波峰焊工艺

波峰焊工艺徐翰霖2015.08.01内容第一节：概述第二节：焊接辅材第三节：波峰焊原理第四节：波峰焊工艺对元器件和印制板的基本要求第五节：波峰焊接可接受要求第六节：波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法第七节：波峰焊后清洁度可接受性要求第八节：波峰焊工艺参数控制要点第九节：PCB设计对波峰焊接质量的影响第十节：无铅波峰焊特点及对策第十一节：波峰焊机的实际操作第一节：概述波峰焊接是我们生产装配过程中的一道非常关键的工序，波峰焊接质量的好坏直接影响着整机产品的质量。因此，波峰焊工序一直是生产过程中重点控制的关键工序之一。第一节：概述纯手工插件波峰焊接单面贴装单面插件波峰焊接双面贴装单面插件波峰焊接点红胶贴装插件波峰焊接常见的波峰焊接方式UTStarcomConfidential5第一节：概述•图为点了红胶的PCB板第二节：焊接辅材1.焊料a）有铅锡条成份：由锡和铅组成的共晶化合物，Sn：63%、Pb：37%；熔点：183°C；公司目前使用的型号有：重庆荣昆Sn63/Pb37b）无铅锡条成份：由锡、银和铜组成的合金化合物，Sn：99.7%、Cu：0.3%熔点：217°C；公司目前使用的型号有：重庆荣昆Sn：99.7%、Cu：0.3%第二节：焊接辅材2.助焊剂的成份和分类主要成份：有机溶剂、松香树脂及其衍生物、合成树脂表面活性剂、有机酸活化剂、防腐蚀剂、助溶剂、成膜剂。简单地说是各种固体成份溶解在各种液体中形成均匀透明的混合溶液，其中各种成份所占比例各不相同，所起的作用也不同。例如我们公司所使用的就只都是深圳同方电子新材料有限公司的TF-800H这一款。第二节：焊接辅材3.助焊剂的作用①去除被焊金属表面的氧化物；②促使热从热源向焊接区传递；③降低融熔焊料表面张力,增强润湿性；④防止焊接时焊料和焊接面的再氧化；第二节：焊接辅材4.助焊剂的特性要求①熔点比焊料低；②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；③水清洗、半水清洗和溶剂清洗型助焊剂要求焊后易清洗；④常温下储存稳定；第三节：波峰焊原理下面以双波峰焊机为例来说说波峰焊原理我公司所使用的则是劲拓公司的波峰焊机第三节：波峰焊原理工装传输方向喷涂助焊剂预热1区预热2区热补偿第1、2波峰冷却传感器工作流程图第三节：波峰焊原理喷涂助焊剂已插完成元器件的电路板，将其嵌入治具，由机器入口处的接驳装置以一定的倾角和传送速度送入波峰焊机内，然后被连续运转的链爪夹持，途径传感器感应，喷头沿着治具的起始位置来回匀速喷雾，使电路板的裸露焊盘表面、焊盘过孔以及元器件引脚表面均匀地涂敷一层薄薄的助焊剂。第三节：波峰焊原理PCB板预加热进入预热区域，PCB板焊接部位被加热到润湿温度，同时，由于元器件温度的升高，避免了浸入熔融焊料时受到大的热冲击。预热阶段，PCB表面的温度应在75~110℃之间为宜。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PCB板和元器件充分预热，避免焊接时急剧升温产生热冲击损坏PCB板和元器件。第三节：波峰焊原理温度补偿进入温度补偿阶段，经补偿后的PCB板在进入波峰焊接中减小热冲击。第一波峰（高波）第一波峰是由狭窄的喷口喷出的波峰，流速快，对治具有影阴的焊接部位有较好的渗透性。同时，高波向上的喷射力可以使焊剂气体顺利排出，大大减少了漏焊及垂直填充不足的缺陷。第二波峰（平波）第二波峰是一个“平滑”波，焊锡流动速度慢，能有效去除端子上的过量焊锡，使所有的焊接面润湿良好，并能对第一波峰所造成的拉尖和桥接进行充分的修正。第三节：波峰焊原理高波平波波峰形状图冷却阶段过完波峰以后，通过风扇将PCB板冷却。第三节：波峰焊原理第三节：波峰焊原理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。