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波峰焊接工艺制程的问题及解决方法分析

前言:对于负责电子设备生产的每一个人而言,在波峰焊接和选择焊接时产生于 PCB 表面的锡珠都是一个让人非常头痛的问题。关于锡珠产生的原因和预防措施的讨论总是无休无止的,人们也习惯于把这归咎于焊接设备。这一部分是人性使然,因为锡珠是在生产之后产生的,所以我们自然而然就把这个问题产生的原因归咎于生产过程。但是,产生锡珠的原因和可能的影响在广义的电子生产工艺范畴内存在着很大的信息缺口,而这使得这个命题的讨论变得非常困难。

关于锡珠的命题自从低固态含量助焊剂的面世和惰性气体在焊接设备上的使用后一直是很热门的。在SMT/DIP制程工艺中,锡珠现象是焊接工艺中主要缺陷之一,它的产生是一个得很复杂的过程,也是最烦人的问题,要完全消除它,也是非常困难的。焊锡珠的直径大致在0.2MM-0.4MM之间,也有超过此范围的(一些行业标准对锡珠进行了阐释:分类从MIL-STD-2000标准中的不允许有锡珠,到IPC-A-610C标准中的每平方英寸少于5个)焊锡珠的存在,不仅影响电子产品的外观,也对产品的质量埋下了隐患。原因是现代化印制板元件密度高、间距小,焊锡珠在使用时可能脱落,从而造成元件短路,影响电子产品的质量。因此,很有必要弄清它产生的原因,并对它进行有效的控制,显得尤为重要了。一般来说,在SMT回流焊接和DIP波峰焊中,焊锡锡珠的产生原因是多方面、综合的。

一、在DIP波峰焊工艺中,锡珠产生原因

当焊接波峰中的液态焊料和焊盘剥离时(这个过程叫做 peel-off),锡珠的形成就在这个时间点发生了。液态焊料的高表面张力导致了球的形成。这揭示了锡珠形成的机理是符合物理学规律的,而这是无法改变的。高速摄像机的观测显示,在几乎每一次焊盘和焊接波峰的液态焊料剥离时,锡球都会形成。这个小锡球获得了高运动能量并且在 PCB 表面和锡波之间上下弹跳 1-2 次。图 1 的连续图示清晰方便地显示了一个锡球的形成过程。

锡球的轨迹很大程度上取决于剥离产生位置的实际情况。举个例子,连接器的焊盘在沿着整个焊盘区域剥离时显示出相同的状况。锡球沿着弹道角度升起,然后撞击PCB 表面。由于线路板正处在运动中,这个撞击点会稍稍位于焊点的后面。这种类型的锡球被叫做主要锡球,我们不能和第二类锡球混淆。第二类锡球产生于波峰喷嘴的溅锡所致,或者是定制载具的缺陷材料所致,这种载具会在清洁过程中吸收清洁溶剂。

1、锡珠的形成原因锡珠是在线路板离开液态焊锡的时候形成的。当线路板与锡波分离时,线路板会拉出锡柱,锡柱断裂落回锡缸时,溅起的焊锡会在落在线路板上形成锡珠。因此,在设计锡波发生器和锡缸时,应注意减少锡的降落高度。小的降落高度有助于减少锡渣和溅锡现象;

2、锡珠形成的第二个原因是线路板材和阻焊层内挥发物质的释气。如果线路板通孔的金属层上有裂缝的话,这些物质加热后挥发的气体就会从裂缝中逸出,在线路板的元件面形成锡珠;

3、锡珠形成的第三个原因与助焊剂有关。助焊剂会残留在元器件的下面或是线路板和搬运器(选择性焊接使用的托盘)之间。如果助焊剂没能被充分预热并在线路板接触到锡波之前挥发掉,就会产生溅锡并形成锡珠。因此,应该严格遵循助焊剂供应商推荐的预热参数;

4、锡珠是否会粘附在线路板上取决于基板材料。如果锡珠和线路板的粘附力小于锡珠的重力,锡珠就会从就会从线路板上弹开落回锡缸中。在这种情况下,线路板上的阻焊层是个非常重要的因素。比较粗燥(rough)的阻焊层会和锡珠有更小的接触面,锡珠不易粘在线路板上。在无铅焊接过程中,高温会使阻焊层更柔滑(SOFter),更易造成锡珠粘在线路板上。


