无铅波峰焊资料

1、无铅波峰焊资料无 铅 波 峰 焊业务资料无铅波峰焊资料一、 波峰焊接基础1. 软钎接机理：软钎接、软钎料及基本金属软钎接是用加热熔化成液态的金属（钎料）把固体金属连接在一起的技术总称。起连接作用的金属材料称为软钎料，被连接的金属叫基体金属或母体。波峰焊接是软钎接的一种特殊形式。 金属的表面现象2. 波峰焊的定义和优点定义： 波峰焊接（Wave Soldering）-即将熔融的钎料借泵的作用，在钎料液面形成一特定形状的钎料峰，装载了元器件的PCB以某一特定角度，并以一定的浸入深度穿过钎料波峰而实现焊点的钎接过程称为波峰焊接。于1956年由英国人最先发明。优点：(1).省工省料，提高生产效率，降低

2、成本。(2).提高焊点质量和可靠性，消出了人为因素对产品质量的干拢和影响。(3).改善了操作环境和操作者的身心健康。(4).产品质量标准化。(5).可以完成手工操作无法完成的工作3. 波峰焊接设备系统的组成及其作用1.钎料波峰发生器其作用是产生波峰焊接工艺所要求的特定的钎料波峰。它是决定波峰焊接质量的核心。其分类有：1. 机械泵式，目前主流结构为离心泵式钎料波峰发生器。是由一电动机带动一泵叶，利用旋转泵叶的离心力而驱使液态钎料流体流向泵腔，在压力作用的驱动下，流入泵腔内的液态钎料经整流结构整流后，呈层流态流向喷嘴而形成钎料波峰。钎料槽中钎料绝大多数是采取从泵叶旋转轴中心的下底面吸入泵腔内的。因

3、其制做简单，成本低廉而被广泛使用。如下图第2页 共19无铅波峰焊资料2. 液态金属电磁泵式，利用开口铁芯产生作用的磁场，绕组和铁芯构成泵的传导电流变压器，由于绕组是不能移动的，而泵腔中的液态钎料是可以移坳的，因此，泵沟中的液态钎料在电磁力的驱动下，迫使其向喷口方向流动，并而形成钎料波峰。2、助焊剂涂覆系统当钎料波峰与PCB表面金属直接接触时，在这一接触过程中，假如表面无污染，则在波峰钎料与基体金属间将发生原子交换，然而行焊接的PCB金属表面一般都要受到氧化物的污染。使用助焊剂可将氧化层从金属表面去除，至使钎料与金属直接接触。目前常用助焊剂涂覆方法有：a. 泡沫波峰涂覆法，利用装在喷嘴内的多孔发

4、泡管，发包管浸入助焊剂液面一定距离，向发泡管内送入一定压力的纯净空气后，在喷嘴上方形成稳定的助焊剂泡沫流，PCB经过泡沫流顶，从而涂覆上一层助焊剂。其优点是：设备简单，价格低，使用维修方便等。其不足之处是助焊剂易挥发，其密度不易控制，涂覆量也不易控制助焊剂泡波峰喷嘴第3页 共19页无铅波峰焊资料b. 喷雾涂覆方式(1)、直接喷雾a、直接喷雾国外也有称为喷涂法，这种方法仅适于涂覆低固体含量的液态助焊剂。它是从油漆工业中移植过来的一项传统技术，是利用经过过滤后的洁净压缩空气高速气流所产生的负压效应，将液压助焊剂从喷雾头的针状小孔中吸出，在高速气流中夹杂的助焊剂液滴，再受空气阻力的作用，被击碎并分裂

5、为散射状的极小的雾状液珠而形成定向的高速雾状气流，将助焊剂涂抹在PCB的焊接面上。由于助焊剂中的溶剂通常由极易挥发的材料构成，在高速气流的作用下，助焊剂喷到工件上后溶液就自行挥发或一经喷出喷嘴就以液粒的形式很快挥发了。因此，落到工件表面上的助焊剂是很粘并接近于干态的助焊剂滴。b、直接喷雾涂覆系统结构直接喷雾涂覆系统通常由助焊剂存储罐、喷雾头、气流调节器等组成。具体结构示意图如下：c、直接喷雾涂覆系统的优缺点u 助焊剂槽采用完全密封式，不和空气接触，助焊剂完全不受污染，也不会造成二次污染；u 完全采用稀释剂；u 喷雾头可以实现扫描式涂覆方式，涂覆宽度可调；u 设计过程复杂、维护麻烦；u 喷射力强

