第7章波峰焊接技术

1、第7章 波峰焊接技术 波峰焊接（Wave Soldering）技术主要用于传统通孔插装印制电路板 的组装工艺，以及表面组装与通孔插装元器件的混装工艺，适合波 峰焊接的表面贴装元器件有矩形和圆柱形片式元件、小外型晶体管 SOT（Small Outline Transistor）以及较小的小外廓型封装SOP （Small Outline Package）等。波峰焊成为应用最普遍的一种焊接印 制电路板的工艺方法，这种方法适宜成批、大量的焊接一面装有分 立元件和集成电路的印制线电路板。与手工焊接相比较，波峰焊具 有生产效率高、焊接质量好、可靠性高等优点。 7.1 波峰焊接原理及分类波峰焊接原理及分类

2、7.1.1 热浸焊 波峰焊技术是由早期的热浸焊接（Hot Dip Soldering）技术发展而 来。 热浸焊接是把整块插好电子元器件的PCB与焊料面平行地浸入熔融焊 料缸中，使元器件引线、PCB铜箔进行焊接的流动焊接方法之一。如 图所示，PCB组件按传送方向浸入熔融焊料中，停留一定时间，然后 再离开焊料缸，进行适当冷却。有时焊料缸还作上下运动。 视频 7.1.2 波峰焊接原理 波峰焊机是在浸焊机的基础上发展起来的自动焊接设备，两者最 主要的区别在于设备的焊锡槽。波峰焊是利用焊锡槽内的机械式 或电磁式离心泵，将熔融焊料压向喷嘴，形成一股向上平稳喷涌 的焊料波峰，并源源不断地从喷嘴中溢出。装有元

3、器件的印制电 路板以直线平面运动的方式通过焊料波峰，在焊接面上形成浸润 焊点而完成焊接。图是波峰焊机的焊锡槽示意图。 现在，波峰焊设备已经国产化，波峰焊成为应用最普遍的一种焊接 印制电路板的工艺方法。这种方法适宜成批、大量地焊接一面装有 分立元件和集成电路的印制线路板。凡与焊接质量有关的重要因素， 如焊料与焊剂的化学成分、焊接温度、速度、时间等，在波峰焊机 上均能得到比较完善的控制。图是波峰焊机的外观图。 传统插装元件的波峰焊工艺基本流程如图所示，包括准备、元器件 插装、波峰焊、清洗等工序。 7.1.3 波峰焊的分类 1单波峰焊单波峰焊 单波峰焊是借助焊料泵把熔融状焊料不断垂直向上地朝狭长出口

4、涌出， 形成2040mm高的波峰。这样可使焊料以一定的速度与压力作用于 PCB上，充分渗透入待焊接的元器件引线与电路板之间，使之完全湿 润并进行焊接。 2斜坡式波峰焊斜坡式波峰焊 这种波峰焊机和一般波峰焊机的区别，在于传送导轨以一定角度的斜 坡方式安装，如图所示。这样的好处是，增加了电路板焊接面与焊锡 波峰接触的长度。假如电路板以同样速度通过波峰，等效增加了焊点 浸润的时间，从而可以提高传送导轨的运行速度和焊接效率；不仅有 利于焊点内的助焊剂挥发，避免形成夹气焊点，还能让多余的焊锡流 下来。 3高波峰焊高波峰焊 高波峰焊机适用于THT元器件“长脚插焊”工艺，它的焊锡槽及其锡 波喷嘴如图所示。其

