 波峰焊工艺对元器件和印制板的基本要求 如采用短插一次焊工艺 焊接面元件引脚露出印制板表面1 5 2 0mm 基板应能经受260 50s的耐热性 阻焊膜在高温下有足够的粘附力 焊接后阻焊膜不起皱 印制电路板翘曲度小于0 8 1 0 对于贴装元器件采用波峰焊工艺的印制电路板必须按照贴装元器件的特点进行设计 元器件布局和排布方向应遵循较小的元件在前和尽量避免互相遮挡的原则 第五节 焊接可接受性要求 良好的焊点 摘自IPC A 610D 图5 1 图5 2 第五节 焊接可接受性要求 可接受焊点 锡银铜焊料 锡铅焊料 波峰焊接是产生PCB组件缺陷的主要原因 在整个组装过程中它引起的缺陷高达50 当PCB有上千个焊点时 焊接必须要有很高的成功率才行 波峰焊接过程中基本上都是在PCB上来进行的 因此在PCB上焊接缺陷主要反映在虚焊 焊点轮廓不良 连焊 拉尖 空洞 暗色焊点或颗料状焊点等方面 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 6 1波峰焊接中存在的缺陷 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 6 2影响波峰焊接效果的一些主要因素 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 6 3焊接缺陷现象和形成原因及其解决办法 6 3 1虚焊焊点表面呈粗糙的粒状 光泽差 流动性不好是虚焊的外观表现 从本质上讲 凡是在钎接的连接界面上未形成适宜厚度的铜锡合金层 都称为虚焊 在显微组织上虚焊的界面主要是氧化层 而良好接头界面显微金相组织主要是铜锡合金薄层 国内有试验报告称 合金层的厚度为1 3 3 5um的比较合适 这种合金的显微组织结构 如图6 1所示 图6 1 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 温度低热量供给不足a 温度低 焊点接合部的金属不能加热到能生层金属化合物的最适宜的温度 b 传送速度过快 即使已处于最佳温度状态 但由于传送速度过快 焊点接合部金属也不能获得足够的热量 接合部温度上升不到最佳润湿温度区间浸润不完善 不能形成理想的合金层 c PCB设计不合理 导致了热容量相差悬殊的许多零部件引线在同一时间 同一温度下进行钎接时 将使各元器件焊点上温度出现明显的差异 热容量大的 因吸取的热量不足而温度偏低 引起浸润条件恶化形成不了理想的合金层 1 形成原因 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 PCB或元器件引线可焊性差a 被接合的基体金属表面氧化 污染 b 锡槽温度过高 由于锡槽温度过高 PCB板表面加速氧化而造成锡液表面张力增加 附着力减小 而且高温还溶蚀了母材的粗糙表面 使毛细作用减少 漫流性下降 如图6 2所示 波峰焊焊接中钎料槽的温度超过270 时就可能出现此现象 图6 2 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 c 锡槽温度偏低d 焊接时间过长加热时间增加而润湿性变差的主要原因是由于弱润湿现象所致 即当 润湿 已经发生 焊接面已经产生合金层 但若焊料保持熔化状态的时间过长 则金属间化合物层会生长得太厚 而焊料对这层金属间化合物的润湿要比对裸露的基体金属母材的润湿更困难 因此在波峰焊接中焊接时间应控制在3 6S之间比较合适 如图6 3所示 图6 3 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 2 解决办法 a 避免用手直接触摸PCB焊接面和元器件引线 可采取一些防护性措施 如戴手套和手指套 确保可焊性 b 调整钎料槽的温度 63Sn37Pb设定温度 240 255摄氏度 Sn99 7Cu0 3设定温度 260 270摄氏度 c 调整助焊剂的喷雾量 使其均匀地喷涂在各个焊接部位 d 合理的选择焊接时间 e PCB板与元器件储存环境要求 储存温度 17 27摄氏度 相对湿度 RH 30 60 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 6 3 