lin第9章 電子組裝技術(shù)焊接技術(shù)

第9章焊接技術(shù)

9.1波峰焊設(shè)備1、類型2、環(huán)行聯(lián)動型這種形式的設(shè)備常用于焊接通孔插裝方式的消費類產(chǎn)品的單面印制電路板組件；2.直線型（適用于“短插/一次焊接方式）適用于“短插/一次焊接”的直線單體型，它適用于通孔插裝及表面安裝的各種類型的印制電路板組件的生產(chǎn)，這種運行方式可與插件線連成一體。關(guān)鍵部件:主要有:助焊劑發(fā)泡裝置、預(yù)熱器、波峰發(fā)生器等。1．助焊劑發(fā)泡裝置(1)發(fā)泡法

(2)波峰法

(3)噴射法

2.預(yù)熱器(1)強迫對流(2)石英燈加熱

它是一種通過紅外輻射加熱的方法，石英燈是一種短波長的紅外線加熱源，它能夠做到快速地達到任何所設(shè)置的預(yù)熱溫度。

(3)熱棒（板）加熱

3.波峰發(fā)生器

波峰發(fā)生器是實施焊接的關(guān)鍵裝置，它是波峰焊機的心臟，衡量波峰焊機的先進性及兼容性(是否對SMT及THT均適應(yīng))的主要判定標(biāo)準(zhǔn)。波峰發(fā)生器有多種類型，它的主要區(qū)別在于動力形式及波峰形狀。

(1)動力形式

①機械泵

②傳導(dǎo)式電磁泵

③感應(yīng)式電磁泵(2)波峰形狀①雙泵雙波峰第一波峰為湍流波或δ噴射空心波，第二波峰為層流波(常采用雙向?qū)捚讲?，從而組合成湍流-層流波或δ噴射空心波-層流波的雙波峰。

湍流波:

波峰口是2-3排交錯排列的小孔或

狹長縫，錫流從孔/縫中噴出，形成快

速流動的、形如涌泉的波峰；

δ噴射空心波:

是從傾斜45°的單向峰口噴出，

錫流與SMA行走同向或逆向噴出。

由于它們具有竄動現(xiàn)象，在焊接過程中有更多的動能，有利于在緊密間距的片狀元器件之間注入焊料，

但湍流波與空心波峰形成的焊點是不均勻的，還可能有橋接和毛刺存在。

層流波：

波峰穩(wěn)定平穩(wěn)，可對焊點進行修整，以消除各種不良現(xiàn)象，所以該波又稱為平滑修整補充波。

②Ω波

它屬于一種振動波峰，它的主波是一個雙向?qū)捚讲ǎ诓ㄖ幸肓顺曊駝?，增加波面的動能?/p>

③充氣(超聲)波它與Ω波一樣，也是一種振動波峰

焊，它是在波峰內(nèi)加入氮氣形成波面抖動的波形，所以

思路與Ω波相同。④O形波

又稱旋轉(zhuǎn)波，在波中裝入有S形槽口的振動片，使波峰口的錫流改變?yōu)樾D(zhuǎn)的錫流，使原來平整的平面形成有旋渦的波面。9.2再流焊再流焊是表面組裝技術(shù)的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，再流焊又被稱為：“回流焊”或“重熔群焊”，它是適應(yīng)SMT而研制的一種新型的焊接方法，它適用于焊接全表面安裝組件。9.2.1再流焊類型

再流焊由于采用不同的熱源，再流焊機有：熱板再流焊機、熱風(fēng)再流焊機、紅外再流焊機、紅外熱風(fēng)再流焊機、汽相再流焊機、激光再流焊機等。不同的加熱1.對流/紅外再流焊（簡稱：IR）

加熱方法:采用紅外輻射及強制熱風(fēng)對流的復(fù)合加熱方式。優(yōu)點：可彌補下列問題

色彩靈敏度：基板組成材料和元件的包封材料對紅外線的吸收比例不同；

陰影效應(yīng)：輻射被遮擋而引起的升溫不勻。方式，其工作原理是不同的。焊接原理:焊接時，SMA隨著傳動鏈勻速地進入隧道式爐膛，焊接對象在爐膛內(nèi)依次通過三個區(qū)域。

