波峰焊接工艺缺陷及解决方法(新)

波峰焊接工艺常见缺陷及解决方案主讲：孙云华焊锡工艺焊点将被焊金属通过焊接连接在一起形成的点叫做焊点。一、焊点的形成过程及必要条件1．焊点的形成熔化的焊锡借助助焊剂的作用，与被焊接的金属材料相互接触时，如果在结合界面上不存在其他任何杂质，那么焊锡中的锡和铅的任何一种原子会进入焊接的金属材料的晶格而生成合金，这样就形成了牢固可靠的焊点。2.焊点形成的条件：被焊接金属材料应具有良好的可焊性；被焊接金属材料表面要清洁；（无氧化、无杂质）助焊剂选择要适当；焊料的成份与性能要适应焊接要求；焊接要具有一定的温度。在焊接时，热能的作用是使焊接金属材料扩散并使被焊接金属材料上升到焊接温度，以便与焊锡生成金属合金。焊接时间；焊接的时间是指在焊接过程中，进行物理和化学变时所需要的时间。它包括被焊接金属材料达成协议到焊接温度时间，焊锡的熔化时间，助焊剂发按作用及生成金属合金的时间几个部分。焊锡工艺波峰焊波峰焊是近年来发展较快的一种焊接方法，其原理是让插装或贴装好元器件的电路板与熔化焊料的波峰接触，实现连续自动焊接。波峰焊接的特点：电路板与波峰顶接触，无任何氧化物和污染物。因此，焊接质量较高，并且能实现大规模生产。焊锡工艺波焊設備的基本架構1.助焊槽(Fluxer)2.預熱器(Preheater)3.錫槽(SolderTank)4.輸送帶(Conveyor)5.控制系統(ControlSystem)焊锡工艺波峰焊的第一步:松香塗佈助焊剂喷雾助焊剂发泡焊锡工艺松香塗佈的過程要特別注意,空氣中松香擴散的狀況,若因抽風系統不良而擴散出沾附區域外時,將發生以下狀況:1.飄散至Preheater上方會因溫度過高而產生氣爆或燃燒等危險2.飄入生產線將造成人員不適及吸入性中毒焊锡工艺波峰焊的第二步:預熱預熱的幾個主要目的1.使助焊劑中的溶劑揮發2.減少熱衝擊3.加速化學反應預熱的幾種不同系統1.熱風式2.紅外線加熱板3.紅外線石英管焊锡工艺波峰焊的第三步:錫波基本上,在錫波中可分為三個重要的區段1.進入區:吃錫產生的地方2.脫離區:電路板離開錫波,銲錫與電路板在此脫離3.中間區:介於進入區與脫離區之間,又可称为传熱区。焊锡工艺單面波單面波是將噴頭傾斜,使錫波只能從一個方向流動焊锡工艺波峰焊接类型1．单波峰焊接类型它是借助于锡泵把熔融的焊锡断垂直向上地朝狭长出口涌出，形成10～40mm高的波峰焊。这样使焊锡以一定的速度与压力作用于PCB上，充分渗透入待焊的元器件脚与PCB板之间，使之完全湿润并进行焊接。它与浸焊相比，可明显减少漏焊的比率。由于焊料波峰的柔性，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。单波峰焊接的缺点是波峰垂直向上的力，会给一些较轻的元器件带来冲击，造成浮件或虚焊。由于设备价廉，技术成熟在国内一般穿孔插装元器件（THD）的焊接已普遍采用。焊锡工艺雙波SMD的波焊作業對錫波有兩個相反的需求銲錫必須接觸所有的焊點且距離接近的焊墊間的短路必須避免焊锡工艺2、双波峰焊接由于SMD没有THD那样的安装插孔，助焊剂受热后挥发的气体无处散出，另外,SMD有一定的高度和宽度，又是高密度贴装，而焊料表面有张力的作用，因而焊料很难及时湿润渗透到贴装元件的每个角落，所以如果采用单波峰焊接，将会出现大量的漏焊和桥连，必须采用双波峰焊接才能解决上述问题。双波峰焊接：在锡炉前后有两个波峰，有一个较窄（波高与波宽之比大于1）峰端有2～3排交错排列的小峰头，在这样多头上下左右不断快速流动的湍流波作用下，剂受热产生的气体都被排除掉，面张力也被削弱，而获得良好的焊接。后一波峰为双方向宽平波，焊锡流动平坦而缓慢，可以去除多余的焊料，消除毛刺、桥连等不良现象。双波峰焊对SMD的焊接可以获得良好的效果，已在插贴混装方式的PCB上普遍采用。其缺点是PCB经两次波峰，受热及变形量大，对元器件、PCB板均有影响。焊锡工艺影响焊接质量的主要因素1、波峰高度：波峰高度要平稳，波峰高度达到线路板厚度的1/2～2/3为宜，波峰高度过高，会造成焊点拉尖，堆锡过多，也会使锡溢也元件成烫伤元器件，波峰过低往往会造成漏焊和挂锡。