波峰焊工藝與設(shè)備教材-

1、訂單運(yùn)作管理培訓(xùn)教材:波峰焊工藝與設(shè)備編號:ODEN11波峰焊工藝與設(shè)備(V.01版電裝事業(yè)部工藝工程處生產(chǎn)培訓(xùn)中心2001年02月【內(nèi)容簡介】本課程從釬焊原理著手,較詳細(xì)的分析了波峰焊焊接的機(jī)理,并分別設(shè)備、焊料、焊劑、設(shè)計等幾個方面說明了他們之間的關(guān)系,并結(jié)合公司實際生產(chǎn)中的一些典型問題進(jìn)行了具體分析。【培訓(xùn)目標(biāo)】1 了解波峰焊接的基本原理。2 了解波峰焊工藝與設(shè)備之間的關(guān)系。3 了解我公司幾類波峰焊設(shè)備的加工特點及工藝特性?！具m用范圍】波峰焊工程師、操作員必須了解,部分必須熟練掌握?！窘滩牟邉潯侩娧b事業(yè)部工藝工程處設(shè)備科【教材編寫】吳烈火【教材審核】訂單運(yùn)作管理部教材審核組目錄課程說明第

2、一章釬焊的基本原理1 焊接基礎(chǔ)理論 (11.1 釬焊原理 (11.1.1 釬焊的概念及特點: (11.1.2 釬焊的分類: (11.1.3 問題提出:為什么銅、金等金屬能用焊料結(jié)合起來呢? (11.1.4 焊接的條件 (22.1 釬焊接頭的形成過程 (22.1.1 熔化焊料的填縫原理:毛細(xì)現(xiàn)象 (22.1.2 影響焊料潤濕性的因素 (42.1.3 焊料與母材的相互作用 (4第二章與波峰焊焊接有關(guān)的問題2.1 自動焊接設(shè)備:2.1.1. 概述 (62.1.2 錫爐(焊錫機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)、各部位的作用 (62.1.3 有關(guān)焊接設(shè)備的選擇: (82.1.4 談一談我公司目前使用的設(shè)備的結(jié)構(gòu)及特點: (

3、82.1.5 印制線路板的設(shè)計 (82.2 焊料:2.2.1 為什么在普通波峰焊焊接時,焊料多用63%的錫鉛焊料? (92.2.2 焊接過程中焊點的形成過程: (112.2.3 波峰焊焊接中對焊料雜質(zhì)的控制是必要的: (13第三章案例分析總結(jié)案例1:大銅箔拉尖問題解決方法。案例2:花焊盤的應(yīng)用案例。案例3:假焊盤應(yīng)用解決方法第一章釬焊的基本原理1 焊接基礎(chǔ)理論1.1 釬焊原理:1.1.1 釬焊的概念及特點:釬焊是微電子器件制造中常用的一種常見的焊接方法,他是將母材料(如:半導(dǎo)體材料、電極金屬化材料及內(nèi)外引線材料與熔點比母材底的焊料(如:錫、銅、金、銀等一同加熱,在母材料不熔化的情況下,焊料熔融

4、并潤濕及填滿兩母材連接接處的間隙,形成焊縫,在焊縫中,焊料與母材料相互潤濕和擴(kuò)散,得到牢固的焊接。釬焊也叫低溫焊接,它不同于熔焊。他們的根本區(qū)別在于釬焊時母材料不熔化,而只有釬料熔化。其次在釬焊焊接頭中,焊料的成分和性能與母材料有明顯差別。此外,釬焊是靠融化的焊料在毛細(xì)現(xiàn)象作用下填充接頭的間隙,而熔焊無此現(xiàn)象。由于釬焊加熱溫度底,焊接具有理化性能變化較小,因此具有,接頭平整光滑,外表美觀,可以連接不同的材料,生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。然而,釬焊的明顯缺點是強(qiáng)度較低。1.1.2 釬焊的分類:根據(jù)釬料的熔化溫度的不同,可將釬焊分為:硬釬焊焊料熔點在450以上軟釬焊焊料熔點在450以下;在我們電子裝聯(lián)焊接中

5、,我們所指的焊接就是軟釬焊,它的強(qiáng)度比硬釬焊低。雖然,釬焊是一種早期連接金屬的工藝方法,但至今仍然廣泛應(yīng)用微電子器件生產(chǎn)中。(以下我們提到的焊接均為軟釬焊1.1.3 問題提出:為什么銅、金等金屬能用焊料結(jié)合起來呢?首先我們來明確幾個概念:(1潤濕:潤濕就是熔融的焊料涂覆在母材表面后,形成均勻光滑不斷裂的焊料薄膜,或者說,熔融的焊料在準(zhǔn)備結(jié)合的固體金屬表面進(jìn)行充分的擴(kuò)散這一過程叫潤濕(基板上的大焊盤或較粗的線路表現(xiàn)的比較充分。(2半潤濕:當(dāng)熔融的焊料涂覆在母材表面后,焊料回縮而分離,形成不規(guī)則的焊料疙瘩,但還是留有一層薄層焊料而不漏出基材。(3不潤濕:當(dāng)熔融的焊料涂覆到母材表面后,并不附著在基體

