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SMT實用工藝基礎-波峰焊接工藝

作者：博維科技 時間：2018-07-26 13:36
第三章 波峰焊接工藝
 
波峰焊接（波峰焊）主要用于傳統通孔插裝印制電路板電裝工藝，以及表面組裝與通孔插裝元器件的混裝工藝。適用于波峰焊工藝的表面組裝元器件有矩形和圓柱形片式元件、SOT以及較小的SOP等器件。
1. 1波峰焊原理
用于表面組裝元器件的波峰焊設備一般都是雙波峰或電磁泵波峰焊機。
下面以雙波峰焊機的工藝流程為例，來說明波峰焊原理（見圖3-1）
 
 
圖3-1   雙波峰焊接過程示意圖
波峰焊原理用于表面組裝元器件的波峰焊設備一般都是雙波峰或電磁泵波峰焊機。
    下面以雙波峰焊機的工藝流程為例，來說明波峰焊原理(見圖3-1)。
    當完成點(或印刷)膠、貼裝、膠固化、插裝通孔元器件的印制板從波峰焊機的入口端隨傳送帶向前運行，通過焊劑發泡(或噴霧)槽時，印制板下表面的焊盤、所有元器件端頭和引腳表面被均勻地涂覆上一層薄薄的焊劑。 隨著傳送帶運行，印制板進入預熱區，焊劑中的
溶劑被揮發掉，焊劑中松香和活性劑開始分解和活性化，印制板焊盤、元器件端頭和引腳表面的氧化膜以及其它污染物被清除；同時，印制板和元器件得到充分預熱。
    印制板繼續向前運行，印制板的底面首先通過第一個熔融的焊料波。第一個焊料波是亂波(振動波或紊流波)，將焊料打到印制板的底面所有的焊盤、元器件焊端和引腳上；熔融的焊料在經過焊劑凈化的金屬表面上進行浸潤和擴散。之后，印制板的底面通過第二個熔融的焊料波，第二個焊料波是平滑波，平滑波將引腳及焊端之間的連橋分開，并去除拉尖(冰柱)等焊接缺陷(圖3-2是雙波峰焊錫波)
 
 

