波峰焊技术讲座

1、波峰焊技术波峰焊技术 1. 1.系统组成系统组成 焊接系统按设备进行分类，可分为：浸焊、波峰焊、回流焊、激光焊接、选择性焊接。 我司所采用的焊接设备为波峰焊和回流焊，本次讲述的为波峰焊接系统。 波峰焊系统组成（以一次性焊接系统为例）：一一 、波峰焊系统简介、波峰焊系统简介夹送系统热风刀风刀钎料补给系统波峰高度控制机板助焊剂涂覆系统电气控制系统助焊剂流量、密度控制系统冷却系统波峰钎料发生器预热系统第二波峰第一波峰波峰焊技术波峰焊技术 二二 焊接系统部件基本功能焊接系统部件基本功能 1.夹送系统： PCB的载体，以一定的速度和倾角经过波峰焊的各工艺区。常见的结构有托架式和爪式两种。我司使用的为爪式

2、。 2.助焊剂涂覆系统： 在PUB上均匀涂覆助焊剂，常见的方式有：喷露式，发泡式，波峰式，发射式，刷涂式等。我司所采用的为喷露式。 3.预热系统： 目的是避免PUB急剧受热，挥发助焊剂中的有机溶剂，激活助焊剂中的活性物质。常见的波峰焊预热方式有强制热风对流、电热板对流、电热棒加热及红外加热等剂. 4 钎料发生器： 是波峰焊系统的核心，它按工艺要求提供特定的钎料波形完成焊接过程。 5 电气控制系统： 对系统各部件的工作进行协调和管理，是整个系统的中枢。 6.风刀：均匀助焊剂在基板的涂覆，清除助焊剂的堆积。 7.热风刀：对波峰后的焊点进行整形，消除连锡缺陷。 波峰焊技术波峰焊技术1、 冶金连接冶金

3、连接常见的几种治金连接方式：a.软钎焊：利用熔点温度小于315度的填充金属和基体金属的润湿和扩散作用而达到连接b.硬钎焊：利用熔点温度高于425度的填充金属，靠润湿和扩散作用而获得连接强度的连接方法c.焊接：靠基体金属的扩散作用，采用或不采用填充金属而形成接头的的连接方法波峰焊波峰焊是属于软钎接技术，用软钎焊料实现元器件焊端或引脚与PCB焊盘之间机械与电气连接。 二二 、波峰焊基本理论、波峰焊基本理论波峰焊技术波峰焊技术2 润湿机理润湿机理 润湿是熔融焊料在被焊母材表面充分扩展而形成的一个附着层。 助 焊 剂 液 体液 态 钎 料基 体 金 属润湿过程动力平衡示意图润湿过程动力平衡示意图F1:

4、基体金属和助焊剂之间的界面张力，即液态金属在基体金属的润湿力。F2:液态钎料和基体金属之间的界面张力。F3:液态钎料和助焊剂之间的界面张力。 波峰焊技术波峰焊技术2 润湿机理润湿机理 向量等式： F1=F2+F3cosA 附着功W: W=F1+F3-F2 则：W=F2+F3COSA+F3-F2 W=F3(1+COSA) 当F1大于F2和F3水平方向的合力时，焊锡才存在漫流的润湿作用。 从附着功的公式可得出： 接触角A的越小，则附着功越大，说明钎料的润湿性越好。 波峰焊技术波峰焊技术2 润湿机理润湿机理 润湿角润湿角：钎料液相表面和基体金属固相表面所形成的角度.即焊点边缘切线与焊盘之间的夹角 A

5、 = 1 8 0A = 01 8 0 A 0A=180： 完全不润湿A=0: 完全润湿180A90: 部份润湿ENP对焊点润湿角的要求是：对焊点润湿角的要求是：A=90 波峰焊技术波峰焊技术3 扩散反应扩散反应 扩散是指在热动力下，原子从一个晶格点阵移动到另一个晶格点阵的现象。焊接时，伴随着润湿现象，还会出现焊料向母材基体扩散的现象。 波峰焊接时发生的扩散是一种选择性扩散，在扩散反应时，铅不发生扩散。 扩散反应的结果是生成合金层IMC（金属间化合物）. 图示：图示： 波峰焊技术波峰焊技术3 扩散反应扩散反应 IMC是扩散反应的结果，它实现了焊点和焊盘，或焊点和元器件焊端金属之间的电气和机械连接