二、解决方法路径

1、选择与产品相匹配的合适助焊剂及焊料;

2、优化DIP波峰焊设置参数,如:喷雾量、预热温度、锡波高度及温度、链爪速度及爬坡角度、氮气量等等;

3、对相关材料进行有效管控,如PCB裸板、元器件、焊接辅助工具等。 

三、避免锡珠解决办法在大多数情况下,选择适当的阻焊层能避免锡珠的产生。使用一些特殊设计的助焊剂能帮助避免锡珠的形成。另外,要保证使用足够多的助焊剂, 这样在线路板离开波峰的时候,会有一些助焊剂残留在线路板上,形成一层非常薄的膜,以防止锡珠附着在线路板上。同时,助焊剂必须和阻焊层相兼容,助焊剂的喷涂必须采用助焊剂喷雾系统严格控制。 

以下建议可以帮助您减少锡珠现象:

1、尽可能地降低焊锡温度;

2、使用更多地助焊剂可以减少锡珠,但将导致更多的助焊剂残留;

3、尽可能提高预热温度,但要遵循助焊剂预热参数,否则助焊剂的活化期太短4、更快的传送带速度也能减少锡珠。

助焊剂方面的原因分析及预防控制办法

1. 助焊剂中的水份含量较大或超标,在经过预热时未能充分挥发;

2. 助焊剂中有高沸点物质或不易挥发物,经预热时不能充分挥发;这两种原因是助焊剂本身“质量”问题所引起的,在实际焊接工艺中,可以通过“提高预热温度或放慢走板速度等来解决”。除此之外,在选用助焊剂前应针对供商所提供样品进行实际工艺的确认,并记录试用时的标准工艺,在没有“锡珠”出现的情况下,审核供应商所提供的其他说明资料,在以后的收货及验收过程中,应核对供应商最初的说明资料。 

工艺方面的原因分析及预防控制办法

1. 预热温度偏低,助焊剂中溶剂部分未完全挥发;

2. 走板速度太快未达到预热效果;

3.链条(或PCB板面)倾角过小,锡液与焊接面接触时中间有气泡,气泡爆裂后产生锡珠;

4. 助焊剂涂布的量太大,多余助焊剂未能完全流走或风刀没有将多余焊剂吹下;这四种不良原因的出现,都和标准化工艺的确定有关,在实际生产过程中,应该严格按照已经订好的作业指导文件进行各项参数的校正,对已经设定好的参数,不能随意改动,相关参数及所涉及技术层面主要有以下几点:

(1)关于预热:一般设定在90-110摄氏度,这里所讲“温度”是指预热后PCB板焊接面的实际受热温度,而不是“表显”温度;如果预热温度达不到要求,则焊后易产生锡珠

(2)关于走板速度:一般情况下,建议用户把走板速度定在1.1-1.4米/分钟,但这不是绝对值;如果要改变走板速度,通常都应以改变预热温度作配合;比如:要将走板速度加快,那么为了保证PCB焊接面的预热温度能够达到预定值,就应当把预热温度适当提高;如果预热温度不变,走板速度过快时,焊剂有可能挥发不完全,从而在焊接时产生“锡珠”。

(3)关于链条(或PCB板面)的倾角:这一倾角指的是链条(或PCB板面)与锡液平面的角度,当PCB板走过锡液平面时,应保证PCB零件面与锡液平面只有一个切点;而不能有一个较大的接触面;当没有倾角或倾角过小时,易造成锡液与焊接面接触时中间有气泡,气泡爆裂后产生“锡珠”。

(4)在波峰炉使用中,“风刀”的主要作用是吹去PCB板面多余的助焊剂,并使助焊剂在PCB零件面均匀涂布;一般情况下,风刀的倾角应在10度左右;如果“风刀”角度调整的不合理,会造成PCB表面焊剂过多,或涂布不均匀,不但在过预热区时易滴在发热管上,影响发热管的寿命,而且在浸入锡液时易造成“炸锡”现象,并因此产生“锡珠”。在实际生产中,结合自身波峰焊的实际状况,对相关材料进行选型,同时制订严格《波峰焊操作规程》,并严格按照相关规程进行生产。经过实验证明,在严格落实工艺技术的条件下,完全可以克服因为“波峰焊焊接工艺问题”产生的“锡珠”。

