第7章波峰焊接技術(shù)

1、第7章 波峰焊接技術(shù) 波峰焊接（Wave Soldering）技術(shù)主要用于傳統(tǒng)通孔插裝印制電路板的組裝工藝，以及表面組裝與通孔插裝元器件的混裝工藝，適合波峰焊接的表面貼裝元器件有矩形和圓柱形片式元件、小外型晶體管SOT（Small Outline Transistor）以及較小的小外廓型封裝SOP（Small Outline Package）等。波峰焊成為應(yīng)用最普遍的一種焊接印制電路板的工藝方法，這種方法適宜成批、大量的焊接一面裝有分立元件和集成電路的印制線電路板。與手工焊接相比較，波峰焊具有生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。7.1 波峰焊接原理及分類波峰焊接原理及分類7.1.1 熱浸焊

2、波峰焊技術(shù)是由早期的熱浸焊接（Hot Dip Soldering）技術(shù)發(fā)展而來(lái)。熱浸焊接是把整塊插好電子元器件的PCB與焊料面平行地浸入熔融焊料缸中，使元器件引線、PCB銅箔進(jìn)行焊接的流動(dòng)焊接方法之一。如圖所示，PCB組件按傳送方向浸入熔融焊料中，停留一定時(shí)間，然后再離開焊料缸，進(jìn)行適當(dāng)冷卻。有時(shí)焊料缸還作上下運(yùn)動(dòng)。視頻7.1.2 波峰焊接原理波峰焊機(jī)是在浸焊機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)焊接設(shè)備，兩者最主要的區(qū)別在于設(shè)備的焊錫槽。波峰焊是利用焊錫槽內(nèi)的機(jī)械式或電磁式離心泵，將熔融焊料壓向噴嘴，形成一股向上平穩(wěn)噴涌的焊料波峰，并源源不斷地從噴嘴中溢出。裝有元器件的印制電路板以直線平面運(yùn)動(dòng)的方式通過(guò)焊

3、料波峰，在焊接面上形成浸潤(rùn)焊點(diǎn)而完成焊接。圖是波峰焊機(jī)的焊錫槽示意圖。 現(xiàn)在，波峰焊設(shè)備已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化，波峰焊成為應(yīng)用最普遍的一種焊接印制電路板的工藝方法。這種方法適宜成批、大量地焊接一面裝有分立元件和集成電路的印制線路板。凡與焊接質(zhì)量有關(guān)的重要因素，如焊料與焊劑的化學(xué)成分、焊接溫度、速度、時(shí)間等，在波峰焊機(jī)上均能得到比較完善的控制。圖是波峰焊機(jī)的外觀圖。 傳統(tǒng)插裝元件的波峰焊工藝基本流程如圖所示，包括準(zhǔn)備、元器件插裝、波峰焊、清洗等工序。7.1.3 波峰焊的分類1單波峰焊單波峰焊單波峰焊是借助焊料泵把熔融狀焊料不斷垂直向上地朝狹長(zhǎng)出口涌出，形成2040mm高的波峰。這樣可使焊料以一定的速度與壓力

4、作用于PCB上，充分滲透入待焊接的元器件引線與電路板之間，使之完全濕潤(rùn)并進(jìn)行焊接。2斜坡式波峰焊斜坡式波峰焊這種波峰焊機(jī)和一般波峰焊機(jī)的區(qū)別，在于傳送導(dǎo)軌以一定角度的斜坡方式安裝，如圖所示。這樣的好處是，增加了電路板焊接面與焊錫波峰接觸的長(zhǎng)度。假如電路板以同樣速度通過(guò)波峰，等效增加了焊點(diǎn)浸潤(rùn)的時(shí)間，從而可以提高傳送導(dǎo)軌的運(yùn)行速度和焊接效率；不僅有利于焊點(diǎn)內(nèi)的助焊劑揮發(fā)，避免形成夾氣焊點(diǎn)，還能讓多余的焊錫流下來(lái)。 3高波峰焊高波峰焊高波峰焊機(jī)適用于THT元器件“長(zhǎng)腳插焊”工藝，它的焊錫槽及其錫波噴嘴如圖所示。其特點(diǎn)是，焊料離心泵的功率比較大，從噴嘴中噴出的錫波高度比較高，并且其高度h可以調(diào)節(jié)，保

