SMT實(shí)用工藝基礎(chǔ)-波峰焊接質(zhì)量分析
作者：博維科技 時(shí)間：2018-08-13 14:31
波峰焊接質(zhì)量分析
波峰焊與再流焊相比較，工藝比較復(fù)雜，質(zhì)量控制的難度比較大。再流焊工藝中，焊料是預(yù)先分配到印制板焊盤上的，每個(gè)焊點(diǎn)的焊料成分與焊料量是固定的，因此只要PCB設(shè)計(jì)正確，PCB、元器件和焊膏的質(zhì)量以及焊膏印刷和貼裝都是合格的，再流焊質(zhì)量就可以通過再流焊溫度曲線來保證。而波峰焊工藝中隨機(jī)的因素非常多，例如焊劑的比重和噴涂量、印制板預(yù)熱溫度和時(shí)間、焊接溫度和時(shí)間、印制板爬坡角度和波峰高度等等都會(huì)影響焊接質(zhì)量。
隨著目前元器件變得越來越小，PCB組裝密度越來越密，另外由于免清洗焊劑不含鹵化物，固體含量不能超過2％，因此去氧化和助焊作用大大減小，使波峰焊工藝的難度越來越大。
對(duì)于波峰焊工藝來講，出現(xiàn)各種焊接缺陷是不可避免的，但只要我們認(rèn)真的研究并掌握波峰焊的原理、焊接過程和特性，選擇適當(dāng)?shù)暮噶虾秃竸?，在生產(chǎn)過程中根據(jù)不同印制板的具體情況以及設(shè)備的具體條件設(shè)計(jì)合理的工藝參數(shù)，可以將焊接不良率降到最低限度。
影響波峰焊質(zhì)量的因素很多，主要有以下方面：
16.1設(shè)備要求
波峰焊機(jī)本身的性能質(zhì)量、功能、配置是保證焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)。
一.焊劑涂覆系統(tǒng)的可控制性
目前焊劑涂覆主要有刷子涂刷、發(fā)泡和定量噴射等方法。涂刷與發(fā)泡的成本低，但由于焊劑暴露在空氣中，焊劑中的溶劑會(huì)揮發(fā)，隨使用時(shí)間的增加不斷受污染，發(fā)泡管容易被堵塞，因此涂覆量和焊劑質(zhì)量的穩(wěn)定性較差。定量噴射法的焊劑是密閉在一個(gè)密閉的容器內(nèi)，噴射時(shí)呈霧狀，直接在PCB底部噴射，噴涂量是可控的，因此噴涂質(zhì)量較好，適用于免清洗焊劑的涂覆。另外，焊劑涂覆后應(yīng)采用熱風(fēng)刀去除多余的焊劑。
二.預(yù)熱和焊接溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性
預(yù)熱和焊接溫度是保證波峰焊質(zhì)量的重要工藝參數(shù)，因此要求溫度控制系統(tǒng)必需穩(wěn)定。預(yù)熱方式主要有強(qiáng)迫熱風(fēng)對(duì)流、石英燈和加熱棒、加熱板等。強(qiáng)迫 熱風(fēng)較適合水溶性焊劑，有利于水分蒸發(fā)。
三.波峰高度的穩(wěn)定性及可調(diào)整性
波峰高度必需能夠連續(xù)調(diào)整，保持波峰高度穩(wěn)定能夠保證焊接時(shí)PCB的壓錫深度的一致，性。波峰焊機(jī)要求電壓穩(wěn)定度為土10％以內(nèi)；超過此范圍，應(yīng)配置穩(wěn)壓電源。
四.傳輸系統(tǒng)的平穩(wěn)性
要求傳輸帶運(yùn)行平穩(wěn)，傳輸速度和角度必需能夠調(diào)整，如傳輸系統(tǒng)有震動(dòng)，容易造成冷焊(焊點(diǎn)表面呈現(xiàn)焊錫紊亂痕跡)，還會(huì)影響焊點(diǎn)強(qiáng)度。