6、。 没有IMC就没有良好的焊点连接，IMC是可靠连接的保证。焊盘材料一般是铜（Cu），焊接时Cu与锡膏中锡（Sn）作用，Cu 向Sn中扩散，Sn 向Cu中扩散，形成金属间化合物Sn6Sn5，Cu3Sn等（一般为Cu6Sn5）。 如果高温时间过长，Cu会持续向焊点中扩散。在焊点中形成化合物，而Cu6Sn5和Cu3Sn都是脆性材料，高温时间长则IMC厚，焊点的脆性大，可靠性降低。IMC的成长与温度有关，与焊接温度有关，与板的使用环境温度有关，如果使用温度过高，60，90，则IMC仍会增长。 IMC厚度以1.33.5较合适。 波峰焊技术波峰焊技术3 助焊剂助焊剂 助焊剂的助焊剂的作用作用：去除待焊接

7、PCB焊盘、通孔及器件引脚上的氧化物及污染物（其实是一种还原剂。 助焊剂在待焊金属表面形成一层薄膜，使其与空气隔绝，在加热过程中防止氧化。 降低焊料的表面张力(张力：是使液面表面趋向最小的作用力） ，增强焊料与待焊金属润湿性减少绿油与焊料之间的表面张力(减少锡珠产生)。 助焊剂的分类：助焊剂的分类： 树脂型：低活性(R)类、中等活性(RMA)类、全活性(RA)类。水溶性：有机酸及盐类、无机酸及盐类、有机胺及盐类。免清洗：有机溶剂类、无挥发性有机化合物(VOC-free)类。 与树脂型助焊剂和水溶性助焊剂相比，免清洗助焊剂的要求更高：它必须不影响可焊性的前提下焊后残留物要极少，无腐蚀性、无粘性，

8、且要求具有较高绝缘电阻值和很低的离子残留量。免清洗助焊剂在焊后保证只留下微量残留物，焊剂必须采用低固含量体系。 ENP项目所使用的INTERFLUXINTERFLUX 2005M2005M为有机溶剂类的免清洗助焊剂。波峰焊技术波峰焊技术母材、焊材、助焊剂之间的关系母材、焊材、助焊剂之间的关系助焊剂焊材母材去除氧化膜、界面张力去除氧化膜、界面张力金属置换金属置换焊料的氧化焊料的氧化界面张力，粘度界面张力，粘度润湿，扩散，形成合金层润湿，扩散，形成合金层母材溶蚀母材溶蚀波峰焊技术波峰焊技术4 预热预热 预热的预热的作用作用：活化助焊剂。有些助焊剂如松香型助焊剂，必须加热到一定温度才会起作用。也有一

9、些助焊剂只要与基材金属接触就开始作用，但他们只有在一定预热温度下作用才会完全挥发。 提升PCB、器件的温度，减少焊接组件进入波峰时产生的热冲击。 蒸发掉待焊组件所吸潮气及助焊剂中的溶剂。 预热并非要将助焊剂中溶剂完全蒸发掉，因为若经过预热后助焊剂中的溶剂就完全蒸发掉，助焊剂就丧失了流动作用，也就无法实现助焊剂的功能了。(4) 提高了组件焊接速度，没有预热区，焊接组件难以在波峰接触短时间内达到焊接温度。 波峰焊技术波峰焊技术5 波峰波峰 波峰的波峰的作用作用： (1).实现热传导以提高待焊部位达到润湿温度。 (2) 提供熔融焊料形成润湿及焊料填充。 波峰焊技术波峰焊技术波峰过程分析波峰过程分析

10、按照波峰焊接过程可分为三个阶段：进波峰、热传导与焊料填充、出波峰进波峰、热传导与焊料填充、出波峰。进波峰进波峰 进波峰阶段主要作用是通过波峰与PCB板的冲刷运动使板上大多数助焊剂待焊表面的保护层、氧化层等被清除，同时是待焊金属与焊料润湿的开始。b.热传导与焊料填充热传导与焊料填充 这个阶段中，热传导是保证焊料填充的前提，要得到好的焊料填充效果及高可靠性的焊点，在整个焊接曲线的设置上就必须综合考虑。c.出波峰出波峰 出波峰阶段直接影响焊点的最终形成，焊点完全脱离锡面，锡点在表面张力的作用下急剧收缩，焊锡完成浸润，温度急剧下降，同时形成焊点形状。理论上，最佳脱离点是波峰焊接过程中对焊点的所有作用力

