無鉛波峰焊接工藝

無鉛波峰焊接工藝介紹無鉛波峰焊工藝的特點，并從波峰焊接工藝流程分別介紹了無鉛波峰焊設(shè)備的各個子系統(tǒng)。從無鉛焊料的潤濕性、易氧化性、金屬間化合物的形成特點等方面分析了無鉛焊接相對于錫鉛焊接的工藝特點，提出了無鉛焊接過程中應(yīng)注意的問題及解決的方法。從無鉛焊接工藝特點分析，整個波峰焊接過程是一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，任何一個參數(shù)的改變都可能影響焊接接頭（焊點）的性能。通過分析需要對波峰焊接過程中的參數(shù)進行優(yōu)化組合，得到優(yōu)良的焊接接頭。綜觀整個波峰焊工藝過程，包括助焊劑涂敷系統(tǒng)、預(yù)熱系統(tǒng)、波峰焊接系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和軌道傳輸系統(tǒng)。每個系統(tǒng)對整個焊接工藝來說都是非常重要的，直接影響到PCB焊接的質(zhì)量。在得到一個良好的波峰焊焊接質(zhì)量來說，還需要有最重要的三點：被焊件的可焊性、焊盤的設(shè)計、焊點的排列。這三個條件是最基本的焊接條件。下面我們就波峰焊的各個系統(tǒng)進行逐個的分析：一：助焊劑涂敷系統(tǒng) 無鉛波峰焊助焊劑采用的涂敷方法主要有兩種：發(fā)泡和噴霧。在此我們主要介紹一下噴霧，噴霧法是焊接工藝中一種比較受歡迎的涂敷方法，它可以精確地控制助焊劑沉積量。助焊劑噴霧系統(tǒng)是利用噴霧裝置，將助焊劑霧化后噴到PCB上，預(yù)熱后進行波峰焊。影響助焊劑噴量的參數(shù)有四個：基板傳送速度、空氣壓力、噴嘴的擺速和助焊劑濃度。通過這些參數(shù)的控制可使噴射的層厚控制在1-10微米之間。 對于無鉛波峰焊來說，由于無鉛焊料的潤濕性比有鉛焊料要差，為了保證良好的焊接質(zhì)量，對助焊劑的選擇和涂敷的要求更高。在選擇助焊劑時還應(yīng)考慮無鉛PCB的預(yù)涂層和無鉛焊料的潤濕性。波峰焊設(shè)備在助焊劑噴霧上要求均勻涂敷，而且涂敷的助焊劑的量要求適中。當助焊劑的涂敷量過大時，就會使PCB焊后殘留物過多，影響外觀。另外過多的助焊劑在預(yù)熱過程中有可能滴落在發(fā)熱管上引起著火，影響發(fā)熱管的使用壽命，當助焊劑的涂敷量不足或涂敷不均勻時，就可能造成漏焊、虛焊或連焊。二：預(yù)熱系統(tǒng) 在基板涂敷助焊劑之后，首先是蒸發(fā)助焊劑中多余的溶劑，增加粘性。這就要在焊接前進行預(yù)熱基板。如果粘性太低，助焊劑會被熔融的錫過早的排擠出，造成表面潤濕不良。干燥助焊劑也可加強其表面活性，加快焊接過程。在預(yù)熱階段，基板和元器件被加熱到100-105，使基板和熔融接觸時降低了熱沖擊，減少基板翹曲的可能。 在通過波峰焊接之前預(yù)熱，有以下幾個理由：1. 提升了焊接表面的溫度，因此從波峰上要求較少的溫帶能量，這樣有助于助焊劑表面的反應(yīng)和更快速的焊接。2. 預(yù)熱也減少波峰對元器件的熱沖擊，當元器件暴露在突然的溫度梯度下時可能被削弱或變成不能運行。3. 預(yù)熱加快揮發(fā)性物質(zhì)從PCB上的蒸發(fā)速度。這些揮發(fā)性物質(zhì)主要來自于助焊劑，但也有可能來自較早的操作、儲存條件和處理。揮發(fā)物在波峰上的出現(xiàn)可能引起焊錫飛濺和PCB上的錫球。控制預(yù)熱溫度梯度、預(yù)熱溫度和預(yù)熱時間對于達到良好的焊接質(zhì)量是關(guān)鍵的。保證助焊劑在適當?shù)臅r間正確地激發(fā)和保持，直到PCB離開波峰。預(yù)熱必須將PCB帶到足夠高的溫度，以提供正在使用的助焊劑的活性化。多數(shù)助焊劑供應(yīng)商會推薦預(yù)熱溫度參考值。 對于任何助焊劑，不足的預(yù)熱時間和溫度將造成較多的焊后殘留物，或許活性不足，造成潤濕性差。