五.設(shè)備配置情況
是否配置了擾流(震動(dòng))波、熱風(fēng)刀、氮?dú)獗Ｗo(hù)等功能。這些也是影響焊接質(zhì)量的因素。
焊接表面組裝元器件時(shí)，為了避免和減少陰影效應(yīng)，必需采用雙波峰或采用電磁泵波峰焊機(jī)。高密度、免清洗、無鉛焊接時(shí)還需要配置熱風(fēng)刀、氮?dú)獗Ｗo(hù)等功能。
16.2材料要求
波峰焊的材料主要有焊料、焊劑、稀釋劑、防氧化劑、錫渣減除劑、阻焊劑或耐高溫阻焊膠帶等。這些材料的質(zhì)量以及正確的管理和使用直接影響焊接質(zhì)量。
一.焊料
目前一般采用Sn63／Pb37棒狀共晶焊料，熔點(diǎn)183℃。使用過程中Sn和Pb的含量誤差分別保持在±1％以內(nèi)。Sn的最低含量61.5％，焊料的主要雜質(zhì)的最大含量控制在以下范圍內(nèi)：Cu<0.08％，A1<0.005％，F(xiàn)e<0.02％，Bi<0.1％，Zn<0.002％，Sb<0.02％，As<0.05％，Ni<0.01％。cu含量過高，會(huì)使熔融焊料的流動(dòng)性變差，焊點(diǎn)硬而脆；A1含量過高，會(huì)使焊點(diǎn)多孔；2n、Ni含量過高，會(huì)使焊點(diǎn)初糙或形成硬的不熔物等等。
根據(jù)設(shè)備的使用情況定期(三個(gè)月至半年)檢測(cè)焊料的主要雜質(zhì)以及sn和Pb的含量，當(dāng)Sn含量少于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，可摻加一些純sn，如雜質(zhì)過多時(shí)更換焊錫。
二.焊劑
1.焊劑的作用
——焊劑中的松香樹脂和活性劑在一定溫度下產(chǎn)生活性化反應(yīng)，能去除焊接金屬表面氧化膜，同時(shí)松香棚旨又能保護(hù)金屬表面在高溫下不再氧化。
——焊劑能降低熔融焊料的表面張力，有利于焊料的潤(rùn)濕和擴(kuò)散。
2.焊劑的特性要求
(1)熔點(diǎn)比焊料低，擴(kuò)展率>85％：粘度和比重比熔融焊料小，容易被置換，不產(chǎn)生毒氣。焊劑的比重可以用溶劑來稀釋，一般控制在0.82-0.84。免清洗型焊劑的比重為0.8以下。
(2)免清洗型焊劑要求固體含量<2.0wt％，不含鹵化物，焊后殘留物少，不產(chǎn)生腐蝕作用，絕緣性能好，絕緣電阻>1x10Hf~。
(3)水清洗、半水清洗和溶清洗型焊劑要求焊后易清洗。
(4)常溫下儲(chǔ)存穩(wěn)定。
3.焊劑的選擇
按照清洗要求焊劑分為免清洗、水清洗、半水清洗和溶劑清洗四種類型，按照松香的活性分類可分為R(非活性)、RMA(中等活性)、RA(全活性)三種類型，要根據(jù)產(chǎn)品對(duì)清潔度和電性能的具體要求進(jìn)行選擇。
一般隋況下軍用及生命保障類如衛(wèi)星、飛機(jī)儀表、潛艇通信、保障生命的醫(yī)療裝置、微弱信號(hào)測(cè)試儀器等電子產(chǎn)品必須采用清洗型的焊劑；其他如通信類、工業(yè)設(shè)備類、辦公設(shè)備類、計(jì)算機(jī)等類型的電子產(chǎn)品可采用免清洗或清洗型的焊劑；一般家用電器類電子產(chǎn)品均可采用免清洗型焊劑或采用RMA(中等活性)松香型焊劑可不清洗。