2、焊接温度：是指被焊接处与熔化的焊料相接触时的温度。正确地控制温度是保证焊接质量的关键。温度过低，会使焊点毛糙，不光亮，造成虚焊、假虚及拉尖。温度过高，易使电路板变形，还会对焊盘及元器件带来不好影响，一般应控制在250℃±5℃。3、运输速度及角度：运输速度决定着焊接时间。速度过慢，则焊接时间长，对PCB与元件不利，速度过快，则焊接时间过短，易造成虚焊、假虚、漏焊、桥接、堆锡、产生气泡等现象。以焊接接触焊料的时间3秒为宜。4、预热温度：合适的预热温度可减少PCB的热冲击，减小PCB的变形翘曲，提高助焊剂的活性。一般要求机板经预热后，焊点温度达到：单面板：85～100℃双面板：85～150℃（板面实际温度）。焊锡工艺影响焊接质量的主要因素5、焊料成份：进行焊接作业时，板子与零件脚上的金属杂质会进入锡炉里，同时锡炉中的Cu或其他金属杂质随元件脚等外界污染溶解焊锡中。如此一来，可能影响焊点的不良或者焊后锡点不亮，所以，最好每隔三个月检查一次锡炉中的锡焊成份，使其控制在标准范围内。6、助焊剂比重：每个型号的助焊剂来料时都有一个相对稳定的比重，供应商一般会提供控制范围，要求在使用中保持此范围。以发泡工艺为例：由天助焊剂的溶剂是采用醇类有机溶剂，在使用中PCB板带走及发泡过程中的挥发，助焊剂比重将升高，此时应加入稀释剂调配到要求范围内使用。比重太高即助焊剂浓度高，易出现板面残留物增多，连焊、包焊等不良焊点多，甚至造成绝缘电阻下降；助焊剂比重过低易造成焊接不良，出现焊点拉尖、锡龙去脉桥、虚焊等现象。7、PCB板线路设计、元器件的可焊性及其它因素；机板的线路设计，制作质量以及元器件的可焊性均对焊接质量造成很大影响。另外，人的汗水、环境的污染、运送系统的污染，以及包装材料的污染均对焊接质量有影响。一、虚焊（1）现象：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面。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就可以定义为虚焊。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。用铅-锡合金钎料对铜基体进行软钎接时，在熔融钎料与基体金属的界面上，由于扩散作用，从钎料方面看，仅有Sn参与了与基体金属之间的反应(Pb不参与化合物反应)，并从基体金属表面向其内部扩散。相反，从基体金属方面看，基体金属与钎料之间的反应是基体金属在液态钎料一侧的溶蚀，并扩散到钎料中去。这种在界面上以原子量的比例按化学方式结合起来的金属间化合物靠近钎料一侧形成了Cu6Sn5（η相），而靠近铜的一侧形成了Cu3Sn（ε相），当温度超过300℃时还有其它相，如Cu31Sn8(Y相)以及不明合金产生。国内有试验报告称：合金层的厚度为(1.3～3.5)ЧM的比较合适。这种合金的显微组织结构，。形成原因：钎接温度低热量供给不足钎接时必须供给足够的热量，当钎接部没有加热到最佳润湿温度时，就不能形成良好的合金层。在极端情况下，因钎接不产生浸润，就形成了冷焊焊点。在波峰焊接中出现此现象的主要原因是：钎料槽温度低。焊点接合部的金属不能加热到能生成金属间化合物的最适宜的温度；夹送速度过快。即使钎料槽已处于最佳温度状态，但由于夹送速度过快，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钎料浸润不完善，不能形成理想的合金层。PCB设计不合理。导致了热容量相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。②PCB或元器件引线可焊性差液体与固体接触时，总是存在着润湿性问题。影响润湿性的主要因素是：(a)被接合的基体金属表面氧化、污染由于在接合金属表面上形成的氧化膜或者污染膜，通常比接合母材具有更高的表面自由能，它们在接合界面起隔离原子的作用而成为钎接的障碍。