四、波峰焊接工艺制造中常见的五大缺陷问题与解决方式:(一)焊点干瘪/不完整/有空洞,插装孔及导通孔焊料不饱满,焊料未爬到元件面的焊盘上。

1.原因:

 a)PCB预热和焊接温度过高,使焊料的黏度过低; 

b)插装孔的孔径过大,焊料从孔中流出; 

c) 插装元件细引线大焊盘,焊料被拉到焊盘上,使焊点干瘪; 

d) 金属化孔质量差或阻焊剂流入孔中; 

e) PCB爬坡角度偏小,不利于焊剂排气。

2.对策:

a) 预热温度90-130℃,元件较多时取上限,锡波温度250+/-5℃,焊接时间3~5S。 

b) 插装孔的孔径比引脚直径大0.15~0.4mm,细引线取下限,粗引线取上线。 

c) 焊盘尺寸与引脚直径应匹配,要有利于形成弯月面; 

d)反映给PCB加工厂,提高加工质量; 

e) PCB的爬坡角度为3~7℃。 

焊料过多:  元件焊端和引脚有过多的焊料包围,润湿角大于90°。 

1.原因: 

a)焊接温度过低或传送带速度过快,使熔融焊料的黏度过大;

b) PCB预热温度过低,焊接时元件与PCB吸热,使实际焊接温度降低; 

c) 助焊剂的活性差或比重过小; 

d) 焊盘、插装孔或引脚可焊性差,不能充分浸润,产生的气泡裹在焊点中; 

e) 焊料中锡的比例减少,或焊料中杂质Cu的成份高,使焊料黏度增加、流动性变差。

f) 焊料残渣太多。 

2.对策: 

a) 锡波温度250+/-5℃,焊接时间3~5S。 

b) 根据PCB尺寸、板层、元件多少、有无贴装元件等设置预热温度,PCB底面温度在90-130。 

c) 更换焊剂或调整适当的比例; 

d) 提高PCB板的加工质量,元器件先到先用,不要存放在潮湿的环境中; 

e) 锡的比例<61.4%时,可适量添加一些纯锡,杂质过高时应更换焊料; 

f) 每天结束工作时应清理残渣。 

(三)焊点桥接或短路 

1.原因: 

a) PCB设计不合理,焊盘间距过窄; 

b) 插装元件引脚不规则或插装歪斜,焊接前引脚之间已经接近或已经碰上; 

c) PCB预热温度过低,焊接时元件与PCB吸热,使实际焊接温度降低; 

d) 焊接温度过低或传送带速度过快,使熔融焊料的黏度降低; 

e)阻焊剂活性差。 

2.对策: 

a) 按照PCB设计规范进行设计。两个端头Chip元件的长轴应尽量与焊接时PCB运行方向垂直,SOT、SOP的长轴应与PCB运行方向平行。将SOP最后一个引脚的焊盘加宽(设计一个窃锡焊盘)。 

b) 插装元件引脚应根据PCB的孔距及装配要求成型,如采用短插一次焊工艺,焊接面元件引脚露出PCB表面0.8~3mm,插装时要求元件体端正。 

c)根据PCB尺寸、板层、元件多少、有无贴装元件等设置预热温度,PCB底面温度在90-130。 

d) 锡波温度250+/-5℃,焊接时间3~5S。温度略低时,传送带速度应调慢些。 

f) 更换助焊剂。

(三)润湿不良、漏焊、虚焊 

1.原因: 

a) 元件焊端、引脚、印制板基板的焊盘氧化或污染,或PCB受潮。 

b) Chip元件端头金属电极附着力差或采用单层电极,在焊接温度下产生脱帽现象。 

c) PCB设计不合理,波峰焊时阴影效应造成漏焊。 

d) PCB翘曲,使PCB翘起位置与波峰焊接触不良。 

e) 传送带两侧不平行(尤其使用PCB传输架时),使PCB与波峰接触不平行。 

f) 波峰不平滑,波峰两侧高度不平行,尤其电磁泵波峰焊机的锡波喷口,如果被氧化物堵塞时,会使波峰出现锯齿形,容易造成漏焊、虚焊。 

g) 助焊剂活性差,造成润湿不良。 

h) PCB预热温度过高,使助焊剂碳化,失去活性,造成润湿不良。 

2.对策: 

