电子产品制造工艺焊接缺陷及解决方法.doc

金 华 职 业 技 术 学 院JINHUA COLLEGE OF PROFESSION AND TECHNOLOGY毕业教学环节成果 （2011届）题 目 学 院 专 业 班 级 学 号 姓 名 杨开鹏 指导教师 2011年5月18日理工类金华职业技术学院毕业教学成果目 录摘要1英文摘要.2引言31 焊接工艺的一些基本定义介绍41.1 基本定义41.2 焊点的质量要求41.3 焊接工艺的技术及原理42 手工焊接缺陷及解决方法52.1 手工焊接的应用52.2 手工焊接的步骤52.3 手工焊接的设备62.4 工艺缺陷及解决方法72.4.1 桥接72.4.2 虚焊72.4.3 铜箔翘起、焊盘脱落83 波峰焊接工艺缺陷及解决方法83.1 波峰焊的应用83.2 波峰焊接的步骤83.3 波峰焊接的设备83.4 波峰焊的工艺参数的设置93.5 工艺缺陷及解决方法。103.5.1 沾锡不良103.5.2 焊料过多113.5.3 焊点桥接或者短路123.5.4 润湿不良、漏焊、虚焊133.5.5 焊点拉尖144 SMT（表面贴装技术）焊接工艺缺陷及解决方法154.1 SMT的应用154.2 SMT的设备154.3 SMT的工艺参数设置154.4 SMT工艺生产过程中容易出现的缺陷及解决方法。164.4.1 锡珠164.4.2 立片问题（曼哈顿现象）174.4.3 桥接184.4.4 吸料现象194.4.5 引脚焊接后引脚虚焊20总结21谢辞22参考文献23电子产品制造工艺焊接缺陷及解决方法研究信息工程学院应用电子技术专业 杨开鹏摘要：本文介绍电子产品焊接工艺行业的一些基础知识，重点介绍手工焊、波峰焊、SMT这3种最常见的焊接方法的定义、焊接的应用、焊接原理、焊接设备、工艺参数和在焊接过程中容易出现的工艺缺陷及解决方法。关键词：焊接工艺 焊接缺陷 工艺参数 - 1 -Electronic products manufacturing process of welding defects and their solutions(Information college, Jinhua College of Profession & Technology, Yang kaipeng)Abstract: this article describes some basics of welding technology of electronic products industry, focused on manual welding, wave soldering, SMT welding method of the 3 most common definitions, principles, welding equipment, welding, welding and application of process parameters and prone to defects during the welding process and solutions.Keywords: Welding Technology Weld defects Parameters- 21 -引言中国成为全球电子信息产品制造基地已经是不争的事实，而且这一地位在今后较长一段时间内将不会改变。中国生产的程控交换机、手机、彩电、空调、电冰箱、激光视盘机、组合音响等产品产量已位居全球第一位。