11、为零的位置(相当于波峰面和焊点相对速度为零的位置)。如果焊点和锡面分离速度太快，或者环境温度太低，PCB设计不良或元件热容量太大时，焊点温度下降太快，容易产生拉尖和连锡缺陷，因此在焊接设备参数控制时，应尽量延长焊点脱离时间，提高环境温度，对减少缺陷有相当大的作用。 波峰焊技术波峰焊技术一波峰焊接过程图示波峰焊接过程图示 ： 波峰焊技术波峰焊技术剖析PCB板在钎料波峰中的波峰焊接过程可以划分为三个作用区(以下简称波区)如图1-7所示：(1) 图中A点是进入波峰的点，因PCB与钎料运动方向相反，所以该点的速度差最大。因此，在该点处湍流的冲洗作用最大，这有利于从基体金属表面除掉预热后的助焊剂锈膜残渣

12、混合物，以使融熔钎料与基体金属直接接触。当达到润湿温度时，立即产生润湿现象。(2) 图中的A-B段是热交换区，印制板通过钎料波区时在波峰中的时间必须足够长，以使在润湿温度下的表面能量能够把溶化的钎料吸附到印制板的表面上，从而形成填充良好的焊缝，另外在接合界面上形成所需要的合金层也需要时间。(3) 图中B点是从钎料波峰中退出的点，在该点上，以润湿形式表现出来的表面能量，将使钎料保留在焊缝中，而重力(或钎料的质量)将势必把钎料向下拉，这些作用力之间的平衡点必须选择在位于钎料波峰速度零点附近脱离。波峰焊接过程分析波峰焊接过程分析 ： 波峰焊技术波峰焊技术波峰焊波峰焊PROFILE: 波峰焊技术波峰焊

13、技术阴影效应阴影效应: 成因1：SMD元件本身的挡流 1-22由于SMC/SMD本身高度差别的原因，在波峰焊接中阻挡了迎面而来的液态钎料流，由于表面张力的影响，液态钎料绕流性质差，因而在元器件的背面形成了液态钎料无法浸润到的挡流区，造成位于挡流区内的焊点漏焊。波峰焊技术波峰焊技术阴影效应阴影效应: 成因2：高元器件对矮元器件形成挡流： 由于错误的安装设计，造成了如图所示的高元器件对矮元器件的挡流而形成阴影效应，使得位于阻挡区内的元器件漏焊。波峰焊技术波峰焊技术遮蔽效应遮蔽效应: 成因：由于SMD贴装在PCB表面上后，在PCB表面和SMC、SMD之间将形成大的窄缝(特别是高密度安装时更为显著)，

14、在波峰焊接过程中，当PCB基板浸入钎料波峰焊后，残存在窄缝中的气体受热后膨胀以及助焊剂溶剂挥发等原因，将产大量的气体而形成气泡。由于SMT所用的PCB，通常过孔很少，所以依附在PCB表和液态钎料之间的气泡，因找不到排放通道，便在PCB与液态钎料界面上游离。游离并吸附在需要钎接的部位上时，便在此位置上形成局部气体高压区，阻拦液态钎料的浸润而形成漏焊，如图所示。1-24波峰焊技术波峰焊技术1.1. PCB PCB图形设计的正确性对波峰焊接效果的影响图形设计的正确性对波峰焊接效果的影响 PCB图形设计的好坏，是造成波峰焊接中拉尖、桥连、堆锡、透锡不良、焊点吃锡不均匀、少锡、空洞、针孔等缺陷的主要因素

15、因此，为了确保波峰焊接效果，必须对PCB图形设计施加某些必要的限制，这是极为重要的，我们往往简单地把出现的各种焊接缺陷都归罪于波峰焊接设备本身，却忽略了问题的本质。 三、三、PCB图形设计的影响分析图形设计的影响分析波峰焊技术波峰焊技术2.2. PCB PCB布线取向布线取向 良好的PCB布线几乎可以完全消除桥连现象。在普通PCB上，即使非常小的间隙也可以很安全地进行波峰焊接，只要PCB布线设计是遵循“x-y坐标布线法”的，而焊接又是沿导线方向进行的，保证不出现桥连的最小导线间隙可达到0.2mm 对双面或多面PUB，“x-y坐标布线法”最适用。 1-1波峰焊技术波峰焊技术3. IC3. IC插