a) 元器件先到先用,不要存在潮湿的环境中,不要超过规定的使用日期。对PCB进行清洗和去潮处理; 

b) 波峰焊应选择三层端头结构的表面贴装元器件,元件本体和焊端能经受两次以上的260℃波峰焊的温度冲击。 

c) SMD/SMC采用波峰焊时元器件布局和排布方向应遵循较小元件在前和尽量避免互相遮挡原则。另外,还可以适当加长元件搭接后剩余焊盘长度。 

d) PCB板翘曲度小于0.8~1.0%。 

e) 调整波峰焊机及传输带或PCB传输架的横向水平。 

f) 清理波峰喷嘴。 

g) 更换助焊剂。 

h) 设置恰当的预热温度。
(四)焊点拉尖 

1.原因: 

a) PCB预热温度过低,使PCB与元器件温度偏低,焊接时元件与PCB吸热; 

b) 焊接温度过低或传送带速度过快,使熔融焊料的黏度过大; 

c) 电磁泵波峰焊机的波峰高度太高或引脚过长,使引脚底部不能与波峰接触。因为电磁泵波峰焊机是空心波,空心波的厚度为4~5mm; 

d) 助焊剂活性差; 

e) 焊接元件引线直径与插装孔比例不正确,插装孔过大,大焊盘吸热量大。 

2.对策: 

a) 根据PCB、板层、元件多少、有无贴装元件等设置预热温度,预热温度在90-130℃; 

b) 锡波温度为250+/-5℃,焊接时间3~5S。温度略低时,传送带速度应调慢一些。 

c) 波峰高度一般控制在PCB厚度的2/3处。插装元件引脚成型要求引脚露出PCB焊接面0.8~3mm

d) 更换助焊剂; 

e) 插装孔的孔径比引线直径大0.15~0.4mm(细引线取下限,粗引线取上线)。 

(五)其它缺陷 

a) 板面脏污:主要由于助焊剂固体含量高、涂敷量过多、预热温度过高或过低,或由于传送带爪太脏、焊料锅中氧化物及锡渣过多等原因造成的; 

b) PCB变形:一般发生在大尺寸PCB,由于大尺寸PCB重量大或由于元器件布置不均匀造成重量不平衡。这需要PCB设计时尽量使元器件分布均匀,在大尺寸PCB中间设计工艺边。 

c) 掉片(丢片):贴片胶质量差,或贴片胶固化温度不正确,固化温度过高或过低都会降低粘接强度,波峰焊接时经不起高温冲击和波峰剪切力的作用,使贴装元件掉在料锅中。 

d) 看不到的缺陷:焊点晶粒大小、焊点内部应力、焊点内部裂纹、焊点发脆、焊点强度差等,需要X光、焊点疲劳试验等检测。这些缺陷主要与焊接材料、PCB焊盘的附着力、元器件焊端或引脚的可焊性及温度曲线等因素有关。

五、波峰焊助焊剂作用

当完成点胶(或印刷)、贴装、胶固化、插装通孔元器件的PCB线路板从波峰焊机的入口端随传送带向前运行,通过焊剂发泡(或喷雾)槽时,印制板下表面的焊盘、所有元器件端头和引脚表面被均匀地涂覆上一层薄薄的焊剂。 助焊剂的作用原理 : 熔融的焊料之所以能承担焊接作用,是由于金属原子距离接近后产生相互扩散、溶解、浸润等作用的结果。此时,阻碍原子之间相互作用的是金属表面存在的氧化膜和污染物,也是妨碍浸润的最有害物质。

为此,一方面要采取措施防止在金属表面产生氧化物,另一方面必须采取去除污染的各种措施和处理方法。但是由于在PCBA生产的各种前端过程乃至于元器件生产的过程中,完全避免这些氧化和污染是很困难的。因此,必须在焊接操作之前采取某些方法把氧化膜和污染清除掉。采用熔剂去除氧化膜具备不损伤母材、效率高等特点,因此能被广泛的用于PCBA的制程中。随着波峰焊喷助焊剂工序完成, PCB板经波峰钛爪传送进入预热区,焊剂中的溶剂被挥发掉,焊剂中松香和活性剂开始分解和活性化,印制板焊盘、元器件端头和引脚表面的氧化膜以及其它污染物被清除;