三.其它焊劑
1.稀釋劑
當(dāng)焊劑的比重超過要求值時(shí)，可使用稀釋劑進(jìn)行稀釋。不同型號(hào)的焊劑應(yīng)采用相應(yīng)的稀釋劑。
2.防氧化劑
防氧化劑是為減少焊接時(shí)焊料在高溫下氧化而加入的輔料，起節(jié)約焊料和提高焊接質(zhì)量作用，目前主要采用油類與還原劑組成的防氧化劑。要求防氧化劑還原能力強(qiáng)、焊接溫度下不碳化。
3.錫渣減除劑
錫渣減除劑能使熔融的焊錫與錫渣分離，從而起到節(jié)省焊料的作用。
4.阻焊劑或耐高溫阻焊膠帶
用于防止波峰焊時(shí)后附元件的插孔被焊料堵塞。阻焊劑用于水清洗工藝，焊后清洗時(shí)可以被清洗掉。采用耐高溫阻焊膠帶時(shí)，焊接后應(yīng)及時(shí)將膠帶揭掉，如PCB表面有殘留膠，應(yīng)及時(shí)用汽油或乙醇擦掉。
16.3印制電路板
PCB焊盤、金屬化孔與阻焊膜的質(zhì)量、PCB的平整度、貼裝元器件的排布方向，以及插裝孔的孔徑和焊盤設(shè)計(jì)是否合理，也會(huì)影響波峰焊質(zhì)量。
波峰焊對(duì)印制電路板的主要要求如下：
1.一般采用RF4環(huán)氧玻璃纖維布印制電路板，要求印制電路板應(yīng)能經(jīng)受260~C／50s的耐熱性，銅箔抗剝強(qiáng)度好，阻焊膜在高溫下仍有足夠的粘附力，焊接后 ／阻焊膜不起皺。
2.要求印制電路板翹曲度小于0.8—1.0％；，否則會(huì)由于PCB翹起位置與波峰接觸不良而造成漏焊、焊點(diǎn)不完整等缺陷。
3.對(duì)于貼裝元器件采用波峰焊工藝的印制電路板必須按照貼裝元器件的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，元器件布局和排布方向應(yīng)遵循較小的元件在前和盡量避免互相遮擋的原則。
4.插裝元器件的焊盤尺寸與引腳直徑應(yīng)匹配，要有利于形成彎月面的焊點(diǎn)。插裝孔的孔徑比引腳直經(jīng)大0.15-0.4mm(細(xì)引線取下限，粗引線取上限)。插裝孔過小會(huì)造成插裝困難，插裝孔過大會(huì)造成焊點(diǎn)干癟、焊點(diǎn)不完整、有空洞等缺陷。
5.印制電路基板不要存放在潮濕環(huán)境中，不要超過規(guī)定的使用日期，對(duì)受污染或受潮的印制板應(yīng)進(jìn)行清洗和去潮處理。
16.4元器件
1.表面組裝元器件應(yīng)選擇三層結(jié)構(gòu)的金屬端頭，元器件體和焊端能經(jīng)受兩次以上260℃波峰焊的溫度沖擊，焊接后元器件體不損壞或變形，片式元件端頭無脫帽現(xiàn)象
插裝元器件應(yīng)根據(jù)PCB的插裝孑L間距進(jìn)行成形，如采用短插一次焊工藝，焊接面元件引腳露出印制板表面0.8-2.5mm。
3.元器件應(yīng)先到先用，不要存放在潮濕環(huán)境中，不要超過規(guī)定的使用日期，如元器件焊端、引腳受污染或氧化直接影響可焊性，會(huì)造成潤(rùn)濕不良、虛焊、氣孔等焊接缺陷。
16.5工藝
波峰焊的工藝參數(shù)要求比較嚴(yán)格，焊劑比重和噴涂量、預(yù)熱和焊接溫度、傳輸帶傾斜角度和傳輸速度、波峰高度等參數(shù)都會(huì)影響焊接質(zhì)量，必需正確設(shè)置。
影響波峰焊接質(zhì)量的主要工藝參數(shù)：