16、座焊盘的排列走向对波峰焊接的影响插座焊盘的排列走向对波峰焊接的影响 单列直插和双列直插及小型开关的引出线焊盘的排列如按下图设计，这样引线焊盘之间顺焊接方向有较大的间隙，因而可明显地减少桥连的可能。波峰焊技术波峰焊技术4. 4. 直线密集型焊盘图形设计直线密集型焊盘图形设计 直线密集型焊盘就是指的IC所用的焊盘，对此类焊盘提倡开圆孔并作圆盘形焊盘，不宜作长方形或长圆形，理由是圆与圆是点相邻，而长方形、长圆形是线相邻，据有关资料介绍，焊盘之间的桥连率(在相同的排列方向和焊接方向下)后者是前者的3.8倍。 波峰焊技术波峰焊技术5.5.单面板的留孔焊盘单面板的留孔焊盘 波峰焊时，要求露出孔的焊盘称留孔

17、焊盘，以供焊后补装元器件用。这可在焊盘圆环上开一个0.50.6MM宽的槽即可。 波峰焊技术波峰焊技术6.SMD6.SMD焊盘和导线的连接焊盘和导线的连接 为保证在波峰焊接中能获得良好的焊点外形和焊盘热量的均衡，在PCB设计时应遵循如下图形设计规则。 波峰焊技术波峰焊技术7.7.普通普通SMDSMD焊盘排列焊盘排列 图中位于左边的SMD引出电极方向，是顺着钎料流动方向排列的，钎料流经焊盘区时未受阻挡，液态钎料液体回流畅通，因而不易产生桥连。但位于右边的元器件引出电极取向是横着钎料流动方向的，液体流道不畅，受阻变向，液体回流不好。“阻影效应”和“遮蔽效应”明显，因而易产生桥连、漏焊等缺陷。 波峰焊

18、技术波峰焊技术8. 8. SOICSOIC焊盘排列及导流焊盘设置焊盘排列及导流焊盘设置 双列封装(SOIC)的焊盘排列走向，应让SMD引脚的排列方向，顺着波峰中钎料流动的方向，此时液态钎料液体大部份都能顺着焊盘区，不受任何阻碍地回流到钎料槽，因而大大地减少了产生桥连的可能。波峰焊技术波峰焊技术9. 9. QFPQFP焊盘的排列方向焊盘的排列方向 双四边封装器件(QFP)焊盘的排列方向，应与PCB的夹送方向成450排列，以改善液态钎料液体的回流，避免桥连 。波峰焊技术波峰焊技术10.10.导流焊盘（偷锡焊盘）导流焊盘（偷锡焊盘） 虽然遵循了焊盘排列走向的规则，大大地减少了产生桥连的可能，但不可能

19、完全避免桥连现象，并且几乎都是集中在与钎料流体相剥离的最后的几个焊盘上。 这是因为钎料流体流经焊盘区时，由于相邻焊盘间对流动着的钎料，所表现出的亲和力是前后相互平衡的，液体因未受到任何额外的外力作用，所以液体的液态(速度和方向)都不会发生任何变化，然而流到最后几个焊盘时情况就发生了明显变化，紧接最末一个焊盘的后面，是一大片与钎料毫无亲和性的非金属材料(基板)表面，力的平衡状态受到破坏，由最后几个相邻焊盘所共同形成的对液态钎料的吸力(吸着力)，将改变附面层内液体的液态，甚至形成回流而导致多余(超过正常润湿所需要的)钎料的堆积，从而造成最后几个焊盘出现桥连。 为了解决这个问题，就需要设置导流焊盘，

20、使焊盘区延伸到工艺导流盘区上，使短路发生在最末焊盘与导流焊盘间，因为导流焊盘是独立的，短路不会影响电性。 前面所述的SOIC和QFP都在图中有标示导流焊盘。波峰焊技术波峰焊技术11.11.偷锡焊盘的设置偷锡焊盘的设置过波峰方向过波峰方向过波峰方向过波峰方向偷锡焊盘偷锡焊盘 solder thief1.27mm1.27mmd2dd/2ENPENP对对SOICSOIC的偷锡焊盘设置规则的偷锡焊盘设置规则波峰焊技术波峰焊技术12.12.热焊盘热焊盘 焊盘设计时应考虑和分析PCB装配件的热容量和该热容量对于每个具体焊点的影响，因为在波峰焊接过程中，把钎接区加热到润湿温度是钎料过程中的极重要的一环，所以

