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波峰焊接焊点的工艺可靠性设计

2019-05-05 11:30
可靠性杂坛
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2)接头的工艺设计上述的焊接接头方式中,确保钎料承受的应力沿润湿表面均匀分布是很重要的。否则,如因设计不当产生了应力集中现象,则在某一时间仅在整个润湿面积中的一部分承受应力,因而应力超过了填充钎料的极限强度时,将使焊接接头产生裂纹。由于不能利用填充钎料的总强度,该裂纹从一个应力区扩展到另一个应力区。在产生应力集中的情况下,认为用增加焊缝中填充钎料的办法能解决应力集中问题是错误的。这样做只能改变产生故障的初始位置。建议搭接和对接等接头上不应有弯曲力作用,弯曲作用能产生局部应力集中,并使钎料撕裂产生裂缝。为获得良好的焊接接头,另一个重要的考虑因素是间隙(接头中钎料的厚度),它对焊接接头强度的影响很大。间隙的大小受两个方面的要求支配,一方面应使助焊剂和钎料良好地进入焊接区(这要求间隙不能太小),另一方面应在毛细管和表面能的作用下使钎料保持在焊缝中(这要求间隙不能太大)。还要提到一点,焊接接头形成过程中发生的固溶硬化过程,在很大程度上增强了钎料强度。正确的焊接接头设计还涉及使钎料从被润湿的表面完全排开气体和助焊剂,形成完全实心和均匀填充钎料的保证措施。因此,必须消除不通孔、空穴和类似的气陷。否则,空气或助焊剂蒸汽的膨胀将产生气陷,使得焊接接头横截面的强度显著降低,因而不能获得所要求的强度。这些钎料不能进入的区域将导致形成大气陷。当把两种不同的基体金属焊在一起时,还要考虑两种基体金属在膨胀系数、延展性和其他重要性能方面的差别。

三、焊接接头结构设计对接头机电性能的影响1.接头的几何形状设计及对强度的影响接头设计决定了焊接接头的下述性能:① 导电性能;② 机械耐用性(强度);③ 散热性能;④ 加工的工艺性;⑤ 可维修性;⑥ 可目视检查性。特别是前3项性质主要取决于材料和几何形状的设计。机械耐用性在很大程度上还取决于所采用的焊接工艺方式。由于钎料和被其润湿的基体金属间的相互作用,改变了金相组织。在此情况下,焊接时间、焊接温度是与焊接操作有关的极重要的因素。钎料合金的耐用性取决于钎料作为应力连接材料的能力。在许多情况下,通常金属界面的强度比填充钎料的强度高得多,在此情况下,最薄弱环节是填充钎料本身。但是,假如基体金属和钎料的金属元素形成金属间化合物,导致过分合金化和过量地形成金属间化合物晶体,则有损于机械耐用性,并降低其长期可靠性。要关注焊接接头中的钎料能否长期耐受预期的大幅值的应力。即使这些应力低于钎料的正常屈服强度,也能引起蠕变现象(金属长期在低于其屈服强度的应力作用下产生的塑性变形)。当工作温度接近其再结晶温度时,更易产生蠕变现象。接头的几何形状对上述的6个特性中的每一个特性均有影响。通常先围绕第4~第6点对几何形状的要求来设计焊接接头结构形式,然后根据导电性要求计算接头的尺寸。Howard H.Manko认为:满足导电性要求的接头设计,在机械方面也能满足耐用性和散热性要求。

