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1、Lead Free,2014年6月,波峰焊接技术及应用分析,内容提要,无铅波峰焊概述无铅波峰焊的工艺要求无铅焊锡的常见缺陷及对策,一、无铅波峰焊概述,波峰焊是将熔融的液态焊料，借助叶泵的作用，在焊料槽液面形成特定形状的焊料波，插装了零件的PCB放置在传送链上，经过某一特定的角度以及一定的浸入深度穿过焊料波峰而实现焊点焊接的过程。,什么是波峰焊,波峰焊机的工位组成及其功能,名 称：波峰焊装置型 号：MWSI厂 家：日东控制编号：E009,设备介绍,MWSI的操作界面,（一）插件,根据产品工艺指导书的要求将THT元件插装在PCB通孔上。,MI插件线,（二）助焊剂,助焊剂是进行焊锡时所必需的辅助材料
2、，是焊接时添加在焊点上的化合物，参与焊接的整个过程。,助焊剂的作用 除去氧化物：为了使焊料与零件脚和焊盘表面的原子能充分接近，必须将妨碍两金属原子接近的氧化物和污染物去除，助焊剂正具有溶解这些氧化物、氢氧化物或使其剥离的功能。防止零件脚、铜箔和焊料加热时氧化：焊接时，助焊剂先于焊料之前熔化，在焊料和零件脚与铜箔的表面形成一层薄膜，使之与外界空气隔绝，起到在加热过程中防止零件脚和铜箔氧化的作用。降低焊料表面的张力：使用助焊剂可以减小熔化后焊料表面张力，增加其流动性，有利于浸润。,对助焊剂的要求常温下必须稳定，熔点应低于焊料。在焊接过程中具有较高的活化性，较低的表面张力，粘度小于焊料。不产生有刺激
3、性的气味和有害气体，熔化时不产生飞溅或飞沫。绝缘好、无腐蚀性、残留物无副作用，焊接后的残留物易清洗。形成的膜光亮、致密、干燥快、不吸潮、热稳定性好，具有保护零件脚和铜箔表面的作用。,免清洗助焊剂什么是免清洗？免清洗是指PCBA生产中采用的低固态含量、无腐蚀性的助焊剂，在惰性气体环境下焊接，焊后PCB上的残留物极微、无腐蚀，且具有极高的表面绝缘电阻(SIR)，一般情况下不需要清洗既能达到离子洁净度的标准，可直接进入下道工序的工艺技术。必须指出的是“免清洗”与“不清洗”是绝对不同的两个概念，所谓“不清洗”是指在PCBA生产中采用传统的松香助焊剂(RMA)或有机酸助焊剂，焊接后虽然板面留有一定的残留
4、物，但不用清洗也能满足某些产品的质量要求。,免清洗焊接工艺 在采用免清洗助焊剂后，虽然焊接工艺过程不变，但实施的方法和有关 的工艺参数必须适应免清洗技术的特定要求.为了获得良好的免清洗效果，助焊剂涂敷过程必须严格控制两个参数，即助焊剂的固态含量和涂敷量。助焊剂的涂敷 通常助焊剂的涂敷方式有发泡法和喷雾法两种。,发泡法 在免清洗工艺中，不宜采用发泡法，其原因是：发泡法的助焊剂是放置在敞开的容器内，由于免清洗助焊剂的溶剂含 量很高，特别容易挥发，从而导致固态含量的升高，因此在生产过程中用比重法来控制助焊剂的成分保持不变是有困难的，且溶剂的大量挥发也造成了污染和浪费；由于免清洗助焊剂的固体含量极低，
5、不利于发泡；涂敷时不能控制助焊剂的涂敷量，涂敷也不均匀，往往有过量的助焊剂残留在板的边缘。因此，采用发泡方式不能得到理想的免清洗效果。,喷雾法 喷雾法适用于免清洗助焊剂的涂敷。助焊剂被放置在一个密封的加压容器内，通过喷口喷射出雾状助焊剂涂敷在PCB的表面，喷射器的喷射量、雾化程度和喷射宽度均可调节，所以能够精确地控制涂敷的焊剂量。由于涂敷的焊剂是雾状薄层，因此板面的焊剂非常均匀，可确保焊接后的板面符合免清洗要求。同时，由于助焊剂完全密封在容器内，不必考虑溶剂的挥发和吸收大气中的水分，这样可保持焊剂比重(或有效成分)不变，一次加入至用完之前无需更换，较发泡法可减少稀释剂用量50%左右。喷雾涂敷方