2不润湿融化后的焊料不能与基底金属 母材 形成金属性结合 焊料没有润湿到需要焊盘的盘或端子上 如图6 4所示 焊料覆盖率不满足具体可焊端类型的要求 如图6 5所示 图6 4 图6 5 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 基体金属不可焊使用助焊剂的活性不够或助焊剂变质失效表面上的油或油脂类物质使助焊剂和焊料不能与被焊表面接触波峰焊接时间和温度控制不当 例如 焊接温度过高或者与熔化焊料的接触时间过长 金属间化合物层长得太厚导致焊料又会剥落下来 其影响与虚焊相似 1 形成原因 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 A 焊料过多 堆焊 焊料在焊点上堆集过多而形成凸状表面外形 看不见引脚轮廓 如图6 7所示 6 3 3焊点的轮廓敷形 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 B 焊料过少 干瘪 波峰焊接中焊料未达到规定的焊料量 不能完全封住被连接的导线 使其部分暴露在外 从外观上看 吃锡量严重不足 干瘪 如图6 8所示 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 1 形成原因 接头金属表面状态与敷形的关系 引线表面状态与敷形的关系 PCB铜箔表面状态与敷形的关系PCB布线设计不规范与敷形的关系 盘 线 例 大焊盘 小引线 焊盘一定而引线过粗或过长 如图6 9所示 焊盘与印制导线的连接 例 盘与线不分 连片 或者盘 线相近 如图6 10所示 盘 孔不同心的影响 如图6 11所示 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 图6 9焊点钎料液滴受力情况 图6 10焊盘与导线的连接 图6 11盘 孔不同心 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 改善被焊金属表面的表面状态和可焊性正确地设计PCB的图形和布线合理地调整好锡炉温度 传送速度 传送倾角合理地调整预热温度 2 解决办法 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 过多的焊料使相邻线路或在同一导体上堆集 称之为连焊或桥接 连焊 现象是波峰焊接中最常见的多发性焊接缺陷 而且是所有波峰焊接缺陷中形因最为复杂的 如图6 15所示 6 3 4连焊 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 常见的形成因素与解决方法 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 波峰焊接后PCB上局部钎料呈钟乳石状或冰柱形称为拉尖 如图6 18所示 6 3 5拉尖 1 形成原因 焊盘氧化 污染助焊剂用量少预热偏高 基板翘曲钎料槽温度低传送速度慢 钎接时间过长PCB压锡深度过大 铜箔片太大助焊剂变质或失效钎料纯度变差 杂质容量超标传送倾角不合适 图6 18拉尖 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 2 解决办法 净化被焊表面调整助焊剂流量合理选择预热温度调整锡槽温度提高传送速度调整波峰高度或压锡深度正确管理助焊剂调整传送倾角 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 焊盘间的绝缘表面溅有小的焊料颗粒形成多余物 影响电子产品的正常工作 甚至造成重大事故 常见的形成因素和解决办法 见表6 1 6 3 6溅锡珠 6 37粒状物 在焊点钎料比较薄的地方出现块状物和小颗粒 其它正常 常见的形成因素与解决方法 第六节 波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法 常见的形成因素与解决方法 表6 1 第七节 波峰焊后清洁度可接受性要求 7 1残留物残留物包含 助焊剂残留物 颗粒物 氯化物 碳酸盐 白色结晶物等 目标 如图7 1所示 清洁 无可见残留物可接受 对于清洗型助焊剂 不允许有可见残留物对于免清洗工艺 