目前中国SMT产业仍主要集中在珠江三角洲地区和长江三角洲地区，这两个地区产业销售收入占到了整体产业规模的90以上，其中仅珠江三角洲地区就占到了整体比重的67.5。但是国内的电子成品无论是从外观、价格、质量都逊于国外发达国家的产品，其中一个重要的原因是生产过程中的工艺水平有差距，焊接是电子产品制造过程中非常重要的工艺，焊接质量直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度等。本文主要对手工焊接、波峰焊、SMT三种焊接工艺在电子产品生产制造中存在的缺陷问题进行分析，提出一些可行性的解决方法，希望对提高生产工艺有所帮助。1 焊接工艺的一些基本定义介绍1.1 基本定义焊接的定义两种或两种以上材质(同种或异种),通过加热或加压或二者并用,来达到原子之间的结合而形成永久性连接的工艺过程叫焊接.工艺的定义工艺技术又叫工艺方法、工艺过程。工艺技术就是通过对设备参数、环境条件控制、生产过程编制、原辅材料选择和生产过程质量 达到均衡稳定生产优质产品目的。我们把设备参数、环境参数叫工艺参数，辅助材料叫工艺材料，生产过程叫工艺流程。所以又可以把工艺技术叫工艺流程编制、工艺材料选择和工艺参数控制技术。焊锡的定义用焊接剂(锡线),在可溶化的温度度下加热熔化，将两种或两种以上的材料连接在一起。焊接缺陷的定义由焊接引起的在焊接接头中的金属不连续、不致密或连接不良的现象。1.2 焊点的质量要求 1）表面润湿程度 熔融焊料在被焊金属表面上应铺展，并形成完整、均匀、连续的焊料覆盖层，其接触角应不大于90度。 2）焊料量 焊料量应适中，避免过多或过少。 3）焊点表面 焊点表面应完整、连续和圆滑，但不要求极光亮的外观。 4）焊点位置 元器件的焊端或引脚在焊盘上的位置偏差，应在规定的范围内。1.3 焊接工艺的技术及原理焊接的原理焊接是通过将固态焊料加热熔化，再借助于助焊剂的作用，使其流入被焊金属之间，待冷却后形成牢固可靠的焊接点。手工焊接的定义手工焊的意思是手持焊炬、焊枪、电烙铁或焊钳进行操作的焊接方法，也就是锡焊。波峰焊的定义波峰焊是让插件板的焊接面直接与高温液态锡接触达到焊接目的,其高温液态锡保持一个斜面,并由特殊装置使液态锡形成一道道类似波浪的现象,所以叫波峰焊。SMT的定义SMT是英文SURFACE MOUNT TECHNOLOGY的缩写，表面贴装技术是目前电子组装行业里最流行的一种技术和工艺。2 手工焊接缺陷及解决方法2.1 手工焊接的应用随着电子元器件的封装更新换代加快，由原来的直插式改为了平贴式，连接排线也由FPC软板进行替代，电子发展已朝向小型化、微型化发展，手工焊接难度也随之增加，在焊接当中稍有不慎就会损伤元器件，或引起焊接不良，而电子产品的维修必须用到手工焊接。2.2 手工焊接的步骤掌握好电烙铁的温度和焊接时间，选择恰当的烙铁头和焊点的接触位置，才可能得到良好的焊点。正确的手工焊接操作过程可以分成4个步骤，如图2-1、2-2、2-3、2-4所示。图2-1预热图 图2-2加热焊料图图2-3移开焊料图图2-4移开烙铁图2.3 手工焊接的设备焊烙铁的结构：手柄、发热丝、烙铁头、电源线、恒温控制器、烙铁头。焊烙铁用来焊接电子原件、五金线材及其它一些金属物体的工具。如图2-5所示。图2-5焊烙铁图2.4 工艺缺陷及解决方法2.4.1 桥接 桥接是指俩个引脚焊点相互连接的不良焊接。在手工焊接的过程中容易形成桥接的现象。如图2-6所示图2-6引脚桥接图产生原因： 1）PCB设计不合理，焊盘间距过窄； 2）插装元件引脚不规则或插装歪斜，焊接前引脚之间已经接近或已经碰上；解决方法： 1）使用可焊性好的元器件和PCB板。