6、，无法有效地控制漂浮分子，增加了助焊剂用量，需加防护外罩以免污染设备；u 均匀性差，附着率只有70%以下；u 体积庞大、噪音大；u 喷口孔小易堵塞；u 易污染机器，增加清洗费用；u 故障率高，维护费用高。直接喷雾原理图第4页 共19页无铅波峰焊资料2、旋筛喷雾a、旋筛喷雾特点旋筛喷雾国外也有称为旋转筛喷雾或旋网喷雾。这种方法主要是采用由不锈钢或其他耐助焊剂腐蚀材料制成旋转筛（网）的一部分浸入助焊剂容器中，在浸入部分的网眼中充满了助焊剂。旋转筛绕其轴旋转，而且旋转速度可变。喷气嘴位于旋转筛的轴上，并指向位于助焊剂容器上方的PCB。气流可以是连续气流，也可以是当PCB位于喷嘴上方时由位置传感器控制

7、开启、停的断续气流。筛的旋转速度和气压决定沉积于PCB上的助焊剂涂覆量，变更旋筛网孔的目数，可控制雾粒的大小。当PCB采取长插方式时，此法最适宜。元器件引线伸出PCB板面的高度可以达到5cm。而泡沫波峰涂覆方式，引线露出PCB板面的高度通常限制在15mm以下。b、旋筛式喷雾系统结构滚筒是用不锈钢丝网（25-50目）制成，随着通过液态助焊剂的旋转筛的不断旋转，每个网眼都粘满了助焊剂并被带到顶部。于由不锈钢圆筒顶部开槽处喷出的高速气流相遇，粘在旋转筛网里的助焊剂便被气流抛射并扩展到PCB下表面和元器件的连接区域。作用于钢丝筛网的压缩空气，可由一个调节的针状阀门预置，喷雾可随时启动。通过对喷雾压力的

8、正确调节，可确保装置正常工作。喷雾系统通常是工作在备用模式，只有当载体或PCB进入喷雾区域时，在计算机的控制下，喷雾才进入有效工作状态。喷雾区是固定的并由计算机进行测控。c、旋筛式喷雾的优缺点：u 可适用于任何品牌和类型的助焊剂；u 可装于现有的机器内，利于旧机型的改装；u 制造和使用成本低；u 维护方便；u 助焊剂槽采用开放式，直接与空气接触，助焊剂易受二次污染；u 涂覆的均匀性与质量和直接喷雾相当。悬筛式喷雾原理图3、超声波喷雾涂覆方式第5页 共19页无铅波峰焊资料超声喷雾涂覆方式的特点超声喷雾涂覆方式式利用超声能的空化作用，将液态助焊剂变成雾化状而涂覆到PCB的焊接面上的。根据雾化过程和

9、方式的不同，又大致可以分为：喷射超声雾化方式和超声雾化喷雾方式。 4、各种喷雾方式特性比较直接喷雾、旋筛喷雾、超声波喷雾等的主要特性对比如表1-1所示。各种喷雾涂覆方式特性比较3、 热箱系统1、预热系统作为波峰焊接设备系统中的一个工位，所起作用为：（1）促使助焊剂活性的充分发挥。助焊剂在起作用之前，需要把助焊剂中的酸性活化剂进行分解。然后，这些化学组分与基体金属表面氧化物相互作用，使氧化物从基体金属表面清除。因此，涂布好助焊剂的PCB需要加热到活化温度才能发生这种反应，例如松香基助焊剂该温度为104，并在此温度下停留足够的时间，以保证助焊剂能充分净化PCB的被焊表面。如果只依靠钎料波峰把助焊剂

10、加热到活化温度，那么就要按照助焊剂能够清理好金属表面所需要增加的时间，来延长PCB在波峰里停留的时间，这是极为不利的。（2）除去助焊剂中过多的挥发物改善焊接质量。PCB进入钎料波峰之前时，大多数助焊剂中那么钎料槽的热度就会使溶剂迅速汽化，这不仅将使钎料本身产生喷溅现象，而且这些蒸气被截留在填充钎料中而形成气孔。并且由于大量溶剂挥发所消耗的气化潜热，将使PCB焊接表面温度急剧下降，从而导致虚焊、桥连、拉尖等焊接不良的发生；（3）减少波峰焊接时的热冲击。预热可使PCB温度逐步均匀加热，从而使波峰焊接时的热冲击减至最小，缓和了热应力，使PCB的翘曲和变形最小，改善了PCB的机械平整度；（4）减小元器