6、材料上。一般常用的錫鉛系列焊料焊接銅和黃銅、銀、金等金屬時,焊料就在金屬表面產(chǎn)生潤濕,作為焊料成分之一的錫金屬,就會想母材金屬(銅、金等中擴(kuò)散,在界面上形成合金層(及金屬間化合物,使兩者結(jié)合在一起。1.1.4 焊接的條件當(dāng)然在焊接過程中要有一定的條件,如:焊料的成分,母材的材質(zhì)、溫度(不同技術(shù)要求的材質(zhì),要求的溫度也不同、表面處理(氧化物、氫氧化物、助焊劑等。要使得焊接良好,必須保證焊料能在母材上形成良好的潤濕,否則就會產(chǎn)生不潤濕或潤濕不充分,既上面提到的半潤濕和不潤濕這些情況。那么潤濕的條件有那些呢?(1首先,被焊接的金屬與母材的原子能相互吸引(也就是親和性如:銅、銀和錫鉛焊料之間很容易接近

7、;鉛、鐵等金屬就不易和錫鉛焊料接近,當(dāng)然就焊不上了。(2表面必須清潔:被焊金屬必須用一定的方法把焊接表面清除干凈,其方法有幾種:A、人工方法:既人工用刀片等把金屬表面清除干凈;B、化學(xué)方法:用酸性物質(zhì)、助焊劑等C、保護(hù)方法:既在被焊金屬表面加上保護(hù)劑,如鍍錫鍍金等。(3溫度:不同的焊接金屬,其焊接溫度也不相同,錫鉛焊料焊接的母材金屬一般在焊接部位的溫度控制在240到320度之間?？傊?在焊接過程中,必須要有一定的條件,剔除氧化層,使其金屬焊接面的活化性、擴(kuò)散性最強(qiáng),在一定的溫度焊接中,提高潤濕作用,保證焊接質(zhì)量。當(dāng)然,焊接原理和需要的條件很多,如:金屬的品格結(jié)構(gòu),金屬與金屬的結(jié)合界面的結(jié)晶和凝

8、固等,都是些理論性的,在以后的章節(jié)會提到,在這里就不一一細(xì)說了。2.1 釬焊接頭的形成過程:當(dāng)母材及焊料同時加熱到焊接溫度時,首先是熔化的焊料能很好的流如接頭的間隙,其次,是焊料流入間隙后與母材的相互作用,隨之是冷卻結(jié)晶,成為新的合金,形成牢固的接頭,為研究釬焊接頭的形成過程的規(guī)律性,現(xiàn)對融化的焊料的填縫和焊料與母材的相互作用進(jìn)行分析。2.1.1 熔化焊料的填縫原理:毛細(xì)現(xiàn)象為了獲得良好的焊接接頭,焊料必須完全填滿焊縫,由于焊縫的間隙較小,焊接時焊料是在毛細(xì)現(xiàn)象下在焊縫間隙內(nèi)流動,因此,焊料的填縫作用取決于他的毛細(xì)管性質(zhì)。當(dāng)把直徑很小的管子插入液體中,液體會自動沿著管子上升到高于液面的一定高度

9、,也可能會下降得比原液面低,如圖所示: 上圖所示的這種現(xiàn)象稱為毛細(xì)現(xiàn)象,液體在毛細(xì)管的作用下上升或下降的高度H可由下式確定:H=2COSa / gpr式中:-表示液鄉(xiāng)與氣相之間的表面張力a-表示潤濕角g-表示重力加速度p-液體密度r-毛細(xì)管半徑a角的大小反映液體潤濕固體的情況。在液體潤濕固體的情況下,則a小于90度,COSa大于0,液體在毛細(xì)管中上升。在液體潤濕固體的情況下,則a大于90度,COSa小于0,液體在毛細(xì)管中下降。用這種原理描述間隙很小的兩平板母材之間的液態(tài)釬料的流動情況,用兩板之間的間隙D 代替毛細(xì)管的半徑R,可得到:H=2COSa / gpD這里,COS 表示液體焊料潤濕母材的

10、能力,通常稱為潤濕系數(shù)。從公式中可以看到,兩平板之間的間隙D的大小對液態(tài)焊料在間隙中上升的高度有很大的影響。在潤濕的情況下,隨著間隙的減小,上升高度增大,因此,釬焊是時要使焊料填滿間隙,必須在裝配時保證小的間隙。但是,釬焊時焊料與母材或多或少也發(fā)生作用,此時毛細(xì)現(xiàn)象比較復(fù)雜。不能一概認(rèn)為間隙越小越好。特別是對與母材相互作用強(qiáng)的焊料,其間隙應(yīng)取比相互作用弱的焊料大些。從公式中還可以看出,COS為正值時H 才為正值,液態(tài)焊料才能流入焊縫,0角越小,H值越大,液態(tài)焊料填充的間隙越長,反之液態(tài)焊料將不能流入焊縫。故液態(tài)焊料能否流入接頭間隙取決于其對母材的潤濕性。2.1.2 影響焊料潤濕性的因素:在上面

11、我們粗略的談到影響潤濕性的因素,下面我們較詳細(xì)分析一下影響焊料潤濕性的主要因素:(1焊料和母材成分的影響:焊料和母材成分對潤濕性的影響很大,液體焊料與母材不發(fā)生作用,表明他們之間的潤濕性很差,如果液體焊料能與母材相互溶解或形成化合物,焊料便能較好的潤濕母材。例如:銀和鐵互相不作用,銀在鐵上的潤濕性極差,銀在1000時稍溶于鎳(約3%。所以能潤濕鎳。又于鉛與銅、鋼等互不作用,故鉛在銅及鋼上的潤濕性很差,但是在鉛中加如了能與銅鋼形成固熔體及化合物的錫后,焊料的潤濕性獲得了改善。含錫量越高潤濕性越好,因此,對與母材互不作用而潤濕性差的焊料,可加入能與母材形成共同相的第三物質(zhì)以后改善對母材的潤濕性。(

