lin第9章 电子组装技术焊接技术

第9章焊接技术

9.1波峰焊设备1、类型2、环行联动型这种形式的设备常用于焊接通孔插装方式的消费类产品的单面印制电路板组件；2.直线型（适用于“短插/一次焊接方式）适用于“短插/一次焊接”的直线单体型，它适用于通孔插装及表面安装的各种类型的印制电路板组件的生产，这种运行方式可与插件线连成一体。关键部件:主要有:助焊剂发泡装置、预热器、波峰发生器等。1．助焊剂发泡装置(1)发泡法

(2)波峰法

(3)喷射法

2.预热器(1)强迫对流(2)石英灯加热

它是一种通过红外辐射加热的方法，石英灯是一种短波长的红外线加热源，它能够做到快速地达到任何所设置的预热温度。

(3)热棒（板）加热

3.波峰发生器

波峰发生器是实施焊接的关键装置，它是波峰焊机的心脏，衡量波峰焊机的先进性及兼容性(是否对SMT及THT均适应)的主要判定标准。波峰发生器有多种类型，它的主要区别在于动力形式及波峰形状。

(1)动力形式

①机械泵

②传导式电磁泵

③感应式电磁泵(2)波峰形状①双泵双波峰第一波峰为湍流波或δ喷射空心波，第二波峰为层流波(常采用双向宽平波)，从而组合成湍流-层流波或δ喷射空心波-层流波的双波峰。

湍流波:

波峰口是2-3排交错排列的小孔或

狭长缝，锡流从孔/缝中喷出，形成快

速流动的、形如涌泉的波峰；

δ喷射空心波:

是从倾斜45°的单向峰口喷出，

锡流与SMA行走同向或逆向喷出。

由于它们具有窜动现象，在焊接过程中有更多的动能，有利于在紧密间距的片状元器件之间注入焊料，

但湍流波与空心波峰形成的焊点是不均匀的，还可能有桥接和毛刺存在。

层流波：

波峰稳定平稳，可对焊点进行修整，以消除各种不良现象，所以该波又称为平滑修整补充波。

②Ω波

它属于一种振动波峰，它的主波是一个双向宽平波，在波中引入了超声振动，增加波面的动能。

③充气(超声)波它与Ω波一样，也是一种振动波峰

焊，它是在波峰内加入氮气形成波面抖动的波形，所以

思路与Ω波相同。④O形波

又称旋转波，在波中装入有S形槽口的振动片，使波峰口的锡流改变为旋转的锡流，使原来平整的平面形成有旋涡的波面。9.2再流焊再流焊是表面组装技术的关键核心技术之一，再流焊又被称为：“回流焊”或“重熔群焊”，它是适应SMT而研制的一种新型的焊接方法，它适用于焊接全表面安装组件。9.2.1再流焊类型

再流焊由于采用不同的热源，再流焊机有：热板再流焊机、热风再流焊机、红外再流焊机、红外热风再流焊机、汽相再流焊机、激光再流焊机等。不同的加热1.对流/红外再流焊（简称：IR）

加热方法:采用红外辐射及强制热风对流的复合加热方式。优点：可弥补下列问题

色彩灵敏度：基板组成材料和元件的包封材料对红外线的吸收比例不同；

阴影效应：辐射被遮挡而引起的升温不匀。方式，其工作原理是不同的。焊接原理:焊接时，SMA随着传动链匀速地进入隧道式炉膛，焊接对象在炉膛内依次通过三个区域。

先进入预热区，挥发掉焊膏中的低沸点溶剂；

然后进入再流区，预先涂敷在基板焊盘上的焊膏在热空气中熔融，润湿焊接面，完成焊接；

进入冷却区使焊料冷却凝固。

优点：预热和焊接可在同一炉膛内完成，无污染，适合于单一品种的大批量生产；

缺点：循环空气会使焊膏外表形成表皮，使内部溶剂不易挥发，再流焊期间会引起焊料飞溅而产生微小锡珠，需彻底清洗。

2．热板再流焊

加热方法:SMA与热板直接接触传导热量。与红外再流焊不同的是加热热源是热板。

焊接原理：与上述相同。

适用性：小型单面安装的基板，通常应用于厚膜电路的生产。3.汽相再流焊（简称：VPS）加热方法：通过加热一种氟碳化合物液体（俗称“氟油”），使之达到沸腾（约215℃）而蒸发，用高温蒸气来加热SMA。

优点：是焊接温度控制方便，峰值温度稳定（等于工作液的沸点），因此更换产品化费的调机时间短（唯一需要调节的是传送速度），更适合于小批量多品种的生产。缺点：不能对焊件进行预热，因此焊接时元器件与板面温差大，容易发生因“吸吮现象”而引起的脱焊。而且工作液（氟碳化合物）成本高，在工艺过程中容易损失，而且污染环境。4．激光再流焊加热方法：激光再流焊是一种新型的再流焊技术，它是利用激光光束直接照射焊接部位而产生热量使焊膏熔化,而形成良好的焊点。激光焊是对其它再流焊方式的补充而不是替代，它主要应用在一些特定的场合。