6、式是免清洗工艺中首选的一种涂敷工艺。注意：由于助焊剂中含有较多的易燃性溶剂，喷雾时散发的溶剂蒸气存在一定的爆燃危险性，因此设备需要具有良好的排风设施和必要的灭火器具。,助焊剂的功能指标,涂敷助焊剂后，焊接件进入预热工序，通过预热挥发掉助焊剂中的溶剂部分，增强助焊剂的活性。同时减少PCB在波峰浸锡时的热冲击，减少PCB的变形翘曲。常见预热方式有：1.热风预热方式；2.红外线发热管方式；3.热空气和辐射相结合的方法加热。我司波峰焊采用的红外线发热管方式比较理想，因为发热原理是一种红外线辐射，可提高热效率，发热管上部再覆盖耐高温陶瓷玻璃，安全可靠，避免松香滴落在发热管上。,（三）预热,将熔化的软钎焊
7、料，经电动泵喷流成设计要求的焊料波峰,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。,（四）波峰焊接,波峰面 波的表面均被一层氧化皮覆盖，它在沿焊料波的整个长度方向上几乎都保持静态，在波峰焊接过程中，PCB接触到锡波的前沿表面，氧化皮破裂，PCB前面的锡波被推向前进，这说明整个氧化皮与PCB以同样的速度移动。,焊点成型原理,PCB离开焊料波时，分离点位与B1和B2之间的某个地方，分离后形成焊点。,当PCB进入波峰面前端(A)时，PCB与引脚被加热，并在未离开波峰面(B)之前，整个PCB浸在焊料中，即被焊料所桥联，但在离开波峰尾端的瞬间，少量的
8、焊料由于润湿力的作用，粘附在焊盘上，并由于表面张力的原因，会出现以引线为中心收缩至最小状态，此时焊料与焊盘之间的润湿力大于两焊盘之间的焊料的内聚力。因此会形成饱满，圆整的焊点，离开波峰尾部的多余焊料，由于重力的原因，回落到锡槽中。,焊接材料,能熔合两种或两种以上的金属，使之成为一个整体的易熔金属或合金都叫焊料。焊料的种类很多，焊接不同的金属使用不同的焊料。按其成分可分为锡铅焊料、锡银焊料、锡铜焊料等。按其耐温情况可分为高温焊料、低温焊料等。在一般电子产品装配中，通常使用锡铅焊料，俗称“焊锡”。锡(Sn)是一种质软、低熔点的金属，其熔点为232，纯锡较贵，质脆而机械性能差；在常温下，锡的抗氧化性
9、强，金属锡在高于13.2时呈银白色，低于13.2时呈灰色，低于-40变成粉末。铅(Pb)是一种浅青色的软金属，熔点为327，机械性能差，可塑性好，有较高的抗氧化性和抗腐蚀性。铅属于对人体有害的重金属，在人体中积蓄能引起铅中毒。锡铅合金当铅和锡以不同的比例熔成锡铅合金以后，熔点和其他物理性能都会发生变化。,无铅焊料的类别,目前世界范围内已开发出的无铅焊料合金种类繁多，根据合金成分，大体上分为二元合金、三元合金及其它多元合金:,对无铅焊性能的评价基准是基于传统Sn-Pb焊料的性能。要求无铅焊料的性能，尽可能的接近Sn-Pb焊料，并且价格不能太高。,（1）Sn-Zn系列焊料 缺点：一、是在无铅焊料中
10、润湿性最差 二、是容易氧化,必须在氮气保护下进行回流焊和波峰焊，氮气保护的目的，是为了防止Sn-Zn焊料氧化，降低焊料的表面张力，提高润湿力。,共晶点温度较高,例如Sn0.7Cu共晶点227，焊接温度接近280，现有的元器件和设备，有的承受不了这么高的温度，另外焊点桥连，元器件引脚中的铜向焊料中溶解会改变焊料的成分配比和熔点，使波峰焊工艺参数不稳定。其优点是价格便宜，机械性能好，对杂质元素敏感度低等。,（2）Sn-Cu焊料,（3）Sn-Ag-Cu系列：,有优异的力学性能和抗蠕变疲劳特性。Sn3.5Ag共晶温度221，使用温度较高，Ag含量超过3.5%，容易脆化引起龟裂，在Sn-Ag中添加Cu可
11、以降低焊料的熔点，增加焊料的润湿力，提高机械强度。因此，Sn-Ag-Cu得到普遍应用，是目前用的最多的无铅焊料。,目前行业内广泛应用的较为成熟的无铅焊料,实际使用的产品：,1.一般控制锡炉输送带爬坡角度3-6度；2.锡波浸入深度为PCB厚度的1/22/3，着锡时间35秒为宜，波峰高度在1040mm之间。3.预热温度：一般要求PCB经预热后，焊点面温度达到：单面板90100，双面板100110，多层板115125。4.锡温：无铅锡温一般控制在2605.,锡炉参数设定,(1)浸焊条件,在PCB底面有SMD元件贴装情况时，要使用双波峰焊接 由于SMD没有DIP那样的安装插孔，焊接受热后挥发的气体无处