5、特点是，焊料离心泵的功率比较大，从喷嘴中喷 出的锡波高度比较高，并且其高度h可以调节，保证元器件的引脚从 锡波里顺利通过。一般，在高波峰焊机的后面配置剪腿机，用来剪短 元器件的引脚。 4空心波峰焊空心波峰焊 顾名思义，空心波的特点是在熔融铅锡焊料的喷嘴出口设置了指针形 调节杆，让焊料熔液从喷嘴两边对称的窄缝中均匀地喷流出来，使两 个波峰的中部形成一个空心的区域，并且两边焊料熔液喷流的方向相 反。由于空心波的伯努利效应（Bernoulli Effect，一种流体动力学效 应），它的波峰不会将元器件推离基板，相反使元器件贴向基板。 5紊乱波峰焊紊乱波峰焊 用一块多孔的平板去替换空心波喷口的指针形调

6、节杆，就可以获得由 若干个小子波构成的紊乱波，如图所示。看起来像平面涌泉似的紊乱 波，也能很好地克服一般波峰焊的遮蔽效应和阴影效应。 6宽平波峰焊宽平波峰焊 如图所示，在焊料的喷嘴出口处安装了扩展器，熔融的铅锡熔液从 倾斜的喷嘴喷流出来，形成偏向宽平波（也叫片波）。逆着印制板 前进方向的宽平波的流速较大，对电路板有很好的擦洗作用；在设 置扩展器的一侧，熔液的波面宽而平，流速较小，使焊接对象可以 获得较好的后热效应，起到修整焊接面、消除桥接和拉尖、丰满焊 点轮廓的效果。 7双波峰焊双波峰焊 双波峰焊机是SMT时代发展起来的改进型波峰焊设备，特别适合 焊接那些THTSMT混合元器件的电路板。双波峰

7、焊机的焊料波 型如图所示，使用这种设备焊接印制电路板时，THT元器件要采 用“短脚插焊”工艺。电路板的焊接面要经过两个熔融的铅锡焊 料形成的波峰：这两个焊料波峰的形式不同，最常见的波型组合 是“紊乱波”“宽平波”。 8选择性波峰焊选择性波峰焊 近年来，SMT元器件的使用率不断上升，在某些混合装配的电子 产品里甚至已经占到95%左右，按照以往的思路，对电路板A面进 行再流焊、B面进行波峰焊的方案已经面临挑战。在以集成电路为 主的产品中，很难保证在B面上只贴装耐受温度的SMC元件、不 贴装SMD集成电路承受高温的能力较差，可能因波峰焊导致 损坏；假如用手工焊接的办法对少量THT元件实施焊接，又感觉

8、 一致性难以保证。为此，国外厂商推出了选择性波峰焊设备。这 种设备的工作原理是：在由电路板设计文件转换的程序控制下， 小型波峰焊锡槽和喷嘴移动到电路板需要补焊的位置，顺序、定 量喷涂助焊剂并喷涌焊料波峰，进行局部焊接。 7.2 波峰焊主要材料及波峰焊机设备组成波峰焊主要材料及波峰焊机设备组成 7.2.1 波峰焊主要材料 1焊料焊料 2助焊剂助焊剂 3焊料添加剂焊料添加剂 7.2.2 波峰焊机设备组成 从图中可以知道一般波峰焊机由焊料波峰发生器、助焊剂涂覆系 统、预热系统、焊接系统、传送系统、冷却系统、控制系统等几 部分组成。 7.2.3 波峰焊接中合金化过程 波峰焊接中PCB通过波峰时其热作用

9、过程大致可分为三个区域，如图所示。 7.3 波峰焊接工艺 7.3.1 插装元器件波峰焊接工艺 1上机前的烘干处理 2预热温度 3焊料温度焊料温度 4夹送速度夹送速度 5夹送倾角夹送倾角 6波峰高度 7.3.2 表面安装组件（SMA）的波峰焊接技术 1SMA波峰焊接工艺的特殊问题波峰焊接工艺的特殊问题 2SMC/SMD的焊接特性和安装设计中应注意的事项的焊接特性和安装设计中应注意的事项 3SMA波峰焊接工艺要素的调整波峰焊接工艺要素的调整 4典型的表面组装元器件波峰焊的温度曲线典型的表面组装元器件波峰焊的温度曲线 图为典型表面组装元器件波峰焊的温度曲线图，从图中可以看出，整个图为典型表面组装元器