21、应当避免与焊点临近区域的大量吸热，因此，PCB装配件应合理布置，以尽可能使在同一块PCB板面上的每一个钎接区，在波峰焊接中所吸收的热量相等或者近似相等，以避免在波峰焊接过程中，热容量小的区域，因热量供给过剩而造成过热，而热容量大的区域又因热量供给不足，造成温度偏低，焊点不能正常浸润。如当元件管脚和大面积铜箔相连时，由于大面积铜箔的吸热会导致该管脚无法吸收到足够的热量而导致透锡不良。解决的方法是加热焊盘。考虑到线损，考虑到线损，ENPENP的设计规范的设计规范要求对电流大于要求对电流大于5A5A的焊点不的焊点不能设计热焊盘能设计热焊盘焊盘与铜 箔之间用十字或米字相连波峰焊技术波峰焊技术13.13

22、.引脚直径与焊盘孔径的匹配引脚直径与焊盘孔径的匹配 由于波峰焊接时钎料必须利用毛细管作用上升到PCB上表面而形成金属的连续性，因此保持孔和引线间适当的间隙是极为重要。引线直径与孔径间的间隙大小直接影响孔穴的发生率和焊点的透锡度，并且还将影响焊点机电性能。ENPENP对引线直径与通孔直径的要求对引线直径与通孔直径的要求：器件引脚直径（D） PCB焊盘孔径/插针通孔回流焊焊盘孔径D1.0mmD0.3mm/+0.15mm1.0mmD2.0mmD0.4mm/+0.2mmD2.0mmD0.5mm/+0.2mm波峰焊技术波峰焊技术14.SMD14.SMD元件布局优劣对比元件布局优劣对比波峰焊技术波峰焊技术

23、四、波峰焊接缺陷成因及机理分析四、波峰焊接缺陷成因及机理分析1.1.术语术语： 虚焊虚焊:是指在被焊基体和焊料之间没有形成适量的金属间化合物(IMC),一般虚焊焊点的焊接界面是CUO等氧化物. 少锡少锡: :,少锡是指所形成的焊点焊料过少,无法保证焊接的机械强度。少锡和虚焊是两个概念，注意区分. 空洞空洞:焊点贯穿通孔 针孔针孔( (爆孔爆孔):):焊点表面气孔,为非贯穿孔,注意针孔不同于空洞。一般是由于被焊器件的热容量较大,当焊接结束后，焊点的外层开始凝固收缩，但内部的气泡仍在膨胀，当压力达到一定值后产生爆裂,形成爆孔. 拉尖拉尖: :在引线末端形成的锡尖. 连锡连锡: :相邻焊点或导线之间

24、形成焊锡短路. 波峰焊技术波峰焊技术2.2.波峰焊接缺陷成因及机理分析波峰焊接缺陷成因及机理分析表一：表一： 缺陷名称 机理分析引脚上的焊锡来不及分离，造成连锡。波峰焊接的焊盘间距，一般应为0.8MM以上，否则可能造成连锡。散热快，焊锡快速冷却凝固。锡渣等赃物会降低焊锡的表面张力，影响焊锡的脱离。管脚的氧化层没有完全去除，润湿性差。助焊剂没有到达焊接区既已经挥发完毕，管脚没有受助焊剂保护，受高温氧化。助焊剂活性差，管脚的氧化物没有被充分去除，焊锡的表面能大而连锡。 形成原因过板速度块PCB焊盘间距设计近管脚附近有大铜皮等散热部分预热温度过低锡炉内的锡渣太多没有给多引脚器件设计导流焊盘助焊剂量小

25、预热温度过高连锡（桥连）波峰焊技术波峰焊技术表二：表二：缺陷名称 机理分析。毛细吸附作用不强，影响透锡。物料超存储器或者表面氧化。焊锡毛细效果不充分。引脚不能充分去除氧化层，毛细效果受影响。孔-线径配合严重失调插件孔偏移焊盘中心 形成原因焊盘不完整孔或引线氧化，有毛刺锡面水位太低元件孔大，引脚细助焊剂量小元件孔小，引脚粗元件可焊性差链速太快器件的热容量大或焊盘与大面积铜皮相连，散热过快空洞元件面上锡不良波峰焊技术波峰焊技术锡炉温度偏低焊锡活性不够，分离不充分。送板速度太快焊锡来不及及时脱离。传送带角度偏低焊锡的分离角度小，分离不彻底锡炉温度偏低 焊锡活性差，无法完全脱离。PCB板上有大铜皮和大热容量器件等散热快的结构过板速度太快焊锡来不及完全分离链速与后回流速度的匹配关系，没有在相对0点的速度分离助焊剂活性差助焊剂量少在焊点