先進入預(yù)熱區(qū)，揮發(fā)掉焊膏中的低沸點溶劑；

然后進入再流區(qū)，預(yù)先涂敷在基板焊盤上的焊膏在熱空氣中熔融，潤濕焊接面，完成焊接；

進入冷卻區(qū)使焊料冷卻凝固。

優(yōu)點：預(yù)熱和焊接可在同一爐膛內(nèi)完成，無污染，適合于單一品種的大批量生產(chǎn)；

缺點：循環(huán)空氣會使焊膏外表形成表皮，使內(nèi)部溶劑不易揮發(fā)，再流焊期間會引起焊料飛濺而產(chǎn)生微小錫珠，需徹底清洗。

2．熱板再流焊

加熱方法:SMA與熱板直接接觸傳導(dǎo)熱量。與紅外再流焊不同的是加熱熱源是熱板。

焊接原理：與上述相同。

適用性：小型單面安裝的基板，通常應(yīng)用于厚膜電路的生產(chǎn)。3.汽相再流焊（簡稱：VPS）加熱方法：通過加熱一種氟碳化合物液體（俗稱“氟油”），使之達到沸騰（約215℃）而蒸發(fā)，用高溫蒸氣來加熱SMA。

優(yōu)點：是焊接溫度控制方便，峰值溫度穩(wěn)定（等于工作液的沸點），因此更換產(chǎn)品化費的調(diào)機時間短（唯一需要調(diào)節(jié)的是傳送速度），更適合于小批量多品種的生產(chǎn)。缺點：不能對焊件進行預(yù)熱，因此焊接時元器件與板面溫差大，容易發(fā)生因“吸吮現(xiàn)象”而引起的脫焊。而且工作液（氟碳化合物）成本高，在工藝過程中容易損失，而且污染環(huán)境。4．激光再流焊加熱方法：激光再流焊是一種新型的再流焊技術(shù)，它是利用激光光束直接照射焊接部位而產(chǎn)生熱量使焊膏熔化,而形成良好的焊點。激光焊是對其它再流焊方式的補充而不是替代，它主要應(yīng)用在一些特定的場合。

優(yōu)點：

可焊接在其他焊接中易受熱損傷或易開裂的元器件；

可以在元器件密集的電路上除去某些電路線條和增添某些元件，而無須對整個電路板加熱；

焊接時整個電路板不承受熱應(yīng)力，因此不會使電路板翹曲；

焊接時間短，不會形成較厚的金屬間化物層，所以焊點質(zhì)量可靠。

缺點：

激光光束寬度調(diào)節(jié)不當(dāng)時，會損壞相鄰元器件；

雖然激光焊的每個焊點的焊接時間僅300ms，但它是逐點依次焊接，而不是整體一次完成，所以它比其它焊接方法緩慢，

設(shè)備昂貴，因此生產(chǎn)成本較高，阻礙了它的廣泛應(yīng)用。

9.2.2再流焊工藝參數(shù)的確定

再流焊與波峰焊不同的是焊接時的助焊劑與焊料（焊膏）已預(yù)先涂敷在焊接部位,而再流焊設(shè)備只是向SMA提供一個加溫的通道，所以再流焊過程中需要控制的參數(shù)只有一個，就是SMA表面溫度隨時間的變化，通常用一條“溫度曲線”來表示（橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為SMA的表面溫度）。

Preheat1

Preheat2ReflowCooling為了取得良好的焊接質(zhì)量，我們希望焊件通過再流焊設(shè)備的整個過程中，其表面溫度隨時間的變化能符合理想的焊接要求。1．溫度曲線的確定原則

SMA在再流焊設(shè)備中，雖然是經(jīng)過一個連續(xù)的焊接過程，但從焊點形成機理來看它是經(jīng)過三個過程（預(yù)熱、焊接、冷卻），這三個過程有著不同的溫度要求，所以我們可將焊接全過程分為三個溫區(qū)：預(yù)熱區(qū)、再流區(qū)和冷卻區(qū)。(1)預(yù)熱區(qū)

確定的具體原則是：

˙預(yù)熱結(jié)束時溫度：140℃-160℃；

˙預(yù)熱時間：160-180S；

˙升溫的速率≤3℃/s；

(2)再流區(qū)峰值溫度：一般推薦為焊膏合金熔點溫度加20℃-40℃，紅外焊為210230℃；汽相焊為205-215℃；焊接時間：控制在1560s，最長不要超過90s，其中，處于225℃以上的時間小于10s，215℃以上的時間小于20s。

(3)冷卻區(qū)降溫速率大于10℃/S；

冷卻終止溫度不大于75℃。

3．溫度曲線的測試方法測試溫度曲線的儀表是溫度采集器，它可以直接打印出實測的溫度曲線。測試方法及步驟如下：

(1)選取測試點（3個）通常至少應(yīng)選取三個測試點，它們分別能反映SMA的最高、最低及中間溫度的變化。(2)固定熱電偶測試頭將熱電偶測量頭分別可靠的固定到焊接對象的測試點部位，固定方法可采用高溫膠帶、貼片膠或焊接。

