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波峰焊工作原理
发布日期:2013-08-08 22:40
波峰焊是指将熔化的软钎焊料(铅锡合金),经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰,亦可通过向焊料池注入氮气来形成,使预先装有元器件的印制板通过焊料波峰,实现元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。根据机器所使用不同几何形状的波峰,波峰焊系统可分许多种。 
波峰焊流程:将元件插入相应的元件孔中 →预涂助焊剂 → 预烘(温度90-1000C,长度1-1.2m) → 波峰焊(220-2400C) → 切除多余插件脚 → 检查。
回流焊工艺是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏状软钎焊料,实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。
波峰焊随着人们对环境保护意识的增强有了新的焊接工艺。以前的是采用锡铅合金,但是铅是重金属对人体有很大的伤害。于是现在有了无铅工艺的产生。它采用了*锡银铜合金*和特殊的助焊剂且焊接接温度的要求更高更高的预热温度还要说一点在PCB板过焊接区后要设立一个冷却区工作站.这一方面是为了防止热冲击另一方面如果有ICT的话会对检测有影响。
在大多数不需要小型化的产品上仍然在使用穿孔(TH)或混和技术线路板,比如电视机、家庭音像设备以及即将推出的数字机顶盒等,仍然都在用穿孔元件,因此需要用到波峰焊。从工艺角度上看,波峰焊机器只能提供很少一点最基本的设备运行参数调整。
一、生产工艺过程
线路板通过传送带进入波峰焊机以后,会经过某个形式的助焊剂涂敷装置,在这里助焊剂利用波峰、发泡或喷射的方法涂敷到线路板上。由于大多数助焊剂在焊接时必须要达到并保持一个活化温度来保证焊点的完全浸润,因此线路板在进入波峰槽前要先经过一个预热区。助焊剂涂敷之后的预热可以逐渐提升PCB的温度并使助焊剂活化,这个过程还能减小组装件进入波峰时产生的热冲击。它还可以用来蒸发掉所有可能吸收的潮气或稀释助焊剂的载体溶剂,如果这些东西不被去除的话,它们会在过波峰时沸腾并造成焊锡溅射,或者产生蒸汽留在焊锡里面形成中空的焊点或砂眼。波峰焊机预热段的长度由产量和传送带速度来决定,产量越高,为使板子达到所需的浸润温度就需要更长的预热区。另外,由于双面板和多层板的热容量较大,因此它们比单面板需要更高的预热温度。
目前波峰焊机基本上采用热辐射方式进行预热,最常用的波峰焊预热方法有强制热风对流、电热板对流、电热棒加热及红外加热等。在这些方法中,强制热风对流通常被认为是大多数工艺里波峰焊机最有效的热量传递方法。在预热之后,线路板用单波(λ波)或双波(扰流波和λ波)方式进行焊接。对穿孔式元件来讲单波就足够了,线路板进入波峰时,焊锡流动的方向和板子的行进方向相反,可在元件引脚周围产生涡流。这就象是一种洗刷,将上面所有助焊剂和氧化膜的残余物去除,在焊点到达浸润温度时形成浸润。
对于混和技术组装件,一般在λ波前还采用了扰流波。这种波比较窄,扰动时带有较高的垂直压力,可使焊锡很好地渗入到安放紧凑的引脚和表面安装元件(SMD)焊盘之间,然后用λ波完成焊点的成形。在对未来的设备和供应商作任何评定之前,需要确定用波峰进行焊接的板子的所有技术规格,因为这些可以决定所需机器的性能。
二、避免缺陷
随着目前元器件变得越来越小而PCB越来越密,在焊点之间发生桥连和短路的可能性也因此有所增加。但已有了一些行之有效的方法可用来解决这种问题,其中一种方法是采用风刀技术。这是在PCB离开波峰时用一个风刀向熔化的焊点吹出一束热空气或氮气,这种和PCB一样宽的风刀可以在整个PCB宽度上进行完全质量检查,消除桥连或短路并减少运行成本。还有可能发生的其它缺陷包括虚焊或漏焊,也称为开路,如果助焊剂没有涂在PCB上时就会形成。如果助焊剂不够或预热阶段运行不正确的话则会造成顶面浸润不良。尽管焊接桥连或短路可在焊后测试时发现,但要知道虚焊会在焊后的质量检查时测试合格,而在以后的使用中出现问题。使用中出现问题会严重影响制定的最低利润指标,不仅仅是因为作现场更换时会产生的费用,而且由于客户发现到了质量问题,因而对今后的销售也会有影响。
