电子产品制造工艺表面组装焊接技术

自动焊接技术焊接的物理基础是“润湿”，润湿也叫做“浸润”。润湿是指液体在与固体的接触面上摊开，充分铺展接触，这种现象就叫做润湿。锡焊的过程，就是通过加热，让铅锡焊料在焊接面上熔化、流动、润湿，使铅锡原子渗透到铜母材(导线、焊盘)的表面内，并在两者的接触面上形成Cu6—Sn5的脆性合金层。在焊接过程中，焊料和母材接触所形成的夹角叫做润湿角，当θ＜900时，焊料与母材没有润湿，不能形成良好的焊点；当θ＞900时，焊料与母材润湿，能够形成良好的焊点。观察焊点的润湿角，就能判断焊点的质量。如果焊接面上有阻隔润湿的污垢或氧化层，不能生成两种金属材料的合金层，或者温度不够高使焊料没有充分熔化，都不能使焊料润湿。润湿的概念润湿与润湿角不润湿的实例润湿的概念自动焊接技术在工业化生产过程中，THT工艺常用的自动焊接设备是浸焊机和波峰焊机，从焊接技术上说，这类焊接属于流动焊接，是熔融流动的液态焊料和焊件对象做相对运动，实现湿润而完成焊接。再流焊接是SMT时代的焊接方法。它使用膏状焊料，通过模板漏印或点滴的方法涂敷在电路板的焊盘上，贴上元器件后经过加热，焊料熔化再次流动，润湿焊接对象，冷却后形成焊点。焊接SMT电路板，也可以使用波峰焊。采用波峰焊所用的贴片胶和采用再流焊所用的焊锡膏是SMT特有的工艺材料。SMT焊接工艺的典型设备是再流焊炉以及焊膏印刷机、贴片机等组成的焊接流水线。自动焊接还要用到助焊剂自动涂敷设备、清洗设备等其他辅助装置，SMT自动焊接的一般工艺流程包括：PCB、SMC/SMD准备→元器件安装→涂敷助焊剂→预热→焊接→冷却→清洗。波峰焊与波峰焊机1.波峰焊机结构及其工作原理波峰焊机是在浸焊机的基础上发展起来的自动焊接设备，两者最主要的区别在于设备的焊锡槽。波峰焊是利用焊锡槽内的机械式或电磁式离心泵，将熔融焊料压向喷嘴，形成一股向上平稳喷涌的焊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平面直线匀速运动的方式通过焊料波峰，在焊接面上形成润湿焊点而完成焊接。波峰焊机的焊锡槽示意图波峰焊原理PCB移动方向波峰焊机1装板－涂助焊剂－预热－焊接－热风刀－冷却－卸板波峰焊机2在波峰焊机内部，焊锡槽被加热使焊锡熔融，机械泵根据焊接要求工作，使液态焊锡从喷口涌出，形成特定形态的、连续不断的锡波；已经完成插件工序的电路板放在导轨上，以匀速直线运动的形式向前移动，顺序经过涂敷助焊剂和预热工序，进入焊锡槽上部，电路板的焊接面在通过焊锡波峰时进行焊接。然后，焊接面经冷却后完成焊接过程，被送出焊接区。冷却方式大都为强迫风冷，正确的冷却温度与时间，有利于改进焊点的外观与可靠性。波峰焊原理助焊剂喷嘴既可以实现连续喷涂，也可以被设置成检测到有电路板通过时才进行喷涂的经济模式；预热装置由热管组成，电路板在焊接前被预热，可以减小温差、避免热冲击。预热温度在90℃～120℃之间，预热时间必须控制得当、预热使助焊剂干燥(蒸发掉其中的水分)并处于活化状态。焊料熔液在锡槽内始终处于流动状态，使喷涌的焊料波峰表面无氧化层，由于印制板和波峰之间处于相对运动状态，所以助焊剂容易挥发，焊点内不会出现气泡。波峰焊原理几种波峰焊机的特点a斜坡式波峰焊b高波峰焊c电磁泵喷射波峰焊再流焊再流焊，也称为回流焊，是英文Re-flowSoldering的直译，再流焊工艺是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏装软钎焊料，实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。再流焊是伴随微型化电子产品的出现而发展起来的锡焊技术，主要应用于各类表面组装元器件的焊接。再流焊再流焊接技术的焊料是焊锡膏。预先在电路板的焊盘上涂敷适量和适当形式的焊锡膏，再把SMT元器件贴放到相应的位置；焊锡膏具有一定粘性，使元器件固定；然后让贴装好元器件的电路板进入再流焊设备。