表面组装技术—波峰焊工艺

第五章波峰焊工艺WaveSoldering什么是波峰焊波峰焊是利用波峰焊机内的机械泵或电磁泵，将熔融焊料压向波峰喷嘴，形成一股平稳的焊料波峰，并源源不断地从喷嘴中溢出。装有元器件的PCB以直线平面运动的方式通过焊料波峰面而完成焊接的一种成组焊接工艺技术。热浸焊热浸焊接时，高温焊料大面积暴露在空气中，容易发生氧化。每焊接一次，必须刮去焊料表面的氧化物与焊剂残留物，因而焊料消耗量加大。热浸焊接必须正确把握PCB浸入焊料中的深度。过深时，焊料漫溢至PCB上面，会造成报废；深度不足时，则会发生大量漏焊接。单波峰焊单波峰焊是借助焊料泵，把熔融状焊料不断垂直向上地朝狭长出口涌出，形成20~40mm高的波峰。这样可使焊料以一定的速度和压力作用于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。单波峰焊优点：与热浸焊接相比，单波峰焊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。缺点：焊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。双波峰焊前一波峰较窄，波高与波宽之比大于1，峰端有2~3排交错排列的小峰头，在这样多头的、上下左右不断快速流动的湍流波作用下，焊剂气体都被排除掉，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，焊料流动平坦而缓慢，可以去除多余焊料，消除毛刺、桥连等不良现象。双波峰焊为了适应各类SMC/SMD以及高密度组装的需要，在双波峰的基础上，进行了各种各样的改进，实际采用的双波峰类型主要有：λ型波T型波Ω型波O型旋转波λ型波λ型波是由一个平坦的主波峰区和一个曲率的副波峰组成。λ型波特点：SMA与波峰接触时间较长，因此焊料对PCB的擦洗作用比较好。由于喷嘴前安置档板控制波峰形状，从而控制了波峰的速度特性，这样在喷嘴前面形成了较大的相对速度为零的区域，在其相对速度为零的那点进行焊接，有助于减少焊点拉尖、桥接现象。T型波T型波是在λ型波峰上把主峰缩短，副波延伸演变而成。T型波特点是把波峰变得很宽。PCB在通过T型波时，焊料已浸润了印制板的表面并从波峰中推出，形成薄层。由于波峰很宽，这样表面张力有充分的时间把多余的焊料拖回至波峰，减少桥接。Ω型波在双波峰焊系统中，SMA两次经过熔融焊料波峰，热冲击很大，PCB易产生变形。为了解决该问题，研究开发出Ω型波。它是λ型波的演变，在喷嘴出口处设置了水平方向微幅振动的垂直板，能使波峰产生垂直向上的扰动，从而获得双波峰的效果。O型旋转波O型旋转波的设计思想是只采用一个主峰，但对主峰的运动状态做了改进，它在喷嘴中装有一组S型栅栏并做往复运动，并导致液态焊料产生O型旋转运动。当与SMC接触时，能有效地包围着SMC的焊点，从而达到减低“焊接死区”的作用。波峰焊工艺要求1．波峰焊对工作环境的要求①工作间要通风良好、干净、整齐。②助焊剂器具用后要盖上盖子，以防挥发。③回收的助焊剂应隔离存放，定期退还化工库或集中处理。波峰焊工艺要求2．波峰焊工艺对元器件和印制板的基本要求①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，焊接后元器件体不变形、不损坏，片式元件端头无脱帽现象。②对于通孔插装元器件，如采用短插一次焊工艺，焊接面元件引脚应露出印制板表面0.8～3mm。③基板应具备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。④印制电路板翘曲度小于0.8～1.0%。⑤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。波峰焊工艺要求3．波峰焊对配件及工艺材料的要求（1）配件工具①300℃温度计：用于测量锡波的实际温度。②比重计：用于测量助焊剂的比重。③喷嘴清理工具。④焊料锅残渣清理工具。波峰焊工艺要求（2）焊料目前一般采用Sn63/Pb37棒状共晶焊料，熔点183ºC。