12、散发，另外，SMD有一定的高度，又是高密度贴装，而焊料表面有张力作用，因而很难及时湿润渗透到贴装零件的每个角落，所以如果采用单波峰焊接，将会出现大量的漏焊及连锡，须采用双波峰解决上述问题。,（2）双波峰的焊接,同时使用双波峰焊接对应于元件孔通孔上锡有严格要求的场合。,采用双波峰焊接会加大锡渣氧化量的形成。,1.运输速度与角度：运输速度决定焊接时间，速度过慢，则焊接时间长，对PCB与零件不利，速度过快则焊接时间过短，易造成虚焊、假焊、漏焊、连锡、堆锡、气泡等现象。焊接接触焊料的时间3-5秒为宜。2.预热温度：合适的预热温度可减少PCB的冲击，减少PCB的变形翘曲，提高助焊剂的活性。3.焊料成份：
13、进行焊接作业时，PCB或零件脚上的金属杂质会进入熔锡里，可能影响焊点的不良或者外观，需要周期性地检查一次锡炉中的焊锡成份，使其控制在标准范围内。铜的含量控制0.6%左右，过高时锡的流动变差，而影响焊锡效果，且含铜过高时焊点变脆，而影响寿命。,（3）影响焊接品质的主要因素,4.助焊剂的比重：合适的比重会提高焊点的品质，比重太高即助焊剂浓度高，易出现PCB残留物增多、连锡、包焊等，甚至造成绝缘电阻下降；助焊剂的比重过低易造成焊接不良，出现焊点拉尖、连锡、虚焊等现象，一般比重控制在0.800-0.830。比重太低会影响焊锡效果；比重太高，而太稠影响雾化效果，且零件面残留物太多，需要洗板(可根据供货商
14、的配方比重决定)。5.PCB线路设计及零件的可焊性及其他因素：PCB线路设计及零件的可焊性，PCB受潮，环境的污染，运送系统的污染及包装材料的污染对焊点品质都有影响。,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。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。,（4）锡渣,冷却系统的要求：推荐使用
15、快速冷却.,自然冷却时，因焊点内外的冷却速率及PCB和焊点冷却速率不一致，这样容易造成焊点裂锡我司波峰焊采用强制风冷。,（五）冷却,外置水冷机,强制风冷,二、无铅波峰焊的工艺要求,波峰焊工艺解析,预热开始,与焊料接触,达到润湿,与焊料脱离,焊料開始凝固,凝固结束,预热时间,润湿时间,停留/焊接时间,冷却时间,工艺时间,波峰焊工艺解析,1润湿时间 指焊点与焊料相接触后润湿开始的时间2停留时间 PCB上某一个焊点从接触波峰面到离开波峰面的时间 停留/焊接时间的计算方式是 停留/焊接时间=波峰宽/速度3预热温度 预热温度是指PCB与波峰面接触前达到的温度4焊接温度 焊接温度是非常重要的焊接参数通常高
16、于 焊料熔点40C 50C.大多数情况是指焊锡炉的温度,实际运行时PCB焊点温度要低于炉温这是因为PCB吸热的结果.,波峰焊工艺参数调节,1波峰高度 波峰高度是指波峰焊接中的PCB吃锡高度,通常控制在PCB板厚度的1/22/3,過大造成板面入锡导致元件损坏甚至PCB报废.2运输传送角度 波峰焊机的运输轨道有一个前低后高的倾斜角度,该倾角有助于焊锡液与PCB更快的脱离,使之返回锡炉內,同时通過倾角的调节也可以控制PCB与波峰接触的焊接时间.合适的倾角可以有效降低焊接缺陷.3焊料纯度的影响 波峰焊接過程中焊料的杂质主要是来源于PCB上焊盘的铜渗析过量的铜会导致焊接缺陷增多.5助焊剂 助焊剂在焊接工
