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责任编辑:刘昆山

  在电子组件的组装过程中,焊接起到了相当重要的作用。它涉及到产品的性能、可靠性和质量等,甚至影响到其后的每一工艺步骤。此外,由于电子组件朝着轻、薄、小的方向快速发展,为焊接工艺提出了一系列的难题,为此,电子制造业的各个厂家围绕SMT的焊接工艺展开了激烈的竞争,旨在进一步提高焊接质量,克服焊接中存在的短路、桥接、焊球和漏焊等缺陷,从而提高产品质量,满足市场需求。
  目前,最广泛使用的焊接工艺主要有波峰焊接和再流焊接。波峰焊接工艺主要是用于通孔和各种不同类型元件的焊接,是一种关键的群焊工艺。尽管波峰焊接工艺已有多年的历史,而且还将继续沿用下去,然而,我们要是能够用上切实可行的、有生命力的波峰焊接工艺需持时日。因为这种工艺必须达到快速、生产率高和成本合理等要求。
  换言之,这种工艺与焊接前的每一工艺步骤密切相关,其中包括资金投入、 PCB设计、元件可焊性、组装操作、焊剂选择、温度/时间的控制、焊料及晶体结构等。

  1 焊料

  目前,波峰焊接最常用的焊料是共晶锡铅合金:锡63%;铅37%,应时刻掌握焊锡锅中的焊料温度,其温度应高于合金液体温度183℃,并使温度均匀。过去,250℃的焊锡锅温度被视为“标准”。
  随着焊剂技术的革新,整个焊锡锅中的焊料温度的均匀性得到了控制,并增设了预热器,发展趋势是使用温度较低的焊锡锅。在230—240℃的范围内设置焊锡锅温度是很普遍的。 通常,组件没有均匀的热质量,要保证所有的焊点达到足够的温度,以便形成合格的焊点是必要的。重要的问题是要提供足够的热量,提高所有引线和焊盘的温度,从而确保焊料的流动性,湿润焊点的两面。焊料的温度较低就会降低对元件和基板的热冲击,有助于减少浮渣的形成,在较低的强度下,进行焊剂涂覆操作和焊剂化合物的共同作用下,可使波峰出口具有足够的焊剂,这样就可减少毛刺和焊球的产生。
  焊锡锅中的焊料成份与时间有密切关系,即随着时间而变化,这样就导致了浮渣的形成,这就是要从焊接的组件上去除残余物和其它金属杂质的原因及在焊接工艺中锡损耗的原因。以上这些因素可降低焊料的流动性。在采购中,要规定的金属微量浮渣和焊料的锡含量的最高极限,在各个标准中,(如象IPC/J-STD-006都有明确的规定)。在焊接过程中,对焊料纯度的要求在ANSI/J-STD-001B标准中也有规定。除了对浮渣的限制外,对63%锡;37%铅合金中规定锡含量最低不得低于61.5%。 波峰焊接组件上的金和有机泳层铜浓度聚集比过去更快。这种聚集,加上明显的锡损耗,可使焊料丧失流动性,并产生焊接问题。外表粗糙、呈颗粒状的焊点常常是由于焊料中的浮渣所致。由于焊锡锅中的集聚的浮渣或组件自身固有的残余物暗淡、粗糙的粒状焊点也可能是锡含量低的征兆,不是局部的特种焊点,就是锡锅中锡损耗的结果。这种外观也可能是在凝固过程中,由于振动或冲击所造成的。
  焊点的外观就能直接体现出工艺问题或材料问题。为保持焊料“满锅”状态和按照工艺控制方案对检查焊锡锅分析是很重要的。由于焊锡锅中有浮渣而“倒掉”焊锡锅中的焊剂,通常来说是不必要的,由于在常规的应用中要求往锡锅中添加焊料,使锡锅中的焊料始终是满的。在损耗锡的情况下,添加纯锡有助于保持所需的浓度。为了监控锡锅中的化合物,应进行常规分析。如果添加了锡,就应采样分析,以确保焊料成份比例正确。 浮渣过多又是一个令人棘手的问题。毫无疑问,焊锡锅中始终有浮渣存在,在大气中进行焊接时尤其是这样。使用“芯片波峰”这对焊接高密度组件很有帮助,由于暴露于大气的焊料表面太大,而使焊料氧化,所以会产生更多的浮渣。焊锡锅中焊料表面有了浮渣层的覆盖,氧化速度就放慢了。
  在焊接中,由于锡锅中波峰的湍流和流动而会产生更多的浮渣。 推荐使用的常规方法是将浮渣撇去,要是经常进行撇削的话,就会产生更多的浮渣,而且耗用的焊料更多。浮渣还可能夹杂于波峰中,导致波峰的不稳定或湍流,因此要求对焊锡锅中的液体成份给予更多的维护。如果允许减少锡锅中焊料量的话,焊料表面的浮渣会进入泵中,这种现象很可能发生。有时,颗粒状焊点会夹杂浮渣。最初发现的浮渣,可能是由粗糙波峰所致,而且有可能堵塞泵。锡锅上应配备可调节的低容量焊料传感器和报警装置。