預(yù)熱低也可能導(dǎo)致焊接時有氣體放出造成焊料球，當在波峰前沒有提供足夠的預(yù)熱來蒸發(fā)水分時，液體溶劑到達波峰時容易造成焊錫飛濺。當預(yù)熱溫度過高或預(yù)熱時間過長，導(dǎo)致助焊劑有可能在到達波峰之前就已經(jīng)作用。助焊劑在波峰上的主要作用是降低焊錫的表面張力，提高潤濕性。如果助焊劑的活性成分過早的揮發(fā)，則可能造成橋連或冰柱。最佳的預(yù)熱溫度是在波峰上留下足夠的助焊劑，以幫助在PCB退出波峰時焊錫從金屬表面的剝落。 波峰焊預(yù)熱溫度的高低與時間的長短是由所生產(chǎn)的板材來設(shè)置的。一般單面板所需溫度在70-90；雙面板所需溫度在100-120之間。時長1-3分鐘。 目前波峰焊機基本上采用熱輻射方式進行預(yù)熱，最常用的波峰焊預(yù)熱方法有強制熱風對流、電熱板對流、電熱棒加熱及紅外線加熱等。三：波峰焊接系統(tǒng) 波峰焊的焊接機理是將熔融的液態(tài)焊料，借助動力泵的作用，在焊料槽液面形成特定形狀的焊料波，插裝了元器件的PCB置于傳送帶上，經(jīng)過某一特定的角度以及一定的浸入深度穿過焊料波峰而實現(xiàn)焊點焊接的過程。 焊料波的表面被一層均勻的氧化皮覆蓋，它在沿焊料波的整個長度方向上幾乎都保持靜態(tài)，在波峰焊接過程中，PCB接觸到焊料波的前沿表面，氧化皮破裂，PCB前面的焊料波跟著推向前進，這說明整個氧化皮與PCB以同樣的速度移動。 當PCB進入波峰面前端時，基板與引腳被加熱，并在未離開波峰面之前，整個PCB浸在焊料中，即被焊料橋聯(lián)，但在離開波峰尾端的瞬間，少量的焊料由于潤濕力的作用，粘附在焊盤上，并由于表面張力的原因，會出現(xiàn)以引線為中心收縮至最小狀態(tài)，此時焊料與焊盤之間的潤濕力大于兩焊盤之間的焊料的內(nèi)聚力。因此會形成飽滿、圓整的焊點，離開波峰尾部的多余焊料，由于地球引力的原因，回落到錫爐中。1.錫爐溫度 焊接溫度并不等于錫爐溫度，在線測試表面，一般焊接溫度要比錫爐溫度低10左右實驗研究表明，對于一般的無鉛焊料合金，最適當?shù)腻a爐溫度為271。此時，Sn/Ag、Sn/Cu、Sn/Ag/Cu合金一般存在最小的潤濕時間和最大潤濕力。當采用不同的助焊劑時，無鉛焊料潤濕性能最佳的錫爐溫度有所不同，但差別不大。 波峰焊錫爐的溫度對焊接質(zhì)量影響很大。溫度若偏低，焊錫波峰的流動性就變差，表面張力大，易造成虛焊和拉尖等焊接缺陷，失去波峰焊接所應(yīng)具有的優(yōu)越性；若溫度偏高，有可能造成元器件受高溫而損壞，同時溫度偏高亦會加速無鉛焊料的表面氧化。2. 波峰高度 波峰高度的升高和降低直接影響到波峰的平穩(wěn)程度及波峰表面焊錫的流動性。適當?shù)牟ǚ甯叨瓤梢员ＷCPCB有良好的壓錫深度，使焊點能充分與焊錫接觸。平穩(wěn)的波峰可使整塊PCB在焊接時間內(nèi)得到均勻的焊接。當波峰偏高時，表明泵內(nèi)液態(tài)焊料的流速增大。易導(dǎo)致波峰不穩(wěn)定，造成PCB漫錫，損壞PCB上的電子元器件，但對于波峰上PCB的壓力增大，這有利于焊縫的填充，不過容易引起拉尖、橋連等焊接缺陷。同時還會加速造成焊錫表面氧化。波峰偏低時，泵內(nèi)液態(tài)焊料流體流速低并為層流態(tài)，因而波峰跳動小，平穩(wěn)。焊錫的流動性變差了，容易產(chǎn)生吃錫量不夠，焊點不飽滿等缺陷。波峰高度通?？刂圃赑CB板厚度的1/2-2/3，其焊點的外觀和可靠性達到最好。3. 浸錫時間 被焊表面浸入和退出熔化焊料波峰的速度，對潤濕質(zhì)量、焊點的均勻和厚度影響很大。焊料被吸收到PCB焊盤通孔內(nèi)，立即產(chǎn)生熱交換，當印制板離開波峰時，放出潛熱，焊料由液相變?yōu)楣滔唷．斿a爐溫度在250-260左右，焊接溫度在245左右，焊接時間應(yīng)在3-5秒左右。也就是說PCB某一元件引腳與波峰的接觸時間為3-5秒，但由于室內(nèi)溫度的變化、助焊劑的性能和焊料的溫度不同，接觸時間有所不同。