5、證元器件的引腳從錫波里順利通過(guò)。一般，在高波峰焊機(jī)的后面配置剪腿機(jī)，用來(lái)剪短元器件的引腳。 4空心波峰焊空心波峰焊顧名思義，空心波的特點(diǎn)是在熔融鉛錫焊料的噴嘴出口設(shè)置了指針形調(diào)節(jié)桿，讓焊料熔液從噴嘴兩邊對(duì)稱的窄縫中均勻地噴流出來(lái)，使兩個(gè)波峰的中部形成一個(gè)空心的區(qū)域，并且兩邊焊料熔液噴流的方向相反。由于空心波的伯努利效應(yīng)（Bernoulli Effect，一種流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)），它的波峰不會(huì)將元器件推離基板，相反使元器件貼向基板。 5紊亂波峰焊紊亂波峰焊用一塊多孔的平板去替換空心波噴口的指針形調(diào)節(jié)桿，就可以獲得由若干個(gè)小子波構(gòu)成的紊亂波，如圖所示?？雌饋?lái)像平面涌泉似的紊亂波，也能很好地克服一般波峰

6、焊的遮蔽效應(yīng)和陰影效應(yīng)。 6寬平波峰焊寬平波峰焊如圖所示，在焊料的噴嘴出口處安裝了擴(kuò)展器，熔融的鉛錫熔液從傾斜的噴嘴噴流出來(lái)，形成偏向?qū)捚讲ǎㄒ步衅ǎ?。逆著印制板前進(jìn)方向的寬平波的流速較大，對(duì)電路板有很好的擦洗作用；在設(shè)置擴(kuò)展器的一側(cè)，熔液的波面寬而平，流速較小，使焊接對(duì)象可以獲得較好的后熱效應(yīng)，起到修整焊接面、消除橋接和拉尖、豐滿焊點(diǎn)輪廓的效果。 7雙波峰焊雙波峰焊 雙波峰焊機(jī)是SMT時(shí)代發(fā)展起來(lái)的改進(jìn)型波峰焊設(shè)備，特別適合焊接那些THTSMT混合元器件的電路板。雙波峰焊機(jī)的焊料波型如圖所示，使用這種設(shè)備焊接印制電路板時(shí)，THT元器件要采用“短腳插焊”工藝。電路板的焊接面要經(jīng)過(guò)兩個(gè)熔融的鉛

7、錫焊料形成的波峰：這兩個(gè)焊料波峰的形式不同，最常見的波型組合是“紊亂波”“寬平波”。8選擇性波峰焊選擇性波峰焊近年來(lái)，SMT元器件的使用率不斷上升，在某些混合裝配的電子產(chǎn)品里甚至已經(jīng)占到95%左右，按照以往的思路，對(duì)電路板A面進(jìn)行再流焊、B面進(jìn)行波峰焊的方案已經(jīng)面臨挑戰(zhàn)。在以集成電路為主的產(chǎn)品中，很難保證在B面上只貼裝耐受溫度的SMC元件、不貼裝SMD集成電路承受高溫的能力較差，可能因波峰焊導(dǎo)致?lián)p壞；假如用手工焊接的辦法對(duì)少量THT元件實(shí)施焊接，又感覺一致性難以保證。為此，國(guó)外廠商推出了選擇性波峰焊設(shè)備。這種設(shè)備的工作原理是：在由電路板設(shè)計(jì)文件轉(zhuǎn)換的程序控制下，小型波峰焊錫槽和噴嘴移動(dòng)到電路板

8、需要補(bǔ)焊的位置，順序、定量噴涂助焊劑并噴涌焊料波峰，進(jìn)行局部焊接。 7.2 波峰焊主要材料及波峰焊機(jī)設(shè)備組成波峰焊主要材料及波峰焊機(jī)設(shè)備組成7.2.1 波峰焊主要材料1焊料焊料2助焊劑助焊劑3焊料添加劑焊料添加劑 7.2.2 波峰焊機(jī)設(shè)備組成從圖中可以知道一般波峰焊機(jī)由焊料波峰發(fā)生器、助焊劑涂覆系統(tǒng)、預(yù)熱系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分組成。 7.2.3 波峰焊接中合金化過(guò)程波峰焊接中PCB通過(guò)波峰時(shí)其熱作用過(guò)程大致可分為三個(gè)區(qū)域，如圖所示。 7.3 波峰焊接工藝7.3.1 插裝元器件波峰焊接工藝1上機(jī)前的烘干處理2預(yù)熱溫度 3焊料溫度焊料溫度4夾送速度夾送速度5夾送傾角夾

