波峰焊接技术

7．4　波峰焊接技术

波峰焊是借助于电动泵或电磁泵的作用，使焊料槽内熔化的液态焊料形成特定形状的焊料波；将安装有电子元器件的印制电路板放置于传送带上，以某一特定的角度匀速穿过焊料波峰，从而实现元器件焊端或引脚与印制电路板焊盘之间的机械与电气连接的软钎焊方法。元器件在波峰焊接时，元器件的引脚接触到高温焊料，在助焊剂的作用下，润湿力使焊料沿引线往上爬，并润湿整个焊盘，从而得到良好的焊接效果。波峰焊用于印制电路板组装已有20多年的历史，现已成为一种非常成熟的电子组装工艺技术，主要用于插装组件和采用混合组装方式的焊接任务。

7．4．1　波峰焊机

波峰焊机通常由以下5个部分组成。

（1）传送带部分。装载、传送待焊接的印制电路板。

（2）助焊剂部分。在印制电路板上涂敷助焊剂，常用的方法有发泡、浸渍、涂刷和喷雾等。

（3）预热部分。预热印制电路板和焊点，活化助焊剂。

（4）焊接部分。印制电路板经过波峰时完成焊接，并附加热风刀，去除桥接，减轻组件的热应力。

（5）冷却部分。冷却产品，减轻热滞留带来的损坏。

波峰焊机有单波峰和双波峰之分。单波峰焊用于表面贴装技术时，焊料容易出现漏焊、桥接和焊缝不充实等缺陷，双波峰焊则可大大减少这些缺陷。目前在表面贴装技术中广泛采用的是双波峰焊工艺和设备，焊机示意图如图7－5所示。

图7－5　双波峰焊焊机示意图

图7－5中，当完成丝印（或点胶）、贴装、胶固化、插装通孔元器件的印制电路板从波峰焊机的入口端随传送带向前运行，通过焊剂发泡（或喷雾）槽时，印制电路板下表面的焊盘、所有元器件端头和引脚表面被均匀地涂敷上一层薄薄的助焊剂。随着传送带运行，印制电路板进入预热区，焊剂中的溶剂被挥发掉，而松香和活性剂开始分解和活化，印制电路板焊盘、元器件端头和引脚表面的氧化膜及其他污染物被清除；同时，印制电路板和元器件得到充分预热。印制电路板继续向前运行，印制电路板的底面首先通过第一个熔融的焊料波。第一个焊料波是乱波（振动波或紊流波），将焊料打到印制电路板的底面所有的焊盘、元器件焊端和引脚上。熔融的焊料在经过焊剂净化的金属表面上进行浸润和扩散。之后，印制电路板的底面通过第二个熔融的焊料波。第二个焊料波是平滑波，平滑波将引脚及焊端之间的连桥分开，并除去拉尖（冰柱）等焊接缺陷。

7．4．2　波峰焊工艺流程

总的工艺流程是：将插装有元器件的印制电路板放置在传送带上，经过助焊剂涂敷后，预加热到90～100℃；接着进行波峰焊接，温度为220～240℃；最后切除多余引脚并检查焊接质量。预加热和波峰焊接的温度根据具体的印制电路板和元器件而定。

波峰焊工艺流程有单台波峰焊机完成焊接的单机式，和完整生产线的联机式两类，其工艺流程分述如下。

1）单机式波峰焊工艺流程

流程A：元器件引脚成形—印制电路板贴阻焊胶带—插装元器件—印制电路板装入焊机夹具—涂敷助焊剂—预热—波峰焊—冷却—取下印制电路板—撕掉阻焊胶带—检验—清洗—检验—放入专用运输箱。

流程B：印制电路板贴阻焊胶带—装入模板—插装元器件—吸塑—切脚—从模板上取下印制电路板—印制电路板装焊机夹具—涂敷助焊剂—预热—波峰焊—冷却—取下印制电路板—撕掉吸塑薄膜和阻焊胶带—检验—补焊—清洗—检验—放入专用运输箱。

2）联机式波峰焊工艺流程

将印制电路板装在焊机的夹具上—人工插装元器件—涂敷助焊剂—预热—浸焊—冷却—切脚—切脚屑—喷涂助焊剂—预热—波峰焊—冷却—清洗—印制电路板脱离焊机—检验—补焊—清洗—检验—放入专用运输箱。

7．4．3　波峰焊工艺参数

波峰焊工艺参数受许多复杂因素影响，不仅取决于机器型号，而且取决于被焊产品的设计要求，很难具体规定。描述波峰焊接的工艺参数主要是时间、温度与波峰高度。

1．时间

波峰焊接过程及时间分配如图7－6所示。

图7－6　波峰焊接过程及时间分配图

图7－6中，预热时间是指印制电路板涂敷助焊剂后进入预热区到与焊料波峰接触前的时间。预热时间长有利于印制电路板板面温度均匀。通常，大型波峰焊机预热时间较长，有利于焊接，同时产量也高；小型波峰焊机预热时间较短，但难保证印制电路板板面温度的均匀性。

