波峰焊工艺

波峰焊工艺刘增宏内容1.波峰焊原理2波峰焊工艺对元器件和印制板的基本要求3波峰焊材料4波峰焊工艺流程5波峰焊操作步骤7.波峰焊工艺参数控制要点8.波峰焊常见焊接缺陷分析及预防对策9.无铅波峰焊特点及对策•波峰焊主要用于传统通孔插装印制电路板电装工艺，以及表面组装与通孔插装元器件的混装工艺，•→→→→•印刷贴片胶贴装元器件胶固化插装元器件波峰焊波峰焊工艺•波峰焊是利用熔融焊料循环流动的波峰与装有元器件的PCB焊接面相接触，以一定速度相对运动时实现群焊的焊接工艺。•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。•适用于SMD的波峰焊设备有双波峰或电磁泵波峰焊机。适合波峰焊的表面贴装元器件有矩形和圆柱形片式元件、SOT以及较小的SOP等器件。•1.波峰焊原理•下面以双波峰机为例来说明波峰焊原理。•当完成点（或印刷）胶、贴装、胶固化、插装通孔元器件的印制板从波峰焊机的人口端随传送带向前运行，通过助焊剂发泡（或喷雾）槽时，使印制板的下表面和所有的元器件端头和引脚表面均匀地涂敷一层薄薄的助焊剂；PCB传感器预热器传送带助焊剂控制器PCB传输方向传感器计数器焊料锅双波峰焊示意图•随传送带运行印制板进入预热区（预热温度在90—130℃），预热的作用：①助焊剂中的溶剂被挥发掉，这样可以减少焊接时产生气体；②助焊剂中松香和活性剂开始分解和活性化，可以去除印制板焊盘、元器件端头和引脚表面的氧化膜以及其它污染物，同时起到保护金属表面防止发生高温再氧化的作用③使印制板和元器件充分预热，避免焊接时急剧升温产生热应力损坏印制板和元器件。•印制板继续向前运行，印制板的底面首先通过第一个熔融的焊料波，第一个焊料波是乱波（振动波或紊流波），使焊料打到印制板的底面所有的焊盘、元器件焊端和引脚上，熔融的焊料在经过助焊剂净化的金属表面上进行浸润和扩散。然后印制板的底面通过第二个熔融的焊料波，第二个焊料波是平滑波，平滑波将引脚及焊端之间的连桥分开，并将去除拉尖等焊接缺陷。当印制板继续向前运行离开第二个焊料波后，自然降温冷却形成焊点，即完成焊接。振动波平滑波PCB运动方向焊点的形成过程•当PCB进入波峰面前端A处至尾端B处时，PCB焊盘与引脚全部浸在焊料中，被焊料润湿，开始发生扩散反应,此时焊料是连成一片（桥连）的。当PCB离开波峰尾端的瞬间，由于焊盘和引脚表面与焊料之间金属间合金层的结合力（润湿力），使少量焊料沾附在焊盘和引脚上，此时焊料与焊盘之间的润湿力大于两焊盘之间焊料的内聚力，使各焊盘之间的焊料分开，并由于表面张力的作用使焊料以引脚为中心，收缩到最小状态，形成饱满、半月形焊点。相反，如果焊盘和引脚可焊性差或温度低，就会出现焊料与焊盘之间的润湿力小于两焊盘之间焊料的内聚力，造成桥接、漏焊或虚焊。PCB与焊料波分离点位于B1和B2之间某个位置，分离后形成焊点。•助焊剂涂覆装置超声喷雾器助焊剂喷嘴滚筒助焊剂槽发泡助焊剂槽•常见的几种波峰结构T形波λ波Ω波空心波•双波峰焊理论温度曲线双波峰焊实时温度曲线•2波峰焊工艺对元器件和印制板的基本要求•a应选择三层端头结构的表面贴装元器件，元器件体和焊端能经受两次以上260℃波峰焊的温度冲击，焊接后元器件体不损坏或变形，片式元件端头无脱帽现象；外部电极（镀铅锡）中间电极（镍阻挡层）内部电极（一般为钯银电极）无引线片式元件端头三层金属电极示意图•b如采用短插一次焊工艺，焊接面元件引脚露出印制板表面0.8~3mm；•c基板应能经受260℃/50s的耐热性，铜箔抗剥强度好，阻焊膜在高温下仍有足够的粘附力，焊接后阻焊膜不起皱；•d印制电路板翘曲度小于0.8~1.0%；•e对于贴装元器件采用波峰焊工艺的印制电路板必须按照贴装元器件的特点进行设计，元器件布局和排布方向应遵循较小的元件在前和尽量避免互相遮挡的原则；3波峰焊材料•3.1焊料（1）有铅焊料•一般采用Sn63/Pb37棒状共晶焊料，熔点183℃。•使用过程中Sn和Pb的含量分别保持在±1%以内。