八、SMT焊接工艺技术

第6章SMT焊接工艺技术6.1SMT焊接方法与特点•6.1.1SMT焊接方法•焊接是表面组装技术中的主要工艺技术。焊接质量是SMA可靠性的关键，它直接影响电子装备的性能可靠性和经济效益。焊接质量决定于所用的焊接方法、焊接材料、焊接工艺技术和焊接设备。•焊接是使焊料合金和要结合的金属表面之间形成合金层的一种连接技术。表面组装采用软钎焊技术，它将SMC/SMD焊接到PCB的焊盘图形上，使元器件与PCB电路之间建立可靠的电气和机械连接，从而实现具有一定可靠性的电路功能。•这种焊接技术的主要工艺特征是：用焊剂将要焊接的金属表面洗净(去除氧化物等)，使之对焊料具有良好的润湿性；供给熔融焊料润湿金属表面；在焊料和被焊金属间形成金属间化合物。根据熔融焊料的供给方式，在SMT中采用的软钎焊技术主要有波峰焊（waveSoldering）和再流焊（ReflowSoldering）。一般情况下，波峰焊用于混合组装方式，再流焊用于全表面组装方式。波峰焊是通孔插装技术中使用的传统焊接工艺技术，根据波峰的形状不同有单波峰焊、双波峰焊等形式之分。根据提供热源的方式不同，再流焊有传导、对流、红外、激光、汽相等方式。表6-1比较了在SMT中使用的各种软钎焊方法。波峰焊与再流焊之间的基本区别在于热源与钎料的供给方式不同。在波峰焊中，钎料波峰有两个作用：一是供热，二是提供钎料。在再流焊中，热是由再流焊炉自身的加热机理决定的，焊膏首先是由专用的设备以确定的量涂覆的。波峰焊技术与再流焊技术是印制电路板上进行大批量焊接元器件的主要方式。就目前而言，再流焊技术与装备是SMT组装厂商组装SMD/SMC的主选技术与设备，但波峰焊仍不失为一种高效自动化、高产量、可在生产线上串联的焊接技术。因此，在今后相当长的一段时间内，波峰焊技术与再流焊技术仍然是电子组装的首选焊接技术。6.1.2SMT焊接特点由于SMC／SMD的微型化和SMA的高密度化，SMA上元器件之间和元器件与PCB之间的间隔很小，因此，表面组装元器件的焊接与传统引线插装元器件的焊接相比，主要有以下几个特点：元器件本身受热冲击大；要求形成微细化的焊接连接；由于表面组装元器件的电极或引线的形状、结构和材料种类繁多，因此要求能对各种类型的电极或引线都能进行焊接。要求表面组装元器件与PCB上焊盘图形的接合强度和可靠性高。所以，SMT与THT相比，对焊接技术提出了更高的要求。然而，这并不是说获得高可靠性的SMA是困难的，事实上，只要对SMA进行正确设计和执行严格的组装工艺，其中包括严格的焊接工艺，SMA的可靠性甚至会比通孔插装组件的可靠性高。关键在于根据不同情况正确选择焊接技术、方法和设备，严格控制焊接工艺。除了波峰焊接和再流焊接技术之外，为了确保SMA的可靠性，对于一些热敏感性强的SMD常采用局部加热方式进行焊接。6.2波峰焊接工艺技术•6.2.1波峰焊的基本原理与分类波峰焊是利用波峰焊机内的机械泵或电磁泵，将熔融钎料压向波峰喷嘴，形成一股平稳的钎料波峰，并源源不断地从喷嘴中溢出。装有元器件的印制电路板以直线平面运动的方式通过钎料波峰面而完成焊接的一种成组焊接工艺技术，如图6-1所示。波峰焊技术是由早期的热浸焊接(HotDipSoldering)技术发展而来。