可见有助焊剂残留物 图7 1 第七节 波峰焊后清洁度可接受性要求 缺陷1 如图7 2所示 组件上有灰尘和颗粒物 如 灰尘 纤维丝 渣滓 金属颗粒等 缺陷2 如图7 3所示 PCB表面的白色残留物焊接端上或周围的白色残留物金属表面有白色结晶物注 只要所用化学成份产生的残留物已经通过资格认定并有文件记录其特性是良性的 来自于免洗或其它工艺的白色残留物是可以接收的 图7 2 图7 3 第七节 波峰焊后清洁度可接受性要求 7 2常见洁净度的检测方法 7 2 1外观目测洁净度符合要求的应看不到残留物或与污染物的痕迹 第八节 波峰焊工艺参数控制要点 8 1助焊剂涂覆量 要求在印制电路板 简称PCA 底面有薄薄的一层焊剂 要均匀 不能太厚 对于免清洗工艺特别要注意不能过量 焊剂涂覆量要根据波峰焊机的焊剂涂覆系统 以及采用的焊剂类型进行设置 焊剂涂覆方法主要有涂刷 发泡及定量喷射三种方式 公司采用的是定量喷射方式 第八节 波峰焊工艺参数控制要点 采用定量喷射方式时 助焊剂是密闭在容器内的 不易挥发 不易吸收空气中水分 不易被污染 因此助焊剂成分能保持不变 要点 1 操作员每天在焊接前清洁喷头1次 防止喷射孔堵塞 2 喷雾控制箱上的各个调节阀条好后不要随意变动 以免引起喷雾不良 第八节 波峰焊工艺参数控制要点 8 2 1预热的作用将焊剂中的溶剂挥发掉 这样可以减少焊接时产生气体 焊剂中松香和活性剂开始分解和活性化 可以去除印制板焊盘 元器件端头和引脚表面的氧化膜以及其它污染物 同时起到保护金属表面防止发生再氧化的作用 使印制板和元器件充分预热 避免焊接时急剧升温产生热应力损坏印制板和元器件 8 2预热温度和时间 第八节 波峰焊工艺参数控制要点 印制板预热温度和时间要根据印制板的大小 厚度 元器件的大小和多少 以及贴装元器件的多少来确定 预热时间由传送带速度来控制 如预热温度偏低或和预热时间过短 焊剂中的溶剂挥发不充分 焊接时产生气体引起气孔 锡球等焊接缺陷 如预热温度偏高或预热时间过长 焊剂被提前分解 使焊剂失去活性 同样会引起毛刺 桥接等焊接缺陷 因此要恰当控制预热温度和时间 8 2 2预热注意事项 第八节 波峰焊工艺参数控制要点 焊接过程是焊接金属表面 熔融焊料和空气等之间相互作用的复杂过程 必须控制好焊接温度和时间 如焊接温度偏低 液体焊料的黏度大 不能很好地在金属表面润湿和扩散 容易产生拉尖和桥连 焊点表面粗糙等缺陷 如焊接温度过高 容易损坏元器件 还会产生焊点氧化速度加快 焊点发乌 焊点不饱满等问题 根据印制板的大小 厚度 印制板上搭载元器件的大小和多少来确定波峰焊温度 有铅波峰温度一般为250 5 必须测打上来的实际波峰温度 由于热量由温度和时间决定 在一定温度下焊点和元件受热的热量随时间的增加而增加 波峰焊的焊接时间通过调整传送带的速度来控制 一般焊接时间为3 6s 8 3焊接温度和时间 第八节 波峰焊工艺参数控制要点 传送倾角一般情况下以4 7 为宜 有利于排除残留在焊点和元件周围由焊剂产生的气体 还可以少量调节焊接时间 适当的波峰高度使焊料波对焊点增加压力和流速有利于焊料润湿金属表面 流入小孔 波峰高度一般控制在印制板厚度的2 3处 图8 1 图8 2说明传送倾角与焊接时间的关系 8 4传送倾角和波峰高度 图8 1传送倾角小 焊接时间长 图8 2传送倾角大 焊接时间短 第九节 PCB设计对波峰焊质量的影响 PCB焊盘设计与排布方向 尽量避免阴影效应 以及插装孔的孔径和焊盘设计是否合理 也是影响波峰焊接质量的重要因素 第九节 PCB设计对波峰焊接质量的影响 第九节 PCB设计对波峰焊接质量的影响 9 1 1PCB插件焊盘设计考虑的因素元件引脚直径和镀层厚度PCB孔径和金属化镀层厚度插装元器件焊盘孔径过大 过小都会影响毛细作用 影响浸润性和填充性 孔径过大还会造成元件歪斜或起翘 9 1元件直径 PCB孔径及焊盘设计 第九节 PCB设计对波峰焊接质量的影响 9 1 2连接盘 焊环 1 连接盘直径考虑的因素 打孔偏差 焊盘附着力和抗剥强度 连接盘过大 由于焊盘吸热 容易造成焊点干瘪 连接盘过小 影响可靠性 2 焊盘直径大于孔直径 焊盘宽度S 的最小要求 如图9 1所示 国标 0 2mm 最小焊盘宽度大于0 1mm 航天部标准 0 4mm 一边各留0 2mm的最小