9、送傾角6波峰高度 7.3.2 表面安裝組件（SMA）的波峰焊接技術(shù)1SMA波峰焊接工藝的特殊問(wèn)題波峰焊接工藝的特殊問(wèn)題2SMC/SMD的焊接特性和安裝設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的事項(xiàng)的焊接特性和安裝設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的事項(xiàng) 3SMA波峰焊接工藝要素的調(diào)整波峰焊接工藝要素的調(diào)整 4典型的表面組裝元器件波峰焊的溫度曲線典型的表面組裝元器件波峰焊的溫度曲線 圖為典型表面組裝元器件波峰焊的溫度曲線圖，從圖中可以看出，整個(gè)圖為典型表面組裝元器件波峰焊的溫度曲線圖，從圖中可以看出，整個(gè)焊接過(guò)程被分為三個(gè)溫度區(qū)域：預(yù)熱、焊接、冷卻。實(shí)際的焊接溫度曲焊接過(guò)程被分為三個(gè)溫度區(qū)域：預(yù)熱、焊接、冷卻。實(shí)際的焊接溫度曲線可以通過(guò)對(duì)設(shè)備的

10、控制系統(tǒng)編程進(jìn)行調(diào)整。線可以通過(guò)對(duì)設(shè)備的控制系統(tǒng)編程進(jìn)行調(diào)整。 7.4 波峰焊接缺陷與分析7.4.1 合格焊點(diǎn)錫必須與基板形成共結(jié)晶焊點(diǎn)，讓錫成為基層的一部分，故要求：1在PCB焊接面上出現(xiàn)的焊點(diǎn)應(yīng)為實(shí)心平頂?shù)腻F體；橫切面之兩外圓應(yīng)呈現(xiàn)新月型之均勻弧狀。通孔中之填錫應(yīng)將零件均勻完整的包裹住。2焊點(diǎn)底部面積應(yīng)與板子上的焊盤一致；3焊點(diǎn)之錫柱爬升高度大約為零件腳在電路板面突出的3/4，其最大高度不可超過(guò)圓形焊盤直徑之一半或80%（否則容易造成短路）；4錫量的多少應(yīng)以填滿焊盤邊緣及零件腳為宜，而焊接接觸角度應(yīng)趨近于零，接觸角度越小越好，表示有良好之沾錫性；5錫面應(yīng)呈現(xiàn)光澤性，表面應(yīng)平滑、均勻，6對(duì)貫

11、穿孔的PCB而言，焊錫應(yīng)自焊錫面爬進(jìn)孔中升至零件面。（一般要求超過(guò)PCB厚度的50%以上）滿足以上6個(gè)條件的焊點(diǎn)即被稱為合格焊點(diǎn)，見合格焊點(diǎn)剖面圖。 7.4.2 不良焊接發(fā)生原因：分析不良焊點(diǎn)的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，首先須判斷是設(shè)計(jì)不良、焊接性問(wèn)題、焊錫材料無(wú)效或是處理過(guò)程及設(shè)備的問(wèn)題。此外，很多被認(rèn)為不良的焊點(diǎn)，事實(shí)上是沒有問(wèn)題的，不過(guò)太多廣被認(rèn)同的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，錯(cuò)誤的強(qiáng)調(diào)焊點(diǎn)的美觀而忽略了它的功能。針對(duì)一些問(wèn)題我們做如下討論：?jiǎn)栴}解決概論當(dāng)問(wèn)題發(fā)生時(shí)，首先必須檢查的是制造過(guò)程的基本條件，我們將它歸類為以下三大因素:1材料問(wèn)題 2焊錫性的不良3生產(chǎn)設(shè)備的偏差7.4.3 常見缺陷分析1潤(rùn)焊不良、虛

12、焊潤(rùn)焊不良、虛焊（1）現(xiàn)象：錫料未全面而且不均勻包覆在被焊物表面，讓焊接物表面金屬裸露，如圖所示。潤(rùn)濕不良在焊接作業(yè)中是不能被接受的，它嚴(yán)重地降低了焊點(diǎn)的“耐久性”和“延伸性”，同時(shí)也降低了焊點(diǎn)的“導(dǎo)電性”及“導(dǎo)熱性”。（2）產(chǎn)生原因：a元件焊端、引腳、印制板基板的焊盤氧化或污染，或PCB受潮。 bChip元件端頭金屬電極附著力差或采用單層電極，在焊接溫度下產(chǎn)生脫帽現(xiàn)象。 cPCB設(shè)計(jì)不合理，波峰焊時(shí)陰影效應(yīng)造成漏焊。 dPCB翹曲，使PCB翹起位置與波峰焊接觸不良。 e傳送帶兩側(cè)不平行（尤其使用PCB傳輸架時(shí)），使PCB與波峰接觸不平行。 f波峰不平滑，波峰兩側(cè)高度不平行，尤其電磁泵波峰焊機(jī)