2）提高助焊剂的活性2.4.2 虚焊虚焊是指焊丝融化的铁水跟焊件之间有个缝隙或没有连接上，图2-7所示图2-7焊点虚焊图产生的原因：1）焊接焊烙铁温度太低，预热不够。2）焊接是如果速度过快，锡来不及熔化也会造成虚焊。解决方法：1）掌握好预热时间，在保证焊料润湿焊件的前提下时间越短越好。2）保持合适的温度烙铁头在合适的温度范围。一般经验是烙铁头温度比焊料熔化温度高50较为适宜，大概范围为300到350。2.4.3 铜箔翘起、焊盘脱落铜箔翘起、焊盘脱落如图2-8所示图2-8铜箔翘起图产生的原因：1）本身PCB板的质量不好。2）电烙铁的温度过高。解决方法：1）在用之前先检查PCB板的质量。2）控制电烙铁的温度，保持在300到350。3 波峰焊接工艺缺陷及解决方法3.1 波峰焊的应用现在中国的电子公司生产的大多数不需要小型化的产品上仍然在使用穿孔或混和技术线路板，比如电视机、家庭音像设备以及即将推出的数字机顶盒等，仍然都在用穿孔元件，因此需要用到波峰焊。但从工艺角度上看，波峰焊机器只能提供很少一点最基本的设备运行参数调整。3.2 波峰焊接的步骤元器件引线成型印制板贴阻焊胶带插装元器件印制板装入焊机夹具涂覆助焊剂预热波峰焊冷却取下印制板撕掉阻焊胶带检验清洗放入专用运输箱。3.3 波峰焊接的设备图3-1波峰焊机图波峰焊机是指将熔化的铅锡合金，经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰,使预先装有元器件的印制板通过焊料波峰，实现元器件引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊的机器设备。如图3-1所示，典型的波峰焊设备。3.4 波峰焊的工艺参数的设置波峰焊的温度曲线如图3-2所示。图3-2波峰焊温度曲线图波峰焊工设置注意事项1）润湿时间 指焊点与焊料相接触后润湿开始的时间 2）停留时间 PCB上某一个焊点从接触波峰面到离开波峰面的时间 计算方式是 时间=波峰宽/速度 3）预热温度 预热温度是指PCB与波峰面接触前达到 元器件预设温度单面板组件 通孔器件与混裝 90 到100C单面板组件 通孔器件 100到110C双面板组件 混裝 100到110C多层板 通孔器件 115 到125C多层板 混裝 115到125C 4）焊接温度：温度是非常重要的焊接参数，通常高于焊料熔点(183C )50C 到60C大多数情况是指焊锡炉的温度实际运行时，所焊接的PCB 焊点温度要低于炉温这是PCB吸热的结果。5）波峰高度:波峰高度是指波峰焊接中的PCB吃锡高度。其数值通常控制在PCB板厚度的1/2到2/3,过大会导致熔融的焊料流到PCB的表面，形成“桥连”。6）传送倾角：波峰焊机在安装时除了使机器水平外，还应调节传送装置的倾角，通过倾角的调节，可以调控PCB与波峰面的焊接时间，适当的倾角，会有助于焊料液与PCB更快的剥离，使之返回锡锅内。4）焊料纯度的影响波峰焊接过程中，焊料的杂质主要是来源于PCB上焊盘的铜浸析，过量的铜会导致焊接缺陷增多。3.5 工艺缺陷及解决方法3.5.1 沾锡不良沾锡不良是波峰焊生产过程中容易出现的缺陷包括焊点干瘪、不完整、有空洞，插装孔及导通孔焊料不饱满，会影响整个机器的电器性能如图3-3所示。图3-3沾锡不良图形成的原因：1)PCB预热和焊接温度过高，使焊料的黏度过低导致。2)插装孔的孔径过大，焊料从孔中流出导致。 3)插装元件细引线大焊盘，焊料被拉到焊盘上，使焊点干瘪。 