Sn含量最低不得低于61.5％。•焊料的主要杂质的最大含量控制在以下范围内：•Cu＜0.08%,Al＜0.005%,Fe＜0.02%,Bi＜0.1%,Zn＜0.002%,Sb＜0.01%,As＜0.03%,•根据设备的使用情况定期（三个月至半年）检测焊料的主要杂质以及Sn和Pb的含量，不符合要求时更换焊锡或采取措施，例如当Sn含量少于标准时，可掺加一些纯Sn。（2）无铅焊料•Sn-0.7Cu或Sn-0.7Cu-Ni合金，其熔点为227℃。•（添加少量的Ni可增加流动性和延伸率）•Sn-3Ag-0.5Cu或Sn-3.5Ag-0.75Cu，其熔点为216~220℃左右。（高可靠的产品可采用Sn/Ag/Cu焊料，但不推荐，因为Ag的成本高，同时也会腐蚀Sn锅）•3.2助焊剂和助焊剂的选择•a助焊剂的作用：•—助焊剂中的松香树脂和活性剂在一定温度下产生活性化反应，能去除焊接金属表面氧化膜，同时松香树脂又能保护金属表面在高温下不再氧化；•—助焊剂能降低熔融焊料的表面张力，有利于焊料的润湿和扩散。b助焊剂的特性要求：—熔点比焊料低，扩展率＞85%；—黏度和比重比熔融焊料小，容易被置换，不产生毒气。焊剂的比重可以用溶剂来稀释，一般控制在0.82—0.84；—免清洗型助焊剂要求固体含量＜2.0wt%,不含卤化物，焊后残留物少，不产生腐蚀作用，绝缘性能好,绝缘电阻＞1×1011Ω；—水清洗、半水清洗和溶剂清洗型助焊剂要求焊后易清洗；—常温下储存稳定。•c助焊剂的选择：按照清洗要求助焊剂分为免清洗、水清洗、半水清洗和溶剂清洗四种类型，按照松香的活性分类可分为R（非活性）、RMA（中等活性）、RA（全活性）三种类型，要根据产品对清洁度和电性能的具体要求进行选择。•一般情况下军用及生命保障类如卫星、飞机仪表、潜艇通信、保障生命的医疗装置、微弱信号测试仪器等电子产品必须采用清洗型的助焊剂；其他如通信类、工业设备类、办公设备类、计算机等类型的电子产品可采用免清洗或清洗型的助焊剂；一般家用电器类电子产品均可采用免清洗型助焊剂或采用RMA（中等活性）松香型助焊剂可不清洗。•3.3稀释剂•当助焊剂的比重超过要求值时，可使用稀释剂进行稀释。不同型号的助焊剂应采用相应的稀释剂。•3.4防氧化剂•防氧化剂是为减少焊接时焊料在高温下氧化而加入的辅料，起节约焊料和提高焊接质量作用，目前主要采用油类与还原剂组成的防氧化剂。要求防氧化剂还原能力强、焊接温度下不碳化。•3.5锡渣减除剂•锡渣减除剂能使熔融的焊锡与锡渣分离，起到节省焊料的作用。•3.6阻焊剂或耐高温阻焊胶带•用于防止波峰焊时后附元件的插孔被焊料堵塞。•以上材料除焊料外，其它焊接材料应避光保存，期限为半年。•4波峰焊工艺流程•焊接前准备→开波峰焊机→设置焊接参数→首件焊接并检验→连续焊接生产→送修板检验。•5波峰焊操作步骤•5.1焊接前准备•a插装前在待焊PCB（该PCB已经过涂敷贴片胶、SMC/SMD贴片、胶固化）后附元器件插孔的焊接面涂阻焊剂或粘贴耐高温粘带，以防波峰焊后插孔被焊料堵塞。如有较大尺寸的槽和孔也应用耐高温粘带贴住，以防波峰焊时焊锡流到PCB的上表面（如水溶性助焊剂只能采用阻焊剂，涂敷后放置30min或在烘灯下烘15min再插装元器件，焊接后可直接水清洗）。然后插装通孔元件。•b用比重计测量助焊剂比重，若比重大，用稀释剂稀释。c将助焊剂倒入助焊剂槽•5.2开炉•a打开波峰焊机和排风机电源。•b根据PCB宽度调整波峰焊机传送带（或夹具）的宽度•5.3设置焊接参数•a发泡风量或助焊剂喷射压力：根据助焊剂接触PCB底面的情况确定。•b预热温度：根据波峰焊机预热区的实际情况设定（90~130）•c传送带速度：根据不同的波峰焊机和待焊接PCB的情况设定（0.8~1.92m/min）•d焊锡温度：（必须是打上来的实际波峰温度为250±5℃时的表头显示温度）•e测波峰高度：调到超过PCB底面，在PCB厚度的2/3处5.4首件焊接并检验（待所有焊接参数达到设定值后进行）a把PCB轻轻地放在传送带（夹具）上，机器自动进行喷涂助焊剂、干燥、预热、波峰焊、冷却。