第三节：波峰焊原理波峰焊接温度曲线原理图焊接区预热区183℃115℃75℃冷却区说明:1.预热温度:70-115º时间:75–130S升温速率:3º/Sec2.锡炉峰值温度:=210º,焊接时间:3–6S3.冷却速率:3º/Sec4.链速:1600–1900mm/min第三节：波峰焊原理免清洗助焊剂在波峰焊接中的作用机理波峰焊接区预热区喷涂助焊剂区（低沸+高沸）溶剂+活性物质在较低的温度下，活性剂被树脂包裹着，对外表现的活性很弱。溶剂中加入低沸溶剂的目的主要是为改善助焊剂在喷涂过程中的流动性助焊剂膜形成区残余高沸溶剂随钎料流入锡炉后挥发。活性物质由载体（低沸+高沸）溶剂携带流布在PCB焊接面上，当载体中沸点溶剂挥发后，剩下由高沸溶剂继续包覆PCB表面形成活性物质的载体和PCB保护膜。随着预热温度的升高，活性物质逐渐趋近于活性温度。A区随着温度的不断升高，树脂破裂后，释放出活性化学物质净化被焊金属表面，达到润湿目的。B区当温度升到焊接温度后，活性剂分解，只要此区域所经历的时间足够，活性剂就能分解殆尽，最后剩下一部分残留的高沸溶剂覆盖在PCB表面。C区残余的高沸溶剂覆盖在脱离区钎料表面隔绝了空气，降低了脱离区钎料表面张力。D区活性剂分解剩下的高沸溶剂继续挥发。活性剂分解低沸点溶剂挥发高沸点溶剂+活性剂第四节：波峰焊工艺对元器件和印制板的基本要求如采用短插一次焊工艺，焊接面元件引脚露出印制板表面1.5-2.0mm；基板应能经受260℃/50s的耐热性，阻焊膜在高温下有足够的粘附力，焊接后阻焊膜不起皱；印制电路板翘曲度小于0.8-1.0%；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。第五节：焊接可接受性要求良好的焊点（摘自IPC-A-610D）图5-1图5-2第五节：焊接可接受性要求可接受焊点锡银铜焊料锡铅焊料波峰焊接是产生PCB组件缺陷的主要原因，在整个组装过程中它引起的缺陷高达50%。当PCB有上千个焊点时，焊接必须要有很高的成功率才行。波峰焊接过程中基本上都是在PCB上来进行的，因此在PCB上焊接缺陷主要反映在虚焊、焊点轮廓不良、连焊、拉尖、空洞、暗色焊点或颗料状焊点等方面。第六节:波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法6.1波峰焊接中存在的缺陷第六节:波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法6.2影响波峰焊接效果的一些主要因素：预热条件冷却方式冷却速度基板材料基板厚度元器件热容量图形大小图形间隔保管状态保管时间包装状态搬运状态技术水平责任心工作态度家庭状态人际关系社会状态心情灰尘室温照明噪音湿度振动存放波峰焊接效果引线和孔径引线和焊盘直径图形密度图形形状图形方向安装方式洁净度成形方法表面状态线径伸出长度引线种类镀层组织镀层厚度洁净度预涂焊剂表面状态镀层组织镀层厚度镀层密合度镀层表面状态钻孔状态涂覆法成份温度粘度涂覆量洁净度成份温度杂质焊料量预热条件冷却方式冷却速度基板材料基板厚度元器件热容量设计波峰焊接环境储存和搬运操作者元器件引线PCB温度条件助焊剂焊料传送速度喷流速度喷流波形夹送倾角浸入状态退出状态压锡深度钻孔状态波峰平稳度第六节:波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法6.3焊接缺陷现象和形成原因及其解决办法6.3.1虚焊焊点表面呈粗糙的粒状、光泽差、流动性不好是虚焊的外观表现。从本质上讲，凡是在钎接的连接界面上未形成适宜厚度的铜锡合金层，都称为虚焊。在显微组织上虚焊的界面主要是氧化层；而良好接头界面显微金相组织主要是铜锡合金薄层。国内有试验报告称：合金层的厚度为1.3~3.5um的比较合适。这种合金的显微组织结构，如图6-1所示。图6-1第六节:波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法①温度低热量供给不足a）温度低。