(3)進入爐內(nèi)測試(P175)將SMA連同溫度采集器一同置于再流焊機傳送鏈/網(wǎng)帶上,隨著傳送鏈/網(wǎng)帶的運行，溫度采集器將自動完成測試全過程,并將實測的三個“溫度曲線”顯示或打印出來,它們分別代表了SMA表面最高、最低及中間溫度的變化情況。

2.實際溫度曲線的確定在實際應(yīng)用中，影響焊件升溫速率的因數(shù)很多，使焊件溫度變化完全符合理想曲線，是不可能的。不同的體積、表面積及包封材料的元器件，不同材料、厚度及面積的印制電路板，不同的焊膏及涂敷厚度均會影響升溫速度，因此，焊件上不同點的溫度會有一定的差異，最終只能在諸多因素下確定一個相對最合理與折中的曲線。

實際溫度曲線是通過調(diào)節(jié)爐溫及傳送帶速度兩個參數(shù)來實現(xiàn)

。具體的調(diào)節(jié)步驟如下：(1)按照生產(chǎn)量初步設(shè)定傳送帶速，但不能超過再流焊工藝允許的最大（?。┧俣?

(2)憑經(jīng)驗及技術(shù)資料初步設(shè)定爐溫;(3)測試溫度曲線:在爐內(nèi)溫度穩(wěn)定后，進行初次焊接試驗，并對SMA的表面溫度變化進行首次測定；(4)調(diào)整爐溫及帶速:分析所測得的溫度曲線與所設(shè)計的溫度曲線的差別，進行爐溫及帶速的調(diào)整。(5)重復(fù)(3)、（4）過程，直到所測溫度曲線與設(shè)計的理想溫度曲線基本一致為止。再流焊接缺陷的原因分析短路是一種很常見的焊接缺陷，造成短路的原因很多，主要原因有：焊料過多、板面預(yù)熱溫度不夠、潤焊時間不足、焊接溫度偏低，焊盤表面氧化物清除未盡、元器件間距太小、印刷不正確等。要克服短路缺陷，首先要分析是哪一種原因?qū)е碌亩搪?，有針對性的進行處理。短路是最嚴(yán)重的焊接缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的電器特性，並造成元器件的損壞，致使組件完全喪失功能。焊點的孔洞缺陷，此缺陷會造成電路無法導(dǎo)通或?qū)ú涣?、造成焊點抗疲勞能力變差、嚴(yán)重時還會引起焊點斷裂，降低組件的可靠性。空洞的形成原因比較復(fù)雜，但最主要的原因是焊接過程中的高溫使助焊劑汽化產(chǎn)生大量的氣體未能及時溢出，在固化期間焊錫收縮導(dǎo)致排氣不良形成空洞?？斩吹闹睆椒秶鷱?0μm～1mm不等。除此之外在浸銀的PCB的金屬間化合物（IMC）界面上也有比較小的空洞出現(xiàn)，這就是所謂的克氏空洞（KirkendallHole），這種空洞是固態(tài)金屬界面間金屬原子移動造成的，即在兩種不相同的材料之間，由于擴散速率的不同所產(chǎn)生。

再流焊的另一個缺陷是出現(xiàn)焊錫珠，錫珠是在PWB表面上、片狀阻容元件的某一側(cè)面，出現(xiàn)直徑約為0.2-0.4mm的珠狀焊錫。這種焊錫珠不僅影響產(chǎn)品的外觀，由于印刷板上元器件和布線都比較密集，焊錫珠會造成短路現(xiàn)象，從而影響電子產(chǎn)品的可靠性。焊錫珠產(chǎn)生的原因有多種，主要原因是焊膏的焊劑或水分的量過大、PWB受潮、加熱過程中助焊劑未完全活化，導(dǎo)致其氣化引起飛濺形成。其次是再流焊中的溫度曲線不正確，焊膏的印刷厚度不合理，模板的制作，裝貼壓力，外界環(huán)境都會在生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)對焊錫珠形成產(chǎn)生一定的影響。采取適中的預(yù)熱溫度和預(yù)熱速度可以控制焊錫珠的形成。其次，選用金屬含量高、粒度小一點的焊錫膏，金屬含量的增加，使金屬粉末排列緊密，其粘度增加，不易在氣化時被吹散，就能更有效地抵抗預(yù)熱過程中氣化產(chǎn)生的力。因此不易形成焊錫珠。焊膏的印刷厚度不合理導(dǎo)致錫珠形成的機理：焊膏的印刷厚度通常在0.12-0.20mm之間，過厚會導(dǎo)致“塌落”促進錫珠的形成。在制作模板時，焊盤的大小決定著模板上印刷孔的大小，為了避免焊膏印刷過量，將印刷孔的尺寸制造成小于相應(yīng)焊盤接觸面積的10％，會使錫珠現(xiàn)象有相當(dāng)程度的減輕。產(chǎn)生錫珠的另一個原因是貼片過程中貼裝壓力過大，當(dāng)元件壓在焊膏上時，就可能有一部分焊膏被擠在元件下面，再流焊階段，這部分焊膏熔化形成錫珠，因此，在貼裝時應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)馁N裝壓力。空氣中的潮氣在其表面產(chǎn)生水分，另外焊膏中的水分也會導(dǎo)致錫珠形成。在貼裝前將印制板和元器件進行高溫烘干作驅(qū)潮處理，這樣就會有效地抑制錫珠的形成。夏天空氣溫度高濕度大，當(dāng)把焊膏從冷藏處取出時，一定要在室溫下放置4～5小時再開后蓋子。否則在焊膏的界面上形成水珠，水汽的存在容易產(chǎn)生錫珠