b在波峰焊出口处接住PCB。c进行首件焊接质量检验。5.5根据首件焊接结果调整焊接参数5.6连续焊接生产a方法同首件焊接。b在波峰焊出口处接住PCB，检查后将PCB装入防静电周转箱送修板后附工序（或直接送连线式清洗机进行清洗）。c连续焊接过程中每块印制板都应检查质量，有严重焊接缺陷的印制板，应立即重复焊接一遍。如重复焊接后还存在问题，应检查原因、对工艺参数作相应调整后才能继续焊接。6.检验（无铅焊点检测在IPC-A-610D中介绍）检验方法：目视或用2-5倍放大镜观察。检验标准：a焊接点表面应完整、连续平滑、焊料量适中，无大气孔、砂眼；b焊点的润湿性好，呈弯月形状，插装元件的润湿角θ应小于90°，以15—45°为最好，见图8(a)；片式元件的润湿角θ小于90°，焊料应在片式元件金属化端头处全面铺开，形成连续均匀的覆盖层，见图8(b)；(a)插装元器件焊点(b)贴装元件焊点图8插装元器件和贴装元件焊点润湿示意图印制板印制板焊料焊盘焊盘θ焊料θ引线焊端c虚焊和桥接等缺陷应降至最少；d焊接后贴装元件无损坏、无丢失、端头电极无脱落；e要求插装元器件的元件面上锡好（包括元件引脚和金属化孔）f元器件的安装位置、型号、标称值和特征标记等应与装配图相符。g插装件要端正,不能有扭曲、倾斜等。h焊接后印制板表面允许有微小变色，但不允许严重变色，不允许阻焊膜起泡和脱落。iPCB和元器件表面要洁净,清洗后无助焊剂残留物和其它污物。合格的焊点（IPC标准）无铅波峰焊焊点IPC标准（分三级）•7.波峰焊工艺参数控制要点•7.1焊剂涂覆量•要求在印制板底面有薄薄的一层焊剂，要均匀，不能太厚，对于免清洗工艺特别要注意不能过量。焊剂涂覆量要根据波峰焊机的焊剂涂覆系统，以及采用的焊剂类型进行设置。焊剂涂覆方法主要有涂刷、发泡及定量喷射两种方式。•①采用涂刷与发泡方式时，必须控制焊剂的比重。焊剂的比重一般控制在0.8-0.84之间（液态松香焊剂原液的比重），焊接过程中随着时间的延长，焊剂中的溶剂会逐渐挥发，使焊剂的比重增大，其黏度随之增大，流动性也随之变差，影响焊剂润湿金属表面，妨碍熔融的焊料在金属表面上的润湿，引起焊接缺陷，因此采用传统涂刷及发泡方式时应定时测量焊剂的比重，如发现比重增大，应及时用稀释剂调整到正常范围内，但稀释剂不能加入过多，比重偏低会使焊剂的作用下降，对焊接质量也会造成不良影响。另外还要注意不断补充焊剂槽中的焊剂量，不能低于最低极限位置。•②采用定量喷射方式时，焊剂是密闭在容器内的，不会挥发、不会吸收空气中水分、不会被污染，因此焊剂成分能保持不变。关键要求喷头能够控制喷雾量，应经常清理喷头，喷射孔不能堵塞。•7.2印制板预热温度和时间•预热的作用：•a将焊剂中的溶剂挥发掉，这样可以减少焊接时产生气体•b焊剂中松香和活性剂开始分解和活性化，可以去除印制板焊盘、元器件端头和引脚表面的氧化膜以及其它污染物，同时起到保护金属表面防止发生再氧化的作用•c使印制板和元器件充分预热，避免焊接时急剧升温产生热应力损坏印制板和元器件。••印制板预热温度和时间要根据印制板的大小、厚度、元器件的大小和多少、以及贴装元器件的多少来确定。预热温度在90~130℃（PCB底面温度），多层板以及有较多贴装元器件时预热温度取上限，不同PCB类型和组装形式的预热温度参考表8-1。参考时一定要结合组装板的具体情况，做工艺试验或试焊后进行设置。有条件时可测实时温度曲线。预热时间由传送带速度来控制。如预热温度偏低或和预热时间过短，焊剂中的溶剂挥发不充分，焊接时产生气体引起气孔、锡球等焊接缺陷；如预热温度偏高或预热时间过长，焊剂被提前分解，使焊剂失去活性，同样会引起毛刺、桥接等焊接缺陷。因此要恰当控制预热温度和时间，最佳的预热温度是在波峰焊前涂覆在PCB底面的焊剂带有粘性。•表8-1预热温度参考表PCB类型组装形式预热温度（℃）单面板纯THC或TH