電子組件的波峰焊接工藝

在電子組件的組裝過程中，焊接起到了相當(dāng)重要的作用。它涉及到產(chǎn)品的性能、可靠性和質(zhì)量等，甚至影響到其后的每一工藝步驟。此外，由于電子組件朝著輕、薄、小的方向快速發(fā)展，為焊接工藝提出了一系列的難題，為此，電子制造業(yè)的各個(gè)廠家圍繞SMT的焊接工藝展開了激烈的競(jìng)爭(zhēng)，旨在進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量，克服焊接中存在的短路、橋接、焊球和漏焊等缺陷，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足市場(chǎng)需求。 目前，最廣泛使用的焊接工藝主要有波峰焊接和再流焊接。波峰焊接工藝主要是用于通孔和各種不同類型元件的焊接，是一種關(guān)鍵的群焊工藝。盡管波峰焊接工藝已有多年的歷史，而且還將繼續(xù)沿用下去，然而，我們要是能夠用上切實(shí)可行的、有生命力的波峰焊接工藝需持時(shí)日。因?yàn)檫@種工藝必須達(dá)到快速、生產(chǎn)率高和成本合理等要求。換言之，這種工藝與焊接前的每一工藝步驟密切相關(guān)，其中包括資金投入、 PCB設(shè)計(jì)、元件可焊性、組裝操作、焊劑選擇、溫度/時(shí)間的控制、焊料及晶體結(jié)構(gòu)等。

焊料
目前，波峰焊接最常用的焊料是共晶錫鉛合金：錫63％；鉛37％，應(yīng)時(shí)刻掌握焊錫鍋中的焊料溫度，其溫度應(yīng)高于合金液體溫度183℃，并使溫度均勻。過去，250℃的焊錫鍋溫度被視為“標(biāo)準(zhǔn)”。隨著焊劑技術(shù)的革新，整個(gè)焊錫鍋中的焊料溫度的均勻性得到了控制，并增設(shè)了預(yù)熱器，發(fā)展趨勢(shì)是使用溫度較低的焊錫鍋。在230—240℃的范圍內(nèi)設(shè)置焊錫鍋溫度是很普遍的。 通常，組件沒有均勻的熱質(zhì)量,要保證所有的焊點(diǎn)達(dá)到足夠的溫度，以便形成合格的焊點(diǎn)是必要的。重要的問題是要提供足夠的熱量，提高所有引線和焊盤的溫度，從而確保焊料的流動(dòng)性，濕潤(rùn)焊點(diǎn)的兩面。焊料的溫度較低就會(huì)降低對(duì)元件和基板的熱沖擊，有助于減少浮渣的形成，在較低的強(qiáng)度下，進(jìn)行焊劑涂覆操作和焊劑化合物的共同作用下，可使波峰出口具有足夠的焊劑，這樣就可減少毛刺和焊球的產(chǎn)生。 焊錫鍋中的焊料成份與時(shí)間有密切關(guān)系，即隨著時(shí)間而變化，這樣就導(dǎo)致了浮渣的形成，這就是要從焊接的組件上去除殘余物和其它金屬雜質(zhì)的原因及在焊接工藝中錫損耗的原因。以上這些因素可降低焊料的流動(dòng)性。在采購中，要規(guī)定的金屬微量浮渣和焊料的錫含量的最高極限，在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，(如象IPC/J-STD-006都有明確的規(guī)定)。在焊接過程中，對(duì)焊料純度的要求在ANSI/J-STD-001B標(biāo)準(zhǔn)中也有規(guī)定。除了對(duì)浮渣的限制外，對(duì)63％錫；37％鉛合金中規(guī)定錫含量最低不得低于61.5％。 波峰焊接組件上的金和有機(jī)泳層銅濃度聚集比過去更快。這種聚集，加上明顯的錫損耗，可使焊料喪失流動(dòng)性，并產(chǎn)生焊接問題。外表粗糙、呈顆粒狀的焊點(diǎn)常常是由于焊料中的浮渣所致。由于焊錫鍋中的集聚的浮渣或組件自身固有的殘余物暗淡、粗糙的粒狀焊點(diǎn)也可能是錫含量低的征兆，不是局部的特種焊點(diǎn)，就是錫鍋中錫損耗的結(jié)果。這種外觀也可能是在凝固過程中，由于振動(dòng)或沖擊所造成的。 焊點(diǎn)的外觀就能直接體現(xiàn)出工藝問題或材料問題。為保持焊料“滿鍋”狀態(tài)和按照工藝控制方案對(duì)檢查焊錫鍋分析是很重要的。由于焊錫鍋中有浮渣而“倒掉”焊錫鍋中的焊劑，通常來說是不必要的，由于在常規(guī)的應(yīng)用中要求往錫鍋中添加焊料，使錫鍋中的焊料始終是滿的。在損耗錫的情況下，添加純錫有助于保持所需的濃度。為了監(jiān)控錫鍋中的化合物，應(yīng)進(jìn)行常規(guī)分析。如果添加了錫，就應(yīng)采樣分析，以確保焊料成份比例正確。 浮渣過多又是一個(gè)令人棘手的問題。毫無疑問，焊錫鍋中始終有浮渣存在，在大氣中進(jìn)行焊接時(shí)尤其是這樣。使用“芯片波峰”這對(duì)焊接高密度組件很有幫助，由于暴露于大氣的焊料表面太大，而使焊料氧化，所以會(huì)產(chǎn)生更多的浮渣。焊錫鍋中焊料表面有了浮渣層的覆蓋，氧化速度就放慢了。在焊接中，由于錫鍋中波峰的湍流和流動(dòng)而會(huì)產(chǎn)生更多的浮渣。 推薦使用的常規(guī)方法是將浮渣撇去，要是經(jīng)常進(jìn)行撇削的話，就會(huì)產(chǎn)生更多的浮渣，而且耗用的焊料更多。浮渣還可能夾雜于波峰中，導(dǎo)致波峰的不穩(wěn)定或湍流，因此要求對(duì)焊錫鍋中的液體成份給予更多的維護(hù)。如果允許減少錫鍋中焊料量的話，焊料表面的浮渣會(huì)進(jìn)入泵中，這種現(xiàn)象很可能發(fā)生。有時(shí)，顆粒狀焊點(diǎn)會(huì)夾雜浮渣。最初發(fā)現(xiàn)的浮渣，可能是由粗糙波峰所致，而且有可能堵塞泵。錫鍋上應(yīng)配備可調(diào)節(jié)的低容量焊料傳感器和報(bào)警裝置。