优点：

可焊接在其他焊接中易受热损伤或易开裂的元器件；

可以在元器件密集的电路上除去某些电路线条和增添某些元件，而无须对整个电路板加热；

焊接时整个电路板不承受热应力，因此不会使电路板翘曲；

焊接时间短，不会形成较厚的金属间化物层，所以焊点质量可靠。

缺点：

激光光束宽度调节不当时，会损坏相邻元器件；

虽然激光焊的每个焊点的焊接时间仅300ms，但它是逐点依次焊接，而不是整体一次完成，所以它比其它焊接方法缓慢，

设备昂贵，因此生产成本较高，阻碍了它的广泛应用。

9.2.2再流焊工艺参数的确定

再流焊与波峰焊不同的是焊接时的助焊剂与焊料（焊膏）已预先涂敷在焊接部位,而再流焊设备只是向SMA提供一个加温的通道，所以再流焊过程中需要控制的参数只有一个，就是SMA表面温度随时间的变化，通常用一条“温度曲线”来表示（横坐标为时间，纵坐标为SMA的表面温度）。

Preheat1

Preheat2ReflowCooling为了取得良好的焊接质量，我们希望焊件通过再流焊设备的整个过程中，其表面温度随时间的变化能符合理想的焊接要求。1．温度曲线的确定原则

SMA在再流焊设备中，虽然是经过一个连续的焊接过程，但从焊点形成机理来看它是经过三个过程（预热、焊接、冷却），这三个过程有着不同的温度要求，所以我们可将焊接全过程分为三个温区：预热区、再流区和冷却区。(1)预热区

确定的具体原则是：

˙预热结束时温度：140℃-160℃；

˙预热时间：160-180S；

˙升温的速率≤3℃/s；

(2)再流区峰值温度：一般推荐为焊膏合金熔点温度加20℃-40℃，红外焊为210230℃；汽相焊为205-215℃；焊接时间：控制在1560s，最长不要超过90s，其中，处于225℃以上的时间小于10s，215℃以上的时间小于20s。

(3)冷却区降温速率大于10℃/S；

冷却终止温度不大于75℃。

3．温度曲线的测试方法测试温度曲线的仪表是温度采集器，它可以直接打印出实测的温度曲线。测试方法及步骤如下：

(1)选取测试点（3个）通常至少应选取三个测试点，它们分别能反映SMA的最高、最低及中间温度的变化。(2)固定热电偶测试头将热电偶测量头分别可靠的固定到焊接对象的测试点部位，固定方法可采用高温胶带、贴片胶或焊接。

(3)进入炉内测试(P175)将SMA连同温度采集器一同置于再流焊机传送链/网带上,随着传送链/网带的运行，温度采集器将自动完成测试全过程,并将实测的三个“温度曲线”显示或打印出来,它们分别代表了SMA表面最高、最低及中间温度的变化情况。

2.实际温度曲线的确定在实际应用中，影响焊件升温速率的因数很多，使焊件温度变化完全符合理想曲线，是不可能的。不同的体积、表面积及包封材料的元器件，不同材料、厚度及面积的印制电路板，不同的焊膏及涂敷厚度均会影响升温速度，因此，焊件上不同点的温度会有一定的差异，最终只能在诸多因素下确定一个相对最合理与折中的曲线。

实际温度曲线是通过调节炉温及传送带速度两个参数来实现

。具体的调节步骤如下：(1)按照生产量初步设定传送带速，但不能超过再流焊工艺允许的最大（小）速度;

(2)凭经验及技术资料初步设定炉温;(3)测试温度曲线:在炉内温度稳定后，进行初次焊接试验，并对SMA的表面温度变化进行首次测定；(4)调整炉温及带速:分析所测得的温度曲线与所设计的温度曲线的差别，进行炉温及带速的调整。(5)重复(3)、（4）过程，直到所测温度曲线与设计的理想温度曲线基本一致为止。再流焊接缺陷的原因分析短路是一种很常见的焊接缺陷，造成短路的原因很多，主要原因有：焊料过多、板面预热溫度不够、润焊时间不足、焊接温度偏低，焊盘表面氧化物清除未尽、元器件间距太小、印刷不正确等。要克服短路缺陷，首先要分析是哪一种原因导致的短路，有针对性的进行处理。短路是最严重的焊接缺陷，严重影响产品的电器特性，並造成元器件的损坏，致使组件完全丧失功能。焊点的孔洞缺陷，此缺陷会造成电路无法导通或导通不良、造成焊点抗疲劳能力变差、严重时还会引起焊点断裂，降低组件的可靠性。空洞的形成原因比较复杂，但最主要的原因是焊接过程中的高温使助焊剂汽化产生大量的气体未能及时溢出，在固化期间焊锡收缩导致排气不良形成空洞。空洞的直径范围从10µm～1mm不等。除此之外在浸银的PCB的金属间化合物（IMC）界面上也有比较小的空洞出现，这就是所谓的克氏空洞（KirkendallHole），这种空洞是固态金属界面间金属原子移动造成的，即在两种不相同的材料之间，由于扩散速率的不同所产生。

