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波峰焊與工藝製造異常處理

添加時間: 2019-08-08 09:46:00   > 2019-08-08 09:46:00
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摘要:波峰焊是種藉助泵壓作用,使熔融的液態焊料錶麵形成特定形狀的焊料波,當插裝瞭元器件的裝聯組件以定角度通過焊料波時,在引腳焊區形成焊點的工藝技術


波峰焊工作原理

波峰焊是種藉助泵壓作用,使熔融的液態焊料錶麵形成特定形狀的焊料波,當插裝瞭元器件的裝聯組件以定角度通過焊料波時,在引腳焊區形成焊點的工藝技術


波峰焊機的主要部件構成

   一颱波峰焊機,主要由傳送帶、加熱器、錫槽、泵、助焊劑髮泡(或噴霧)裝置等組成。主要分爲助焊劑添加區、預熱區、焊接區、冷卻區,如下圖所示

組件在由鏈式傳送帶傳送的過程中,先在焊機預熱區進行預熱(組件預熱及其所要達到的溫度依然由預定的溫度麴線控製)。實際焊接中,通常還要控製組件麵的預熱溫度,因此許多設備都增加瞭相應的溫度檢測裝置(如紅外探測器)。預熱後,組件進入鉛槽進行焊接。錫槽盛有熔融的液態焊料,鋼槽底部噴嘴將熔碰焊料噴齣定形狀的波峰,這樣,在組件焊接麵通過波時就被焊料波加熱,衕時焊料波也就潤濕焊區併進行擴展填充,終實現焊接過程。其工作原理如下圖所示。


波峰焊是採用對流傳熱原理對焊區進行加熱的。熔融的焊料波作爲熱源,一方麵流動以衝刷引腳焊區,另一方麵也起到瞭熱傳導作用,引腳焊區正是在此作用下加熱的。爲瞭保證焊區陞溫,焊料波通常具有一定的寬度,這樣,當組件焊接麵通過波時就有充分的加熱、潤濕等時間。傳統的波峰焊中,一般採用單波,而且波比較平坦。隨著鉛焊料的使用,目前多採取雙波形式。如下圖所示



元器件的引腳爲固態,焊料浸入金屬化通孔提供瞭條途徑。當引腳接觸到焊料波後,藉助於錶麵張力的作用,液態焊料沿引腳和孔壁曏上爬陞。金屬化通孔的毛細管作用進步促進瞭焊料的爬陞。焊料到達PcB部焊盤後,在焊盤的錶麵張力作用下鋪展開來。上陞中的焊料排齣瞭通孔中的焊劑氣體和空氣,從而填充瞭通孔,在冷卻後終形成瞭焊點。


A、 焊料不足


 焊點榦癟/不完整/有空洞,插裝孔及導通孔焊料不飽滿,焊料未爬到元件麵的焊盤上。

原因:  

a)PCB預熱和焊接溫度過高,使焊料的黏度過低; 
b)插裝孔的孔徑過大,焊料從孔中流齣; 
c) 插裝元件細引線大焊盤,焊料被拉到焊盤上,使焊點榦癟; 
d) 金屬化孔質量差或阻焊劑流入孔中; 
e) PCB爬坡角度偏小,不利於焊劑排氣。 


對策:

a) 預熱溫度90-130℃,元件較多時取上限,錫波溫度250+/-5℃,焊接時間3~5S。 
b) 插裝孔的孔徑比引腳直徑大0.15~0.4mm,細引線取下限,粗引線取上線。 
c) 焊盤尺寸與引腳直徑應匹配,要有利於形成彎月麵; 
d)反映給PCB加工廠,提高加工質量; 
e) PCB的爬坡角度爲3~7℃。 

B、焊料過多: 

  元件焊端和引腳有過多的焊料包圍,潤濕角大於90°。 

原因: 
a)焊接溫度過低或傳送帶速度過快,使熔融焊料的黏度過大;
b) PCB預熱溫度過低,焊接時元件與PCB吸熱,使實際焊接溫度降低; 
c) 助焊劑的活性差或比重過小; 
d) 焊盤、插裝孔或引腳可焊性差,不能充分浸潤,産生的氣泡裹在焊點中; 
e) 焊料中錫的比例減少,或焊料中雜質Cu的成份高,使焊料黏度增加、流動性變差。
f) 焊料殘渣太多。 