13、的錫波噴口，如果被氧化物堵塞時(shí)，會(huì)使波峰出現(xiàn)鋸齒形，容易造成漏焊、虛焊。 g助焊劑活性差，造成潤(rùn)濕不良。 HPCB預(yù)熱溫度過(guò)高，使助焊劑碳化，失去活性，造成潤(rùn)濕不良。h設(shè)置恰當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度。（3）解決方法：a元器件先到先用，不要存在潮濕的環(huán)境中，不要超過(guò)規(guī)定的使用日期。對(duì)PCB進(jìn)行清洗和去潮處理；b波峰焊應(yīng)選擇三層端頭結(jié)構(gòu)的表面貼裝元器件，元件本體和焊端能經(jīng)受兩次以上的260波峰焊的溫度沖擊。cSMD/SMC采用波峰焊時(shí)元器件布局和排布方向應(yīng)遵循較小元件在前和盡量避免互相遮擋原則。另外，還可以適當(dāng)加長(zhǎng)元件搭接后剩余焊盤長(zhǎng)度。dPCB板翹曲度小于0.81.0%。e調(diào)整波峰焊機(jī)及傳輸帶或PCB傳輸架

14、的橫向水平。f清理波峰噴嘴。g更換助焊劑。h設(shè)置恰當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度。2 2錫球錫球 （1）現(xiàn)象錫球大多數(shù)發(fā)生在PCB表面，因?yàn)楹噶媳旧韮?nèi)聚力的因素，使這些焊料顆粒的外觀呈球狀。它們通常隨著助焊劑固化的過(guò)程附著在PCB表面，有時(shí)也會(huì)埋藏在PCB塑膠物表面如防焊油墨或印刷油墨表面，因?yàn)檫@些油墨焊接時(shí)會(huì)有一段軟化過(guò)程，也容易產(chǎn)生錫球。（2）產(chǎn)生原因:aPCB預(yù)熱不夠，導(dǎo)致表面的助焊劑未干。b助焊劑的配方中含水量過(guò)高。c工廠環(huán)境濕度過(guò)高。 3 3冷焊冷焊（1）現(xiàn)象冷焊的定義是焊點(diǎn)表面不平滑，如“破碎玻璃”的表面一般。冷焊是焊點(diǎn)凝固過(guò)程中，零件與PCB相互的移動(dòng)所形成，如圖，這種相互移動(dòng)的動(dòng)作，影響錫鉛合金

15、該有的結(jié)晶過(guò)程，降低了整個(gè)合金的強(qiáng)度。當(dāng)冷焊嚴(yán)重時(shí)，焊點(diǎn)表面甚至?xí)屑?xì)微裂縫或斷裂的情況發(fā)生。 （2）產(chǎn)生原因:a輸送軌道的皮帶振動(dòng)不平衡。b機(jī)械軸承或馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡。c抽風(fēng)設(shè)備或電扇太強(qiáng)。dPCB已經(jīng)流過(guò)輸送軌道出口，錫還未干。（3）解決方法：PCB過(guò)錫后，保持輸送軌道的平穩(wěn)，讓錫鉛合金固化的過(guò)程中，得到完美的結(jié)晶，即能解決冷焊的因擾。當(dāng)冷焊發(fā)生時(shí)可用補(bǔ)焊的方式整修，若冷焊嚴(yán)重時(shí)，則可考慮重新過(guò)一次錫。有關(guān)于零件的振動(dòng)而影響焊點(diǎn)的固化，使焊點(diǎn)表面不平整或外形不完全的情況，廠內(nèi)的品管單位，必須建立一套焊點(diǎn)外觀標(biāo)準(zhǔn)，讓參與焊錫作業(yè)的人員有判斷的依據(jù)。 4 4焊料不足焊料不足（1）現(xiàn)象焊點(diǎn)干癟、不

16、完整、有空洞，插裝孔及導(dǎo)通孔焊料不飽滿，焊料未爬到元件面的焊盤上。焊料不足在電子業(yè)流傳使用的名稱很多，如“吹氣孔”、“針孔”、“錫落”、“空洞”等。（2）產(chǎn)生原因:aPCB預(yù)熱和焊接溫度過(guò)高，使焊料的黏度過(guò)低；b插裝孔的孔徑過(guò)大，焊料從孔中流出； c插裝元件細(xì)引線大焊盤，焊料被拉到焊盤上，使焊點(diǎn)干癟； d金屬化孔質(zhì)量差或阻焊劑流入孔中； ePCB爬坡角度偏小，不利于焊劑排氣。（3）解決方法：a預(yù)熱溫度90-130，元件較多時(shí)取上限，錫波溫度250+/-5，焊接時(shí)間35S。b插裝孔的孔徑比引腳直徑大0.150.4mm，細(xì)引線取下限，粗引線取上線。c焊盤尺寸與引腳直徑應(yīng)匹配；d反映給PCB加工廠，

