SMT實用工藝基礎-波峰焊接質量分析
作者：博維科技 時間：2018-08-13 14:31
波峰焊接質量分析
波峰焊與再流焊相比較，工藝比較復雜，質量控制的難度比較大。再流焊工藝中，焊料是預先分配到印制板焊盤上的，每個焊點的焊料成分與焊料量是固定的，因此只要PCB設計正確，PCB、元器件和焊膏的質量以及焊膏印刷和貼裝都是合格的，再流焊質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的因素非常多，例如焊劑的比重和噴涂量、印制板預熱溫度和時間、焊接溫度和時間、印制板爬坡角度和波峰高度等等都會影響焊接質量。
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。
對于波峰焊工藝來講，出現各種焊接缺陷是不可避免的，但只要我們認真的研究并掌握波峰焊的原理、焊接過程和特性，選擇適當的焊料和焊劑，在生產過程中根據不同印制板的具體情況以及設備的具體條件設計合理的工藝參數，可以將焊接不良率降到最低限度。
影響波峰焊質量的因素很多，主要有以下方面：
16.1設備要求
波峰焊機本身的性能質量、功能、配置是保證焊接質量的基礎。
一.焊劑涂覆系統的可控制性
目前焊劑涂覆主要有刷子涂刷、發泡和定量噴射等方法。涂刷與發泡的成本低，但由于焊劑暴露在空氣中，焊劑中的溶劑會揮發，隨使用時間的增加不斷受污染，發泡管容易被堵塞，因此涂覆量和焊劑質量的穩定性較差。定量噴射法的焊劑是密閉在一個密閉的容器內，噴射時呈霧狀，直接在PCB底部噴射，噴涂量是可控的，因此噴涂質量較好，適用于免清洗焊劑的涂覆。另外，焊劑涂覆后應采用熱風刀去除多余的焊劑。
二.預熱和焊接溫度控制系統的穩定性
預熱和焊接溫度是保證波峰焊質量的重要工藝參數，因此要求溫度控制系統必需穩定。預熱方式主要有強迫熱風對流、石英燈和加熱棒、加熱板等。強迫 熱風較適合水溶性焊劑，有利于水分蒸發。
三.波峰高度的穩定性及可調整性
波峰高度必需能夠連續調整，保持波峰高度穩定能夠保證焊接時PCB的壓錫深度的一致，性。波峰焊機要求電壓穩定度為土10％以內；超過此范圍，應配置穩壓電源。
四.傳輸系統的平穩性
要求傳輸帶運行平穩，傳輸速度和角度必需能夠調整，如傳輸系統有震動，容易造成冷焊(焊點表面呈現焊錫紊亂痕跡)，還會影響焊點強度。
五.設備配置情況
是否配置了擾流(震動)波、熱風刀、氮氣保護等功能。這些也是影響焊接質量的因素。
焊接表面組裝元器件時，為了避免和減少陰影效應，必需采用雙波峰或采用電磁泵波峰焊機。高密度、免清洗、無鉛焊接時還需要配置熱風刀、氮氣保護等功能。
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。這些材料的質量以及正確的管理和使用直接影響焊接質量。
一.焊料
目前一般采用Sn63／Pb37棒狀共晶焊料，熔點183℃。使用過程中Sn和Pb的含量誤差分別保持在±1％以內。Sn的最低含量61.5％，焊料的主要雜質的最大含量控制在以下范圍內：Cu<0.08％，A1<0.005％，Fe<0.02％，Bi<0.1％，Zn<0.002％，Sb<0.02％，As<0.05％，Ni<0.01％。cu含量過高，會使熔融焊料的流動性變差，焊點硬而脆；A1含量過高，會使焊點多孔；2n、Ni含量過高，會使焊點初糙或形成硬的不熔物等等。
根據設備的使用情況定期(三個月至半年)檢測焊料的主要雜質以及sn和Pb的含量，當Sn含量少于標準要求時，可摻加一些純sn，如雜質過多時更換焊錫。
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生活性化反應，能去除焊接金屬表面氧化膜，同時松香棚旨又能保護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，有利于焊料的潤濕和擴散。
2.焊劑的特性要求
(1)熔點比焊料低，擴展率>85％：粘度和比重比熔融焊料小，容易被置換，不產生毒氣。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)常溫下儲存穩定。