10、件波峰焊的温度曲线图，从图中可以看出，整个 焊接过程被分为三个温度区域：预热、焊接、冷却。实际的焊接温度曲焊接过程被分为三个温度区域：预热、焊接、冷却。实际的焊接温度曲 线可以通过对设备的控制系统编程进行调整。线可以通过对设备的控制系统编程进行调整。 7.4 波峰焊接缺陷与分析 7.4.1 合格焊点 锡必须与基板形成共结晶焊点，让锡成为基层的一部分，故要求： 1在PCB焊接面上出现的焊点应为实心平顶的锥体；横切面之两外 圆应呈现新月型之均匀弧状。通孔中之填锡应将零件均匀完整的包 裹住。 2焊点底部面积应与板子上的焊盘一致； 3焊点之锡柱爬升高度大约为零件脚在电路板面突出的3/4，其最 大高度不

11、可超过圆形焊盘直径之一半或80%（否则容易造成短路）； 4锡量的多少应以填满焊盘边缘及零件脚为宜，而焊接接触角度 应趋近于零，接触角度越小越好，表示有良好之沾锡性； 5锡面应呈现光泽性，表面应平滑、均匀， 6对贯穿孔的PCB而言，焊锡应自焊锡面爬进孔中升至零件面。 （一般要求超过PCB厚度的50%以上） 满足以上6个条件的焊点即被称为合格焊点，见合格焊点剖面图。 7.4.2 不良焊接发生原因： 分析不良焊点的产生是一个复杂的问题，首先须判断是设计不良、 焊接性问题、焊锡材料无效或是处理过程及设备的问题。此外， 很多被认为不良的焊点，事实上是没有问题的，不过太多广被认 同的检验标准，错误的强调焊

12、点的美观而忽略了它的功能。针对 一些问题我们做如下讨论：问题解决概论当问题发生时，首先必 须检查的是制造过程的基本条件，我们将它归类为以下三大因素: 1材料问题 2焊锡性的不良 3生产设备的偏差 7.4.3 常见缺陷分析 1润焊不良、虚焊润焊不良、虚焊 （1）现象： 锡料未全面而且不均匀包覆在被焊物表面，让焊接物表面金属裸 露，如图所示。润湿不良在焊接作业中是不能被接受的，它严重 地降低了焊点的“耐久性”和“延伸性”，同时也降低了焊点的 “导电性”及“导热性”。 （2）产生原因： a元件焊端、引脚、印制板基板的焊盘氧化或污染，或PCB受潮。 bChip元件端头金属电极附着力差或采用单层电极，在

13、焊接温度 下产生脱帽现象。 cPCB设计不合理，波峰焊时阴影效应造成漏焊。 dPCB翘曲，使PCB翘起位置与波峰焊接触不良。 e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。 f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。 g助焊剂活性差，造成润湿不良。 HPCB预热温度过高，使助焊剂碳化，失去活性，造成润湿不良。 h设置恰当的预热温度。 （3）解决方法： a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； b波峰焊应选择三层端头结构的表面贴装

14、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。 cSMD/SMC采用波峰焊时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。 dPCB板翘曲度小于0.81.0%。 e调整波峰焊机及传输带或PCB传输架的横向水平。 f清理波峰喷嘴。 g更换助焊剂。 h设置恰当的预热温度。 2 2锡球锡球 （1）现象 锡球大多数发生在PCB表面，因为焊料本身内聚力的因素，使这些 焊料颗粒的外观呈球状。它们通常随着助焊剂固化的过程附着在 PCB表面，有时也会埋藏在PCB塑胶物表面如防焊油墨或印刷油墨 表面，因为这些油墨焊接时会有一段软化