對策: 
a) 錫波溫度250+/-5℃,焊接時間3~5S。 
b) 根據PCB尺寸、闆層、元件多少、有無貼裝元件等設置預熱溫度,PCB底麵溫度在90-130。 
c) 更換焊劑或調整適當的比例; 
d) 提高PCB闆的加工質量,元器件先到先用,不要存放在潮濕的環境中; 
e) 錫的比例<61.4%時,可適量添加一些純錫,雜質過高時應更換焊料; 
f) 每天結束工作時應清理殘渣。 

C、焊點橋接或短路 
原因: 
a) PCB設計不閤理,焊盤間距過窄; 
b) 插裝元件引腳不規則或插裝歪斜,焊接前引腳之間已經接近或已經碰上; 
c) PCB預熱溫度過低,焊接時元件與PCB吸熱,使實際焊接溫度降低; 
d) 焊接溫度過低或傳送帶速度過快,使熔融焊料的黏度降低; 
e)阻焊劑活性差。 

對策: 
a) 按照PCB設計規範進行設計。兩箇端頭Chip元件的長軸應盡量與焊接時PCB運行方曏垂直,SOT、SOP的長軸應與PCB運行方曏平行。將SOP最後一箇引腳的焊盤加寬(設計一箇竊錫焊盤)。 
b) 插裝元件引腳應根據PCB的孔距及裝配要求成型,如採用短插一次焊工藝,焊接麵元件引腳露齣PCB錶麵0.8~3mm,插裝時要求元件體端正。 
c)根據PCB尺寸、闆層、元件多少、有無貼裝元件等設置預熱溫度,PCB底麵溫度在90-130。 
d) 錫波溫度250+/-5℃,焊接時間3~5S。溫度略低時,傳送帶速度應調慢些。 
f) 更換助焊劑。 

D、潤濕不良、漏焊、虛焊 
原因: 
a) 元件焊端、引腳、印製闆基闆的焊盤氧化或汙染,或PCB受潮。 
b) Chip元件端頭金屬電極附著力差或採用單層電極,在焊接溫度下産生脫帽現象。 
c) PCB設計不閤理,波峰焊時陰影效應造成漏焊。 
d) PCB翹麴,使PCB翹起位置與波峰焊接觸不良。 
e) 傳送帶兩側不平行(尤其使用PCB傳輸架時),使PCB與波峰接觸不平行。 
f) 波峰不平滑,波峰兩側高度不平行,尤其電磁泵波峰焊機的錫波噴口,如果被氧化物堵塞時,會使波峰齣現鋸齒形,容易造成漏焊、虛焊。 
g) 助焊劑活性差,造成潤濕不良。 
h) PCB預熱溫度過高,使助焊劑碳化,失去活性,造成潤濕不良。 

對策: 
a) 元器件先到先用,不要存在潮濕的環境中,不要超過規定的使用日期。對PCB進行清洗和去潮處理; 
b) 波峰焊應選擇三層端頭結構的錶麵貼裝元器件,元件本體和焊端能經受兩次以上的260℃波峰焊的溫度衝擊。 
c) SMD/SMC採用波峰焊時元器件佈局和排佈方曏應遵循較小元件在前和盡量避免互相遮擋原則。另外,還可以適當加長元件搭接後剩餘焊盤長度。 
d) PCB闆翹麴度小於0.8~1.0%。 
e) 調整波峰焊機及傳輸帶或PCB傳輸架的橫曏水平。 
f) 清理波峰噴嘴。 
g) 更換助焊劑。 
h) 設置恰當的預熱溫度。 


E、焊點拉尖 
原因: 
a) PCB預熱溫度過低,使PCB與元器件溫度偏低,焊接時元件與PCB吸熱; 
b) 焊接溫度過低或傳送帶速度過快,使熔融焊料的黏度過大; 
c) 電磁泵波峰焊機的波峰高度太高或引腳過長,使引腳底部不能與波峰接觸。因爲電磁泵波峰焊機是空心波,空心波的厚度爲4~5mm; 
d) 助焊劑活性差; 
e) 焊接元件引線直徑與插裝孔比例不正確,插裝孔過大,大焊盤吸熱量大。 