12、2焊料溫度的影響:焊料溫度升高有利于提高焊料對母材的潤濕性,但是溫度太高回發(fā)生焊料流散現(xiàn)象,焊料對母材的溶蝕加重。所以必須合理的選擇焊接溫度。(3金屬表面氧化的影響:金屬表面氧化物妨礙焊料的原子與母材直接接觸,使液態(tài)焊料聚集成球狀,形成不潤濕現(xiàn)象。因此,釬焊時必須充分除出金屬表面的氧化物。(4母材表面狀態(tài)的影響:母材表面的粗糙程度能明顯的影響與他相互作用較弱的焊料的潤濕性。焊料在粗糙表面的潤濕性比在光滑表面上好。這是由于縱橫交錯的細(xì)槽對液體焊料起著特殊的毛細(xì)作用,促使了焊料沿焊接面的流布。附:檢驗焊料對母材潤濕性的簡單方法:焊料對母材的潤濕性是焊料的重要性能指標(biāo),這里推薦一下最簡單常用的幾種方

13、法檢驗。將一定體積的焊料(及焊劑安放在母材上,在規(guī)定的焊接溫度下保持一定的時間,冷卻后測量焊料的流布面積A,以A的大小作為檢驗標(biāo)準(zhǔn),A越大,焊料的潤濕性越好,或截取焊料的橫截面測量焊料的潤濕角a,以a角的大小作為檢驗標(biāo)準(zhǔn),a角越小,潤濕性越好。還可以將上述兩項合并,以焊料潤濕角a的COSa與流布面積A的乘積W來表示潤濕性,W稱為潤濕系數(shù)。W 值越大,潤濕性越好。焊料填充毛細(xì)間隙的能力可根據(jù)液體焊料在垂直或傾斜安置的母材板構(gòu)成的縫隙之間上升的高度來衡量。一般認(rèn)為上升高度越高,填充的間隙越大則焊料充滿間隙能力越好。2.1.3 焊料與母材的相互作用:焊料與母材的相互作用是指在焊接時,融化的焊料在填充

14、焊縫過程中與母材發(fā)生相互作用。這種作用可歸結(jié)為兩種:一種是故態(tài)母材向液態(tài)焊料溶解,另一種是液態(tài)焊料向固態(tài)母材擴(kuò)散,這兩種作用對焊接接頭性能的影響很大。(1 母材溶解于液態(tài)焊料:焊接時,如果焊料母材在液態(tài)下能相互溶解,則焊接過程中母材就溶解于液態(tài)焊料。溶解作用對焊接接頭的影響有利有利有弊,如果母材向焊料發(fā)生適當(dāng)?shù)娜芙?表層溶于焊料中,使母材以純凈的表面與焊料直接接觸,有利于提高潤濕性。其次,有些母材元素溶于焊料中能對焊料的成分起合金化作用,可提高焊接接頭的強(qiáng)度。例如:錫的抗拉強(qiáng)度只有1.4KG/CM2,而錫鉛焊料焊接母材銅時強(qiáng)度可達(dá)到5.7KG/CM2,特別是當(dāng)母材溶于液體焊料能形成固溶體時,使

15、焊料具有良好的強(qiáng)度與塑性。但是,當(dāng)焊料與母材形成化合物是在焊接過程中形成的化合物(脆性相會使焊縫的強(qiáng)度和塑性都降低,甚至還促使焊縫產(chǎn)生間隙腐蝕,有時一些母材溶于焊料后,液態(tài)的焊料粘度增大,流動性變差,造成焊料填縫性能變壞,如果,母材溶于焊料過多,還會出現(xiàn)溶蝕缺陷,既由于母材過分溶解而出現(xiàn)凹痕。在嚴(yán)重的情況下,可能引起溶穿,特別是在薄母材的釬焊是更為顯著。母材向焊料的溶解作用同他們之間的金相圖有密切的關(guān)系。母材及焊料的成分決定了他們之間相互作用的特點。此外,釬焊加熱溫度,保溫時間,間隙大小,焊料數(shù)量也都偶影響。一般說來,對一定的焊料和木材,溫度越高,保溫時間越長,間隙越大,焊料越多則溶解作用越強(qiáng)

16、烈,對于不同的母材及焊料各個影響的程度是不同的。(2 焊料向母材的擴(kuò)散:雜焊接過程中也出現(xiàn)焊料向母材擴(kuò)散的現(xiàn)象。這種擴(kuò)散的結(jié)果有的在母材的焊料交接面上形成化合物。有的是焊料在母材中形成固溶體。如果擴(kuò)散過程形成的是固溶體,則強(qiáng)度和塑性都較好。如果形成的是化合物,則由于化合物大都是硬而脆,使接頭的強(qiáng)度變壞,如果,形成其晶體,由于共晶體熔點低,較脆,故焊縫的性能不如固溶體?？v上所述,釬焊是焊料與母材相互溶解、擴(kuò)散的結(jié)果形成了釬縫,一般情況下,釬料和母材是通過各晶粒彼此間相互作用的形態(tài)結(jié)合。在釬焊時,焊料和母材產(chǎn)生晶間結(jié)合形式。但在某些特定的情況下也可能出現(xiàn)晶內(nèi)結(jié)合。但焊料和母材是同種金屬成份,釬縫中