  2 波峰

  在波峰焊接工艺中,波峰是核心。可将预热的、涂有焊剂、无污物的金属通过传送带送到焊接工作站,接触具有一定温度的焊料,而后加热,这样焊剂就会产生化学反应,焊料合金通过波峰动力形成互连,这是最关键的一步。目前,常用的对称波峰被称为主波峰,设定泵速度、波峰高度、浸润深度、传送角度及传送速度,为达到良好的焊接特性提供全方位的条件。应该对数据进行适当的调整,在离开波峰的后面(出口端)就应使焊料运行降速,并慢慢地停止运行。PCB随着波峰运行最终要将焊料推至出口。在最挂的情况下,焊料的表面张力和最佳化的板的波峰运行,在组件和出口端的波峰之间可实现零相对运动。这一脱壳区域就是实现了去除板上的焊料。应提供充分的倾角,不产生桥接、毛刺、拉丝和焊球等缺陷。有时,波峰出口需具有热风流,以确保排除可能形成的桥接。在板的底部装上表面贴装元件后,有时,补偿焊剂或在后面形成的“苛刻的波峰”区域的气泡,而进行的波峰整平之前,使用湍流芯片波峰。湍流波峰的高竖直速度有助于保证焊料与引线或焊盘的接触。在整平的层流波峰后面的振动部分也可用来消除气泡,保证焊料实现满意的接触组件。 焊接工作站基本上应做到:高纯度焊料(按标准)、波峰温度(230~250℃)、接触波峰的总时间(3~5秒钟)、印制板浸入波峰中的深度(50~80%),实现平行的传送轨道和在波峰与轨道平行状态下锡锅中焊剂含量。

  3 波峰焊接后的冷却

  通常在波峰焊机的尾部增设冷却工作站。为的是限制铜锡金属间化合物形成焊点的趋势,另一个原因是加速组件的冷却,在焊料没有完全固化时,避免板子移位。快速冷却组件,以限制敏感元件暴露于高温下。然而,应考虑到侵蚀性冷却系统对元件和焊点的热冲击的危害性。 一个控制良好的“柔和稳定的”、强制气体冷却系统应不会损坏多数组件。使用这个系统的原因有两个:能够快速处理板,而不用手夹持,并且可保证组件温度比清洗溶液的温度低。人们所关心的是后一个原因,其可能是造成某些焊剂残渣起泡的原因。另一种现象是有时会出现与某些焊剂浮渣产生反应的现象,这样,使得残余物“清洗不掉”。 在保证焊接工作站设置的数据满足所有的机器、所有的设计、采用的所有材料及工艺材料条件和要求方面没有哪个定式能够达到这些要求。必须了解整个工艺过程中的每一步操作。


  4 结论

  总之,要获得最佳的焊接质量,满足用户的需求,必须控制焊接前、焊接中的每一工艺步骤,因为SMT的整个组装工艺的每一步骤都互相关联、互相作用,任一步有问题都会影内到整体的可靠性和质量。焊接操作也是如此,所以应严格控制所有的参数、时间/温度、焊料量、焊剂成分及传送速度等等。对焊接中产生的缺陷,应及早查明起因,进行分析,采取相应的措施,将影响质量的各种缺陷消灭在萌芽状态之中。这样,才能保证生产出的产品都符合技术规范。

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