4)金属化孔质量差或阻焊剂流入孔中导致。5)PCB爬坡角度偏小，不利于焊剂排气导致。解决方法： 1)预热温度90-130，元件较多时取上限，锡波温度250+/-5，焊接时间35S。 2)插装孔的孔径比引脚直径大0.150.4mm，细引线取下限，粗引线取上线。 3)焊盘尺寸与引脚直径应匹配，要有利于形成弯月面。 4）反映给PCB加工厂，提高加工质量。5) PCB的爬坡角度为37度。3.5.2 焊料过多元件焊端和引脚有过多的焊料包围，润湿角大于90。会造成电气性能下降影响正常的使用如图3-4所示。图3-4焊料过多图形成的原因： 1)焊接温度过低或传送带速度过快，使熔融焊料的黏度过大。 2)PCB预热温度过低，焊接时元件与PCB吸热，使实际焊接温度降低。 3)助焊剂的活性差或比重过小。4)焊盘、插装孔或引脚可焊性差，不能充分浸润，产生的气泡裹在焊点中。5)焊料中锡的比例减少，或焊料中杂质Cu的成份高，使焊料黏度增加、流动性变差。 6)焊料残渣太多。 解决方法：1)锡波温度250+/-5，焊接时间35S。 2)根据PCB尺寸、板层、元件多少、有无贴装元件等设置预热温度，PCB底面温度在90- 130。 3)更换焊剂或调整适当的比例。 4)提高PCB板的加工质量，元器件先到先用，不要存放在潮湿的环境中。 5)锡的比例61.4%时，可适量添加一些纯锡，杂质过高时应更换焊料。 6)每天结束工作时应清理残渣。 3.5.3 焊点桥接或者短路元器件引脚之间桥接或者短路会造成整个电路板的损坏如图3-5所示。图3-5焊点桥接图形成的原因： 1)PCB设计不合理，焊盘间距过窄。2)插装元件引脚不规则或插装歪斜，焊接前引脚之间已经接近或已经碰上。 3)PCB预热温度过低，焊接时元件与PCB吸热，使实际焊接温度降低。4)焊接温度过低或传送带速度过快，使熔融焊料的黏度降低。5）阻焊剂活性差。解决方法：1) 按照PCB设计规范进行设计。两个端头元件的长轴应尽量与焊接时PCB运行方向垂直，长轴应与PCB运行方向平行。将最后一个引脚的焊盘加宽。 2) 插装元件引脚应根据PCB的孔距及装配要求成型，如采用短插一次焊工艺，焊接面元件引 脚露出PCB表面0.83mm，插装时要求元件体端正。 3）根据PCB尺寸、板层、元件多少、有无贴装元件等设置预热温度，PCB底面温度在90-130。 4) 锡波温度250+/-5，焊接时间35S。温度略低时，传送带速度应调慢些。 5) 更换助焊剂。3.5.4 润湿不良、漏焊、虚焊 元器件的虚焊或者漏焊会影响整个机器的电气性能设置导致机器不能正常的运行如图3-6所示。图3-6焊点虚焊图形成原因：1）元件焊端、引脚、印制板基板的焊盘氧化或污染，或PCB受潮。2）元件端头金属电极附着力差或采用单层电极，在焊接温度下产生脱帽现象。3）PCB设计不合理，波峰焊时阴影效应造成漏焊。4）PCB翘曲，使PCB翘起位置与波峰焊接触不良。5）传送带两侧不平行（尤其使用PCB传输架时），使PCB与波峰接触不平行。 6）波峰不平滑，波峰两侧高度不平行，尤其电磁泵波峰焊机的锡波喷口，如果被氧化物堵塞 时，会使波峰出现锯齿形，容易造成漏焊、虚焊。 7）助焊剂活性差，造成润湿不良。 8）PCB预热温度过高，使助焊剂碳化，失去活性，造成润湿不良。解决方法：1）元器件先到先用，不要存在潮湿的环境中，不要超过规定的使用日期。对PCB进行清洗和去潮处理。2）波峰焊应选择三层端头结构的表面贴装元器件，元件本体和焊端能经受两次以上的260波峰焊的温度冲击。