因此钎接中的“润湿”过程，只有将它们除去后才会发生。(b)钎料槽温度过高由于钎料槽温度过高，钎料与母材表面加速氧化而造成钎料表面张力增加、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，慢流性下降，如图12-2所示。波峰焊接中钎料槽的温度超过270℃时就可能出现此现象。(c)钎料槽温度偏低钎料槽温度偏低造成润湿不良是因为在低温下钎料的流动性、流布性都较差。而界面上原子扩散的激活能也小，没有或不足以形成合金，故表现为润湿性差或不润湿。(d)焊接时间过长可焊性随加热时间的增加而降低，如图12-3所示。加热时间增加而润湿性变差的原因是主要是由于弱润湿现象所致，即当“润湿”已经发生，钎接界面已经产生了合金层，但若钎料保持熔化状态的时间过长，则金属间化合物层会生长得大厚，而钎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，因此在波峰焊接中夹送速度小于0.5米/分以下是不可取的。③钎料未凝固前焊接处晃动④流入了阻焊剂。(3)解决办法：①焊前洁净所有被焊接的表面，确保可焊性；②调整焊接温度；③增强助焊剂的活性；④合理地选择焊接时间；⑤改善储存条件缩短PCB和元器件的储存时间。二、不润湿及反润湿(1)现象①不润湿波峰焊接后基体金属表面产生不连续的钎料薄膜。在不润湿的表面钎料根本就没有与基体金属完全接触，因而可以明显地看到裸露的基体金属表面。②反润湿波峰焊接中钎料首先润湿基体金属表面，后因润湿不好而回缩，从而在基体金属表面上留下一层很薄的钎料，同时又断断续续的有些分离的钎料球。大钎料球与基体金属相接触处有很大的接触角。(2)形成原因①不润湿：很多原因都产生不润湿现象，主要原因如下：(a)基体金属不可焊；(b)使用助焊剂的活性不够或助焊剂变质失效；(c)表面上的油或油脂类物质使助焊剂和钎料不能与被焊表面接触；(d)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钎料的接触时间过长，金属间化合物层长得太厚以致钎料又会剥落下来。其影响与虚焊相似。②反润湿：反润湿的原因类似于非润湿情况。此外，在基体金属表面上某种形式的玷污也会引起半润湿现象，例如清洗时把磨料嵌入铜箔表面即是一例。另外当钎料槽里的金属杂质浓度达到一定值后，也会产生半润湿状态。在那种由于表面严重污染而导致可焊性不良的极端情况下，在同一表面上会同时出现非润湿和半润湿共存的状态。(3)解决方法①改善被焊金属的可焊性；②选用活性强的助焊剂；③合理地调整好焊接温度和焊接时间；④彻底清除被焊金属表面油、油脂及有机污染物；⑤保持钎料槽中的钎料纯度。12.2.3焊点的轮廓敷形(1)现象①钎料过多（堆焊）；钎料在焊点上堆集过多而形成凸状表面外形，看不见元器件引线轮廓，如图12-4(a)和图12-5(a)所示。②钎料过少(干瘪)：形成原因上面分析了焊点的最佳敷形，那么敷形形状又是受哪些因素影响的呢？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如果基体金属表面氧化且助焊剂也难以清除，或者由于基体金属表面凹凸不平，在润湿角θ＞90°的大润湿角状态下，引线表面的凹凸面上就变成机械啮合式的接合。由于它的润湿角很大，钎料隆起随之增大。(a)PCB铜箔表面状态与敷形的关系对PCB来说由于表面可焊性差或者由于存在着凹凸不平，使得PCB板的真实表面积增大了。在θ＞90°的情况下，结果就越来越向妨碍润湿方向发展，使得焊接部表面敷形愈来愈恶化。①PCB布线设计不规范与敷形的关系(a)尺寸配合不当的影响(1)盘一线盘一线尺寸配合正确与否对焊点敷形影响很大，由图12-8所示。钎接过程中焊点的液滴要同时受到沿焊盘表面和引线表面两个方向的吸附力Ｆ1、Ｆ2的作用，而使液面成弯月状。当引线直径和伸出高度(H)一定时，吸附力Ｆ2则基本上是一个定值，因此吸附力Ｆ1将成为影响焊点敷形的主要因素，而力Ｆ1的大小取决于焊盘面积的大小。当出现大焊盘、小引线时，液滴