    當印制板繼續向前運行離開第二個焊料波后，自然降溫冷卻形成焊點，即完成焊接。
3．2波峰焊工藝對元器件和印制板的基本要求
 一、對表面組裝元件要求
    表面組裝元器件的金屬電極應選擇三層端頭結構，元器件體和焊端能經受兩次以上260 ℃波峰焊的溫度沖擊，焊接后元器件體不損壞或變形，片式元件金屬端頭無剝落(脫帽)現象。
 二、對插裝元件要求
    如采用短插一次焊工藝，插裝元件必需預先成形，要求元件引腳露出印制板表面0.8-3mm。
 三、對印制電路板要求
    基板應能經受260℃／50s的熱沖擊，銅箔抗剝強度好；阻焊膜在高溫下仍有足夠的粘附力，焊接后不起皺；一般采用RF4環氧玻璃纖維布印制電路板。
 四、印制電路板翹曲度小于0.8-1.0％。
 五、對PCB設計要求    
    對于貼裝元器件采用波峰焊工藝的印制電路板必須按照貼裝元器件的特點進行設計，元器件布局和排布方向應遵循較小的元件在前和盡量避免互相遮擋的原則。
3.3波峰焊工藝材料
    一、焊料
    目前一般采用Sn63／Pb37棒狀共晶焊料，熔點183℃。
    使用過程中,Sn和Pb的含量分別保持在±l％以內；Sn的最小含量為61.5％：焊料中主要雜質的最大含量控制在以下范圍內：
    Cu<0.08％；A1<0.005％；Fe<0.02％；Bi<0.1％；Zn<0.002％；Sb<0.02％；As<0.05％。根據設備的使用情況定期(三個月至半年)檢測焊料的主要雜質以及Sn和Pb的含量，不符合要求時更換焊錫或采取其它措施，例如當Sn含量少于標準要求時，可摻加一些純Sn。
二.焊劑和焊劑的選擇
    預熱的作用
  1.焊劑的作用
    (1)焊劑中的松香樹脂和活性劑在一定溫度下產生活性化反應，能去除焊接金屬表面氧化膜，同時松香樹旨又能保護金屬表面在高溫下不再氧化。
    (2)焊劑能降低熔融焊料的表面張力，有利于焊料的潤濕和擴散。     
  2.焊劑的特性要求
    (1)熔點比焊料低，擴展率>85％。
    ( 2)粘度和比重比熔融焊料小，容易被置換，不產生毒氣。焊劑的比重可以用溶劑來稀釋，一般控制在0.82-0.84。
    (3)免清洗型焊劑的比重<0.8，要求固體含量<2.0wt％，不含鹵化物，焊后殘留物少，不產生腐蝕作用，絕緣性能好，絕緣電阻>1x1011 Ω。
    (4)水清洗、半水清洗和溶劑清洗型焊劑要求焊后易清洗。
    (5)常溫下儲存穩定。
  3.焊劑的選擇
  按照清洗要求，焊劑分為免清洗、水清洗、半水清洗和溶劑清洗四種類型。按照松香的活性分類，可分為R(非活性)、RMA(中等活性)、RA(全活性)三種類型，要根據產品對清潔度和電性能的具體要求進行選擇。
 一般情況下軍用及生命保障類產品，如衛星、飛機儀表、潛艇通信、醫療裝置和微弱信號測試儀器等電子產品必須采用清洗型的焊劑。其他如通信類、工業設備類、辦公設備類及計算機等類型的電子產品可采用免清洗或清洗型的焊劑。一般家用電器類電子產品均可采用免清洗型焊劑或采用RMA(中等活性)松香型焊劑，可不清洗。
三、稀釋劑
   當焊劑的比重超過要求值時，可使用稀釋劑進行稀釋；不同型號的焊劑應采用相應的稀釋劑。
四、防氧化劑
   防氧化劑是為減少焊接時焊料在高溫下氧化而加大的輔料，起節約焊料和提高焊接質量作用，目前主要采用油類與還原劑組成的防氧化劑。要求防氧化劑還原能力強、在焊接溫度下不碳化。
五、錫渣減除劑
   錫渣減除劑能使熔融的焊錫與錫渣分離，從而起到節省焊料的作用。  
六、阻焊劑或耐高溫阻焊膠帶
   用于防止波峰焊時后附元件的插孔被焊料堵塞等。
 3.4波峰焊工藝流程
   焊接前準備 →開波峰焊機→設置焊接參數→首件焊接并檢驗→連續焊接生產→送修板檢驗。
 3.5波峰焊的主要工藝參數及對工藝參數的調整
 一、焊劑涂覆量
   要求在印制板底面有薄薄的一層焊劑，要均勻，不能太厚，對于免清洗工藝特別要注意不能過量。焊劑涂覆量要根據波峰焊機的焊劑涂覆系統，以及采用的焊劑類型進行設置。焊劑涂覆方法主要有涂刷與發泡和定量噴射兩種方式。
    采用涂刷與發泡方式時，必須控制焊劑的比重。焊劑的比重一般控制在0.82-0.84之間(液態松香焊劑原液的比重)。焊接過程中隨著時間的延長，焊劑中的溶劑會逐漸揮發，使焊劑的比重增大；其粘度隨之增大，流動性也隨之變差，影響焊劑潤濕金屬表面，妨礙熔融的焊料在金屬表面上的潤濕，引起焊接缺陷。因此，采用傳統涂刷及發泡方式時應定時測量焊劑的比重，如發現比重增大，應及時用稀釋劑調整到正常范圍內；但是，稀釋劑不能加入過多，比重偏低會使焊劑的作用下降，對焊接質量也會造成不良影響。另外，還要注意不斷補充焊劑槽中的焊劑量，不能低于最低極限位置。
     采用定量噴射方式時，焊劑是密閉在容器內的，不會揮發、不會吸收空氣中水分、不會被污染，因此焊劑成分能保持不變。關鍵要求噴頭能夠控制噴霧量，應經常清理噴頭，噴射孔不能堵塞。
二、預熱溫度和時間
   預熱的作用：
   1.將焊劑中的溶劑揮發掉，這樣可以減少焊接時產生氣體。
   2.焊劑中松香和活性劑開始分解和活化，可以去除印制板焊盤、元器件端頭和引腳表面的氧化膜及其它污染物，同時起到防止金屬表面在高溫下發生再氧化的作用。
3.使印制板和元器件充分預熱，避免焊接時急劇升溫產生熱應力損壞印制板和元器件。
    印制板預熱溫度和時間要根據印制板的大小、厚度、元器件的大小和多少，以及貼裝元器件的多少來確定。預熱溫度在90—130℃(PCB表面溫度)，多層板及有較多貼裝元器件時預熱溫度取上限。預熱時間由傳送帶速度來控制。如預熱溫度偏低或和預熱時間過短，焊劑中的溶劑揮發不充分，焊接時產生氣體引 起氣孔、錫珠等焊接缺陷；如預熱溫度偏高或預熱時 間過長，焊劑被提前分解，使焊劑失去活性，同樣會引起毛刺、橋接等焊接缺陷。因此，要恰當控制頂熱溫度和時間，最佳的預熱溫度是在波峰焊前涂覆在PCB底面的焊劑帶有粘性(見表3-1)。
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        三、焊接溫度和時間
    焊接過程是焊接金屬表面、熔融焊料和空氣等之間相互作用的復雜過程，必須控制好焊接溫度和時間。如焊接溫度偏低，液體焊料的粘度大，不能很好地在金屬表面潤濕和擴散，容易產生拉尖和橋連、焊點表面粗糙等缺陷。如焊接溫度過高，容易損壞元器件，還會由于焊劑被炭化失去活性、焊點氧化速度加快，產生焊點發烏、焊點不飽滿等問題。
    波峰溫度一般為250 ±5℃(必須測量打上來的實際波峰溫度)。由于熱量是溫度和時間的函數，在一定溫度下焊點和元件受熱的熱量隨時間的增加而增加。波峰焊的焊接時間通過調整傳送帶的速度來控制，傳送帶的速度要根據不同型號波峰焊機的長度、預熱溫度、焊接溫度等因素統籌考慮進行調整。以每個焊點，接觸波峰的時間來表示焊接時間，—般焊接時間為3-4秒鐘。
 四、印制板爬坡角度和波峰高度
    印制板爬坡角度為3—7℃。是通過調整波峰焊機傳 輸裝置的傾斜角度來實現的。
適當的爬坡角度有利于排除殘留在焊點和元件周 圍由焊劑產生的氣體，當THC與SMD混裝時，由于通孔比較少，應適當加大印制板爬坡角度。通過調節傾斜角度還可以調整PCB與波峰的接觸時間，傾斜角度越大，每個焊點接觸波峰的時間越短，焊接時間就短；傾斜角度越小，每個焊點接觸波峰的時間越長，焊接時間就長。適當加大印制板爬坡角度還有利于焊點與焊料波的剝離。當焊點離開波峰時，如果焊點與焊料波的剝離速度太慢，容易造成橋接。適當的波峰高度使焊料波對焊點增加壓力和流速有利于焊料潤濕金屬表面、流入小孔，波峰高度一般控制在印制板厚度的2/3處。
 