3）元器件布局和排布方向应遵循较小元件在前和尽量避免互相遮挡原则。另外，还可以适当加长元件搭接后剩余焊盘长度。4）PCB板翘曲度小于0.81.0度。5）调整波峰焊机及传输带或PCB传输架的横向水平。6）清理波峰喷嘴。7）更换助焊剂。 8）置恰当的预热温度。 3.5.5 焊点拉尖焊点拉尖会影响电路板的美观，整个电子产品的性能严重会造成短路，如图3-7所示。图3-7焊点拉尖图形成的原因：1）PCB预热温度过低，使PCB与元器件温度偏低，焊接时元件与PCB吸热； 2）焊接温度过低或传送带速度过快，使熔融焊料的黏度过大。3）电磁泵波峰焊机的波峰高度太高或引脚过长，使引脚底部不能与波峰接触。因为电磁泵波峰焊机是空心波，空心波的厚度为45mm。4）助焊剂活性差。5）焊接元件引线直径与插装孔比例不正确，插装孔过大，大焊盘吸热量大。解决方法:1）根据PCB板层元件多少有无贴装元件等设置预热温度，预热温度在90-130。2）锡波温度为250+/-5，焊接时间35S。温度略低时，传送带速度应调慢一些。 3）波峰高度一般控制在PCB厚度的2/3处。插装元件引脚成型要求引脚露出PCB焊接面0.83mm。4）换助焊剂。5）插装孔的孔径比引线直径大0.150.4mm。4 SMT（表面贴装技术）焊接工艺缺陷及解决方法4.1 SMT的应用由于电子产品不断小型化的需要，出现了片状元件，传统的焊接方法已不能适应需要。首先在混合集成电路组装中采用了回流焊工艺，组装焊接的元件多数为片状电容、片状电感，贴装型晶体管及二极管等。随着SMT整个技术发展日趋完善，多种贴片元件和贴装器件的出现，SMT应用日趋广泛，几乎在所有电子产品领域都已得到应用。4.2 SMT的设备一套SMT设备包括很多：从头开始为：上板机，印刷机，接驳台，贴片机，AOI，回流炉，ICT，X-Ray等，如图4-1所示SMT贴片生产车间。图4-1SMT生产车间图4.3 SMT的工艺参数设置SMT的理想温度曲线如下图4-2所示图4-2SMT温度曲线图1) 预热（I区）该区域的目的是把室温的PCB尽快加热，用来PCB的温度从周围环境提升到所须的活性温度。在这个区，产品温度以不超过每秒2到5速度连续上升，温度升得太快会产生热冲击，电路板和元器件都可能受损。炉的预热区一般占整个加热通道长度的25%到33%。典型的升温速率为2/S。2) 恒温区（II区）这个区域的时间最好少于30秒以减少锡珠的产生。从150到Sn63合金的熔点183这个区域，升温的速率应当在2.53/秒，理想的曲线要求相当的平稳的温度，这样使得PCB的温度在活性区开始和结束时是相等的。这个区域占加热通道的33%到50%。3) 回流区（III区）该区域的作用是将PCB从活性温度提升到推荐的峰值温度，在这一区域里加热器的温度设置的最高，使得组件的温度快速上升至峰值温度。回流焊接的最高温度是在合金熔点的温度上再增加30，Sn63合金的熔点是183，而回流焊接的最高温度是183+30=213+5，亦即是218一般情况下，CR32锡膏在这个区域内的时间是4060秒。如果这个时间过长的话，焊接表面将会是没光泽的，灰暗的和使松香炭化，如果时间低于30秒，松香不会产生足够湿润和在一些大的焊盘引线上产生较差的金属化合物。4) 冷却（IV区） 冷却时降温的速率是3到10/S，冷却至75即可。冷却速率太快的结果在焊接表面或许有裂痕。如果冷却太慢的话，在焊接表面或许就比较黯淡，原因是在焊锡合金中有较大的铅的结晶体在扩散。 4.4 SMT工艺生产过程中容易出现的缺陷及解决方法。