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(dòng)型這種形式的設(shè)備常用于焊接通孔插裝方式的消費(fèi)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(yùn)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(qiáng)迫對(duì)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(zhǎng)的紅外線加熱源，它能夠做到快速地達(dá)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(shí)施焊接的關(guān)鍵裝置，它是波峰焊機(jī)的心臟，衡量波峰焊機(jī)的先進(jìn)性及兼容性(是否對(duì)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(dòng)力形式及波峰形狀。

(1)動(dòng)力形式

①機(jī)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(cuò)排列的小孔或

狹長(zhǎng)縫，錫流從孔/縫中噴出，形成快

速流動(dòng)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(dòng)現(xiàn)象，在焊接過程中有更多的動(dòng)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(diǎn)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(duì)焊點(diǎn)進(jìn)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(bǔ)充波。

②Ω波

它屬于一種振動(dòng)波峰，它的主波是一個(gè)雙向?qū)捚讲?，在波中引入了超聲振?dòng)，增加波面的動(dòng)能。

③充氣(超聲)波它與Ω波一樣，也是一種振動(dòng)波峰

焊，它是在波峰內(nèi)加入氮?dú)庑纬刹娑秳?dòng)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(dòng)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(jī)有：熱板再流焊機(jī)、熱風(fēng)再流焊機(jī)、紅外再流焊機(jī)、紅外熱風(fēng)再流焊機(jī)、汽相再流焊機(jī)、激光再流焊機(jī)等。不同的加熱1.對(duì)流/紅外再流焊（簡(jiǎn)稱：IR）

加熱方法:采用紅外輻射及強(qiáng)制熱風(fēng)對(duì)流的復(fù)合加熱方式。優(yōu)點(diǎn)：可彌補(bǔ)下列問題

色彩靈敏度：基板組成材料和元件的包封材料對(duì)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(shí)，SMA隨著傳動(dòng)鏈勻速地進(jìn)入隧道式爐膛，焊接對(duì)象在爐膛內(nèi)依次通過三個(gè)區(qū)域。

先進(jìn)入預(yù)熱區(qū)，揮發(fā)掉焊膏中的低沸點(diǎn)溶劑；

然后進(jìn)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(rùn)濕焊接面，完成焊接；

進(jìn)入冷卻區(qū)使焊料冷卻凝固。

優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：循環(huán)空氣會(huì)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(huì)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(jiǎn)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(dá)到沸騰（約215℃）而蒸發(fā)，用高溫蒸氣來加熱SMA。

優(yōu)點(diǎn)：是焊接溫度控制方便，峰值溫度穩(wěn)定（等于工作液的沸點(diǎn)），因此更換產(chǎn)品化費(fèi)的調(diào)機(jī)時(shí)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(diǎn)：不能對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱，因此焊接時(shí)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(diǎn)。激光焊是對(duì)其它再流焊方式的補(bǔ)充而不是替代，它主要應(yīng)用在一些特定的場(chǎng)合。

優(yōu)點(diǎn)：

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(duì)整個(gè)電路板加熱；

焊接時(shí)整個(gè)電路板不承受熱應(yīng)力，因此不會(huì)使電路板翹曲；

焊接時(shí)間短，不會(huì)形成較厚的金屬間化物層，所以焊點(diǎn)質(zhì)量可靠。

缺點(diǎn)：

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

雖然激光焊的每個(gè)焊點(diǎn)的焊接時(shí)間僅300ms，但它是逐點(diǎn)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(shí)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(gè)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(gè)，就是SMA表面溫度隨時(shí)間的變化，通常用一條“溫度曲線”來表示（橫坐標(biāo)為時(shí)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(gè)過程中，其表面溫度隨時(shí)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(gè)連續(xù)的焊接過程，但從焊點(diǎn)形成機(jī)理來看它是經(jīng)過三個(gè)過程（預(yù)熱、焊接、冷卻），這三個(gè)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(gè)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(shí)溫度：140℃-160℃；

˙預(yù)熱時(shí)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(diǎn)溫度加20℃-40℃，紅外焊為210230℃；汽相焊為205-215℃；焊接時(shí)間：控制在1560s，最長(zhǎng)不要超過90s，其中，處于225℃以上的時(shí)間小于10s，215℃以上的時(shí)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(cè)試方法測(cè)試溫度曲線的儀表是溫度采集器，它可以直接打印出實(shí)測(cè)的溫度曲線。測(cè)試方法及步驟如下：

(1)選取測(cè)試點(diǎn)（3個(gè)）通常至少應(yīng)選取三個(gè)測(cè)試點(diǎn)，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(cè)試頭將熱電偶測(cè)量頭分別可靠的固定到焊接對(duì)象的測(cè)試點(diǎn)部位，固定方法可采用高溫膠帶、貼片膠或焊接。