四：冷卻系統(tǒng) 在無鉛焊接工藝過程中，通孔基板波峰焊接時常常會發(fā)生剝離缺陷，產(chǎn)生的原因在于冷卻過程中，焊料合金的冷卻速率與PCB的冷卻速率不同所致。 焊后的冷卻速度主要從三方面影響釬焊焊點的可靠性，分別是：1. 影響焊點的晶粒度。2. 影響界面金屬化合物的形態(tài)和厚度。3. 影響低熔點共晶的偏析。4.1 冷卻速度對焊點晶粒度的影響 在低于合金熔點時，由于液相的自由能高于固相晶體的自由能，液相向固相的轉(zhuǎn)變伴隨著能量的降低，結(jié)晶才可能發(fā)生。液體金屬的冷卻速度愈大；結(jié)晶的過冷度愈大；自由能差愈大，結(jié)晶傾向就愈大。 晶粒大小對合金的性能有很大的影響，一般情況下，晶粒愈細小，金屬的強度愈高、塑性和韌性也愈好。4.2 冷卻速度對界面金屬間化合物厚度的影響 波峰焊接過程中，由于焊料與母材之間存在溶解、擴散和化學反應(yīng)等相互作用，使得焊點的成分和組織與焊料原始成分和組織差別很大。焊點基本上由三個區(qū)域組成：母材上靠近界面的擴散區(qū)、焊縫界面區(qū)和焊縫中心區(qū)。 A：擴散區(qū)是焊料合金元素向母材擴散形成的組織。 B：焊縫中心區(qū)由于母材的溶解、焊料合金元素的擴散以及結(jié)晶時的偏析，組織也與原始焊料有所不同。 C：界面結(jié)合區(qū)是母材邊界與焊縫中心區(qū)的過渡層，界面區(qū)形成的固溶體或金屬間化合物建立了焊縫與母材表面之間的結(jié)合，因此，界面區(qū)組織對焊點的性能影響很大。4.3 冷卻速度對低熔點共晶偏析的影響 在實際焊接冷卻過程中，由于無鉛焊料成分的不同，焊點在冷卻過程中合金內(nèi)部尤其是固相內(nèi)部的原子擴散不均勻，會使先結(jié)晶與后結(jié)晶相的溶質(zhì)含量不同，形成枝晶偏析。因此，結(jié)晶過程中都會發(fā)生不同程度的偏析。 焊點結(jié)晶過程中由于化學成分不均勻、枝晶偏析的存在，容易導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生，另外由于低熔點共晶的存在，冷卻過程中焊點內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，容易導(dǎo)致焊接裂紋的產(chǎn)生。嚴重影響焊點的機械性能和抗腐蝕性能。為了減少焊接缺陷的產(chǎn)生，提高焊點的可靠性，可從兩方面抑制合金偏析： A：使用固液共存領(lǐng)域幅度小的合金焊料，減少偏析。 B：提高冷卻速度，使焊料合金來不及產(chǎn)生偏析就已經(jīng)凝固。五：軌道傳輸系統(tǒng) 傳輸帶是一條安放在滾軸上的金屬傳送帶，它支撐PCB移動著通過波峰焊接區(qū)域。在該類傳輸帶上，PCB組件通過金屬機械手予以支撐，托架能夠進行調(diào)整，以滿足不同尺寸類型的PCB需求。波峰焊接設(shè)備的傳輸帶控制著PCB通過每個工藝處理過程的速度和位置。為此，傳輸帶必須運行平穩(wěn)，并維持一個恒定的速度。傳輸帶的速度和角度可以進行控制，通過傾角的調(diào)節(jié)，可以控制PCB與波峰面的焊接時間，適當?shù)膬A角，有助于液態(tài)焊料與PCB更快的脫離，使之返回錫爐內(nèi)，當傾角太小時，容易出現(xiàn)橋連等焊接缺陷，而傾角過大，容易產(chǎn)生虛焊。軌道傾角應(yīng)控制在4-7度之間，焊接效果最好。 軌道傳輸速度在波峰焊接過程中是一個非常重要的參數(shù)，因為它的改變將影響整個焊接溫度曲線。當其他參數(shù)不變時，隨著軌道傳輸速度的改變，PCB上助焊劑的噴霧量、預(yù)熱溫度、浸錫時間、冷卻速度都將改變。選擇適當?shù)膫鬏斔俣葘附淤|(zhì)量的影響是非常重要的，當傳輸速度太快時，PCB上助焊劑的涂敷量不足，以及預(yù)熱溫度不夠，在焊接過程中容易產(chǎn)生潤濕不良，導(dǎo)致上錫量不足、漏焊、拉尖等焊接缺陷。當傳輸速度太慢時，