17、焊料金屬的晶粒形成和生長就象在母材晶粒上繼續(xù)長出一樣。第二章與波峰焊焊接有關(guān)的問題波峰焊接是目前用于電子行業(yè)較為普遍的一種自動焊接技術(shù),它具有焊接質(zhì)量可靠,焊點外觀光亮,飽滿,焊接一致性好,操作簡便,節(jié)省能源,降低工人勞動強(qiáng)度等特點。波峰焊接工藝雖然具有當(dāng)今電子行業(yè)比較先進(jìn)的焊接手段,但隨著此項工藝技術(shù)的不斷發(fā)展提高,人們對自動焊接技術(shù)的要求也越來越高。目前,有些使用自動焊接的廠家已將疵點率降到很低的限度,所說的疵點不外乎是:連焊,漏焊,半焊,虛焊,假焊,拉尖,堆焊等等。為此,所應(yīng)提到的是焊接質(zhì)量的優(yōu)劣與焊接過程中所使用的設(shè)備,印制線路板,元器件引線,焊料,助焊劑,阻焊劑,被焊基材及他們之間相

18、互的物理,化學(xué)作用,焊接工藝等有著直接的關(guān)系。因為焊接技術(shù)涉及到物理,化學(xué),電子,冶金,機(jī)械等多方面知識,由于本人能力有限,以下敘述大多為個人經(jīng)驗及觀點,不足之處,有待各位包含。下面就其中與焊接質(zhì)量有關(guān)的幾個主要因素進(jìn)行分析:2.1 自動焊接設(shè)備:2.1.1. 概述在自動焊接過程中,使用設(shè)備的優(yōu)劣與焊接質(zhì)量有著直接的關(guān)系。如:焊接設(shè)備中的電器控制部分,鏈條傳動裝置,傳送速度,波峰焊接錫的流向與傾斜角的控制,焊錫槽與助焊劑區(qū)的構(gòu)造,波峰錫槽噴流口及錫泵的設(shè)計,助焊劑噴涂方式的選擇等等。在焊接過程中,即使焊接工藝條件及工藝過程基本相同,但由于設(shè)備的差異,所達(dá)到的焊接效果也會有較大差別。2.1.2

19、錫爐(焊錫機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)、各部位的作用(1錫爐(焊錫機(jī)的種類:按錫爐的結(jié)構(gòu)來分,常見的有以下幾種手浸錫爐手浸噴流錫爐自動浸錫爐高波峰錫爐單波峰錫爐雙波峰錫爐單波、浸一體錫爐(2幾種常見的錫爐(焊錫機(jī)結(jié)構(gòu)及各部位的作用:手浸錫爐:其結(jié)構(gòu)比較簡單,主要有錫鍋、加熱管、溫度控制器、定時器、電源箱等組成。他的操作方法一般為浸蘸焊接方法,操作時先用刮板清除懸浮在焊料表面的氧化物和雜質(zhì)(手浸噴流錫爐及一般的波峰焊爐能保持錫面光潔無氧化物,將蘸有助焊劑的印制板傾斜一定的角度浸入焊料中,稍加壓力,然后左右擺動一次或數(shù)次,最后再傾斜拉出焊料液面,時間為3-5秒。通過這一操作能較好的完成印制板的焊接。自動浸錫錫爐

20、:按清除氧化物的方法,可分為可兩種,既自動溢流式浸錫機(jī)和自動刮板式浸錫機(jī)。他們的結(jié)構(gòu)主要包括:助焊部分、預(yù)熱部分、錫鍋、冷卻部分、輸送部分、電器控制部分等。該自動浸錫錫爐和高波峰焊機(jī)都是為元器件引線長插而設(shè)計的。此錫爐的焊接方式有兩種。一種是必須使用車載工裝的,在焊接時,車載工裝沿著導(dǎo)軌軌跡升降,到焊接區(qū)時,車載工裝沿著導(dǎo)軌軌跡下降,使PCB焊盤與波峰接觸而焊接;另一種是采用節(jié)拍式,它是通過錫爐的升降來進(jìn)行焊接的。即在PCB到達(dá)錫爐上方時,輸送帶停止,錫爐通過控制氣缸或電極上升,讓波峰面與PCB接觸,從而完成焊接的。高波、單波、雙波、波浸一體錫爐:他們的結(jié)構(gòu)基本和自動浸錫爐一樣,只是按其各自不

21、同使用的特點,改變某些傳動結(jié)構(gòu)、噴錫方式、和控制方式。(3各部位的作用:助焊區(qū):故名思意,是讓PCB在焊接前涂覆助焊劑的區(qū)域,因其構(gòu)造不同,涂覆的方式也不相同。有浸蘸式、流動式、發(fā)泡式、噴霧式等等。預(yù)熱區(qū):是對涂覆助焊劑后的PCB進(jìn)行加熱,從而使助焊劑達(dá)到最佳活性的區(qū)域。根據(jù)加熱方式的不同,可將其分為:裸露電烙管預(yù)熱器、遠(yuǎn)紅外加熱陶瓷板預(yù)熱器、遠(yuǎn)紅外排管加熱預(yù)熱器、遠(yuǎn)紅外加熱陶瓷板加熱風(fēng)雙層預(yù)熱器、石英管式加熱預(yù)熱器等等。預(yù)熱加熱的主要作用是:1,促進(jìn)助焊劑活化;2,揮發(fā)和烘干助焊劑內(nèi)的溶劑和水分;3,防止印制板因過波峰急劇加熱而損傷PCB,為其提供一段過渡熱。錫鍋的作用:焊料有泵(葉輪從槽低