11、件的热劣化。由于采取了预先预热，波峰焊接时热冲击可以降低到最小程度，从而使热敏元器件损坏的危险性减至最小；（5）提高生产效率。预热处理还因缩短了波峰焊接过程中把PCB加热到润湿温度所需要的时间，从而加速了波峰焊接过程，提高了生产效率。 2、本公司预热系统简述预热系统由热电偶、铸铝发热板、菲利浦石英铯灯、箱体、西门子PLC及西门子温控等组成，分为三段式预热，第一、二段为加热区，第三段为热补偿区。其中，第三段预热采用调压模块对其供电电压进行PID调节，以保证发热管的寿命和防止强光影响人第6页 共19页无铅波峰焊资料的视觉及良好热补偿作用。(预热运风系统为选项，它利用高温马达对铸铝发热板进行 运风，

12、形成微循环，使PCB板底面受热更加均匀) 。工作原理预热系统工作方式为PID自动调节，在设定温度控制下,箱体内由发热板进行加热，温度误差不超过设定值±5，配合以适当之运输速度,使电路板得到最佳之预热处理。在预热1与预热2区，配以声光报警，解决了温度超过设定值太多不得知而使温度升得太高引起印制电路板变形或者由于温度太低而使印制电路板不能很好的浸润。预热3在PCB进入锡炉之前防止温度跌落可以升高设置温度！（其中预热运风系统在第一、二、三区均采用高温马达将热气频频送到PCB板上，采用PID调节，使PCB的表面的温度上升更加均匀。）预热箱的构造预热箱采用抽屉式结构设计，只需将预热箱从预热系统

13、中拉出，即可维护预热箱内发热装置。发热体采用铸铝件，保证了维护方便，升温快、造型美观等特点。本预热系统由10块发热板组成,发热板采用星形接法,提高发热效果,节省电能.预热箱罩可方便地抬开并支撑起来,方便于预热箱检查及线路的检查和维护。预热箱的结构见下图:板全热风预热箱发热板风轮马达第7页 共19页无铅波峰焊资料红外陶瓷发热管预热箱 红外线陶瓷发热管4、PCB 传送系统作用：波峰焊接中PCB夹送机构的作用是使PCB能以某一较佳的倾角和速度进入和退出钎料波峰， 分类：目前普遍采用的传送装置的分类可分为：框架式夹送系统、链式夹送器、钢带式夹送器、爪式夹送系统、机器手夹持系统本公司采用的是爪式夹送系统

14、，具有生产效率高，上、下板操作方便，易清洁等优点。运输链爪示意图如下：特点：1. 速度准确、调节方便。采用松下调速马达和西门子PLC及上位机工业电脑组成的控制系统，运输速度以数显方式显示，电脑界面窗口化操作；2. 夹送系统倾角可在3°7°之间进行调节，可根据需要调节到最佳倾角；3. 具有传动链过载保护功能，在传动机械的电机端链轮上装有过载保护装置，若输送链受重载时，链轮会在扭矩限力器上打滑，输送链停止运行，保护了机器不被损坏。扭动螺母，压紧或放松碟形 弹簧，即可调节传递扭矩的大小。爪式夹系统板 铝型材导轨输送链轮链爪板链爪托盘第8页 共19页无铅波峰焊资料5、 湿角润湿现象

15、润湿是一种表面现象，当熔融的钎料在金属表面留下连续的持久的膜层时，这就说表面被润湿了。钎料能润湿金属表面是由于原子之间的吸引力。他们之间的反应也包括钎料合金与基体金属彼此之间的相互扩散。波峰焊接焊点形成的基本过程取决于钎料和基体金属结合面间的润湿作用，也正是基体金属被熔融钎料的物理润湿过程形成了结合界面。因此，在波峰焊接接头形成过程中，润湿机理具有特别的重要意义，因为它揭示了接头的原子结构和产生连接强度的原因。润湿程度与润湿角焊料与母材之间的润湿程度通常取决于两者之间的清洁程度，但对它很难进行量化分析，在焊接过程中，焊料与母材之间的润湿程度通常可以用焊料与母材之间的润湿角的大小来表示（见下图）