再流焊的另一个缺陷是出现焊锡珠，锡珠是在PWB表面上、片状阻容元件的某一侧面，出现直径约为0.2-0.4mm的珠状焊锡。这种焊锡珠不仅影响产品的外观，由于印刷板上元器件和布线都比较密集，焊锡珠会造成短路现象，从而影响电子产品的可靠性。焊锡珠产生的原因有多种，主要原因是焊膏的焊剂或水分的量过大、PWB受潮、加热过程中助焊剂未完全活化，导致其气化引起飞溅形成。其次是再流焊中的温度曲线不正确，焊膏的印刷厚度不合理，模板的制作，装贴压力，外界环境都会在生产过程中各个环节对焊锡珠形成产生一定的影响。采取适中的预热温度和预热速度可以控制焊锡珠的形成。其次，选用金属含量高、粒度小一点的焊锡膏，金属含量的增加，使金属粉末排列紧密，其粘度增加，不易在气化时被吹散，就能更有效地抵抗预热过程中气化产生的力。因此不易形成焊锡珠。焊膏的印刷厚度不合理导致锡珠形成的机理：焊膏的印刷厚度通常在0.12-0.20mm之间，过厚会导致“塌落”促进锡珠的形成。在制作模板时，焊盘的大小决定着模板上印刷孔的大小，为了避免焊膏印刷过量，将印刷孔的尺寸制造成小于相应焊盘接触面积的10％，会使锡珠现象有相当程度的减轻。产生锡珠的另一个原因是贴片过程中贴装压力过大，当元件压在焊膏上时，就可能有一部分焊膏被挤在元件下面，再流焊阶段，这部分焊膏熔化形成锡珠，因此，在贴装时应选择适当的贴装压力。空气中的潮气在其表面产生水分，另外焊膏中的水分也会导致锡珠形成。在贴装前将印制板和元器件进行高温烘干作驱潮处理，这样就会有效地抑制锡珠的形成。夏天空气温度高湿度大，当把焊膏从冷藏处取出时，一定要在室温下放置4～5小时再开后盖子。否则在焊膏的界面上形成水珠，水汽的存在容易产生锡珠

。

若采用无铅焊料，因为无铅焊料的抗氧化性差，焊膏中氧化物含量会影响焊接效果，因为氧化物含量越高，金属粉末熔化后结合过程中所受阻力就越大，再流时就不利于金属粉末相互润湿而导致锡珠产生。无铅焊接还会产生另一种焊接缺陷，叫做锡裂，锡裂是在焊点上发生裂痕，波峰焊也出現在引线周围和焊点底部与焊盘之间。造成锡裂最的原因主要是焊点受外力或热应力作用的结果，使得焊锡与焊盘、焊锡与元件引脚之间产生裂纹甚至断裂；不同材料的热胀冷缩系数不同，焊点也会出现锡裂，快速冷却且冷却温度过低会裂锡。焊料中有水汽、焊接时锡少，都会造成锡裂。如果出现裂纹而未形成断裂或开路，虽然在检测时可能电气性能未受影响，但裂纹的存在是一种隐患，对产品的长期可靠性带来严重影响。如果焊点发生锡裂已经断裂或开路，就导致电气性能丧失，造成严重的不良后果。图9-36是BGA焊料球锡开裂的情况，图9-37是插装焊点裂纹。锡须是在无铅制程中遇到的问题，锡须是引脚纯锡镀层表面自发生长而延长的锡单晶体，图示为扫描电子显微镜观察到的锡须。锡须的直径大约一到三个μm，长度从几个μm到几百个μm不等，形状多样，如直线、曲线、枝叉等形状。锡须在电路中容易造成桥接和短路，导致电性能丧失或降低产品的可靠性。锡须的形成机理主要是应力作用的结果，锡与铜之间相互扩散，形成金属互化物，致使锡层内压应力的迅速增长，导致锡原子沿着晶体边界进行扩散，形成锡须；电镀后镀层的残余应力，也可导致锡须的生长。解决措施：采用电镀雾锡，改变其结晶的结构，减小镀层应力；可在150镀下烘烤2小时退火（实验证明，在温度90℃以上，锡须将停止生长）；添加阻挡层，如在锡铜之间加一层镀镍层，可以阻止锡须的生长。焊接中另一个常见的缺陷是立碑现象，这种现象主要发生在小型片式元件上，正常时片式元件被焊接在两极相对的焊盘上，当出现故障时，元件一端离开焊盘垂直地立起来，就像立在墓地的碑一样而得名。立碑缺陷会使组件丧失电气性能。即使是侧立也会使产品的长期可靠性受到严重影响。随着片式元件的微型化和轻量化，高温无铅焊料的应用，立碑缺陷的故障率就更大。当无源片式元件尺寸变小，在再流焊工艺中，在氮气保护环境中，甚至在使用新批次的元件或印制电路板时，立碑都极易出现。立碑产生的主要