17、提高加工質(zhì)量；ePCB的爬坡角度為37。5 5包錫包錫（1）現(xiàn)象包錫即焊料過(guò)多。焊點(diǎn)的四周被過(guò)多的錫包覆而不能斷定其是否為標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)，如圖所示。過(guò)多的錫隱藏了焊點(diǎn)和PCB間潤(rùn)焊（wetting）的曲度，它也可能覆蓋零件腳該露出之部份，使肉眼看不到。而且包錫并不能加強(qiáng)焊接物的堅(jiān)牢度或?qū)щ姸?，只是浪費(fèi)罷了。 （2）產(chǎn)生原因:a焊接溫度過(guò)低或傳送帶速度過(guò)快，使熔融焊料的黏度過(guò)大；bPCB預(yù)熱溫度過(guò)低，焊接時(shí)元件與PCB吸熱，使實(shí)際焊接溫度降低； c助焊劑的活性差或比重過(guò)小； d焊盤、插裝孔或引腳可焊性差，不能充分浸潤(rùn)，產(chǎn)生的氣泡裹在焊點(diǎn)中； e焊料中錫的比例減少，或焊料中雜質(zhì)Cu的成份高，使焊料黏度增

18、加、流動(dòng)性變差。f焊料殘?jiān)唷?（3）解決方法：a錫波溫度250+/-5，焊接時(shí)間35S。 b根據(jù)PCB尺寸、板層、元件多少、有無(wú)貼裝元件等設(shè)置預(yù)熱溫度，PCB底面溫度在90-130。c更換焊劑或調(diào)整適當(dāng)?shù)谋壤?d提高PCB板的加工質(zhì)量，元器件先到先用，不要存放在潮濕的環(huán)境中； e錫的比例61.4%時(shí)，可適量添加一些純錫，雜質(zhì)過(guò)高時(shí)應(yīng)更換焊料； f每天結(jié)束工作時(shí)應(yīng)清理殘?jiān)?6 6冰柱冰柱（1）現(xiàn)象 冰柱是指焊點(diǎn)頂部如冰柱狀，如圖所示。 （2）產(chǎn)生原因a PCB預(yù)熱溫度過(guò)低，使PCB與元器件溫度偏低，焊接時(shí)元件與PCB吸熱； b焊接溫度過(guò)低或傳送帶速度過(guò)快，使熔融焊料的黏度過(guò)大； c電磁泵

19、波峰焊機(jī)的波峰高度太高或引腳過(guò)長(zhǎng)，使引腳底部不能與波峰接觸。因?yàn)殡姶疟貌ǚ搴笝C(jī)是空心波，空心波的厚度為45mm； d助焊劑活性差；e焊接元件引線直徑與插裝孔比例不正確，插裝孔過(guò)大，大焊盤吸熱量大。（3）解決辦法a根據(jù)PCB、板層、元件多少、有無(wú)貼裝元件等設(shè)置預(yù)熱溫度，預(yù)熱溫度在90-130； b錫波溫度為250+/-5，焊接時(shí)間35S。溫度略低時(shí)，傳送帶速度應(yīng)調(diào)慢一些。 c波峰高度一般控制在PCB厚度的2/3處。插裝元件引腳成型要求引腳露出PCB焊接面0.83mm d更換助焊劑； e插裝孔的孔徑比引線直徑大0.150.4mm（細(xì)引線取下限，粗引線取上線）。 7 7橋接橋接（1）現(xiàn)象橋接是指將相鄰的兩個(gè)焊點(diǎn)連接在一塊。架橋發(fā)生時(shí)會(huì)造成PCB短路，其原因可能來(lái)自吃錫過(guò)剩如圖所示，但造成短路有原因不單純是架橋而已，問(wèn)題可能發(fā)生在PCB防焊油墨包覆下的金屬線路，或零件本身。當(dāng)短路因PCB表面焊點(diǎn)的相連，才定義為橋接。（2）產(chǎn)生原因：aPCB設(shè)計(jì)不合理，焊盤間距過(guò)窄；b插裝元件引腳不規(guī)則或插裝歪斜，焊接前引腳之間已經(jīng)接近或已經(jīng)碰上；cPCB預(yù)熱溫度過(guò)低，焊接時(shí)元件與PCB吸