几十年来，各国学者与工程人员对波峰动力学进行了大量的实验与研究，波峰焊机的波峰型式从单波峰发展到双波峰，双波峰的波型又可分为、T、和“O”旋转波四种波型。按波型个数又可分成单波峰、双波峰、三波峰和复合波峰四种。1、热浸焊热浸焊接是把整块插好电子元器件的PCB与钎料面平行地浸入熔融钎料缸中，使元器件引线、PCB铜箔进行焊接的流动焊接方法之一。如图6-2所示，PCB组件按传送方向浸入熔融钎料中，停留一定时间，然后再离开钎料缸，进行适当冷却。有时钎料缸还作上下运动。热浸焊接时，高温钎料大面积暴露在空气中，容易发生氧化。每焊接一次，必须刮去表面的氧化物与焊剂残留物，因而钎料消耗量大。热浸焊接必须正确把握PCB浸入钎料中的深度。过深时，钎料漫溢至PCB上面，会造成报废；深度不足时，则会发生大量漏焊接。另外，PCB翘曲不平，也易造成局部漏焊。PCB热浸焊接后，须用快速旋转的专用刀片（称为平头机或切脚机）剪切去元器件引线的余长，只要留下2～8mm长度以检查焊接头的质量，然后进行第二次焊接。第一次焊接与切余长后，焊接质量难以保证，必须以第二次焊接来补充完善。一般第二次焊接采用波峰焊。早期的国产电视机、收录机等一些家用电子产品PCB的焊接，大多采用如上的两次焊接法。2、单波峰焊单波峰焊是借助钎料泵把熔融状钎料不断垂直向上地朝狭长出口涌出，形成20～40mm高的波峰。这样可使钎料以一定的速度与压力作用于PCB上，充分渗透入待焊接的元器件引线与电路板之间，使之完全湿润并进行焊接，见图6-3。它与热浸焊接相比，可明显减少漏焊的比率。由于钎料波峰的柔性，即使PCB不够平整，只要翘曲度在3%以下，仍可得到良好的焊接质量。单波峰焊的缺点是钎料波峰垂直向上的力，会给一些较轻的元器件带来冲击，造成浮动或空焊接。3、双波峰焊由于SMC/SMD没有THD那样的安装插孔，钎剂受热后挥发出的气体无处散逸，如图6-4(a)所示。另外,SMD有一定的高度和宽度，又是高密度贴装（一般5～8件/cm2），而钎料表面有其张力作用，因而钎料很难及时湿润并渗透到待贴装的每个角落，容易产生“阴屏效应”。所以，如果采用一般的单波峰与热浸焊接方法，会产生大量漏焊接或桥连。为了解决这些问题，必须采用一种新型的波峰焊——双波峰焊。如图6-5所示，双波峰焊接有前后两个波峰，前一波峰较窄，波高与波阔之比大于1，峰端有2～3排交错排列的小峰头，在这样多头的、上下左右不断快速流动的湍流波作用下，钎剂气体都被排除掉，表面张力作用也被削弱，从而获得良好的焊接效果。后一波峰为双方向宽平波，钎料流动平坦而缓慢，可以去除多余钎料，消除毛刺、桥连等不良现象。根据前一波峰产生的波形不同，双波峰焊系统有窄幅度对称湍流波（如图6-5示）、穿孔摆动湍流波（用可调节穿孔喷嘴产生摆动湍流波）、穿孔固定湍流波（穿孔喷嘴固定）之分。•双波峰焊对SMD可以获得良好的焊接效果，已在插贴混装方式的PCB上普遍采用。双波峰软焊接的缺点是PCB两次经过波峰，受热量较大，一些耐热性较差的PCB易变形翘曲。为了适应各类SMC/SMD以及高密度组装的需要，在以上双波峰的基础上，进行了各种各样的改进，实际采用的双波峰类型主要有以下几类。（1）型波。型波是由一个平坦的主波峰区和一个曲率的副波峰组成。其特点是：印制板是在高速点开始与波峰接触，因此钎料的擦洗作用最佳。