下面,分析常见形式的焊接接头在拉伸和剪切力作用下的情况。在分析问题之前作如下假设:●接头设计能保证纯拉伸或剪切应力均匀分布;●钎料填充并润湿了全部横截面积;●填充焊缝的钎料未发生溶解强化或其他钎料成分的变化。在拉伸和剪切两种力的作用下,组装件的强度是所涉及临界面积的函数。若知道最薄弱环节,则可把组装件的接头强度Sb表示为Sb=σbAb (1)式中 Sb——装件接头强度;Ab——基体金属临界面积;σb——基体金属的屈服强度(拉伸应力或剪切应力)。利用填充钎料本身的强度,可用同样方式表示为Ss=σs As=Sj (2)式中 Ss——钎料强度;As—— 钎料临界面积;σs——钎料的屈服强度(拉伸应力或剪切应力);Sj——焊接接头强度。如果要求接头的强度等于组装件中最薄弱处的强度,则可由式(1)和式(2)得出Sb=Sj σbAb=σsAs (3)如果定义σb/σs为强度系数β,则由式(3)可得出As=βAb (4)由此可知,对于强度等于或小于钎料强度的所有基体金属来说,β≤1。此时,Sb≤Ss β≤1 As≤Ab (5)式中,钎料横截面积可等于或小于基体金属的横截面积。大多数情况下:β>1 As>Ab (6)因此,为使强度相等,要求填充钎料的横截面积可能要高出几个数量级。σ可为拉伸应力或剪切应力。在PCB波峰焊接中的所有接头形式几乎都属于搭接方式。搭接接头是一种优先采用的接头形式,因为它易于把搭接部分大小调整到使接头具有所要求的强度。这适于使接头具有规定的强度和使其与组装件的最薄弱环节的强度相匹配。在PCB上采用的搭接形式,常见的结构又可细分为下述几种。1)平板-平板搭接结构在现代电子产品的SMC、SMD元器件在PCB焊盘上的贴装中,几乎都采用这种接头结构。根据PCB采用的自动化焊接工艺方式(波峰焊或再流焊)的不同,表现的具体结构形式也是稍有差别的,如图7所示。

波峰焊接焊点的工艺可靠性设计

图7 

平板-平板搭接结构在剪切应力作用情况下,平板-平板的搭接长度Lj可近似利用式(4)进行计算。从图7中可看出WLj=βWH Lj=βH (7)(1)波峰焊接的接头搭接结构。波峰焊接工艺中的接头结构几何形状与再流焊接相似,此时先将SMC、SMD元器件的引脚或电极对准焊盘后直接贴合在焊盘金属表面,并通过胶粘的方式将元器件体的位置关系固定在PCB的焊盘面上。波峰焊接时依靠润湿和毛细作用将钎料填充到焊缝处,因此焊缝一般均很薄,如图7(a)所示。(2)再流焊接的接头搭接结构。图7(b)所示的结构示意图为再流焊接后的典型接头结构,在这种焊接工艺操作中,焊膏是先印刷在PCB的焊盘上,在焊盘上预先形成了一定厚度的焊膏层,然后再将SMC、SMD等元器件的引脚或电极对准并贴装在焊膏的上面,再流后便在PCB的铜焊盘表面与元器件引脚或电极的两相对面之间形成了一定厚度的纯钎料层。2)圆柱对平面搭接结构在孔未金属化的单面PCB的THT高可靠性电子装备安装中,常采用这种加强的搭接安装结构。对于此种结构形式,要求检查填充钎料的宽度大于还是小于引线的直径(假定它是最薄弱的环节),通常要求填充钎料的宽度大于或等于引线的直径。这种接头形式如图8所示。

波峰焊接焊点的工艺可靠性设计

图8 圆柱对平面搭接接头

3)线对孔的搭接结构图9所示为波峰焊接中线对孔的典型搭接结构,这是在通孔插装方式中的主要接头结构方式,也是波峰焊接接头中强度最好的一种形式。

波峰焊接焊点的工艺可靠性设计

图9 波峰焊接中线对孔的典型搭接结构

2 .焊接接头的电气特性1)接头的电阻由于钎料的电阻率比铜的电阻率要高得多,所以相对铜而言,钎料为不良导体。例如,我们用某种方法将长度各为1cm,横截面积为1cm2的铜导线和同样一段 Sn37Pb 的钎料导线连接起来时,则可用如图10所示的图形表示其电阻。

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图10 Cu与Sn37Pb相连接导线的电阻分布梯度

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