一.焊劑涂覆量
要求在印制板底面有薄薄的一層焊劑，要均勻，不能太厚，對(duì)于免清洗工藝特別要注意不能過量。焊劑涂覆量要根據(jù)波峰焊機(jī)的焊劑涂覆系統(tǒng)，以及采用的焊劑類型進(jìn)行設(shè)置。焊劑涂覆主要有涂刷、發(fā)泡及定量噴射兩種方式。
采用涂刷與發(fā)泡時(shí)，必須控制焊劑的比重。焊劑的比重一般控制在0.82-0.84之間(液態(tài)松香焊劑原液的比重)。焊接過程中隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，焊劑中的溶劑會(huì)逐漸揮發(fā)，使焊劑的比重增大，其粘度隨之增大，流動(dòng)性也隨之變差，影響焊劑潤(rùn)濕金屬表面，妨礙熔融的焊料在金屬表面上的潤(rùn)濕，引起焊接缺陷。因此，對(duì)于傳統(tǒng)的涂刷及發(fā)泡方式時(shí)焊劑應(yīng)定時(shí)測(cè)量焊劑的比重，如發(fā)現(xiàn)比重增大，應(yīng)及時(shí)用稀釋劑調(diào)整到正常范圍內(nèi)。但稀釋劑不能加入過多，比重偏低會(huì)使焊劑的作用下降，對(duì)焊接質(zhì)量也會(huì)造成不良影響。另外還要注意不斷補(bǔ)充焊劑槽中的焊劑量，不能低于最低極限位置。
采用定量噴射法時(shí)，焊劑是密閉在容器內(nèi)的，不會(huì)揮發(fā)、不會(huì)吸收空氣中水分、不會(huì)被污染，因此焊劑成分能保持不變；關(guān)鍵要求通過調(diào)整噴頭的噴射壓力與運(yùn)動(dòng)速度，正確控制噴霧量。
二.預(yù)熱溫度和時(shí)間
1.預(yù)熱的作用：
(1)將焊劑中的溶劑揮發(fā)掉，這樣可以減少焊接時(shí)產(chǎn)生氣體。
(2)焊劑中松香和活性劑開始分解和活性化，可以去除印制板焊盤、元器件端頭和引腳表面的氧化膜以及其它污染物，同時(shí)起到保護(hù)金屬表面防止在高溫下發(fā)生再氧化的作用。
(3)使印制板和元器件充分預(yù)熱，避免焊接時(shí)急劇升溫產(chǎn)生熱應(yīng)力損壞印制板和元器件。
2.預(yù)熱溫度和時(shí)間的設(shè)定
印制板預(yù)熱溫度和時(shí)間要根據(jù)印制板的大小、厚度、元器件的大小和多少、以及貼裝元器件的多少來確定。預(yù)熱溫度在90-130℃(PCB表面溫度)，有較多貼裝元器件時(shí)預(yù)熱溫度取上限。預(yù)熱時(shí)由傳送帶速度來控制。如預(yù)熱溫度偏低或和預(yù)熱時(shí)間過短，焊劑中的溶劑揮發(fā)不充分，焊接時(shí)產(chǎn)生氣體引起氣孔、錫珠等焊接缺陷：如預(yù)熱溫度偏高或預(yù)熱時(shí)間過長(zhǎng)，焊劑被炭化，使焊劑失去活性，同樣會(huì)引起毛刺、橋接等焊接缺陷。因此要恰當(dāng)控制預(yù)熱溫度和時(shí)間，最佳的預(yù)熱溫度是以在波峰焊前涂覆在PCB底面的焊劑不粘手，但仍帶有粘性為準(zhǔn)。
三.焊接溫度和時(shí)間
焊接過程是焊接金屬表面、熔融焊料和空氣等之間相互作用的復(fù)雜過程，必須控制好焊接溫度和時(shí)間。如焊接溫度偏低，液體焊料的粘度大，不能很好地在金屬表面潤(rùn)濕和擴(kuò)散，容易產(chǎn)生拉尖和橋連、焊點(diǎn)表面粗糙等缺陷。如焊接溫度過高，容易損壞元器件，還會(huì)由于焊劑被炭化失去活性、焊點(diǎn)氧化速度加快，產(chǎn)生焊點(diǎn)發(fā)烏、焊點(diǎn)不飽滿等問題。