由于在喷嘴前档板控制波峰形状，从而控制波峰的速度，这样在喷嘴前形成了很大一部分相对速度为零的区域。因此，采用倾角可调范围较大的传送装置在喷嘴的波峰上，相对速度为零的那一点上钎焊印制板。当印制板从波峰上离去之后紧靠热焊附近产生的后热作用，有助于减小焊点拉尖。如图6-7所示。6.2.2波峰焊机的基本组成与功能•传统插装元件的波峰焊工艺基本流程如图6-10所示，包括准备、元器件插装、波峰焊、清洗等工序。波峰焊机通常由波峰发生器、印制电路板传输系统、钎剂喷涂系统、印制电路板预热、冷却系统与电气控制系统等基本组成部分。其它可添加部分包括风刀（Airknife）、油搅拌（Oilintermix）和惰性气体氮等。1、钎剂喷涂装置在波峰焊以前将钎剂施加至印制电路板组件的底部，可以考虑选择下面一些方式来实现：泡沫、波峰、刷子、鼓轮喷雾和喷嘴喷射。2、预热系统波峰焊设备采用预热系统以升高印制电路板组件和钎剂的温度，这样做有助于在印制电路板进入钎料波峰时降低热冲击，同时也有助于活化钎剂。这两大因素在实施大批量焊接时，是非常关键的。预热处理能使印制电路板材料和元器件上的热应力作用降低至最小的程度。当印刷电路板组件的质量较重时，例如具有8层或层数更多的多层板，通常情况下要求采用顶部加热措施，以求给印制电路板组件带来合适的温度，同时又不会产生底部过热的现象。有三种普遍采用的预热处理形式：（1）强迫对流。强迫热空气对流是一种有效的和高度均匀的预热方式，它尤其适合于水基钎剂。这是因为它能够提供所要求的温度和空气容量，可以将水蒸发掉。（2）石英灯。石英灯是一种短波长红外线（IR）加热源，它能够做到快速地实现任何所要求的预热温度设置。（3）热棒。加热棒的热量由具有较长波长的红外线热源所提供。它们通常用于实现单一恒定的温度，这是因为它们实现温度变化的速度较为缓慢。这种较长波长的红外线能够很好地渗透入印制电路板材料之中，以满足较快时间的加热。3、钎料波峰涂覆钎剂的印制电路板组件离开了预热阶段，通过传输带穿过钎料波峰。钎料波峰是由来自于容器内的熔化了的钎料上下往复运动而形成的，波形的长度、高度和特定的流体动态特性（例如紊流或层流），可以通过挡板的强迫限定来实施控制。随着涂覆钎剂的印制电路板通过钎料波峰，就可以形成焊接点。4、传输系统传输系统是一条安放在滚轴上的金属传送带，它支撑着印制电路板移动着通过波峰焊区域。在该类传输带上，印制电路板组件通过金属机械手予以支撑。托架能够进行调整，以满足不同尺寸类型的印制电路板需求，或者按特殊规格尺寸进行制造。5、控制系统在波峰焊设备中采用了计算机控制，不仅降低了成本，缩短了研制和更新换代周期，而且还可以通过硬件软化设计技术，简化系统结构，使得整机可靠性大为提高，操作维修简便，人机界面友好。国外如瑞士epm公司、美国Electovert公司等，近些年来推出的新机型其控制大多都实现了计算机控制。6.2.3波峰发生器波峰发生器是波峰焊机的核心，是衡量一台波峰焊系统性能优劣的主要判据，而波峰动力学又是波峰发生器技术水平的标志。它融合了流体力学、金属表面理论、冶金学和热工学等学科为一体，随着世界各国对波峰焊的高度重视与研究，钎料波峰动力学逐渐成为一门独立的边缘学科。钎料波峰发生器分类可归纳如图6-12所示。