15、过程，也容易产生锡球。 （2）产生原因: aPCB预热不够，导致表面的助焊剂未干。 b助焊剂的配方中含水量过高。 c工厂环境湿度过高。 3 3冷焊冷焊 （1）现象 冷焊的定义是焊点表面不平滑，如“破碎玻璃”的表面一般。冷 焊是焊点凝固过程中，零件与PCB相互的移动所形成，如图，这 种相互移动的动作，影响锡铅合金该有的结晶过程，降低了整个 合金的强度。当冷焊严重时，焊点表面甚至会有细微裂缝或断裂 的情况发生。 （2）产生原因: a输送轨道的皮带振动不平衡。 b机械轴承或马达转动不平衡。 c抽风设备或电扇太强。 dPCB已经流过输送轨道出口，锡还未干。 （3）解决方法： PCB过锡后，保持输送轨道

16、的平稳，让锡铅合金固化的过程中， 得到完美的结晶，即能解决冷焊的因扰。当冷焊发生时可用补焊 的方式整修，若冷焊严重时，则可考虑重新过一次锡。有关于零 件的振动而影响焊点的固化，使焊点表面不平整或外形不完全的 情况，厂内的品管单位，必须建立一套焊点外观标准，让参与焊 锡作业的人员有判断的依据。 4 4焊料不足焊料不足 （1）现象 焊点干瘪、不完整、有空洞，插装孔及导通孔焊料不饱满，焊料未爬到元 件面的焊盘上。 焊料不足在电子业流传使用的名称很多，如“吹气孔”、“针孔”、“锡 落”、“空洞”等。 （2）产生原因: aPCB预热和焊接温度过高，使焊料的黏度过低； b插装孔的孔径过大，焊料从孔中流出；

17、 c插装元件细引线大焊盘，焊料被拉到焊盘上，使焊点干瘪； d金属化孔质量差或阻焊剂流入孔中； ePCB爬坡角度偏小，不利于焊剂排气。 （3）解决方法： a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。 b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。 c焊盘尺寸与引脚直径应匹配； d反映给PCB加工厂，提高加工质量； ePCB的爬坡角度为37。 5 5包锡包锡 （1）现象 包锡即焊料过多。焊点的四周被过多的锡包覆而不能断定其是否为标准焊 点，如图所示。过多的锡隐藏了焊点和PCB间润焊（wetting）的曲度，它 也可能覆盖零件脚该

18、露出之部份，使肉眼看不到。而且包锡并不能加强焊 接物的坚牢度或导电度，只是浪费罢了。 （2）产生原因: a焊接温度过低或传送带速度过快，使熔融焊料的黏度过大； bPCB预热温度过低，焊接时元件与PCB吸热，使实际焊接温度降低； c助焊剂的活性差或比重过小； d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； e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。 f焊料残渣太多。 （3）解决方法： a锡波温度250+/-5，焊接时间35S。 b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。 c更换焊剂或调整

19、适当的比例； d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； e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； f每天结束工作时应清理残渣。 6 6冰柱冰柱 （1）现象 冰柱是指焊点顶部如冰柱状，如图所示。 （2）产生原因 a 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； b焊接温度过低或传送带速度过快，使熔融焊料的黏度过大； c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； d助焊剂活性差； e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

20、大。 （3）解决办法 a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； b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。 c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 d更换助焊剂； e插装孔的孔径比引线直径大0.150.4mm（细引线取下限，粗引线取 上线）。 7 7桥接桥接 （1）现象 桥接是指将相邻的两个焊点连接在一块。架桥发生时会造成PCB短路，其原 因可能来自吃锡过剩如图所示，但造成短路有原因不单纯是架桥而已，问 题可能发生在PCB防焊油墨包覆下的金属线路，或零件本身。当短路因PCB 表面焊点的相连，才定义为桥接。 （2）产生原因： aPCB设计不合理，焊盘间距过窄； b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； cPCB预热温度过低，焊接时元件与PC