(3)進(jìn)入爐內(nèi)測(cè)試(P175)將SMA連同溫度采集器一同置于再流焊機(jī)傳送鏈/網(wǎng)帶上,隨著傳送鏈/網(wǎng)帶的運(yùn)行，溫度采集器將自動(dòng)完成測(cè)試全過程,并將實(shí)測(cè)的三個(gè)“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(shí)際溫度曲線的確定在實(shí)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(huì)影響升溫速度，因此，焊件上不同點(diǎn)的溫度會(huì)有一定的差異，最終只能在諸多因素下確定一個(gè)相對(duì)最合理與折中的曲線。

實(shí)際溫度曲線是通過調(diào)節(jié)爐溫及傳送帶速度兩個(gè)參數(shù)來實(shí)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(yàn)及技術(shù)資料初步設(shè)定爐溫;(3)測(cè)試溫度曲線:在爐內(nèi)溫度穩(wěn)定后，進(jìn)行初次焊接試驗(yàn)，并對(duì)SMA的表面溫度變化進(jìn)行首次測(cè)定；(4)調(diào)整爐溫及帶速:分析所測(cè)得的溫度曲線與所設(shè)計(jì)的溫度曲線的差別，進(jìn)行爐溫及帶速的調(diào)整。(5)重復(fù)(3)、（4）過程，直到所測(cè)溫度曲線與設(shè)計(jì)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(rùn)焊時(shí)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?duì)性的進(jìn)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(diǎn)的孔洞缺陷，此缺陷會(huì)造成電路無法導(dǎo)通或?qū)ú涣肌⒃斐珊更c(diǎn)抗疲勞能力變差、嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起焊點(diǎn)斷裂，降低組件的可靠性?？斩吹男纬稍虮容^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(shí)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(dòng)造成的，即在兩種不相同的材料之間，由于擴(kuò)散速率的不同所產(chǎn)生。

再流焊的另一個(gè)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(huì)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(huì)在生產(chǎn)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)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(diǎn)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(shí)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(jī)理：焊膏的印刷厚度通常在0.12-0.20mm之間，過厚會(huì)導(dǎo)致“塌落”促進(jìn)錫珠的形成。在制作模板時(shí)，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(huì)使錫珠現(xiàn)象有相當(dāng)程度的減輕。產(chǎn)生錫珠的另一個(gè)原因是貼片過程中貼裝壓力過大，當(dāng)元件壓在焊膏上時(shí)，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(shí)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(huì)導(dǎo)致錫珠形成。在貼裝前將印制板和元器件進(jìn)行高溫烘干作驅(qū)潮處理，這樣就會(huì)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(shí)，一定要在室溫下放置4～5小時(shí)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?yàn)闊o鉛焊料的抗氧化性差，焊膏中氧化物含量會(huì)影響焊接效果，因?yàn)檠趸锖吭礁?，金屬粉末熔化后結(jié)合過程中所受阻力就越大，再流時(shí)就不利于金屬粉末相互潤(rùn)濕而導(dǎo)致錫珠產(chǎn)生。無鉛焊接還會(huì)產(chǎn)生另一種焊接缺陷，叫做錫裂，錫裂是在焊點(diǎn)上發(fā)生裂痕，波峰焊也出現(xiàn)在引線周圍和焊點(diǎn)底部與焊盤之間。造成錫裂最的原因主要是焊點(diǎn)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(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)錫裂，快速冷卻且冷卻溫度過低會(huì)裂錫。焊料中有水汽、焊接時(shí)錫少，都會(huì)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(cè)時(shí)可能電氣性能未受影響，但裂紋的存在是一種隱患，對(duì)產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性帶來嚴(yán)重影響。如果焊點(diǎn)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(diǎn)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(zhǎng)而延長(zhǎng)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(gè)μm，長(zhǎng)度從幾個(gè)μm到幾百個(gè)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(jī)理主要是應(yīng)力作用的結(jié)果，錫與銅之間相互擴(kuò)散，形成金屬互化物，致使錫層內(nèi)壓應(yīng)力的迅速增長(zhǎng)，導(dǎo)致錫原子沿著晶體邊界進(jìn)行擴(kuò)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(zhǎng)。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(shí)退火（實(shí)驗(yàn)證明，在溫度90℃以上，錫須將停止生長(zhǎng)）；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(zhǎng)。焊接中另一個(gè)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(shí)片式元件被焊接在兩極相對(duì)的焊盤上，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，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(huì)使組件喪失電氣性能。即使是側(cè)立也會(huì)使產(chǎn)品的長(zhǎng)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?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境中，甚至在使用新批次的元件或印制電路板時(shí)，立碑都極易出現(xiàn)。立碑產(chǎn)生的主要