16、CC气相液相气相液相从图中可以看出，所谓的润湿角是指焊料和母材间的界面AC和焊料表面的切线AB之间的夹角，有时又称之为接触角。由图可知，图a所示的润湿性比图b要好，润湿与否在客观上取决于不同界面之间表面张力的互相作用。润湿时间根据大量工业运行中的数据统计，应用中为获得较好的波身焊接效果，通常一个焊点在钎料波峰中浸渍的时间应控制在24秒之间，超过他秒桥连和热冲击变大，易因过热面损害PCB板。如不足2秒，导致虚焊、拉尖等焊接缺陷增多。6、 压波深度压波深度通常也叫压锡深度，它是指PCB经过波峰时浸入波峰的深度，如附图所示，浸入深度过大，不仅波峰钎料会溢到PCB的上表面造成事故，而且还易产生桥连现象

17、。浸入深度太浅，以易发生局部漏焊现象，在工业应用中浸入的深度应与PCB板的厚度及类型相适应。单面板和柔性电路板应浸入板厚的三分之一，而孔金属化的板子则浸入板厚的三分之二，大于六层的多层板应浸入板厚的四分之三。页 第9页 共19无铅波峰焊资料7、 送倾角如下图分析可知，当夹送倾角较大时PCB板对钎料波峰的进入点（A）向前下方移，PCB板在钎料流体的高速流动开始受力并与波峰钎料接触，由于速度差的增大，在切入点的湍流和擦洗作用更加明显，这对进一步减小钎料薄层的大小，拉尖和桥连等均大有好处，因此把夹送装置倾斜4 9°，有助于钎料更快地剥离使之返回波峰。目前公认的比较佳的倾斜角范围为68

18、76; 。第10页 共19页无铅波峰焊资料8. 一次波峰、二次波峰的作用钎料双波峰设计的指导思想是：先以较窄且上冲力较大的扰流波，将液态钎料喷附在所要求钎接的焊盘和SMC/SMD的电极（或引脚）上，然后再以一个宽而平的层流波，将焊点上的钎料加以修整，以去除扰流波所留下的缺陷。一次波峰二、无铅化的背景1. 铅的毒害目前全球电子行业用钎料每年消耗的铅约为20 000 t。大约占世界铅年总产量的0.5%。铅和铅的化合物已被环境保护机构（EPA）列入前17种对人体和环境危害最大的化学物质之一。铅的毒性在于它是不可分解的金属，并且一旦被人体摄取会在人体中聚集而不能被排出，并且对人体产生严重有毒作用。铅与

19、人体内蛋白质会强烈结合而抑制人体正常的生理功能，造成神经和生理反应迟钝，改变感知和行为能力，减少血色素而造成贫血以及高血压。同时铅的废弃物污染土壤，渗入地下水，从而对生态构成威胁。在电子行业中，由于对电子组装产品的废弃物的主要处理措施是填埋于固体废弃物垃圾场。尽管目前还没科学的数据和研究来说明铅是如何从废弃电子产品进入地下水和动物及人体食物链的，但是已有的资料表明这个过程与C1和CO2的存在产生PbCO3并分解出PbO 有关。人们期待着要求工厂提高铅的回收率。但是，电子产品回收铅受到极大限制，除了技术经济上的原因外，还由于回收铅产生的粒子放射将远高于原始铅。而粒子放射会使软件出错，因此其再次使

20、用时会对集成电路的性能产生有害作用。 2, 国际无铅定义管道焊接用钎料及钎剂中铅含量低于0.2Wt%(美国)0.1wt/%(欧洲),国际标准组织提案:电子装联用钎料中铅含量应低于0.1wt/%第11页 共19页无铅波峰焊资料3, 无铅焊料发展的重要进程l 1991年和1993年，美国参议院提出“Reid Bill”，要求将电子钎料中铅含量控制在0.1%以下,遭到美国工业界强烈反对而夭折l 1991年起NEMI NCMS NIST DIT NPL PCIF ITRI JIEP等组织相继开展无铅钎料的专题研究，耗资超过2000万美元，目前仍在继续l 1998年，日本修订家用电子产品再生法，驱使企业

21、界开发无铅电子产品l 1998年10月，第一款批量生产的无铅电子产品问世界，Panasonic Minidisc Mj30l 2000年1月，NEMI向工业界推荐标准化无铅钎料，SN-3.9Ag-0.6cu用于再流焊，Sn-0.7Cu或3.5Ag用于波峰焊l 2000年6月，美国IPC Lead-Free Roadmap 第4版发表建议美国企业界于2001年推出无铅化电子产品，2004年实现全面无铅化l 2000年8月，日本JEITA Lead-Free Roadmap1.3版发表,建议日本企业界于2003年实现标准化无铅电子组装l 2002年1月,欧盟Lead-Free Roadmap 1.