传送系统带动电路板通过设备里各个设定的温度区域，焊锡膏经过干燥、预热、熔化、润湿、冷却，将元器件焊接到印制板上。再流焊的核心环节是利用外部热源加热，使焊料熔化而再次流动润湿，完成电路板的焊接过程再流焊再流焊操作方法简单，效率高、质量好、一致性好，节省焊料(仅在元器件的引脚下有很薄的一层焊料)，是一种适合自动化生产的电子产品装配技术。再流焊工艺目前已经成为SMT电路板组装技术的主流。与波峰焊技术相比，再流焊工艺具有以下技术特点：①元件不直接浸渍在熔融的焊料中，所以元件受到的热冲击小。②能在前导工序里控制焊料的施加量，减少了虚焊、桥接等焊接缺陷，所以焊接质量好，焊点的一致性好，可靠性高。③假如前导工序在PCB上施放焊料的位置正确而贴放元器件的位置有一定偏离，在再流焊过程中，当元器件的全部焊端、引脚及其相应的焊盘同时润湿时，由于熔融焊料表面张力的作用，产生自定位效应，能够自动校正偏差，把元器件拉回到近似准确的位置。④再流焊的焊料是商品化的焊锡膏，能够保证正确的组分，一般不会混入杂质。⑤可以采用局部加热的热源，因此能在同一基板上采用不同的焊接方法进行焊接。⑥工艺简单，返修的工作量很小。再流焊工艺的特点再流焊方式可贴装各种SMD焊盘焊膏再流焊典型工艺再流焊机a主要技术参数加热方式管式/板式红外/热风/气相温区3-9温度控制±5℃～±2℃再流焊机b焊接质量及其检测焊接是SMT的核心；SMT组装中绝大多数的工艺，是为了获得良好的焊接质量而要求的；PCBA组装质量有缺陷，必须从焊接的角度着手解决。SMT组装焊接工艺主要是波峰焊与回流焊，回流焊工艺占主导地位。回流焊主要作用是对PCB板加热，让锡膏把贴片元件美观地固定在PCB板上。焊接质量检测___焊接通用技术要求表面组装焊点的质量要求表面润湿程度良好：熔融的焊料在被焊金属表面上应平坦铺展，并形成完整、连续、均匀的焊料覆盖层。焊料量适中：焊料量应避免过多或过少；焊接表面平整，焊接表面应完整、连续和平滑（不要求光亮的外观）；焊点位置准确：元器件的焊端或引脚在PCB焊盘上的位置偏差，应在规定的范围内。焊接质量检测___焊接质量检测方法焊点检测原则①全检原则：采用目视或仪器检验，检验率应达到100%；②非破坏性原则：抽检。目视检测优点：检测方便、成本低；不足：①速度慢②主观性强③一致性不高，不确定因素大④对操作员个人技能、经验要求较高⑤仅能检测焊点外在缺陷焊接质量检测___焊接质量检测方法自动检测常见自动光学检测（AOI）与自动X光检测（AXI）。优点：①速度快②一致性高③AXI不仅可以检测外部缺陷，还可检测内部缺陷。不足：一次设备投资大。AOIAXI焊接质量检测___再流焊工艺质量分析回流焊温度曲线焊接质量检测___再流焊工艺质量分析1.预热阶段完成PCB的温度从室温提升到助焊剂所需的活化温度；使焊膏中的助焊剂溶剂挥发掉；※在此阶段需注意升温速度不能太快，一般应控制在30C/s以内，以避免焊膏“爆炸”飞溅和元件热应力损伤。2.保温阶段激活焊膏中的助焊剂；使PCB、元器件和焊料升温到一个均匀的温度；※保温阶段一般温度控制在90~1700C，时间控制在90~120s。时间过长，会使焊膏再度氧化，提前使助焊剂失效。焊接质量检测___再流焊工艺质量分析3.再流阶段其作用是将PCB装配的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度。焊膏熔化、润湿、扩散，形成焊点。※允许的峰值最高温度由焊膏、元器件、PCB的特性决定，通常使用的最高峰值温度的范围是230~2500C，太高的峰值温度会引起PCB材料变色、劣化、印制电路板和元器件的电气性能变坏等。4.冷却阶段组件从焊料熔点开始固化冷却至到温的过程。焊接质量检测___再流焊工艺质量分析温度曲线的设定合适的温度曲线是根据所焊接PCBA的特点（PCB的厚度、元件密度、元件种类）确定的，要通过试验设定。一般把升温速率、预热结束温度、预热时间、再流焊峰值温度、再流时间、板上温度的均匀性作为温度曲线的关键因素。