在波峰焊接阶段,PCB必须要浸入波峰中将焊料涂敷在焊点上,因此波峰的高度控制就是一个很重要的参数。可以在波峰上附加一个闭环控制使波峰的高度保持不变,将一个感应器安装在波峰上面的传送链导轨上,测量波峰相对于PCB的高度,然后用加快或降低锡泵速度来保持正确的浸锡高度。锡渣的堆积对波峰焊接是有害的。如果在锡槽里聚集有锡渣,则锡渣进入波峰里面的可能性会增加。可以通过设计锡泵系统来避免这种问题,使其从锡槽的底部而不是锡渣聚集的顶部抽取锡。采用惰性气体也可减少锡渣并节省费用。
三、惰性焊接
氮气焊接可以减少锡渣节省成本,但是用户必须要承担氮气的费用以及输送系统的先期投资。通常需要折衷考虑上述两个方面的因素,因此必须确定减少维护以及由于焊点浸润更好因而缺陷率降低所节省下来的成本。另外也可以采用低残余物工艺,此时会有一些助焊剂残余物留在板子上,而根据产品或客户的要求这些残余物是可以接受的。像合约制造商这样的用户对于所焊接的产品设计不会有一个总的控制,因此他们要寻求更宽的工艺范围,这可以通过采用有腐蚀性的助焊剂然后进行清洗的方法来达到。虽然会有一个初始设备投资,但在大多数情况下这是一个成本最低的方法,因为从生产线下来的都是高质量而又无需返工的产品。
四、生产率问题
许多用户使用自动化在线式设备一周七天地进行制造和组装。因此,生产率的问题比以前更为重要,所有设备都必须要有尽可能高的正常运行时间。在选择波峰焊设备时,必须要考虑各个系统的MTBF(平均无故障时间)及其MTTR(平均修理时间)。如果一个系统采用了可以抬起的面板、可折起的后门以及完全操纵台式检修门而具有较高的易维护性,就可达到较低的MTTR。类似地,考虑一下减少焊锡模块的维护和减少助焊剂涂敷装置的维护也可以取得较短的维护时间。
五、采用何种波峰焊接方法?
波峰焊方法或工艺的采用取决于产品的复杂程度以及产量,如果要做复杂的产品以及产量很高,可以考虑用氮气工艺比如CoN▼2▼Tour波峰来减少锡渣并提高焊点的浸润性。如果使用一台中型的机器,其功艺可以分为氮气工艺和空气工艺。用户仍然可以在空气环境下处理复杂的板子,在这种情况下,可根据客户的要求使用腐蚀性助焊剂,在焊接后再进行清洗,或者使用低固态助焊剂。
六、风刀去桥接技术
在各种机器类型里,还有很多先进的补充选项。比如Speedline ELECTROVERT提供了一个获得专利的热风刀去桥接技术,用来去除桥接以及做焊点的无损受力测试。风刀位于焊槽的出口处,以与水平呈40°到90°的角度向焊点射出0.4572mm窄的热风。它可以使所有在第一次由于留有空气使得焊接不够好的穿孔焊点重新填注焊锡,而不会影响到正常的焊点。但是必须要注意,要使焊点质量得到显著的提升,并不需要在波峰焊设备上设定更多的选项。而且对所有生产设备而言,检查每个工程数据的真实准确性也是很重要的,最好的方法是在购买前用机器先运行一下板子。
七、波峰焊缺陷与对策
焊料不足
产生原因 预防对策
PCB预热和焊接温度太高,使熔融焊料的黏度过低。 预热温度在90-130℃,有较多贴装元器件时温度取上限;锡波温度为250±5℃,焊接时间3-5s。
插装孔的孔径过大,焊料从孔中流出。 插装孔的孔径比引脚直径0.15-0.4mm(细引脚取下限,粗引脚取上限)。
细引线大焊盘,焊料被拉到焊盘上,使焊点干瘪。 焊盘设计要符合波峰焊要求。
金属化孔质量差或助焊剂流入孔中。 反映给印制板加工厂,提高加工质量。
波峰高度不够。不能使印制板对焊料产生压力,不利于上锡。 波峰高度一般控制在印制板厚度的2/3处。
印制板爬坡角度偏小,不利于焊剂排气。 印制板爬坡角度为3-7°
焊料过多
焊接温度过低或传送带速度过快,使熔融焊料的黏度过大。 锡波温度为250±5℃,焊接时间3-5s。
PCB预热温度过低,由于PCB与元器件温度偏低,焊接时原件与PCB吸热,使实际焊接温度降低。 根据PCB尺寸,是否多层板,元器件多少,有无贴装元器件等设置预热温度。
焊剂活性差或比重过小。 更换焊剂或调整适当的比重。
焊盘、插装孔、引脚可焊性差。 提高印制板加工质量,元器件先到先用,不要存放在潮湿环境中。