22、0版发表,根据问卷调查结果向业界提供关于无铅化的重要统计数据l 2002年10月,欧洲议会与欧盟部长会议组织就WEEE草案达成初步协议,2006年7月截止,欧盟成员国市场上的消费类电子产品实现全面无铅化l 2003年2月13日,欧盟在其<官方公报>上公布<关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令>,正式批准WEEE和RHS 的官方指令生效,强制要求自2006年7月1日起,在欧洲市场上销售的电子产品必须为无铅的电子产品l 2003年3月信息产业部拟定<电子信息产品污染防治管理办法>,自2006年7月1日禁止电子产品中含Pb4、无铅焊料的种类目前己在应用的无

23、铅焊料大致上要分为下面四类：1、 Sn-Ag系2、 Sn-Zn系3、 Sn-Bi系4、 Sn-Cu系5、与普通焊料的对比1. Sn-Ag系Sn-Ag系焊料的优点为：(1)耐疲劳性明显优于Sn-Ps共晶焊料: (2)抗拉伸强度也优于Sn-Pb共晶焊料(3)儒变特性，谱形速度慢、至断时间长：(4)延展性有所下降，但不存在长期劣化问题:第12页 共19页无铅波峰焊资料存在的主要问题是熔点偏高。如95.3Sn/3.5Ag/Zn合金的熔点是217219; 如93.6Sn/4.7Ag/1.7Cu合金的熔点是217;比Sn-Pb共晶焊料高约30。2. Sn-Zn系Sn-Zn系的优点为：(1)熔点接近Sn-P

24、b共晶焊料的熔点，如86.9Sn/8Zn/5In/0.1Ag合金的熔点185199：82Sn/8Zn/10Bi合金的熔点186188: (2)其延展性大体与Sn-Pb共晶相同：(2)抗拉伸和耐疲劳性优于Sn-Pb共晶焊料:(4)成本低，毒性小。存在的主要问题是焊料的润湿性、保存稳定性稍差。3. Sn-Bi系Sn-Bi系焊料的优点：(1) 抗拉伸和耐疲劳性优于Sn-Pb共晶焊料：(2)配制成锡膏后，具有良了的润湿性和保存稳定性：主要问题：熔点偏高: 94Sn/5Bi/1Ag合金的熔点是197205; 90Sn/7.5Bi/2Ag/0.5Cu合金的熔点是187221、延展性下降、合金变脆、加工性差

25、、Bi金属资源有限、润湿性受杂质影响很大。所以目前从一定程度上限制了其使用。4. Sn-Cu系Sn-Cu系焊料以其良好的抗拉强度、抗疲劳性和塑性，现为满足批量生的首选无铅焊料。其最佳的化学成分是95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu和99.3Sn/0.7Cu,与63Sn/37Pb相比有以下特点:优点：有更高的抗拉强度, 更好的疲劳特性, 更好的塑性缺点：1.抗氧化性能较差;2.润湿性不足;3无铅焊料的熔点较高;4.凝固过程所经历的糊状区间宽，实现由液态到固定态的转化时间长;三、无铅焊接对波峰焊机提出的要求：1、 对环保要求：为了减少对环境的污染，有铅焊料必须用无铅焊料代替，波峰焊接机也相应必须能适应焊接性比有铅焊料差的无铅焊料，2、 材料的耐腐蚀要求因无铅锡对普通不锈钢材料有较强的腐蚀性，所以必须选用耐腐蚀的材料制做无铅焊料的锡槽，金属材料及软钎焊研究博士后Jim Morris提供技术指导，美籍华人，附参考文献，参考国际上主流机型:德国ERSA ，日本千住。3、 温度曲线的要求以SONY铅焊接的工艺要求为例,对比说明与有铅的区别第13页 共19页东野吉田无铅波峰焊资料双波峰温度曲线4、 能克服无铅锡的剥离、润湿性差的不良焊接性的缺陷5、 能应用充氮制程6、 全数字化管理第14页 共19页无铅波峰焊资料四公司的解决方案1、 用钛材料制做锡炉，附钛材