22、位打到高位的噴嘴處,焊料在隆起處產(chǎn)生波峰(噴流式形成流動鏡面,在波峰面上來不及形成氧化膜和雜物,可經(jīng)常保持潔凈狀態(tài),印制板能在焊劑的潤濕和活化的作用下,保證焊接質(zhì)量。冷卻區(qū):冷卻區(qū)是為焊后的PCB進(jìn)行降溫的裝制。焊接后印制板的快速冷卻是非常必要的。印制板焊接后不快速冷卻,則由于焊接后元器件引線殘留熱量的影響,其溫度還會繼續(xù)上升到較高的值。因此,焊接后必須盡快將熱量放出,以防止印制板銅箔的結(jié)合力下降和使元器件損壞。下圖是印制線路板上的晶體管引線根部的溫升和冷卻效果圖。 2.1.3 有關(guān)焊接設(shè)備的選擇:選用焊接設(shè)備要與工廠實際情況和發(fā)展趨勢聯(lián)系起來,一旦選擇好焊接設(shè)備,就要建立起圍基板生產(chǎn)相應(yīng)的元

23、器件,焊料及輔助材料應(yīng)用管理系統(tǒng)。(一次性焊接設(shè)備(單波峰焊機(jī)、浸焊機(jī)、雙波峰焊機(jī)實用于短腳插件或中短腳插件法。此類焊接設(shè)備對元器件可焊性的要求較高,二端元器件需要成型加工采用自插機(jī)插件需要編帶,元器件二次加工后的管理較嚴(yán)格,防止混料及氧化措施應(yīng)及時和正確,印制板的可焊性要求要好。(二次焊接設(shè)備(高波或浸焊機(jī)切腳機(jī)單或雙波峰焊機(jī)實用于長腳插件,元器件可不需要二次加工。但由于受傳輸夾具結(jié)構(gòu)的限制PCB的寬度不可能太寬,第一次焊接后PCB受熱變形后容易造成切腳時切壞基板,并影響第二次進(jìn)入輸送帶。此種焊接方式對元器件及印制板抗熱沖擊的性能要求較高。元器件如開關(guān)件、電感件、塑制元件及非線性元件經(jīng)過兩次

24、熱沖擊將會出現(xiàn)早期失效,印制板也易變形。2.1.4 以下談一談我公司目前使用的設(shè)備的結(jié)構(gòu)及特點:我公司現(xiàn)使用的波峰焊設(shè)備有四種,即:EWS-330、EWS-500、 SOLTEC、SOLUTION-400。這幾臺設(shè)備焊接流程幾乎完全相同。即為:進(jìn)板涂覆助焊劑預(yù)熱焊接冷卻下板,其中SOLTEC,SOLUTION-400是加氮?dú)獗Ｗo(hù)的設(shè)備。關(guān)于他們的結(jié)構(gòu)特點,請參閱波峰焊設(shè)備教材。2.1.5 印制線路板的設(shè)計:印制線路板在電子線路中起著電子元器件支撐和內(nèi)部連接作用,因此對線路板板材的質(zhì)量要求很嚴(yán)格,同時對印制線路半的設(shè)計問題也極為重要,在生產(chǎn)過程中因PCB的設(shè)計問題所造成的連焊、虛焊現(xiàn)象多較為普遍

25、。在自動焊接過程中,PCB大面積受熱,著對于導(dǎo)熱不良和熱膨脹系數(shù)相差較大的銅箔和絕緣基材來說,易造成曲翹變形,對每一個焊點來講,其焊接時間、速度等都不是固定不變的,這些客觀條件就對PCB 設(shè)計及元器件提出了較高的要求,對使用自動焊接設(shè)備的元器件及PCB的可焊性及一致性要好,對印制線路板在符合電路原理設(shè)計的基礎(chǔ)上,元器件的布局要符合自動焊接的要求,在印制線路板的設(shè)計中,裝配孔與元器件引線的孔徑配合,焊盤直徑的大小及形狀,焊點與焊點之間的距離,元器件的方向排布,同、異電位焊盤之間的差異等等都是影響焊點質(zhì)量的重要因素。關(guān)于DFM問題是一個非常復(fù)雜的問題,在這里就不詳細(xì)的一一述說了。2.2 焊料:焊接

26、工作中最重要的一點,就是要充分掌握焊料本身的性質(zhì)和特點,然后選用最合適的材料和采用最佳的焊接工藝。在電子裝聯(lián)領(lǐng)域中,焊接基本上都使用錫-鉛焊料,其用途非常廣泛,從電器零部件、元器件及引線的連接,直到普通端字和印制板的連接,都大量使用。2.2.1 為什么在普通波峰焊焊接時,焊料多用63%的錫鉛焊料呢?以下我們從其性質(zhì)特點上進(jìn)行分析:(1錫(Sn的特點和性質(zhì):物理特性:A、錫是軟質(zhì)低熔點金屬,純錫的熔點為231.9;B、導(dǎo)電性能好;C、電阻同大多數(shù)金屬相比相對要小化學(xué)性質(zhì):A、在大氣中耐腐蝕性好,不失金屬光澤;B、有較好的抗腐蝕性(強(qiáng)酸、強(qiáng)堿除外;C、受水、氧氣、二氧化碳等氣體物質(zhì)作用相對較小;D