润湿时间是指焊点与焊料波峰相接触后开始润湿的那一段时间，该时间仅在理论上存在，实际中无法计量。

焊接时间又称停留时间，是指印制电路板上某一个焊点从接触波峰开始到离开波峰的时间，取决于波峰宽度和传送带行进速度。通常波峰面宽度为4～5cm，若速度为1．2m／min，即2cm／s，则焊接时间为2～2．5s。波峰焊的导热是依靠流动焊料与印制电路板焊盘接触来实现的，考虑到不同元件的热容量，通常接触时间不能太短，否则焊盘将达不到必要的润湿温度，一般焊接时间控制在3～4s。

波峰机在安装时除了要使机器水平外，还应调节传送装置的倾角，高档波峰焊机倾斜角通常控制在3°～7°。通过倾斜角的调节，可以调控印制电路板与波峰面的焊接时间。适当的倾角有利于焊料液与印制电路板更快地剥离，使之返回锡锅中。

2．温度

焊接温度是非常重要的焊接参数，通常高于焊料熔点（183℃）50～60℃，大多数情况下是指焊锡锅的温度。它通过流动的焊料向焊盘供热，是达到润湿温度的根本保证。适当高的焊料温度可保证焊料有较好的流动性。焊接温度在波峰焊机开通时应定期定时检查，尤其是焊接缺陷增多时，更应该首先检查锡锅的温度。波峰焊接温度调节取决于焊点形成合金层需要的温度，其温度一般为（250±10）℃。

3．波峰高度

波峰高度是指波峰焊接中印制电路板的吃锡深度，其数值通常控制在印制电路板板厚的1／2～2／3，过大会导致熔化焊料流到印制电路板表面，出现桥接。此外，印制电路板浸入焊料面越深，其挡流作用越明显，再加上元器件引脚的作用，就会扰乱焊料的流动分布，不能保证印制电路板与焊料流的相对零速运动。对幅面过大和超重的印制电路板，通常用增加挡锡条或在波峰机的锡锅中架设钢丝的办法来解决。一般波峰焊机波峰高度可以在0到10mm之间进行调整，最佳波峰高度宜控制在7～8mm。

波峰焊机的带速、预热温度、焊接时间和倾斜角度等工艺参数之间需要互相协调，反复调节，其中带速影响生产量。在大规模生产中希望有较高的生产能力，所以各种参数协调的原则是，以焊接时间为基础，协调倾角与带速。焊接时间一般为2～3s，它可以通过波峰面的宽度与带速来计算。波峰面的宽度则可以由一块带刻度的耐高温的玻璃板经过波峰面来测得。反复调节带速、倾角及预热温度，就可以得到满意的波峰焊接温度。

7．4．4　波峰焊机焊料

1．焊料

波峰焊使用的焊料为锡铅共晶合金，一般锡的质量分数为63%。对焊料要定期取样分析，合金含量或杂质超标时应及时调整或更换。焊料杂质的允许范围如表7－4所示。

表7－4　焊料杂质的允许范围

2．助焊剂

波峰焊使用的助焊剂通常有松香助焊剂、水溶性助焊剂和免清洗助焊剂等。

助焊剂密度是指助焊剂的黏稠度。为保证有效的助焊作用，在印制电路板的焊接面上涂敷助焊剂，必须严格控制密度。工艺要求3种常用助焊剂的密度应控制在如下范围：松香助焊剂的密度为0．82～0．84g／cm³；水溶性助焊剂的密度为0．82～0．86g／cm³；免清洗助焊剂及有特殊要求的助焊剂密度应控制在规定的技术条件内。