對策: 
a) 根據PCB、闆層、元件多少、有無貼裝元件等設置預熱溫度,預熱溫度在90-130℃; 
b) 錫波溫度爲250+/-5℃,焊接時間3~5S。溫度略低時,傳送帶速度應調慢一些。 
c) 波峰高度一般控製在PCB厚度的2/3處。插裝元件引腳成型要求引腳露齣PCB焊接麵0.8~3mm
d) 更換助焊劑; 
e) 插裝孔的孔徑比引線直徑大0.15~0.4mm(細引線取下限,粗引線取上線)。 

F、其牠缺陷 
a) 闆麵髒汙:主要由於助焊劑固體含量高、塗敷量過多、預熱溫度過高或過低,或由於傳送帶爪太髒、焊料鍋中氧化物及錫渣過多等原因造成的; 
b) PCB變形:一般髮生在大尺寸PCB,由於大尺寸PCB重量大或由於元器件佈置不均勻造成重量不平衡。這需要PCB設計時盡量使元器件分佈均勻,在大尺寸PCB中間設計工藝邊。 
c) 掉片(丟片):貼片膠質量差,或貼片膠固化溫度不正確,固化溫度過高或過低都會降低粘接強度,波峰焊接時經不起高溫衝擊和波峰剪切力的作用,使貼裝元件掉在料鍋中。 
d) 看不到的缺陷:焊點晶粒大小、焊點內部應力、焊點內部裂紋、焊點髮脆、焊點強度差等,需要X光、焊點疲勞試驗等檢測。這些缺陷主要與焊接材料、PCB焊盤的附著力、元器件焊端或引腳的可焊性及溫度麴線等因素有關。


波峰焊錫珠産生原因及解決方法

産生原因

1)波峰焊産生的錫珠 錫珠的形成原因錫珠是在線路闆離開液態焊錫的時候形成的。當線路闆與錫波分離時,線路闆會拉齣錫柱,錫柱斷裂落迴錫缸時,濺起的焊錫會在落在線路闆上形成錫珠。因此,在設計錫波髮生器和錫缸時,應註意減少錫的降落高度。小的降落高度有助於減少錫渣和濺錫現象。


2)氮氣的使用會加劇錫珠的形成。氮氣氛能防止焊錫錶麵形成氧化層,增加瞭錫珠形成的概率,衕時,氮氣也會影響焊錫的錶麵張力。


3) 錫珠形成的第二箇原因是線路闆材和阻焊層內揮髮物 質的釋氣。如果線路闆通孔的金屬層上有裂縫的話,這 些物質加熱後揮髮的氣體就 會從裂縫中逸齣,在線路闆的元件麵形成錫珠。


4)錫珠形成的第三箇原因與助焊劑有關。助焊劑會殘留在元器件的下麵或是線路闆和搬運器(選擇性焊接使用的託盤)之間。如果助焊劑沒能被充分預熱併在線路闆接觸到錫波之前燒盡,就會産生濺錫併形成錫珠。因此,應該嚴格遵循助焊劑供應商推薦的預熱蔘數。


5)阻焊層 錫珠是否會粘附在線路闆上取決於基闆材料。如果錫珠和線路闆的粘附力小於錫珠的重力,錫珠就會從就會從 線路闆上彈開落迴錫缸中。 在這種情況下,線路闆上的阻焊層是箇非常重要的因 素。比較粗燥(rough)的阻焊層會和錫珠有更小的接觸 麵,錫珠不易粘在線路闆上。在無鉛焊接過程中,高溫會使阻焊層更柔滑(SOFter),更易造成錫珠粘在線路闆上。


行業標準

1)行業標準及規定 一些行業標準對錫珠進行瞭闡釋。分類從MIL-STD- 2000標準中的不允許有錫珠,到IPC-A-610C標準中的每平方英寸少於5箇。  ?在IPC-A-610C標準中,規定最小絶緣間隙0.13毫米,直徑在此之內的錫珠被認爲是閤格的;而直徑大於或 等於0.13毫米的錫珠是不閤格的,製造商必鬚採取糾正措 施,避免這種現象的髮生。


2)無鉛焊接製訂的最新版IPCA- 610D標準沒有對錫珠現象做清楚的規定。有關每平方英 寸少於5箇錫珠的規定已經被刪除。


3)有關汽車和軍用産品的標準則不允許齣現任何錫珠,所以線路闆在焊接後必鬚被清洗,或將錫珠手工去除。影響錫珠形成的重要因素 防止錫珠的産生 歐洲一箇研究小組的研究錶明,線路闆上的阻焊層是影 響錫珠形成最重要的一箇因素。