27、、能抗有機(jī)酸的腐蝕。(2鉛(Pb的特點和性質(zhì):鉛是嚴(yán)展性很好的銀白色金屬,具有在常溫下不易氧化的、特性穩(wěn)定的材料;物理特性:A、鉛是軟質(zhì)低熔點金屬,純鉛的熔點為327.4;B、潤滑性好;C、質(zhì)軟;化學(xué)性質(zhì):A、耐腐蝕性好;B、化學(xué)性能穩(wěn)定,不與以下物質(zhì)起反應(yīng),如:空氣、氧氣、海水、丙酮、食鹽等;(3錫-鉛合金(焊料的特性:首先讓我們來看看錫鉛合金的幾種圖形曲線,然后再做分析: 從Sn-Pb合金狀態(tài)圖和不同Sn-Pb含量的抗拉強(qiáng)度圖中可以看出:1、純錫的熔點為237.9 ,純鉛的熔點為327.4 ,兩者按63:37的比例混合,融化溫度為183 (按其他比例的合金融化溫度都高于183 ;2、錫的抗

28、拉強(qiáng)度為1.5KG/MM2,鉛的抗拉強(qiáng)度為1.4KG/MM2,兩者按63:37的比例的合金焊料抗拉強(qiáng)度為6-7KG/MM2;3、錫的剪切強(qiáng)度為25KG/MM2,鉛為5KG/MM2,兩者按63:37的比例的合金焊料剪切強(qiáng)度為3-3.5KG/MM2;由此可只知,錫鉛合金的熔點隨著含量的發(fā)生變化,錫鉛這兩種純金屬和他們的共金體,在單一溫度下熔化,共晶成份63:37的錫鉛合金熔點最低,操作比較方便,對元器件的傷害小,強(qiáng)度最高,從而改善了其機(jī)械性能,另外,由于鉛的加入,提高了焊料的潤濕性,增加了流動性,對焊接有很大好處,抗氧化性增強(qiáng),提高了焊接質(zhì)量,對導(dǎo)熱性、硬度都有改善。因此選擇63:37的錫鉛合金作

29、為波峰焊接的合金焊料。2.2.2 焊接過程中焊點的形成過程:(1焊接(焊點的形成過程:焊點的形成必須經(jīng)歷以下三個主要步驟:第一、加熱材料(銅箔、元器件引線等第二、熔融焊料填充到熱的焊接材料上并相互擴(kuò)散;第三、冷卻、結(jié)晶形成合金;如下圖所示: 優(yōu)質(zhì)的焊接是必須經(jīng)過以下三個過程的,既潤濕、擴(kuò)散、形成合金: (2潤濕和焊料的傳播:A、潤濕:潤濕的意思就是熔融焊料充分傳播并覆蓋在被焊的金屬表面。 B、擴(kuò)散:當(dāng)物質(zhì)的濃度存在不同時,物質(zhì)就會從濃度很高的一邊擴(kuò)散到濃度低的一邊,焊料與金屬銅箔在界面接觸并被加熱,使得銅箔面上的銅原子和焊料中的錫原子在界面上形成濃度差,因此,錫原子向銅箔面內(nèi)擴(kuò)散,而銅原子就向

30、焊料錫中擴(kuò)散,如下圖所示: C、合金層的形成:兩種或兩種以上的不同的金屬相混合,通過擴(kuò)散原理形成另一種金屬(合金,他具有金屬原有金屬不同的特性,在焊點的形成過程中,印制板上的銅箔、引線及焊料之間形成的合金層可用如下圖來描述: 經(jīng)過焊接必須的三個步驟后,焊點就形成了,下圖反映的是焊接后焊點的大概情況: 2.2.3 波峰焊焊接中對焊料雜質(zhì)的控制是必要的:Pb在波峰焊接過程中,錫鍋每天要焊接幾百甚至上千塊印制板,印制板幾元器件材料中所含的雜質(zhì)會不斷地熔入錫鍋內(nèi),由于這些雜質(zhì)的存在,會使得波峰焊的焊料成份發(fā)生變化,使波峰焊后的焊點虛假焊及連錫缺陷增多,從而導(dǎo)致焊接質(zhì)量的下降,因此要把焊料中的雜質(zhì)控制在

31、最低程度,方能保證良好的焊接效果,因此,在實際使用過程中要根據(jù)焊料中的雜質(zhì)的最高允許范圍對焊料進(jìn)行定期的化驗分析,若焊料中的熄鉛比例偏移正常范圍,則應(yīng)視情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,必要時應(yīng)將錫槽內(nèi)的焊料全部更換。以下就談一談焊料中雜志對焊接質(zhì)量的影響情況:焊料(錫鉛中,有微量的其他金屬以雜質(zhì)的形式混入,有些雜質(zhì)是對焊接質(zhì)量有害的,當(dāng)然有些是無害的,有害的雜質(zhì)會對焊接接點的性能的影響較大,無害金屬少量的加入,能起到改善焊料的特性的作用。有害雜質(zhì)(金屬或非金屬:1、鋅(Zn含量達(dá)0.001%左右,就會對焊點的外觀,焊料的流動性及潤潤濕性產(chǎn)生不良影響,是最忌為的一種。2、鋁(Al對流動性和潤濕性有害,影響外

32、觀和操作,而且容易產(chǎn)生氧化和腐蝕。含量大0.001%時,其影響就會表現(xiàn)出來。3、銅(Cu會使焊料的熔點增高,波峰焊爐內(nèi)其含量不能大0.3%。4、鎘(Cd會使焊料的熔點降低,并能使焊料的晶粒變得粗大而失去金屬光澤,含量超過.001%就會使焊料的流動性降低,焊點變脆。5、鉍、砷、鐵等,都會對焊接質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。6、非金屬雜質(zhì),如硫磺會影響焊接質(zhì)量,它經(jīng)常一腐蝕沉淀物的形式殘留在母材表面。 7,還有氧化物、炭化物雜質(zhì)等都會對焊接產(chǎn)生影響。無害雜質(zhì):1,銻(Sb可使焊料機(jī)械強(qiáng)度和電阻增大,含量在0.3%-3%時,焊點形成極好。2,磷(P含量小時回增加焊料的流動性?？傊?鋅(Zn、鋁(Al、鎘(Cd