4.4.1 锡珠回流焊中出现的锡珠（或称焊料球），常常藏与矩形片式元件两端之间的侧面或细间距引脚之间。在元件贴状过程中，焊膏被置于片式元件的引脚与焊盘之间，随着印制板穿过回流焊炉，焊膏熔化变成液体，如果与焊盘和器件引脚等润湿不良，液态焊料颗粒 不能聚合成一个焊点。部分液态焊料会从焊缝流出，形成锡珠，如图4-3所示图4-3焊点锡珠图形成原因：1）回流温度曲线设置不当，如果未到达足够的温度或时间，焊膏就不会回流，引起水分、溶剂沸腾溅出锡珠。2）模板开口尺寸腐蚀精度达不到要求，焊盘尺寸偏大，回流后必然造成引脚间大量锡珠的产生。3）从贴片至回流焊的时间过长，则因焊膏中焊料粒子的氧化，焊剂变质、活性降低，会导致焊膏不回流，产生锡珠。4）焊膏错印的印制板清洗不充分，会使焊膏残留于印制板表面及通空中，这些也是造成锡珠的原因。解决方法：1）将预热区温度的上升速度控制在14/S。2）应针对焊盘图形的不同形状和中心距，选择适宜的模板材料及模板制作工艺来保证焊膏印刷质量。3）选用工作寿命长一些的焊膏（一般至少4H），则会减轻这种影响。4）加强操作者和工艺人员在生产过程中的责任心，严格遵照工艺要求和操作规程进行生产，加强工艺过程的质量控制。4.4.2 立片问题（曼哈顿现象）片式元件的一端焊接在焊盘上，而另一端则翘立，这种现象就称为曼哈顿现象。引起这种现象的主要原因是元件两端受热不均匀，焊膏熔化有先后所至。如图4-4所示图4-4元件立片图形成原因：1）元件排列方向设计不正确，在回流焊炉中有一条横跨炉子宽度的回流焊限线，一旦焊膏通过它就会立即熔化。而另一端未达到183液相温度，焊膏未熔化，因而使未熔化端的元件端头向上直立。2）在进行气相焊接时印制电路组件预热不充足。3）焊盘设计质量的影响，若片式元件的一对焊盘尺寸不同或不对称，当小焊盘上的焊膏熔化后在焊膏表面张力作用下将元件拉直竖起。解决方法：1）保持元件两端同时进入回流焊限线，使两端焊盘上的焊膏同时熔化，形成平衡的液态表面张力，保持元件位置不变。2） 通过将被焊组件在高低温箱内145150的温度下预热12min左右，最后缓慢进入饱和蒸汽区焊接。3）严格按照标准规范进行焊盘设计是解决该缺陷的先决条件。4.4.3 桥接桥接也是SMT生产中常见的缺陷之一，它会引起元件之间的短路，遇到桥接必须返修。如图4-5所示图4-5引脚桥接图形成原因：1）焊膏质量问题，锡膏中金属含量偏高，预热后漫流到焊盘外；焊膏塌落度差，预热后漫流到焊盘外，均会导致引脚桥接。2）PCB焊盘设计合金镀层不均匀，导致的锡膏量偏多，均会造成接桥接。3）贴放压力过大，锡膏受压后浸沉导致桥接。4）升温速度过快，锡膏中溶剂来不及挥发。解决方法：1）提高锡膏的质量，不要在空气中放太久以免大量氧化。2）调整印刷机，改善PCB焊盘涂覆层，提高PCB板的质量。3）调整机器贴片轴的高度，提高贴片的精度。4）将预热区温度的上升速度控制在14/S。4.4.4 吸料现象吸料现象是常见焊接缺陷之一，多见于汽相回流焊中。吸料现象是焊料脱离焊盘沿引脚与芯片本体有过多的锡料连接形成的现象。如图4-6所示。图4-6引脚吸料图产生原因：原件引脚的导热率大，升温迅速，以致焊料优先润湿引脚，焊料与引脚之间的润湿力远大于焊料与焊盘之间的润湿力，引脚的上翘更会加剧芯吸现象的发生。解决方法：认真检查和保证PCB板焊盘的可焊性，可焊性不好的PCB不应用与生产；元件的共面性不可忽视，对共面性不好的器件不应用于生产。4.4.5 引脚焊接后引脚虚焊引脚焊接后出现部分引脚虚焊，是常见的焊接缺陷，会导致电子产品无法正常使用，必须返修，