解決方法

在大多數情況下,選擇適當 的阻焊層能避免錫珠的産生。使用一些特殊設計的助焊劑能幫助避免錫珠的形成。另外,要保證使用足夠多的助焊劑, 這樣在線路闆離開波峰的時候,會有一些助焊劑殘留在線路闆上,形成一層非常薄的膜,以防止錫珠附著在線路闆上。 衕時,助焊劑必鬚和阻焊層相兼容,助焊劑的噴塗必鬚採用助焊劑噴霧繫統嚴格控製。


以下建議可以幫助您減少錫珠現象:

1、盡可能地降低焊錫溫度;

2、使用更多地助焊劑可以減少錫珠,但將導緻更多的助焊劑殘留;

3、盡可能提高預熱溫度,但要遵循助焊劑預熱蔘數,否 則助焊劑的活化期太短

4、更快的傳送帶速度也能減少錫珠。


(一),助焊劑方麵的原因分析及預防控製辦法

1. 助焊劑中的水份含量較大或超標,在經過預熱時未能充分揮髮;

2. 助焊劑中有高沸點物質或不易揮髮物,經預熱時不能充分揮髮;

這兩種原因是助焊劑本身“質量”問題所引起的,

在實際焊接工藝中,

可以通過“提高

預熱溫度或放慢走闆速度等來解決”。

除此之外,

在選用助焊劑前應針對供商所提供樣品進

行實際工藝的確認,

併記録試用時的標準工藝,

在沒有“錫珠”齣現的情況下,

審核供應商

所提供的其他説明資料,在以後的收貨及驗收過程中,應核對供應商最初的説明資料。


(二),工藝方麵的原因分析及預防控製辦法

1. 預熱溫度偏低,助焊劑中溶劑部分未完全揮髮;

2. 走闆速度太快未達到預熱效果;

3.鍊條(或PCB闆麵)傾角過小,錫液與焊接麵接觸時中間有氣泡,氣泡爆裂後産生錫珠;

4. 助焊劑塗佈的量太大,多餘助焊劑未能完全流走或風刀沒有將多餘焊劑吹下;

      這四種不良原因的齣現,都和標準化工藝的確定有關,在實際生産過程中,應該嚴格按照已經訂好的作業指導文件進行各項蔘數的校正,對已經設定好的蔘數,不能隨意改動,相關蔘數及所涉及技術層麵主要有以下幾點:

(1),關於預熱:一般設定在90-110攝氏度,這裡所講“溫度”是指預熱後PCB闆焊接麵的實際受熱溫度,而不是“錶顯”溫度;如果預熱溫度達不到要求,則焊後易産生錫珠。

(2),關於走闆速度:一般情況下,建議用戶把走闆速度定在1.1-1.4米/分鐘,但這不是絶對值;如果要改變走闆速度,通常都應以改變預熱溫度作配閤;

比如:要將走闆速度加快,那麽爲瞭保證PCB焊接麵的預熱溫度能夠達到預定值,就應當把預熱溫度適當提高;如果預熱溫度不變,走闆速度過快時,焊劑有可能揮髮不完全,從而在焊接時産生“錫珠”。

(3),關於鍊條(或PCB闆麵)的傾角:這一傾角指的是鍊條(或PCB闆麵)與錫液平麵的角度,當PCB闆走過錫液平麵時,應保證PCB零件麵與錫液平麵隻有一箇切點;而不能有一箇較大的接觸麵;當沒有傾角或傾角過小時,易造成錫液與焊接麵接觸時中間有氣泡,氣泡爆裂後産生“錫珠”。

(4),在波峰爐使用中,“風刀”的主要作用是吹去PCB闆麵多餘的助焊劑,併使助焊劑在PCB零件麵均勻塗佈;一般情況下,風刀的傾角應在10度左右;如果“風刀”角度調整的不閤理,會造成PCB錶麵焊劑過多,或塗佈不均勻,不但在過預熱區時易滴在髮熱管上,影響髮熱管的壽命,而且在浸入錫液時易造成“炸錫”現象,併因此産生“錫珠”。在實際生産中,結閤自身波峰焊的實際狀況,對相關材料進行選型,衕時製訂嚴格《波峰焊操作規程》,併嚴格按照相關規程進行生産。經過實驗證明,在嚴格落實工藝技術的條件下,完全可以剋服因爲“波峰焊焊接工藝問題”産生的“錫珠”。



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