同时,印制板和元器件得到充分预热。PCB线路印制板继续向前运行,印制板的底面首先通过第一个熔融的焊料波。第一个焊料波是乱波(振动波或紊流波),将焊料打到印制板的底面所有的焊盘、元器件焊端和引脚上;熔融的焊料在经过焊剂净化的金属表面上进行浸润和扩散。之后,印制板的底面通过第二个熔融的焊料波,第二个焊料波是平滑波,平滑波将引脚及焊端之间的连桥分开,并去除拉尖(冰柱)等焊接缺陷。波峰焊随着人们对环境保护意识的增强有了新的焊接工艺。以前的是采用锡铅合金,但是铅是重金属对人体有很大的伤害。于是现在有了无铅工艺的产生。它采用了*锡银铜合金*和特殊的助焊剂且焊接接温度的要求更高更高的预热温度还要说一点在PCB板过焊接区后要设立一个冷却区工作站。

六、波峰焊无铅焊接特点

传统的锡铅焊料在电子装联中已经应用了近一个世纪。共晶焊料的导电性、稳定性、抗蚀性、抗拉和抗疲劳、机械强度、工艺性都是非常优秀的,而且资源丰富,价格便宜。是一种极为理想的电子焊接材料。但由于铅污染人类的生活环境。据统计,某些地区地下水的含铅量已超标30倍,由于Pb是一种有毒的金属,对人体有害,并且对自然环境有很大的破坏性,所以引进了无铅焊丝。

无铅焊接的特点和对策 :

(1) 无铅焊接的主要特点:

(A) 高温、熔点比传统有铅共晶焊料高34℃左右。

(B) 表面张力大、润湿性差。(C) 工艺窗口小,质量控制难度大。

(2) 无铅焊点的特点:

(A) 浸润性差,扩展性差。

(B) 无铅焊点外观粗糙。传统的检验标准与AOI需要升级。

(C) 无铅焊点中气孔较多,尤其有铅焊端与无铅焊料混用时,焊端(球)上的有铅焊料先熔,覆盖焊盘,助焊剂排不出去,造成气孔。但气孔不影响机械强度。

(D) 缺陷多-由于浸润性差,使自定位效应减弱。无铅焊点外观粗糙、气孔多、润湿角大、没有半月形,由于无铅焊点外观与有铅焊点有较明显的不同,如果有原来有铅的检验标准衡量,甚至可以认为是不合格的,随着无铅技术的深入和发展,由于助焊剂的改进以及工艺的进步,无铅焊点的粗糙外观已经有了一些改观。

七、波峰焊链条保养清洗介绍

波峰焊在线清洗链爪作为波峰焊机日常维护,将链爪上的助焊剂和锡渣残留清洗干净,以防止污染和损坏PCB是必不可少的。目前业内普遍采用溶剂型清洗剂完成清洗的危害是什么?火灾安全隐患!对环境破坏性和对人体危害性大,其使用安全性不理想。而普通的水基清洗剂为什么不能应用于波峰焊在线清洗链爪?通常的水基清洗剂含有表面活性剂易产生泡沫,无法满足在线清洗,也不能避免波峰炉在连续运转过程中,从链爪上漫延到PCB板上的清洗剂残留液引起后续焊接工艺的炸锡现象,PCB板面绝缘性能下降、及对铝合金工件产生腐蚀等负面影响。那么,怎样才能避免以上碳氢清洗剂和普通水基清洗剂带来的不足呢?关键在于解决水基清洗剂的泡沫、挥发速度和材料兼容性方面的问题。不产生泡沫,挥发速度较快,才能避免炸锡、PCB板面绝缘性能下降的负面影响。基于以上技术要点进行研发的在线链爪清洗专用水基清洗剂。不含表面活性剂,不会产生泡沫,独特配方解决了挥发性和材料兼容性的问题,其清洗力较常用的在线溶剂清洗剂好,是优良的在线链爪水基清洗剂。 以上一文,仅供参考!

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