使用过程中，Sn和Pb的含量分别保持在±1％以内；Sn的最小含量为61.5％；焊料中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＜0.02％，As＜0.05％。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，不符合要求时需更换焊锡或采取其它措施，例如当Sn含量少于标准要求时，可掺加一些纯Sn。波峰焊工艺要求（3）焊剂焊剂的作用：①焊剂中的松香树脂和活性剂在一定温度下产生活化反应，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。②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。波峰焊工艺要求（3）焊剂焊剂的特性要求：①熔点比焊料低，扩展率＞85％。②粘度和比重要比熔融焊料小，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。③免清洗型焊剂的比重＜0.8，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＞l×1011Ω。④水清洗、半水清洗和溶剂清洗型焊剂要求焊后易清洗。⑤常温下储存稳定。波峰焊工艺要求（3）焊剂焊剂的选择要根据产品对清洁度和电性能的具体要求进行选择。按照清洗要求，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。一般情况下军用及生命保障类产品，如卫星、飞机仪表、潜艇通信、医疗装置和微弱信号测试仪器等电子产品必须采用清洗型的焊剂。其他如通信类、工业设备类、办公设备类及计算机等类型的电子产品可采用免清洗或清洗型的焊剂。一般家用电器类电子产品均可采用免清洗型焊剂或采用RMA（中等活性）松香型焊剂，可不清洗。波峰焊工艺要求（4）稀释剂当焊剂的比重超过要求值时，可使用稀释剂进行稀释；不同型号的焊剂应采用相应的稀释剂。（5）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的作用。要求防氧化剂还原能力强、在焊接温度下不碳化。目前主要采用油类与还原剂组成的防氧化剂。波峰焊工艺要求（6）锡渣减除剂锡渣减除剂能使熔融的焊锡与锡渣分离，从而起到节省焊料的作用。（7）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等。波峰焊工艺基本流程波峰焊机通常由波峰发生器，印刷电路板传输系统，助焊剂喷涂系统，印刷电路板预热、冷却装置与电气控制系统等基本组成部分，另外可添加热风刀、油搅拌和惰性气体保护等。1．助焊剂喷涂装置在进行波峰焊之前，要将助焊剂施加到SMA的底部，通常采用的方式有：发泡式、喷流式、喷雾式。(1)发泡式：将一个有网孔的发泡圆筒，沉入配有发泡剂的液体助焊剂槽中，用洁净压缩空气吹入使其发泡，助焊剂通过泡沫喷头附着在印刷电路板的底面上。1．助焊剂喷涂装置（2）喷流式：通过采用一个旋转的网状鼓轮，从鼓轮底部的槽液中汲取助焊剂。随着鼓轮的旋转，将助焊剂从网状物内以细小雾滴的形式，吹至印刷电路板上。鼓轮的旋转速度控制着助焊剂的涂覆量。（3）喷雾式：在喷射助焊剂的过程中，助焊剂被安置在一个密封的容器内，喷射时呈现雾状，向上喷射至印刷电路板组件的底部。喷雾助焊剂的方式可以精确地控制整个施加的助焊剂量。2．预热系统波峰焊设备采用预热系统以升高印刷电路板组件和助焊剂的温度，这样有助于减小印刷电路板进入焊料波峰时受到的热冲击，同时也有助于助焊剂活化。预热处理能使印刷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，比如具有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，以求给印刷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。