17、艺中能帮助和促进焊接过程，同时具有保护作用、阻止氧化反应.6工艺参数设定 波峰焊的工艺参数主要包括:预热的温度与时间,焊接的温度与时间,还有助焊剂的喷涂量及传送倾角对焊接的影响.,标准温度曲线,获得温度曲线Profile,利用热电偶固定连接在测试板上，通过测温仪监控记录测试板在波峰焊内完成一次运行周期的温度变化，形成对应于连续的时间温度关系曲线，从而绘制Profile.,前波峰喷流均匀,无堵塞现象;后波峰平静且后流适当.,后波峰后流过大,理想的后流量是:无板经过时流量微小或无流量,有板经过时才推动后流.,波峰设定,无铅与有铅焊点比较通孔元件过锡面的焊点,有铅通孔元件元件面的焊点有铅,无铅无铅,
18、三、波峰焊接缺陷分析,波峰焊接缺陷分析:,1.不润湿（Nonwetting）/润湿不良（Poor Wetting）,产生原因：1.焊盘或引脚的镀层被氧化，氧化层阻挡了焊锡的接触；2.镀层不良，在组装过程中被破坏；3.焊接温度不够。常用无铅焊锡合金的熔点升高且润湿性大为下降，需要更高的焊接温度来保证焊接质量；4.预热温度偏低或是助焊剂活性不够，使得助焊剂未能有效去除焊盘以及引脚表面氧化膜；5.镀层与焊锡之间的不匹配有可能产生润湿不良现象；防止措施：1.按要求储存板材以及元器件，不使用已变质的焊接材料；2.合理设置工艺参数，适量提高预热或是焊接温度，保证足够的焊接时间；3.氮气保护环境中各种焊锡的
19、润湿行为都能得到明显改善；,问 题 对 策,指焊点焊锡合金没有很好的铺展开来，从而无法得到良好的焊点并直接影响到焊点的可靠性。,波峰焊接缺陷分析:,2.不完全焊点(Incomplete Solder Joint）,产生原因：1.通孔孔径与元件引脚直径不匹配；2.导轨传输角度过大；3.焊接温度设置过高；4.焊盘表面被氧化。防止措施：根据实际情况判断造成不完全焊点的可能原因，并进行有针对性的改进措施。,问 题 对 策,波峰焊接缺陷分析:,3.焊点锡量太大(EXCES SOLDER)/球状焊点（Bulbous Joint）,产生原因：任何影响液态焊锡流动性能的因素都有可能造成球状焊点的形成；1.预热
20、或是焊接温度过低；2.焊料中含有污染物影响焊料的流动性；3.助焊剂活性不够或是活性没有被完全激发；4.不恰当的导轨角度或是传输速率。防止措施：1.输送角度不正确会造成焊点过大,倾斜角度依基板设计方式调整,一般角度约3.5-4.5度,角度越大沾锡越薄,角度越小沾锡越厚.2.提高锡炉温度,加长焊锡时间,使多余的锡再回流到锡炉.3.提高预热温度,使助焊剂充分活化.4.选用合适的助焊剂,通常比重高的助焊剂吃锡厚,比重低的助焊剂吃锡薄但易造成锡桥,锡尖.,问 题 对 策,焊点呈现球状，润湿角非常大。通常会覆盖焊盘以及引脚,会影响其抗拉强度及可靠性.,波峰焊接缺陷分析:,4.锡尖(冰柱)（Icycling
21、）,产生原因：在焊料脱离板面回落到波峰上的过程中，能造成焊料快速凝固的因素都可能促进冰柱的产生。1.助焊剂活性不够造成焊盘或引脚表面润湿不良；2.焊接温度过低；3.通孔孔径与引脚直径之间比例不当。防止措施：主要从提高焊料的润湿行为方面着手。1.适当提高预热以及焊接温度；2.及时清理焊料表面氧化渣；3.按要求相匹配的PCB板与元器件。,问 题 对 策,在零件脚顶端或焊点上发现有圆锥状或钉状的锡就是通常所说的冰柱（拉尖）。拉尖影响到电气最小间隙原则时是不可接受的，通常说来冰柱长度应该小于0.2mm。,波峰焊接缺陷分析:,5.表面裂纹(Fillet Tearing),产生原因：1.焊接过程中PCB板
22、变形过大，凝固时回复原来位置时拉动钎料表面有所延长，容易造成表面裂纹现象；2.焊点钎料凝固时一般存在4的体积收缩，如果表面处于最后凝固位置的话就有可能产生表面凹坑或时裂纹现象；3.使用SAC(锡银铜)焊料时表面裂纹现象比较明显。焊接过程中元件固定不当也会产生表面裂纹。防止措施：1.采用合适的焊接工艺，适当提高预热温度，采取恰当的冷却方式，冷却方式选择可以很大程度上控制焊点的微观形态以及应力集中现象；2.加强生产管理，避免材料受到污染；,问 题 对 策,波峰焊接缺陷分析:,6.焊锡网（Solder Webbing）,产生原因：焊锡网的形成与粘附到板上的氧化物或是焊料有关。1.焊接温度过高，助焊剂