波峰焊溫度應(yīng)根據(jù)印制板的大小、厚度、印制板上搭載元器件的大小和多少進(jìn)行設(shè)置，波峰溫度一般為250±5℃(必須測(cè)打上來的實(shí)際波峰溫度)。由于熱量是溫度和時(shí)間的函數(shù)，在一定溫度下焊點(diǎn)和元件受熱的熱量隨時(shí)間的增加而增加。波峰焊的焊接時(shí)間通過調(diào)整傳送帶的速度來控制，傳送帶的速度要根據(jù)不同型號(hào)波峰焊機(jī)的長(zhǎng)度、預(yù)熱溫度、焊接溫度統(tǒng)籌考慮進(jìn)行調(diào)整，以每個(gè)焊點(diǎn)接觸波峰的時(shí)間來表示焊接時(shí)間，一般焊接時(shí)間為3-4s。
四.印制板爬坡角度和波峰高度
印制板爬坡角度為3-7°，有利于排除殘留在焊點(diǎn)和元件周圍由焊劑產(chǎn)生的氣體，適當(dāng)?shù)牟ǚ甯叨仁购噶喜▽?duì)焊點(diǎn)增加壓力和流速有利于焊料潤(rùn)濕金屬表面、流入小孔，波峰高度一般控制在印制板厚度的2／3處。
16.6設(shè)備維護(hù)
操作人員對(duì)設(shè)備的掌握、正確操作和日常維護(hù)對(duì)保證焊接質(zhì)量也是極其重要的。要使設(shè)備始終處于穩(wěn)定的正常狀態(tài)，才能保證焊接質(zhì)量，發(fā)揮設(shè)備的最大效率。
在生產(chǎn)過程中可以通過選擇適當(dāng)?shù)暮噶虾秃竸?，調(diào)整工藝參數(shù)，加強(qiáng)設(shè)備的日常維護(hù)等措施，使焊接不良率降到最低限度。
1.每天關(guān)機(jī)后將焊劑槽內(nèi)的焊劑收在密閉的容器內(nèi)，防止溶劑揮發(fā)，并用稀釋劑或乙醇清洗發(fā)泡槽。定期對(duì)焊劑發(fā)泡管或噴涂器進(jìn)行清洗、整理，不能堵塞發(fā)泡孔和噴射孔。
2.每天關(guān)機(jī)前清理焊料鍋表面的氧化物等殘?jiān)?br />
3.定期清理波峰噴嘴。
4.根據(jù)波峰焊機(jī)的開機(jī)工作時(shí)間，定期檢測(cè)焊料鍋內(nèi)焊料的鉛錫比例和雜質(zhì)含量，如果錫的含量低于極限時(shí)，可添加一些純錫，如雜質(zhì)含量超標(biāo)，應(yīng)進(jìn)行換錫處理。
5.嚴(yán)格工藝制度。
填寫操作記錄，定時(shí)記錄溫度等焊接參數(shù)。定時(shí)或?qū)γ繅K印制板進(jìn)行焊后質(zhì)量檢查，發(fā)現(xiàn)焊接質(zhì)量問題，及時(shí)調(diào)整參數(shù)，采取措施。
6.波峰焊過程中每個(gè)工藝參數(shù)設(shè)置有一定范圍，但各工藝參數(shù)之間有相關(guān)性，例如印制板預(yù)熱溫度略低時(shí)可適當(dāng)提高焊接溫度；又如調(diào)節(jié)傳送帶速度時(shí)既要考慮預(yù)熱溫度又要考慮焊接溫度。因此，操作人員要不斷總結(jié)和積累經(jīng)驗(yàn)，不斷提高工藝水平和解決焊接缺陷的能力，這對(duì)提高波峰焊質(zhì)量也是非常重要的。
