SMT实用工艺基础-波峰焊接质量分析
作者：博维科技 时间：2018-08-13 14:31
波峰焊接质量分析
波峰焊与再流焊相比较，工艺比较复杂，质量控制的难度比较大。再流焊工艺中，焊料是预先分配到印制板焊盘上的，每个焊点的焊料成分与焊料量是固定的，因此只要PCB设计正确，PCB、元器件和焊膏的质量以及焊膏印刷和贴装都是合格的，再流焊质量就可以通过再流焊温度曲线来保证。而波峰焊工艺中随机的因素非常多，例如焊剂的比重和喷涂量、印制板预热温度和时间、焊接温度和时间、印制板爬坡角度和波峰高度等等都会影响焊接质量。
随着目前元器件变得越来越小，PCB组装密度越来越密，另外由于免清洗焊剂不含卤化物，固体含量不能超过2％，因此去氧化和助焊作用大大减小，使波峰焊工艺的难度越来越大。
对于波峰焊工艺来讲，出现各种焊接缺陷是不可避免的，但只要我们认真的研究并掌握波峰焊的原理、焊接过程和特性，选择适当的焊料和焊剂，在生产过程中根据不同印制板的具体情况以及设备的具体条件设计合理的工艺参数，可以将焊接不良率降到最低限度。
影响波峰焊质量的因素很多，主要有以下方面：
16.1设备要求
波峰焊机本身的性能质量、功能、配置是保证焊接质量的基础。
一.焊剂涂覆系统的可控制性
目前焊剂涂覆主要有刷子涂刷、发泡和定量喷射等方法。涂刷与发泡的成本低，但由于焊剂暴露在空气中，焊剂中的溶剂会挥发，随使用时间的增加不断受污染，发泡管容易被堵塞，因此涂覆量和焊剂质量的稳定性较差。定量喷射法的焊剂是密闭在一个密闭的容器内，喷射时呈雾状，直接在PCB底部喷射，喷涂量是可控的，因此喷涂质量较好，适用于免清洗焊剂的涂覆。另外，焊剂涂覆后应采用热风刀去除多余的焊剂。
二.预热和焊接温度控制系统的稳定性
预热和焊接温度是保证波峰焊质量的重要工艺参数，因此要求温度控制系统必需稳定。预热方式主要有强迫热风对流、石英灯和加热棒、加热板等。强迫 热风较适合水溶性焊剂，有利于水分蒸发。
三.波峰高度的稳定性及可调整性
波峰高度必需能够连续调整，保持波峰高度稳定能够保证焊接时PCB的压锡深度的一致，性。波峰焊机要求电压稳定度为土10％以内；超过此范围，应配置稳压电源。
四.传输系统的平稳性
要求传输带运行平稳，传输速度和角度必需能够调整，如传输系统有震动，容易造成冷焊(焊点表面呈现焊锡紊乱痕迹)，还会影响焊点强度。
五.设备配置情况
是否配置了扰流(震动)波、热风刀、氮气保护等功能。这些也是影响焊接质量的因素。
焊接表面组装元器件时，为了避免和减少阴影效应，必需采用双波峰或采用电磁泵波峰焊机。高密度、免清洗、无铅焊接时还需要配置热风刀、氮气保护等功能。
16.2材料要求
波峰焊的材料主要有焊料、焊剂、稀释剂、防氧化剂、锡渣减除剂、阻焊剂或耐高温阻焊胶带等。这些材料的质量以及正确的管理和使用直接影响焊接质量。
一.焊料
目前一般采用Sn63／Pb37棒状共晶焊料，熔点183℃。使用过程中Sn和Pb的含量误差分别保持在±1％以内。Sn的最低含量61.5％，焊料的主要杂质的最大含量控制在以下范围内：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含量过高，会使熔融焊料的流动性变差，焊点硬而脆；A1含量过高，会使焊点多孔；2n、Ni含量过高，会使焊点初糙或形成硬的不熔物等等。
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，当Sn含量少于标准要求时，可掺加一些纯sn，如杂质过多时更换焊锡。
二.焊剂
1.焊剂的作用
——焊剂中的松香树脂和活性剂在一定温度下产生活性化反应，能去除焊接金属表面氧化膜，同时松香棚旨又能保护金属表面在高温下不再氧化。
——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。
2.焊剂的特性要求
(1)熔点比焊料低，扩展率>85％：粘度和比重比熔融焊料小，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。免清洗型焊剂的比重为0.8以下。
(2)免清洗型焊剂要求固体含量<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>1x10Hf~。
(3)水清洗、半水清洗和溶清洗型焊剂要求焊后易清洗。
(4)常温下储存稳定。
3.焊剂的选择
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，要根据产品对清洁度和电性能的具体要求进行选择。
一般隋况下军用及生命保障类如卫星、飞机仪表、潜艇通信、保障生命的医疗装置、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、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。
三.其它焊剂
1.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。
2.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作用，目前主要采用油类与还原剂组成的防氧化剂。要求防氧化剂还原能力强、焊接温度下不碳化。
3.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。
4.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。阻焊剂用于水清洗工艺，焊后清洗时可以被清洗掉。采用耐高温阻焊胶带时，焊接后应及时将胶带揭掉，如PCB表面有残留胶，应及时用汽油或乙醇擦掉。
16.3印制电路板
PCB焊盘、金属化孔与阻焊膜的质量、PCB的平整度、贴装元器件的排布方向，以及插装孔的孔径和焊盘设计是否合理，也会影响波峰焊质量。
波峰焊对印制电路板的主要要求如下：
1.一般采用RF4环氧玻璃纤维布印制电路板，要求印制电路板应能经受260~C／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。
2.要求印制电路板翘曲度小于0.8—1.0％；，否则会由于PCB翘起位置与波峰接触不良而造成漏焊、焊点不完整等缺陷。
3.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。
4.插装元器件的焊盘尺寸与引脚直径应匹配，要有利于形成弯月面的焊点。插装孔的孔径比引脚直经大0.15-0.4mm(细引线取下限，粗引线取上限)。插装孔过小会造成插装困难，插装孔过大会造成焊点干瘪、焊点不完整、有空洞等缺陷。
5.印制电路基板不要存放在潮湿环境中，不要超过规定的使用日期，对受污染或受潮的印制板应进行清洗和去潮处理。
16.4元器件
1.表面组装元器件应选择三层结构的金属端头，元器件体和焊端能经受两次以上260℃波峰焊的温度冲击，焊接后元器件体不损坏或变形，片式元件端头无脱帽现象
插装元器件应根据PCB的插装孑L间距进行成形，如采用短插一次焊工艺，焊接面元件引脚露出印制板表面0.8-2.5mm。
3.元器件应先到先用，不要存放在潮湿环境中，不要超过规定的使用日期，如元器件焊端、引脚受污染或氧化直接影响可焊性，会造成润湿不良、虚焊、气孔等焊接缺陷。
16.5工艺
波峰焊的工艺参数要求比较严格，焊剂比重和喷涂量、预热和焊接温度、传输带倾斜角度和传输速度、波峰高度等参数都会影响焊接质量，必需正确设置。
影响波峰焊接质量的主要工艺参数：
一.焊剂涂覆量
要求在印制板底面有薄薄的一层焊剂，要均匀，不能太厚，对于免清洗工艺特别要注意不能过量。焊剂涂覆量要根据波峰焊机的焊剂涂覆系统，以及采用的焊剂类型进行设置。焊剂涂覆主要有涂刷、发泡及定量喷射两种方式。
采用涂刷与发泡时，必须控制焊剂的比重。焊剂的比重一般控制在0.82-0.84之间(液态松香焊剂原液的比重)。焊接过程中随着时间的延长，焊剂中的溶剂会逐渐挥发，使焊剂的比重增大，其粘度随之增大，流动性也随之变差，影响焊剂润湿金属表面，妨碍熔融的焊料在金属表面上的润湿，引起焊接缺陷。因此，对于传统的涂刷及发泡方式时焊剂应定时测量焊剂的比重，如发现比重增大，应及时用稀释剂调整到正常范围内。但稀释剂不能加入过多，比重偏低会使焊剂的作用下降，对焊接质量也会造成不良影响。另外还要注意不断补充焊剂槽中的焊剂量，不能低于最低极限位置。
采用定量喷射法时，焊剂是密闭在容器内的，不会挥发、不会吸收空气中水分、不会被污染，因此焊剂成分能保持不变；关键要求通过调整喷头的喷射压力与运动速度，正确控制喷雾量。
二.预热温度和时间
1.预热的作用：
(1)将焊剂中的溶剂挥发掉，这样可以减少焊接时产生气体。
(2)焊剂中松香和活性剂开始分解和活性化，可以去除印制板焊盘、元器件端头和引脚表面的氧化膜以及其它污染物，同时起到保护金属表面防止在高温下发生再氧化的作用。
(3)使印制板和元器件充分预热，避免焊接时急剧升温产生热应力损坏印制板和元器件。
2.预热温度和时间的设定
印制板预热温度和时间要根据印制板的大小、厚度、元器件的大小和多少、以及贴装元器件的多少来确定。预热温度在90-130℃(PCB表面温度)，有较多贴装元器件时预热温度取上限。预热时由传送带速度来控制。如预热温度偏低或和预热时间过短，焊剂中的溶剂挥发不充分，焊接时产生气体引起气孔、锡珠等焊接缺陷：如预热温度偏高或预热时间过长，焊剂被炭化，使焊剂失去活性，同样会引起毛刺、桥接等焊接缺陷。因此要恰当控制预热温度和时间，最佳的预热温度是以在波峰焊前涂覆在PCB底面的焊剂不粘手，但仍带有粘性为准。
三.焊接温度和时间
焊接过程是焊接金属表面、熔融焊料和空气等之间相互作用的复杂过程，必须控制好焊接温度和时间。如焊接温度偏低，液体焊料的粘度大，不能很好地在金属表面润湿和扩散，容易产生拉尖和桥连、焊点表面粗糙等缺陷。如焊接温度过高，容易损坏元器件，还会由于焊剂被炭化失去活性、焊点氧化速度加快，产生焊点发乌、焊点不饱满等问题。
波峰焊温度应根据印制板的大小、厚度、印制板上搭载元器件的大小和多少进行设置，波峰温度一般为250±5℃(必须测打上来的实际波峰温度)。由于热量是温度和时间的函数，在一定温度下焊点和元件受热的热量随时间的增加而增加。波峰焊的焊接时间通过调整传送带的速度来控制，传送带的速度要根据不同型号波峰焊机的长度、预热温度、焊接温度统筹考虑进行调整，以每个焊点接触波峰的时间来表示焊接时间，一般焊接时间为3-4s。
四.印制板爬坡角度和波峰高度
印制板爬坡角度为3-7°，有利于排除残留在焊点和元件周围由焊剂产生的气体，适当的波峰高度使焊料波对焊点增加压力和流速有利于焊料润湿金属表面、流入小孔，波峰高度一般控制在印制板厚度的2／3处。
16.6设备维护
操作人员对设备的掌握、正确操作和日常维护对保证焊接质量也是极其重要的。要使设备始终处于稳定的正常状态，才能保证焊接质量，发挥设备的最大效率。
在生产过程中可以通过选择适当的焊料和焊剂，调整工艺参数，加强设备的日常维护等措施，使焊接不良率降到最低限度。
1.每天关机后将焊剂槽内的焊剂收在密闭的容器内，防止溶剂挥发，并用稀释剂或乙醇清洗发泡槽。定期对焊剂发泡管或喷涂器进行清洗、整理，不能堵塞发泡孔和喷射孔。
2.每天关机前清理焊料锅表面的氧化物等残渣。
3.定期清理波峰喷嘴。
4.根据波峰焊机的开机工作时间，定期检测焊料锅内焊料的铅锡比例和杂质含量，如果锡的含量低于极限时，可添加一些纯锡，如杂质含量超标，应进行换锡处理。
5.严格工艺制度。
填写操作记录，定时记录温度等焊接参数。定时或对每块印制板进行焊后质量检查，发现焊接质量问题，及时调整参数，采取措施。
6.波峰焊过程中每个工艺参数设置有一定范围，但各工艺参数之间有相关性，例如印制板预热温度略低时可适当提高焊接温度；又如调节传送带速度时既要考虑预热温度又要考虑焊接温度。因此，操作人员要不断总结和积累经验，不断提高工艺水平和解决焊接缺陷的能力，这对提高波峰焊质量也是非常重要的。