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，尤其适合于水基助焊剂。这是因为它能够提供所要求的温度和空气容量，将水蒸发掉。(2)石英灯。石英灯是一种短波长的红外线(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，这种热源实现温度变化的速度较为缓慢，通常用于实现单一恒定的温度，能够很好地渗透到印刷电路板材料之中，以满足较快时间的加热。3．焊料波峰印刷电路板组件在完成助焊剂涂覆后，离开预热区，通过传输带穿过焊料波峰。焊料波峰是由来自于容器内熔化了的焊料，上下往复运动而形成的，波形的长度、高度以及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。随着涂覆助焊剂的印刷电路板通过焊料波峰，就可以形成焊点。4．传输系统传输系统是一条安放在滚轴上的金属传送带，它支撑着印刷电路板移动着通过波峰焊区域。在传输带上，印刷电路板组件一般通过机械手或其它机械机构予以支撑。托架能够进行调整，以满足不同尺寸类型的印刷电路板需求，或者按特殊规格尺寸进行制造。波峰焊设备的传输带控制着组件通过每个工艺处理步骤的速度和位置，因此传输带必须运行平稳，并维持一个恒定的速度。传输带的速度和角度可以进行控制，当组件底部从焊料波峰中出来时，微小的仰角有益于改善焊料的脱离，可使细间距引脚之间的焊料桥接现象降低至最小的程度。5．控制系统目前在波峰焊设备中普遍采用了计算机控制，这不仅降低了成本，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。采用智能化控制是一种必然趋势，波峰焊系统采用智能化控制后，可以实现把人的思维判断能力，和波峰焊中各工艺要素之间的内在规律性融合在一起，形成一个完整的控制数学模型。再经过模式识别、判断、运算和决策，实现对系统进行最优的实时自适应控制和无缺陷钎焊。目前，已出现波峰焊接优化控制器，用于实时优化控制波峰焊接工艺与设备参数，以获得最佳的焊接效果。波峰焊工艺曲线解析波峰焊的工艺参数很难具体规定，它受到许多复杂因素支配，不仅取决于机器型号，也取决于被焊产品的设计。描述波峰焊的工艺参数是“时间”与“温度”。典型的双波峰焊温度曲线1．润湿时间润湿时间指焊点与焊料相接触后润湿开始的时间，该时间仅是理论上存在，实际上无法计量。2．停留/焊接时间指PCB上某一个焊点接触到波峰面到这一焊点刚离开波峰面的时间。要测量停留/焊接时间，必须先测量波峰面宽度，具体做法是用带刻度专用耐高温的平板玻璃，像放PCB一样放入波峰焊机中，当平板玻璃运行到波峰面时，就可以读出波峰面宽度，波峰面宽度会受到焊锡量多少的影响，因此应多测几次做出评估，通常波峰面宽度可通过倾角调到5~6cm。停留/焊接时间的计算方式是：3．预热温度预热温度指PCB与波峰面接触前所达到的温度，通常PCB焊接面的温度应根据焊接的产品来确定。预热温度参考表4．焊接温度焊接温度是非常重要的焊接参数，通常高于焊料熔点约50℃~60℃，大多数情况是指焊锡锅的温度。该温度是焊盘达到润湿温度的根本保证。适当的高焊料温度还能保证焊料有较好的流动性，焊接温度在波峰焊机开通时应定期定时检查，尤其是焊接缺陷增多时，更应该首先检查锡锅的温度。实际运行时，所焊接的PCB焊点温度要低于锡锅温度，这是PCB吸热的结果，曲线上所见到的温度仅为227℃。5．波峰高度波峰高度指波峰焊接中的PCB吃锡深度，其数值通常控制为PCB板厚的1/2~2/3。波峰高度过大会导致熔融焊料流到PCB的表面，会导致“桥连”。另外PCB浸入焊料面越深，其挡流作用越明显，再加上元件引脚的作用，就会扰乱焊料的流动速度分布，不能保证PCB与焊料流的相对零速运动。对幅面过大和超重的PCB，通常用增加拦锡条或在波峰焊机的锡锅架设钢丝的办法来解决。6．传送倾角波峰焊机在安装时除了调整机器的水平外，还应调节传送装置的倾角，高档波峰焊机有量化指示。通常倾斜角控制为3°~7°。通过倾斜角的调节，可以实现调控PCB与波峰面的焊