33、是焊接中最有害的雜質(zhì),即使是 0.001%的含量對外觀也會產(chǎn)生影響,影響流動性和潤濕性,給焊接工作增加困難,他們可使母材在浸入焊料槽時發(fā)生熔蝕。導(dǎo)致在焊接后產(chǎn)生“橋接”或“拉尖”現(xiàn)象。是焊接中最忌諱的金屬,因此有必要定時對焊料進(jìn)行取樣化驗分析。第三章案例分析總結(jié)案例1:大銅箔拉尖問題解決方法。案例2:花焊盤的應(yīng)用案例。案例3:假焊盤應(yīng)用解決方法。案例1:C841PWS單板拉尖問題解決方法1. 摘要:C841PWS在原先生產(chǎn)時會漫錫和錫面拉尖-冰柱,通過更換波峰焊設(shè)備、調(diào)整波峰參數(shù)和更改PCB板設(shè)計來解決問題。2.試驗?zāi)康?C841PWS板是128模塊中一重要的單板,產(chǎn)量較大。不僅128用,GS

34、M等其它項目也需要用到。C841PWS板在2月份生產(chǎn)時就有漫錫和冰柱現(xiàn)象。漫錫是屬于嚴(yán)重的生產(chǎn)工藝問題,決心一定要跟蹤生產(chǎn),把問題解決掉。制定出合理的工藝解決方案,使C841PWS能在所有的波峰焊設(shè)備上生產(chǎn)。并且提出大面積露錫銅箔過波峰焊工藝標(biāo)準(zhǔn)。3。試驗要素:試驗對象:C841PWS單板時間:99-4月29晚到30日早,99-6月15日晚。地點:波峰焊04,波峰焊05。4。實驗過程及分析:該產(chǎn)品PWB兩面均有大面積露錫銅箔,兩銅箔之間又有較大較密集的過孔。項目人要求:焊接面的露錫銅箔必須要在波峰焊時上錫,以增加厚度。大銅箔上所有過孔均要求上錫,以增加散熱能力。在滿足項目人要求下來進(jìn)行工藝改進(jìn)

35、。該產(chǎn)品有兩項工藝缺陷:一個是漫錫,另一個是冰柱。4.1 漫錫:原因分析:A。由于過孔較大是引起漫錫的直接原因,為60mils。且過孔間距近,最近中心間距為125mils。在波峰焊4線過波峰焊時,焊錫由過孔向上踴,并在過孔頂部形成一小錫灘。由于過孔間距小,相鄰過孔各小灘錫會聚在一起,就形成一股錫流。PCB 板在過波峰焊時是傾斜的,會聚后的錫流由上向下流,所經(jīng)過之處不斷會聚錫,就如同小溪流會聚成江河一樣,形成漫錫。B。波峰錫面不理想。從理論上講板子在過波峰時應(yīng)該同錫面保持相對靜止,這才是最佳狀態(tài)。但是我們所看到的錫面是高低不平,流動勁很強(qiáng)。如同小溪流水一般。這樣并不能形成一“靜止” C 。7度。

36、斜度大斜度小實驗過程:開始在波峰焊4線生產(chǎn),該設(shè)備為 EWS330。操作員將波峰焊高度調(diào)到正常范圍內(nèi)的最低值495 轉(zhuǎn)/分(轉(zhuǎn)速越快,波峰越高。結(jié)果第一塊漫錫且焊錫面有冰柱。下表格為實驗過程: 按3方式再過5PCS 板,調(diào)整預(yù)熱溫度,均未有漫錫,但都有冰柱、板面臟現(xiàn)象。(板臟原因: 錫,這是一對矛盾。我們要求操作員左躍虎是否可以在波峰焊5線試1PCS 板(夜班處于閑置中。該設(shè)備為SOLTEL6622CC (同于中試工藝線。該設(shè)備優(yōu)點:錫面寬、非常平整、“平靜”。錫面上吹氮?dú)?一方面避免氧化,另一方面在一定程度上可以幫助消除冰柱(類似于波峰刀。軌道斜度為5度左右。很和我意。以下列出實驗數(shù)據(jù): 最

37、終確定的參數(shù)為:Zone1:20%,Zone2:30%,Zone3:60%,TOP ZONE2:10%,TOP ZONE3:20%,牋波峰焊高度:320 轉(zhuǎn)/分錫面溫度:250度噴頭移動速度:60噴助焊劑頻率:80HZ結(jié)果:按此參數(shù)焊接76PCS單板未出現(xiàn)漫錫或冰柱現(xiàn)象。結(jié)論1:錫面的平整性、錫面同板底相對靜止性和軌道的斜度會影響到漫錫問題。但是,我覺得這并沒有從根本上解決問題,只不過將問題進(jìn)行了轉(zhuǎn)移而掩蓋住罷了。如果C841PWS生產(chǎn)產(chǎn)量大,而又僅限于波峰焊5線才能生產(chǎn),將會大大降低該產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)能。所以必須要找出一更好工藝解決方法使該產(chǎn)品能在所有波峰焊設(shè)備上進(jìn)行生產(chǎn)。機(jī)會再次來臨,6月初又