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，要根據產品對清潔度和電性能的具體要求進行選擇。
一般隋況下軍用及生命保障類如衛星、飛機儀表、潛艇通信、保障生命的醫療裝置、微弱信號測試儀器等電子產品必須采用清洗型的焊劑；其他如通信類、工業設備類、辦公設備類、計算機等類型的電子產品可采用免清洗或清洗型的焊劑；一般家用電器類電子產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
當焊劑的比重超過要求值時，可使用稀釋劑進行稀釋。不同型號的焊劑應采用相應的稀釋劑。
2.防氧化劑
防氧化劑是為減少焊接時焊料在高溫下氧化而加入的輔料，起節約焊料和提高焊接質量作用，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、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，焊后清洗時可以被清洗掉。采用耐高溫阻焊膠帶時，焊接后應及時將膠帶揭掉，如PCB表面有殘留膠，應及時用汽油或乙醇擦掉。
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計是否合理，也會影響波峰焊質量。
波峰焊對印制電路板的主要要求如下：
1.一般采用RF4環氧玻璃纖維布印制電路板，要求印制電路板應能經受260~C／50s的耐熱性，銅箔抗剝強度好，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％；，否則會由于PCB翹起位置與波峰接觸不良而造成漏焊、焊點不完整等缺陷。
3.對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進行設計，元器件布局和排布方向應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匹配，要有利于形成彎月面的焊點。插裝孔的孔徑比引腳直經大0.15-0.4mm(細引線取下限，粗引線取上限)。插裝孔過小會造成插裝困難，插裝孔過大會造成焊點干癟、焊點不完整、有空洞等缺陷。
5.印制電路基板不要存放在潮濕環境中，不要超過規定的使用日期，對受污染或受潮的印制板應進行清洗和去潮處理。
16.4元器件
1.表面組裝元器件應選擇三層結構的金屬端頭，元器件體和焊端能經受兩次以上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象
插裝元器件應根據PCB的插裝孑L間距進行成形，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.元器件應先到先用，不要存放在潮濕環境中，不要超過規定的使用日期，如元器件焊端、引腳受污染或氧化直接影響可焊性，會造成潤濕不良、虛焊、氣孔等焊接缺陷。
16.5工藝
波峰焊的工藝參數要求比較嚴格，焊劑比重和噴涂量、預熱和焊接溫度、傳輸帶傾斜角度和傳輸速度、波峰高度等參數都會影響焊接質量，必需正確設置。
影響波峰焊接質量的主要工藝參數：
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，對于免清洗工藝特別要注意不能過量。焊劑涂覆量要根據波峰焊機的焊劑涂覆系統，以及采用的焊劑類型進行設置。焊劑涂覆主要有涂刷、發泡及定量噴射兩種方式。