焊接质量检测___再流焊工艺质量分析传统锡铅焊膏的再流焊温度曲线焊接质量检测___再流焊工艺质量分析有铅焊接，一般温度曲线的设置应注意：升温速率：≤30C/s，一般设置为1.5~2.50C/s,判断的依据是焊接后有没有锡球。预热结束温度：150~1700C，温度高利于减少焊接时产温度冲击，降低峰值温度。预热时间：90~120s，以整个PCBA上各类元件焊点处的温度趋向一致为宜。再流焊峰值温度：2100C±50C。再流时间：30~50s，以形成良好的润湿和金属间化合物为宜。板上温度的均匀性：≤100C。焊接质量检测___再流焊工艺质量分析某无铅焊膏的再流焊温度曲线焊接质量检测___再流焊工艺质量分析无铅焊接，一般温度曲线的设置应注意：升温速率：≤30C/s，一般设置为1.5~2.50C/s,判断的依据是焊接后有没有锡球。预热结束温度：1800C。预热时间：90~120s，以整个PCBA上各类元件焊点处的温度趋向一致为宜。再流焊峰值温度：2300C~2350C。再流时间：2200C以上，30~50s；2300C以上，25~35s，。板上温度的均匀性：≤50C。焊接质量检测___再流焊工艺质量分析预热不足或过多的回流曲线焊接质量检测___再流焊工艺质量分析活性区温度太高或太低焊接质量检测___再流焊工艺质量分析回流太多或不够焊接质量检测___再流焊工艺质量分析冷却过快或不够焊接质量检测___再流焊缺陷分析（1）虚焊定义：焊接后，焊端/引脚与焊盘之间有时出现电隔离现象。特征：焊料与PCB焊盘或元件引脚/焊端界面没有形成足够厚度的合金层，导电性能差，连接强度低，使用过程中焊点失效特征焊料与焊接面开裂。形成原因：主要有焊盘/元器件表面氧化、或被污染、或焊接温度过低。事实上，PCB制造工艺、焊膏、元器件焊端或表面镀层及氧化情况都会产生虚焊。改进措施严格控制元器件、PCB的来料质量，确保可焊性良好；改进工艺条件。焊接质量检测___再流焊缺陷分析(2)立碑（Tombstoming)定义：元件一端翘起的缺陷，此缺陷只发生在片式阻容类（只有两个焊端）元件上。立碑也称吊桥、立片。特征：元件一端翘起，与焊盘分离。形成原因：元件的一焊端比另一端先熔化和润湿，产生的表面张力把元件拉起。如果元件两个焊盘大小不同，或印刷的焊膏量不同、或两端可焊性不同，都会引起此缺陷，元件越小，越容易产生。改进措施：从焊盘设计、焊膏印刷方面，尽可能使两面热容量一样，确保再流焊时两边同时熔化和润湿。焊接质量检测___再流焊缺陷分析(3)桥连（SolderShort/Bridge)定义：相临引脚或焊端焊锡连通的缺陷。特征：相临引脚或焊端焊锡连通。形成原因：元件贴放偏移超过焊接工艺间距或焊膏量过多。改进措施：减少焊膏量；调整贴放位置。焊接质量检测___再流焊缺陷分析(4)开路(Open)定义：引脚与焊盘没有形成焊锡连接，存在肉眼可见的明显间隙，多发生在QFP器件、连接器等多引脚的器件上。又称翘脚。特征：引脚或焊球与焊盘焊锡面有间隙。形成原因：器件引脚共面性差、或个别焊盘或引脚氧化严重。改进措施：对细间距的QFP操作要特别小心，避免造成引脚变形，同时严格控制引脚的共面性；严格控制物料的可焊性。焊接质量检测___再流焊缺陷分析(5)锡球（SolderBall)定义：分布在焊盘周围的微小锡球缺陷。（注意：中文中球比珠大，在英文里却是锡球小而多，锡珠少而大）特征：锡球尺寸很小（大多数锡球就是焊粉颗粒），数量较多，分布在焊盘周围。形成原因：焊膏印刷时焊膏污染PCB；焊膏氧化；再流焊接时预热升温速度太快。改进措施：改进工艺条件，如更频擦网、不使用残留焊膏、控制车间湿度、降低再流焊时的预热速度、减少钢网开口尺寸等。焊接质量检测___再流焊缺陷分析(6)锡珠（SolderBeading)定义：在元件体周围黏附的焊球。特征：分布在元件体周围非焊点处，尺寸比较大并黏附在元件体周围。形成原因：此缺陷形成于非常小的低部间隙元件周围，如片式电阻、片式电容。再流焊接时，预热过程的热气使部分焊膏挤到元件体底部，再流时