焊料中锡的比例减小,或焊料中杂质成分过高(CU<0.08%),使熔融焊料的黏度增加,流动性变差。 锡的比例<61.4%时,可适量添加一些纯锡,杂质过高时应更换焊料。
焊料残渣太多。 每天结束工作后应清理残渣。
焊点拉尖
PCB预热温度过低,由于PCB与元器件温度偏低,焊接时原件与PCB吸热,使实际焊接温度降低。 根据PCB尺寸,是否多层板,元器件多少,有无贴装元器件等设置预热温度。
焊接温度过低或传送带速度过快,使熔融焊料的黏度过大。 锡波温度为250±5℃,焊接时间3-5s。温度略低时,传送带速度应调慢一些。
电磁泵波峰焊机的波峰高度太高或引脚过长,使引脚底部不能与波峰接触。因为电磁泵波峰焊机是空心波,空心波的厚度为4-5mm左右。 波峰高度一般控制在印制板厚度的2/3处。插装元器件引脚成形要求原件引脚露出印制板焊接面0.8-3mm。
助焊剂活性差 更换助焊剂。
插装元器件引线直径与插装孔的孔径比例不正确,插装孔过大,大焊盘吸热量达。 插装孔的孔径比引脚直径0.15-0.4mm(细引脚取下限,粗引脚取上限)。
焊点桥接或短路
PCB设计不合理,焊盘间距过窄。 符合DFM设计要求。
插装元器件引脚不规则或插装歪斜,焊接前引脚之间已经接近或已经碰上。 插装元器件引脚应根据印制板的孔径及装配要求进行成形,如采用短插一次焊工艺,要求原件引脚露出印制板焊接面0.8-3mm,插装时要求元件体端正。
PCB预热温度过低,由于PCB与元器件温度偏低,焊接时原件与PCB吸热,使实际焊接温度降低。 根据PCB尺寸,是否多层板,元器件多少,有无贴装元器件等设置预热温度。
焊接温度过低或传送带速度过快,使熔融焊料的黏度过大。 锡波温度为250±5℃,焊接时间3-5s。温度略低时,传送带速度应调慢一些。
助焊剂活性差。 更换助焊剂。
润湿不良、漏焊、虚焊
元器件焊端,引脚,印制板得焊盘氧化或污染,或印制板受潮。 元器件先到先用,不要存放在潮湿环境中,不要超过规定的使用日期。对印制板进行清洗和去潮处理。
片式元件端头金属电极附着力差或采用单层电极,在焊接温度下产生脱帽现象。 表面贴装元器件波峰焊时采用三层端头结构,能经受两次以上260℃波峰焊温度冲击。
PCB设计不合理,波峰焊时阴影效应造成漏焊。 符合DFM设计要求
PCB翘曲,使PCB翘起位置与波峰接触不良。 PCB翘曲度小于0.8-1.0%
传送带两侧不平行,使PCB与波峰接触不平行。 调整水平。
波峰不平滑,波峰两侧高度不平行,尤其电磁泵波峰焊机的锡波喷口如果被氧化物堵塞时,会使波峰出现锯齿形,容易造成漏焊,虚焊。 清理锡波喷嘴。
助焊剂活性差,造成润湿不良。 更换助焊剂。
PCB预热温度太高,使助焊剂碳化,失去活性,造成润湿不良。 设置恰当的预热温度
焊料球
PCB预热温度过低或预热时间过短,助焊剂中的溶剂和水分没有挥发掉,焊接时造成焊料飞溅。 提高预热温度或延长预热时间。
元器件焊端,引脚,印制板得焊盘氧化或污染,或印制板受潮。 元器件先到先用,不要存放在潮湿环境中,不要超过规定的使用日期。对印制板进行清洗和去潮处理。
气孔
元器件焊端,引脚,印制板得焊盘氧化或污染,或印制板受潮。 元器件先到先用,不要存放在潮湿环境中,不要超过规定的使用日期。对印制板进行清洗和去潮处理。
焊料杂质超标,AL含量过高,会使焊点多空。 更换焊料。
焊料表面氧化物,残渣,污染严重。 每天结束工作后应清理残渣。
印制板爬坡角度偏小,不利于焊剂排气。 印制板爬坡角度为3-7°
波峰高度过低,不利于排气。 波峰高度一般控制在印制板厚度的2/3处。
冷焊
由于传送带震动,冷却时受到外力影响,使焊锡紊乱。 检查电机是否有故障,检查电压是否稳定。传送带是否有异物。
焊接温度过低或传送带速度过快,使熔融焊料的黏度过大。使焊点表面发皱。 锡波温度为250±5℃,焊接时间3-5s。温度略低时,传送带速度应调慢一些。
锡丝
PCB预热温度过低,由于PCB与元器件温度偏低,与波峰接触时溅出的焊料贴在PCB表面而形成。 提高预热温度或延长预热时间。
印制板受潮。 对印制板进行去潮处理。
阻焊膜粗糙,厚度不均匀。 提高印制板加工质量。
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