采用涂刷與發泡時，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(液態松香焊劑原液的比重)。焊接過程中隨著時間的延長，焊劑中的溶劑會逐漸揮發，使焊劑的比重增大，其粘度隨之增大，流動性也隨之變差，影響焊劑潤濕金屬表面，妨礙熔融的焊料在金屬表面上的潤濕，引起焊接缺陷。因此，對于傳統的涂刷及發泡方式時焊劑應定時測量焊劑的比重，如發現比重增大，應及時用稀釋劑調整到正常范圍內。但稀釋劑不能加入過多，比重偏低會使焊劑的作用下降，對焊接質量也會造成不良影響。另外還要注意不斷補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，焊劑是密閉在容器內的，不會揮發、不會吸收空氣中水分、不會被污染，因此焊劑成分能保持不變；關鍵要求通過調整噴頭的噴射壓力與運動速度，正確控制噴霧量。
二.預熱溫度和時間
1.預熱的作用：
(1)將焊劑中的溶劑揮發掉，這樣可以減少焊接時產生氣體。
(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，同時起到保護金屬表面防止在高溫下發生再氧化的作用。
(3)使印制板和元器件充分預熱，避免焊接時急劇升溫產生熱應力損壞印制板和元器件。
2.預熱溫度和時間的設定
印制板預熱溫度和時間要根據印制板的大小、厚度、元器件的大小和多少、以及貼裝元器件的多少來確定。預熱溫度在90-130℃(PCB表面溫度)，有較多貼裝元器件時預熱溫度取上限。預熱時由傳送帶速度來控制。如預熱溫度偏低或和預熱時間過短，焊劑中的溶劑揮發不充分，焊接時產生氣體引起氣孔、錫珠等焊接缺陷：如預熱溫度偏高或預熱時間過長，焊劑被炭化，使焊劑失去活性，同樣會引起毛刺、橋接等焊接缺陷。因此要恰當控制預熱溫度和時間，最佳的預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。
三.焊接溫度和時間
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雜過程，必須控制好焊接溫度和時間。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濕和擴散，容易產生拉尖和橋連、焊點表面粗糙等缺陷。如焊接溫度過高，容易損壞元器件，還會由于焊劑被炭化失去活性、焊點氧化速度加快，產生焊點發烏、焊點不飽滿等問題。
波峰焊溫度應根據印制板的大小、厚度、印制板上搭載元器件的大小和多少進行設置，波峰溫度一般為250±5℃(必須測打上來的實際波峰溫度)。由于熱量是溫度和時間的函數，在一定溫度下焊點和元件受熱的熱量隨時間的增加而增加。波峰焊的焊接時間通過調整傳送帶的速度來控制，傳送帶的速度要根據不同型號波峰焊機的長度、預熱溫度、焊接溫度統籌考慮進行調整，以每個焊點接觸波峰的時間來表示焊接時間，一般焊接時間為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和元件周圍由焊劑產生的氣體，適當的波峰高度使焊料波對焊點增加壓力和流速有利于焊料潤濕金屬表面、流入小孔，波峰高度一般控制在印制板厚度的2／3處。
16.6設備維護
操作人員對設備的掌握、正確操作和日常維護對保證焊接質量也是極其重要的。要使設備始終處于穩定的正常狀態，才能保證焊接質量，發揮設備的最大效率。
在生產過程中可以通過選擇適當的焊料和焊劑，調整工藝參數，加強設備的日常維護等措施，使焊接不良率降到最低限度。
1.每天關機后將焊劑槽內的焊劑收在密閉的容器內，防止溶劑揮發，并用稀釋劑或乙醇清洗發泡槽。定期對焊劑發泡管或噴涂器進行清洗、整理，不能堵塞發泡孔和噴射孔。
2.每天關機前清理焊料鍋表面的氧化物等殘渣。
3.定期清理波峰噴嘴。
4.根據波峰焊機的開機工作時間，定期檢測焊料鍋內焊料的鉛錫比例和雜質含量，如果錫的含量低于極限時，可添加一些純錫，如雜質含量超標，應進行換錫處理。
5.嚴格工藝制度。
填寫操作記錄，定時記錄溫度等焊接參數。定時或對每塊印制板進行焊后質量檢查，發現焊接質量問題，及時調整參數，采取措施。
6.波峰焊過程中每個工藝參數設置有一定范圍，但各工藝參數之間有相關性，例如印制板預熱溫度略低時可適當提高焊接溫度；又如調節傳送帶速度時既要考慮預熱溫度又要考慮焊接溫度。因此，操作人員要不斷總結和積累經驗，不斷提高工藝水平和解決焊接缺陷的能力，這對提高波峰焊質量也是非常重要的。