焊剂发泡高度应达到印制电路板厚度的3／4。

印制电路板涂敷助焊剂后要进行预热，其预热温度是指印制电路板与波峰面接触前所达到的温度，应根据焊接的产品来确定，具体要求如表7－5所示。

表7－5　印制电路板预热温度与焊接产品的关系

7．4．5　波峰焊接缺陷分析

波峰焊接完成后，可能产生多种焊接质量缺陷，应进行仔细检查。本节对各种焊接缺陷及形成的原因进行具体分析。

1．沾锡不良

焊点上只有部分沾锡，这是不可接受的缺陷，其原因与改善方法如下。

（1）外界污染物，如油、脂、蜡等引起。此类污染物有时是在印刷阻焊剂时沾上的，通常可用溶剂清洗。

（2）常因贮存状况不良或基板制造上的问题发生氧化，而助焊剂无法去除。过二次锡可解决此问题。

（3）涂助焊剂方式不正确。助焊剂发泡气压不稳定或不足，致使泡沫高度不稳或不均匀而使基板部分没有涂到助焊剂。通过调节助焊剂发泡气压可解决此问题。

（4）焊接时间不足或焊锡温度不够。因为熔锡需要足够的温度及时间，所以通常焊锡温度应高于熔点温度，沾锡总时间约3s。

2．冷焊或焊点不亮

焊点看似碎裂、不平，其主要是元器件在焊锡正要冷却形成焊点时振动而造成的。注意锡炉输送是否有异常振动。

3．焊点破裂

这一情形通常是焊锡、基板、导插针及元器件引脚之间膨胀系数未配合好而造成的，应在基板材质、元器件材料及设计上设法改善。

4．焊点锡量太大

锡炉输送角度不正确会造成焊点过大。这可降低倾斜角度，提高锡槽温度，加长焊锡时间，使多余的焊锡回流到锡槽。

5．锡尖

此问题通常发生在DIP芯片的焊接过程中，在元器件引脚顶端或焊点上发现有冰尖般的锡。其原因与改善方法如下。

（1）基板的可焊性差，通常伴随着发生沾锡不良现象。应从基板的可焊性去解决，可试提升助焊剂比重来改善。

（2）锡槽温度不足，沾锡时间太短。可通过提高锡槽温度、加长焊锡时间来解决此问题。

（3）走出波峰后，冷却风角度不对。冷却风不可朝锡槽方向吹，那样会造成锡点急速凝固，多余焊锡无法流回锡槽。

6．阻焊绿漆上留有残锡

（1）基板制作时残留有某些与助焊剂不能兼容的物质，因而在波峰加热后产生锡丝。可用氯化烯类等溶剂来清洗。

（2）锡渣被打入锡槽内再喷流出来，造成基板面沾上锡渣。需要对锡炉进行维护，确定锡槽正确的锡面高度。

7．白色残留物

在焊接或溶剂清洗后，发现有白色残留物在基板上（通常是松香的残留物）。这类物质对产品无影响。

解决方法：欲避免此种现象，可试用另一种助焊剂；助焊剂因暴露在空气中吸收水汽劣化，应每一至两周更新；基板贮存时间不能过长；尽量缩短焊锡后进行清洗的时间；清洗基板的溶剂若水分含量过高，也会产生白斑，应更新溶剂。

8．深色残余物及浸蚀痕迹

通常黑色残余物均发生在焊点的底部或顶端，此问题通常是不正确地使用助焊剂或清洗造成的。

9．绿色残留物

绿色通常是腐蚀造成的，但并非完全如此。因为很难分辨到底是绿锈还是其他化学产品，但通常来说发现绿色物质应警惕，必须立刻查明原因。通常可用清洗来改善。

10．白色腐蚀物

引脚及金属上的白色腐蚀物，尤其是含铅成分较多的金属上较易生成此类残余物。这主要是因为氯离子易与铅形成氯化铅，再与二氧化碳形成碳酸铅（白色腐蚀物）。在使用松香类助焊剂时，因松香不溶于水，会将含氯活性剂包着不致腐蚀。但如使用不当溶剂，只能清洗松香，无法去除含氯离子，如此一来反而加速腐蚀。

11．针孔及气孔

针孔是在焊点上发现的小孔，气孔则是焊点上较大的孔，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的大孔。其形成原因是焊锡在气体尚未完全排除时即已凝固。

解决方法：基板可能有湿气，将基板放在烤箱中，将烤箱温度设置为120℃烤2h后再焊接；制作基板选择电镀液时，应改用含光亮剂较少的电镀液。

12．焊点灰暗

焊点灰暗有两种情况，一是焊锡过后一段时间（约半载至一年），焊点颜色转暗；二是制造出来的成品焊点即是灰暗的。

产生原因：焊锡内有杂质；某些有机酸类助焊剂留在焊点上过久；焊锡合金中，锡含量低者（如40／60焊锡），其焊点也较灰暗。

13．焊点表面粗糙

焊点表面呈砂状突出表面。其原因可能是金属杂质的结晶，必须每三个月定期检验焊锡内的金属成分；锡内含有锡渣；有外来物质如毛边、绝缘材料等藏在零件脚中。

14．黄色焊点

黄色焊点是焊锡温度过高造成的。此时应查看锡温及温控器是否有故障。

15．短路

过大的焊点造成两焊点相接短路。

产生原因：基板吃锡时间不够，预热不足；助焊剂不良；基板行进方向与锡波配合不良；线路设计不良，线路或接点间太过接近（应有0．6mm以上间距）；锡槽内的焊锡积聚过多的氧化物。