23、挥发过快，焊料氧化严重；2.助焊剂涂敷量过低；防止措施：1.调整工艺参数，保证焊接过程中板面上有足够的助焊剂从而能产生气氛防止钎料过度氧化；,问 题 对 策,指板面与波峰相接触位置出现锡的网状残留物。,波峰焊接缺陷分析:,7.锡球（Solder Ball）,产生原因：锡球的产生与焊点的排气过程紧密相连。焊点中的气体逸出速度太快就会带出焊锡合金粘附到阻焊膜上产生锡球。1.板材中含有过多的水分；2.阻焊膜未经过良好的处理。阻焊膜的吸附是产生锡球的一个必要条件；3.助焊剂使用量太大；4.预热温度不够，助焊剂未能有效挥发。防止措施：1.通孔铜层至少25m以避免止板内所含水汽的影响；2.采用合适的助焊剂
24、涂敷方式，减少助焊剂中混入的气体量；3.适当提高预热温度；4.对板进行焊前烘烤处理；,问 题 对 策,板上粘附的直径大于0.13mm或是距离导线0.13mm以内的球状锡颗粒都被统称为锡球。锡球违反了最小电气间隙原理会影响到组装板的电气可靠性。,波峰焊接缺陷分析:,8.针孔及气孔(PINHOLDS AND BLOWHOLES),产生原因：PCB板中吸收的水分在焊接过程中产生高压作用，其逸出途径主要是PCB板通孔。材料间膨胀系数的不匹配会造成通孔铜层的破损，之后水汽很容易进入到钎料合金中。使用廉价的基板以及差的钻孔方式的时候这种现象尤其明显。通孔焊接中铜层的破损是产生针孔的关键因素。防止措施：1.
25、选用合适的PCB板；2.对板材进行良好的储存；3.焊前对板材进行烘烤处理，如有必要可以要求加工商增厚通孔铜层厚度到至少25m。,问 题 对 策,针孔是在焊点上发现一小孔,气孔则是焊点上较大孔可看到内部,针孔内部通常是空的,气孔则是内部空气完全喷出而造成之大孔,是由于焊锡在气体尚未完全排除即已凝固而形成.,波峰焊接缺陷分析:,9.助焊剂残留(Flux Residues),问 题 对 策,产生原因：1.助焊剂中松香树脂含量过多或是品质不好容易造成残留过多；工艺参数不相匹配，助焊剂未能有效挥发掉。防止措施：1.正确选用助焊剂,控制助焊剂的喷涂量；2.对需要清洗的板进行恰当的清洗处理；3.波峰焊中延长
26、与波峰接触时间可以减少助焊剂残留。,板面存在较多的助焊剂残留的话，既影响了板面的整洁程度，同时对PCB板本身的电气性也有一定的影响。,波峰焊接缺陷分析:,10.元件破裂（Component Crack）,问 题 对 策,产生原因：1.组装之前产生破坏；2.焊接过程中板材与元件之间的热不匹配性造成元件破裂；3.焊接温度过高；4.元件没按要求进行储存，吸收过量的水汽在焊接过程中造成元件破裂；5.冷却速率太大造成元件应力集中。防止措施：1.采用合适的工艺曲线；2.按要求进行采购、储存；3.选用满足要求的焊接贴片以及焊接设备。,波峰焊接缺陷分析:,11.短路/桥连（Bridge）,问 题 对 策,产生
27、原因：1.PCB板焊接面引脚太近或不规律；2.板面或引脚上有残留物；3.预热温度不够或是助焊剂活性不够；4.焊料被污染，比如发生Fe污染之后的污染物会造成桥连现象；5.PCB板浸入焊料太深造成板面沾锡太多；6.焊接温度不够。SnCu流动性较差，对温度更为敏感。注：一定搭配的焊盘与引脚焊点在一定条件下能承载的钎料量是一定的，处理不当多余的部分都可能造成桥连现象。防止措施：1.QFP和PLCC与波峰成45角，引脚间距小于0.8mm的IC建议不要采用波峰焊；2.SOIC元件与波峰之间应该成90，最后离开波峰的两个焊盘应该稍微加宽以承载多余钎料；3.适当提高焊接预热温度，同时可以考虑在一定范围内提高焊接温度以提高钎料流动性；,焊锡在相邻的不同导线或元件之间形成的非正常连接就是通常所说的桥连现象。,