。

若采用無鉛焊料，因為無鉛焊料的抗氧化性差，焊膏中氧化物含量會影響焊接效果，因為氧化物含量越高，金屬粉末熔化后結(jié)合過程中所受阻力就越大，再流時就不利于金屬粉末相互潤濕而導(dǎo)致錫珠產(chǎn)生。無鉛焊接還會產(chǎn)生另一種焊接缺陷，叫做錫裂，錫裂是在焊點上發(fā)生裂痕，波峰焊也出現(xiàn)在引線周圍和焊點底部與焊盤之間。造成錫裂最的原因主要是焊點受外力或熱應(yīng)力作用的結(jié)果，使得焊錫與焊盤、焊錫與元件引腳之間產(chǎn)生裂紋甚至斷裂；不同材料的熱脹冷縮系數(shù)不同，焊點也會出現(xiàn)錫裂，快速冷卻且冷卻溫度過低會裂錫。焊料中有水汽、焊接時錫少，都會造成錫裂。如果出現(xiàn)裂紋而未形成斷裂或開路，雖然在檢測時可能電氣性能未受影響，但裂紋的存在是一種隱患，對產(chǎn)品的長期可靠性帶來嚴(yán)重影響。如果焊點發(fā)生錫裂已經(jīng)斷裂或開路，就導(dǎo)致電氣性能喪失，造成嚴(yán)重的不良后果。圖9-36是BGA焊料球錫開裂的情況，圖9-37是插裝焊點裂紋。錫須是在無鉛制程中遇到的問題，錫須是引腳純錫鍍層表面自發(fā)生長而延長的錫單晶體，圖示為掃描電子顯微鏡觀察到的錫須。錫須的直徑大約一到三個μm，長度從幾個μm到幾百個μm不等，形狀多樣，如直線、曲線、枝叉等形狀。錫須在電路中容易造成橋接和短路，導(dǎo)致電性能喪失或降低產(chǎn)品的可靠性。錫須的形成機理主要是應(yīng)力作用的結(jié)果，錫與銅之間相互擴散，形成金屬互化物，致使錫層內(nèi)壓應(yīng)力的迅速增長，導(dǎo)致錫原子沿著晶體邊界進行擴散，形成錫須；電鍍后鍍層的殘余應(yīng)力，也可導(dǎo)致錫須的生長。解決措施：采用電鍍霧錫，改變其結(jié)晶的結(jié)構(gòu)，減小鍍層應(yīng)力；可在150鍍下烘烤2小時退火（實驗證明，在溫度90℃以上，錫須將停止生長）；添加阻擋層，如在錫銅之間加一層鍍鎳層，可以阻止錫須的生長。焊接中另一個常見的缺陷是立碑現(xiàn)象，這種現(xiàn)象主要發(fā)生在小型片式元件上，正常時片式元件被焊接在兩極相對的焊盤上，當(dāng)出現(xiàn)故障時，元件一端離開焊盤垂直地立起來，就像立在墓地的碑一樣而得名。立碑缺陷會使組件喪失電氣性能。即使是側(cè)立也會使產(chǎn)品的長期可靠性受到嚴(yán)重影響。隨著片式元件的微型化和輕量化，高溫?zé)o鉛焊料的應(yīng)用，立碑缺陷的故障率就更大。當(dāng)無源片式元件尺寸變小，在再流焊工藝中，在氮氣保護環(huán)境中，甚至在使用新批次的元件或印制電路板時，立碑都極易出現(xiàn)。立碑產(chǎn)生的主要