焊点接合部的金属不能加热到能生层金属化合物的最适宜的温度；b）传送速度过快。即使已处于最佳温度状态，但由于传送速度过快，焊点接合部金属也不能获得足够的热量，接合部温度上升不到最佳润湿温度区间浸润不完善，不能形成理想的合金层。c）PCB设计不合理。导致了热容量相差悬殊的许多零部件引线在同一时间、同一温度下进行钎接时，将使各元器件焊点上温度出现明显的差异。热容量大的，因吸取的热量不足而温度偏低，引起浸润条件恶化形成不了理想的合金层。（1）形成原因第六节:波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法②PCB或元器件引线可焊性差a）被接合的基体金属表面氧化、污染；b）锡槽温度过高。由于锡槽温度过高，PCB板表面加速氧化而造成锡液表面张力增加、附着力减小，而且高温还溶蚀了母材的粗糙表面，使毛细作用减少，漫流性下降，如图6-2所示；波峰焊焊接中钎料槽的温度超过270º时就可能出现此现象。图6-2第六节:波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法c）锡槽温度偏低d）焊接时间过长加热时间增加而润湿性变差的主要原因是由于弱润湿现象所致，即当“润湿”已经发生，焊接面已经产生合金层，但若焊料保持熔化状态的时间过长，则金属间化合物层会生长得太厚，而焊料对这层金属间化合物的润湿要比对裸露的基体金属母材的润湿更困难，因此在波峰焊接中焊接时间应控制在3~6S之间比较合适。如图6-3所示：图6-3第六节:波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法（2）解决办法a）避免用手直接触摸PCB焊接面和元器件引线，可采取一些防护性措施（如戴手套和手指套），确保可焊性；b）调整钎料槽的温度，63Sn37Pb设定温度：240~255摄氏度，Sn99.7Cu0.3设定温度：260~270摄氏度。c）调整助焊剂的喷雾量，使其均匀地喷涂在各个焊接部位；d）合理的选择焊接时间；e）PCB板与元器件储存环境要求，储存温度：17~27摄氏度，相对湿度(RH)：30~60%；第六节:波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法6.3.2不润湿融化后的焊料不能与基底金属（母材)形成金属性结合。焊料没有润湿到需要焊盘的盘或端子上，如图6-4所示：焊料覆盖率不满足具体可焊端类型的要求，如图6-5所示：图6-4图6-5第六节:波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法①基体金属不可焊②使用助焊剂的活性不够或助焊剂变质失效③表面上的油或油脂类物质使助焊剂和焊料不能与被焊表面接触④波峰焊接时间和温度控制不当。例如，焊接温度过高或者与熔化焊料的接触时间过长，金属间化合物层长得太厚导致焊料又会剥落下来。其影响与虚焊相似。（1）形成原因第六节:波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法A、焊料过多（堆焊）焊料在焊点上堆集过多而形成凸状表面外形，看不见引脚轮廓，如图6-7所示：6.3.3焊点的轮廓敷形焊料过多焊料焊盘PCB引脚图6-7第六节:波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法B、焊料过少（干瘪）波峰焊接中焊料未达到规定的焊料量，不能完全封住被连接的导线，使其部分暴露在外。从外观上看，吃锡量严重不足、干瘪。如图6-8所示：Ø焊料过少图6-8第六节:波峰焊接工艺中常见缺陷的形成因素及解决方法（1）形成原因①接头金属表面状态与敷形的关系·引线表面状态与敷形的关系·PCB铜箔表面状态与敷形的关系②PCB布线设计不规范与敷形的关系·盘-线，例：大焊盘，小引线；焊盘一定而引线过粗或过长，如图6-9所示：·焊盘与印制导线的连接，例：盘与线不分、连片