 
五、工藝參數的綜合調整
    工藝參數的綜合調整對提高波峰焊質量是非常重要的。
    焊接溫度和時間是形成良好焊點的首要條件。焊接溫度和時間與預熱溫度、焊料波的溫度、傾斜角度、傳輸速度都有關系。綜合調整工藝參數時首先要保證焊接溫度和時間。雙波峰焊的第一個波峰一般在235~240℃／1s左右，第二個波峰—般在240-260℃／3s左右。
    焊接時間＝焊點與波峰的接觸長度／傳輸速度
    焊點與波峰的接觸長度可以用一塊帶有刻度的耐高溫玻璃測試板走一次波峰進行測量。
    傳輸速度是影響產量的因素。在保證焊接質量的前提下，通過合理的綜合調整各工藝參數，可以實現盡可能的提高產量的目的。
3.6波峰焊接質量要求
 一、焊點外觀
    焊接點表面應完整、連續平滑、焊料量適中，無大氣孔和砂眼：
二、潤濕性
    焊點潤濕性好，呈彎月形狀，插裝元件潤濕角θ應小于90°，以15～45°為最好，見圖3-4(a)。片式元件閏濕角θ小于90°，焊料應在片式元件金屬化端頭處全面鋪開，形成連續均勻的覆蓋層，見圖3-4(b)：
三、漏焊、虛焊和橋接等缺陷應降至最少：
四、元件體
    焊接后貼裝元件無損壞、無丟失、端頭電極無脫落：
五、插裝元件
    要求插裝元器件的元件面上錫好(包括元件引腳插裝孔和金屬化孔)；
六、PCB表面
焊接后印制板表面允許有微小變色，但不允許嚴重變色，不允許阻焊膜起皺、起泡和脫落。
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