波峰
在波峰焊接工藝中，波峰是核心?？蓪㈩A(yù)熱的、涂有焊劑、無污物的金屬通過傳送帶送到焊接工作站，接觸具有一定溫度的焊料，而后加熱，這樣焊劑就會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，焊料合金通過波峰動(dòng)力形成互連，這是最關(guān)鍵的一步。目前，常用的對(duì)稱波峰被稱為主波峰，設(shè)定泵速度、波峰高度、浸潤(rùn)深度、傳送角度及傳送速度，為達(dá)到良好的焊接特性提供全方位的條件。應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在離開波峰的后面(出口端)就應(yīng)使焊料運(yùn)行降速，并慢慢地停止運(yùn)行。PCB隨著波峰運(yùn)行最終要將焊料推至出口。在最掛的情況下，焊料的表面張力和最佳化的板的波峰運(yùn)行，在組件和出口端的波峰之間可實(shí)現(xiàn)零相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這一脫殼區(qū)域就是實(shí)現(xiàn)了去除板上的焊料。應(yīng)提供充分的傾角，不產(chǎn)生橋接、毛刺、拉絲和焊球等缺陷。 有時(shí)，波峰出口需具有熱風(fēng)流，以確保排除可能形成的橋接。在板的底部裝上表面貼裝元件后，有時(shí)，補(bǔ)償焊劑或在后面形成的“苛刻的波峰”區(qū)域的氣泡，而進(jìn)行的波峰整平之前，使用湍流芯片波峰。湍流波峰的高豎直速度有助于保證焊料與引線或焊盤的接觸。在整平的層流波峰后面的振動(dòng)部分也可用來消除氣泡，保證焊料實(shí)現(xiàn)滿意的接觸組件。 焊接工作站基本上應(yīng)做到：高純度焊料(按標(biāo)準(zhǔn))、波峰溫度(230～250℃)、接觸波峰的總時(shí)間(3～5秒鐘)、印制板浸入波峰中的深度(50～80％)，實(shí)現(xiàn)平行的傳送軌道和在波峰與軌道平行狀態(tài)下錫鍋中焊劑含量。

波峰焊接后的冷卻
通常在波峰焊機(jī)的尾部增設(shè)冷卻工作站。為的是限制銅錫金屬間化合物形成焊點(diǎn)的趨勢(shì)，另一個(gè)原因是加速組件的冷卻，在焊料沒有完全固化時(shí)，避免板子移位?？焖倮鋮s組件，以限制敏感元件暴露于高溫下。然而，應(yīng)考慮到侵蝕性冷卻系統(tǒng)對(duì)元件和焊點(diǎn)的熱沖擊的危害性。 一個(gè)控制良好的“柔和穩(wěn)定的”、強(qiáng)制氣體冷卻系統(tǒng)應(yīng)不會(huì)損壞多數(shù)組件。使用這個(gè)系統(tǒng)的原因有兩個(gè)：能夠快速處理板，而不用手夾持，并且可保證組件溫度比清洗溶液的溫度低。人們所關(guān)心的是后一個(gè)原因，其可能是造成某些焊劑殘?jiān)鹋莸脑?。另一種現(xiàn)象是有時(shí)會(huì)出現(xiàn)與某些焊劑浮渣產(chǎn)生反應(yīng)的現(xiàn)象，這樣，使得殘余物“清洗不掉”。 在保證焊接工作站設(shè)置的數(shù)據(jù)滿足所有的機(jī)器、所有的設(shè)計(jì)、采用的所有材料及工藝材料條件和要求方面沒有哪個(gè)定式能夠達(dá)到這些要求。必須了解整個(gè)工藝過程中的每一步操作。

結(jié)論
總之，要獲得最佳的焊接質(zhì)量，滿足用戶的需求，必須控制焊接前、焊接中的每一工藝步驟，因?yàn)镾MT的整個(gè)組裝工藝的每一步驟都互相關(guān)聯(lián)、互相作用，任一步有問題都會(huì)影內(nèi)到整體的可靠性和質(zhì)量。焊接操作也是如此，所以應(yīng)嚴(yán)格控制所有的參數(shù)、時(shí)間/溫度、焊料量、焊劑成分及傳送速度等等。對(duì)焊接中產(chǎn)生的缺陷，應(yīng)及早查明起因，進(jìn)行分析，采取相應(yīng)的措施，將影響質(zhì)量的各種缺陷消滅在萌芽狀態(tài)之中。這樣，才能保證生產(chǎn)出的產(chǎn)品都符合技術(shù)規(guī)范。