38、生產(chǎn)180PCS C841PWS。邀請吳烈火工程師加入該波峰焊實驗過程,我們抽出20PCS板,仍然在波峰焊4線進(jìn)行實驗。結(jié)果吳工將波峰焊的后擋板調(diào)低、降低波峰高度就解決了漫錫問題,并且板底面不臟,但冰柱問題仍然存在。世上沒有最好,只有更好。能否找出一種更好的方法,不用調(diào)擋板,不用特殊波峰焊參數(shù)就能正常生產(chǎn)呢!最根本的解決辦法就是更改PWB板設(shè)計,我們提出以下幾種更改方案:方案1:減小孔徑,增多孔數(shù)。保持通孔的面積更改前后一致,盡量不影響走電流時的阻抗。并且使過孔排布有規(guī)律,這樣排部使過孔間距最大,且不易形成會聚: 方案2:在過孔的周圍加上1mm厚的綠油,并且使過孔排布有規(guī)律。方案3:過孔之間的

39、距離加大,使過孔間距大于5mm。并且使過孔排布有規(guī)律。方案4:TOP面的露錫處均涂上綠油。結(jié)果:在6月15日的歸檔文件中按方案1進(jìn)行更改。4.2 冰柱:原因分析:A。 PCB 板在過波峰焊時,由于受熱變軟、變凹,中間處為最低點。PCB板底面在脫離錫面時,是由板的兩邊向板中間收縮。當(dāng)錫面收縮的越來越小時,大面積露錫銅箔的散熱效應(yīng)越來越明顯,在錫面脫離板底露錫銅箔的最后時刻,板底露錫銅箔上的熔融錫由于大面積的散熱,急劇冷卻已經(jīng)變冷、凝固了形成一冰柱。波峰焊軌道爪鉤 波峰焊錫爐錫面脫離點,解決方案:方案1:在PCB板焊錫面形成冰柱的兩處,將銅箔畫成“V”形收斂。 度方案2:用綠油將大面積銅泊劃成班馬

40、線形。 方案3:將形成冰柱位置處焊盤做收斂形狀,再附加一假焊盤牽引過來。由于假焊盤散熱面積小得多,只要成功將錫牽引到假焊盤上,使錫面脫離點在假焊盤上,就不會產(chǎn)生冰柱現(xiàn)象。 方案4:用綠油將大面積銅泊劃成鋸齒線形。 度。而方案2、4方案4方案2實驗結(jié)果:將膠紙窄條按不同間距貼成斑馬形。根據(jù)實驗結(jié)果看怎樣的距離最合理。結(jié)果表明:1。斑馬條間距為10mm時會形成冰柱。2。斑馬條間距為8mm時為臨界點。3。斑馬條為6mm時不會形成冰柱。7。結(jié)論:1 漫錫:當(dāng)過孔大到60mils。且過孔間距近到125mils時,在過波峰焊容易漫錫?？梢酝ㄟ^更改PWB設(shè)計、調(diào)整波峰焊來進(jìn)行解決。2冰柱:可以通過斑馬線形式

41、對熔融錫進(jìn)行分流來解決。8。技術(shù)推廣:以后類似這種問題均可用此方法解決。案例2:花焊盤應(yīng)用現(xiàn)象描述:SSMB同軸連接器(編碼:14040157,型號SSMB-50JHD在*TBPU、*RCU 單板上都有使用,由于該元器件結(jié)構(gòu)及其焊盤設(shè)計原因,波峰焊接連錫嚴(yán)重,是困擾單板直通率提高的瓶頸。原因分析:SSMB同軸連接器焊盤設(shè)計如圖1所示。 圖1 同軸連接器引腳、焊盤圖示(PCB底面由圖1可見,同軸連接器周邊的四個引腳距離中心引腳只有0.9mm,而焊盤間距則更小,因此在過波峰脫錫時,引腳間的液態(tài)焊錫容易粘在一起。而在焊盤周圍是大塊接地銅箔,散熱很快,使得引腳上相連的液態(tài)焊錫來不及收縮分離便迅速凝固,

42、從而形成連錫。改進(jìn)措施:由上面分析可知,同軸連接器連錫的主要原因是引腳間距太小和焊盤設(shè)計不佳。為此,從這兩方面著手改進(jìn):1、通過剪腳,控制引腳在單板上的出腳長度在0.30.7mm之間;2、采用熱隔離焊盤設(shè)計,以較小散熱,使引腳間相連的液態(tài)金屬有足夠的時間收縮分離。更改后的焊盤如圖2、圖3所示。 圖2 *TBPU單板上同軸連接器的焊盤(PCB底面 圖3 *RCU單板上同軸連接器的焊盤(PCB底面更改焊盤后,對*TBPU、*RCU單板各10pcs(10*4pcs同軸連接器進(jìn)行焊接試驗,同軸連接器出腳長度控制在0.30.7mm,結(jié)果表明:1、*TBPU連錫完全消除;2、*RCU連錫基本消除,但焊接參數(shù)設(shè)置要好。本試驗中RCU單板的熱隔離焊盤對連錫的消除效果不及TBPU,可能是由于其“#”字形焊盤導(dǎo)熱較TBPU花焊盤快的原因,如果適當(dāng)減少焊盤與大銅箔的連線數(shù)或連線寬度,應(yīng)有利于較小散熱。經(jīng)驗教訓(xùn):1、對于波峰焊接的密腳元件,如果其引腳與PCB底面的大塊銅箔相連,為避免發(fā)生連錫,應(yīng)采用熱隔離焊盤以減小散熱。2、通過剪腳,控制出腳長度也是解決此類連錫的有效辦法,IPC-STD-610B中規(guī)定元器件出腳長度“最小值在焊點中的引腳末端是可見的,最大值為2.5mm”。案例3: