波峰焊接基礎(chǔ)技術(shù)理論之二(焊點可靠性)

1、波峰焊接基礎(chǔ)技術(shù)理論之二PCB焊點接頭結(jié)構(gòu)對焊點工作可靠性的影響 1 PCB焊點結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展和演變1.1 無金屬化孔的單面PCB的焊點結(jié)構(gòu)1.1.1 焊點結(jié)構(gòu)模型 早期的電子設(shè)備中所用PCB都是無金屬化孔的單面PCB，焊點的結(jié)構(gòu)形式大致如圖1所示。 在圖1所示的結(jié)構(gòu)模式中，焊點只存在外露部分，而不存在孔內(nèi)部分。因此，焊點的機(jī)械強(qiáng)度只處決于焊盤銅箔和基板材料之間的粘合力，以及釬料浸潤高度(h)和藍(lán)色線表示的合金層。 顯然無金屬化孔的單面PCB不論是機(jī)械強(qiáng)度還是電氣性能都不是很理想的。因此，在無金屬化孔的單面PCB上安裝元器件時必須采取必要的補(bǔ)強(qiáng)措施，以提高焊點的可靠性。1.1.2 對焊點的補(bǔ)強(qiáng)

2、措施 采用補(bǔ)強(qiáng)安裝結(jié)構(gòu) 焊盤銅箔和基板的膠合面不能因安裝了元器件而增加額外的應(yīng)力。這種應(yīng)力主要受元器件本身的質(zhì)量和外力作用的結(jié)果，因此，在安裝結(jié)構(gòu)上通常采取如圖2所示的形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。 圖2所示的安裝形式中，元器件本身的重量( Fg )或者所受的外力( F )都不會直接作用在焊盤銅箔上，從而避免了焊盤銅箔受力作用而導(dǎo)致焊盤銅箔從基板的膠合面上剝離現(xiàn)象的發(fā)生。 控制引線伸出焊盤的高度和浸潤高度 日本學(xué)者綱島瑛一就圖1所示的焊點接頭結(jié)構(gòu)(無金屬化孔的單面板)，試驗確定當(dāng)引線伸出高度H3.18mm(18”)時焊點的強(qiáng)度最高，如圖3所示。 釬料浸潤高度的增加，意味著焊點的接觸面積加大（焊點的圓錐高度

3、增大），通常把它作為提升無金屬化孔的單面PCB焊點可靠性的一個有效手段。釬料的浸潤高度與抗拉強(qiáng)度，之間的關(guān)系，如圖4所示。 美國波音公司對無金屬化孔的單面板要求伸出高度(H)最小為焊盤半徑，最大為焊盤直徑，浸潤高度 hH2/3，如圖5所示。 美國軍標(biāo)MIL-S-45743E 規(guī)定基本與波音公司相同。 IPC-A-610C 規(guī)定“對于單面板，無論是哪一級要求，引線或?qū)Ь€的伸出高度H 至少為 0.5mm”，如圖6所示。 1.2 有金屬化孔的雙面PCB的焊點結(jié)構(gòu) 1.2.1 焊點結(jié)構(gòu)模型 無金屬化孔的單面PCB不論是機(jī)械強(qiáng)度還是電氣性能都不是很理想的，因此在現(xiàn)代有可靠性要求的電子產(chǎn)品中應(yīng)用愈來愈少。

4、而孔金屬化的雙面PCB，正以優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、電氣性能及導(dǎo)熱性能在電子工業(yè)中迅速取代無金屬化孔的單面PCB。 分析孔金屬化的雙面PCB的焊點結(jié)構(gòu)，如圖7所示。 對孔金屬化的雙面PCB安裝元器件焊接后，典型的焊點結(jié)構(gòu)特征是存在著孔內(nèi)部分和孔外部分(即外露部分)。 孔內(nèi)部分 孔內(nèi)完全充滿釬料，并在與釬料相接觸的界面處形成銅錫合金層。只要間隙合適，波峰焊接的工藝參數(shù)選擇合理。那么在孔壁和引線之間就完全為機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)電性能好，導(dǎo)熱能力強(qiáng)的銅錫合金層所充填。中間將不再夾有機(jī)、電、熱等性能相對都差的純釬料層，如圖8所示。因而此時的接頭狀態(tài)不論是機(jī)械強(qiáng)度還是導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性都將達(dá)到最佳。 1.2.2 外露部分

5、的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求 孔金屬化雙面PCB安裝元器件后焊點結(jié)構(gòu)外露部分，實際上指的就是在焊接面的孔外部分。 描述此部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)仍然是：引線伸出焊盤面的高度和釬料的浸潤高度。但就影響焊點可靠性的主要因素而言，起主導(dǎo)作用的是孔內(nèi)部分，孔外部分對焊點綜合性能的影響與孔內(nèi)部分相比，巳經(jīng)是微乎其微。因此目前在世界電子產(chǎn)品安裝結(jié)構(gòu)中，為了改善裝聯(lián)中波峰焊接的工藝性以及提高焊點在惡劣環(huán)境中的工作能力，國外各工業(yè)部門都作出了修正。 美國軍標(biāo)：MIL-S-45743E 規(guī)定： “引線應(yīng)穿過印制板，伸出長度為 0.030英寸 ( 0.76 mm )，最大為 0.060 英寸 ( 1.5mm)?！比鐖D9所示。 美國波音公

6、司(從事飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星生產(chǎn))“電子工藝標(biāo)準(zhǔn)手冊” 規(guī)定 不彎曲也不與電路勾合的元件引線應(yīng)妥善洗凈并剪斷，剪到引線能伸出焊盤1/32英寸（0.79mm）的長度，如圖10所示。 美國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) IPC-A-610C 規(guī)定： 元器件引腳伸出焊盤的部分不能導(dǎo)致出現(xiàn)以下情況：減小電氣間陳、由于引腳的偏移而產(chǎn)生焊接缺陷、或日后使用、操作環(huán)境中發(fā)生的靜電防護(hù)封裝被穿透的可能。高頻情況時要對元器件引腳的長度有更加明確的要求以免影響產(chǎn)品的功能。 IPC-A-610C 3 級（高性能電子產(chǎn)品）具體要求如圖11所示。 注：對于厚度超過2.3mm的通孔板，引腳長度己確定的元器件，如DIP、插座等，引腳突出允許不可辨識

7、。 通過上述討論可知： 在孔金屬化的雙面PCB的焊點結(jié)構(gòu)中，元器件引腳像釘子一樣被釘住在金屬化孔內(nèi)，顯然此時的機(jī)、電性能及傳熱能力等均是無金屬化孔的單面PCB焊點結(jié)構(gòu)(圖1)所無法比擬的。 在圖7所示的結(jié)構(gòu)中，影響焊點機(jī)、電性能的主要因素是孔內(nèi)部分孔和引線之間的間隙和位於間隙內(nèi)釬料的合金化程度。相比之下，而受焊點外露部分結(jié)構(gòu)參數(shù)(引腳伸出高度H) 的影響巳極為有限。 2 金屬化孔雙面PCB焊點外露部分結(jié)構(gòu)參數(shù)對工作狀態(tài)的影響 前面己經(jīng)討論到有金屬化孔的雙面PCB焊點結(jié)構(gòu)外露部分，對焊點的機(jī)、電、熱性能所起的作用是非常微弱的。在此前提下減小焊點引腳的突出高度，還可以獲得下列好處： 改善了波峰焊接

8、的工藝性 引腳突出焊盤高度的增大，PCB經(jīng)過波峰時對液態(tài)釬料的流態(tài)干擾愈大，附面層厚度增加，形成大量紊流和漩渦，導(dǎo)致焊接缺陷(如橋連、錫珠、鼓泡等)頻頻發(fā)生。當(dāng)突出高度小1mm以后，引腳突出部分在經(jīng)過釬料波峰時對液態(tài)釬料流態(tài)的干擾就很小，故焊接缺陷就少，特別是對密集型焊點陣列(如DIP、插座等)更為明顯。 有利于電路工作的穩(wěn)定性 過長的引腳在PCB板面上不同電位點之間將形成額外的雜散電埸，從而加劇了分布電容對電路工作穩(wěn)定性的影響，如圖12所示。 因此在高頻情況時對元器件引腳突出的高度有更加嚴(yán)格的要求，以免影響產(chǎn)品的性能。 對高壓電路和惡劣環(huán)境工作的影響 對在高壓和惡劣環(huán)境中工作的電子電路，還往

9、往因為過長的引腳引發(fā)尖端放電而導(dǎo)致系統(tǒng)的損壞。 六十年代中后期，某海防(岸艦)導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)在濕熱和鹽霧環(huán)境試驗中出現(xiàn)電泄漏，問題表敘如圖13所示。 按現(xiàn)在PCB所達(dá)到的技術(shù)和質(zhì)量水平，只需要減低引線伸出高度就能使焊點獲得所需厚度的三防漆膜，既避免了電泄漏，又不降低焊點的機(jī)、電、熱性能。 而將焊點用釬料人工堆成鏝頭狀不僅浪費釬料，而且這種不露筋焊點按現(xiàn)在的觀點看是屬于不合格的焊點。 增加了產(chǎn)品的質(zhì)量 在一些特種電子裝備(如航空、航天電子裝備)中，產(chǎn)品的質(zhì)量要求特別嚴(yán)格，決不允許過載，過長的引線是增加產(chǎn)品質(zhì)量的一個要素。例如： 60年代中期我國在首次仿制某殲擊機(jī)用雷達(dá)中，產(chǎn)品仿制出來后就因為重量

10、超標(biāo)了數(shù)百克被軍方拒收，不得己只好人工將過長的導(dǎo)線一一減短，湊了一個來星期才減出這數(shù)百克的重量； 據(jù)有關(guān)報告稱，在導(dǎo)彈生產(chǎn)中重量每增加1kg，射程就要損失2km。 當(dāng)然作為通用型電子產(chǎn)品來說，對產(chǎn)品的重量要求不是很嚴(yán)格的。但作為一名工藝工程師來說，平時就應(yīng)養(yǎng)成追求輕、薄、短、小的良好習(xí)慣。3 金屬化孔插器件引線頭的修剪 IPC-A-610C規(guī)定：只要剪切時無物理沖擊，不破壞元件和焊點，引線在焊后允許修剪，修整線應(yīng)符合圖11所示的要求。經(jīng)過修剪的引線應(yīng)該進(jìn)行再次焊接，線頭修剪的再次焊接是整個焊接過程的一部分，不能看作是返修。 修剪后的焊點由于引腳端面的保護(hù)層被去除，端面基體金屬直接暴露在外，在以

11、后的工作過程中極易銹蝕而造成焊點故障，另外在剪切力的作用下，還極易在端部引線和焊點間產(chǎn)生裂縫，如圖14所示。 因此，波峰焊接后一般不允許再剪掉，否則就必須對剪過腿的焊點重新補(bǔ)焊一次。 4 如何利用通用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)窗口來優(yōu)化工藝的可操作性 以IPC-A-610C為例，其引腳伸出焊盤面的高度范圍為H=(01.5)mm,在該數(shù)據(jù)窗口我們以中值為基準(zhǔn)可以劃分為上半數(shù)據(jù)窗口和下半數(shù)據(jù)窗口兩部分，如圖15所示。 下半數(shù)據(jù)窗口 其取值范圍為(00.75)mm，此尺寸范圍特別適合于密集型焊點群(如DIP、多芯插座等)。此類器件在安裝和波峰焊接過程中，位置的穩(wěn)定性通常都不存在問題，而影響最大的問題是引腳伸出長度不合適時，將嚴(yán)重干擾波峰而導(dǎo)致橋連缺陷的發(fā)生。為了改善工藝的可操作性，對密集型的焊點群其引腳的突出高度應(yīng)優(yōu)先在此范圍內(nèi)選取。