SMT焊接工藝-波峰焊

來源:SMT     時間:2020/08/19


1、波峰焊接的歷史

波峰焊已經存在了幾十年,并且作為焊接元件的主要方法在PCB的利用增長中起到了重要作用。將電子產品變得更小,功能更多,PCB(這些設備的核心)使這成為可能,這是一個巨大的推動力。這種趨勢也催生了新的焊接工藝作為波峰焊的替代品。

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波峰焊前:PCB組裝歷史


焊接作為連接金屬部件的過程被認為是在錫的發現后不久出現的,錫仍然是當今焊料的主要元素。另一方面,第一塊PCB出現在20世紀。德國發明家艾伯特漢森提出了一個多層平面的想法; 包括絕緣層和箔導體。他還描述了在器件中使用孔,這與今天用于通孔元件安裝的方法基本相同。


在第二次世界大戰期間,隨著各國尋求提高通信和準確性或精確度,電氣和電子設備的發展起飛。 現代PCB的發明者保羅·艾斯勒(Paul Eisler)于1936年開發了一種將銅箔連接到玻璃絕緣基底的工藝。他后來演示了如何在他的設備上組裝無線電。盡管他的電路板使用布線來連接元件,這是一個緩慢的過程,但當時并不需要大規模生產PCB的大規模生產。



2、雙波峰焊機的工作原理


雙波峰焊機是為適應插裝元件與表面貼裝元件混合安裝特點而在單波峰焊機基礎上發展起來的,此發明以來,其結構就基本固定為“紊流波+平滑波”的形式,如圖所示。


1) 紋流波


主要功能是產生一個向上沖擊的紊流波,將因“遮蔽效應”(如圖所示),而形成的氣泡趕走,使錫波能夠緊密地與焊盤接觸從而減少漏焊現象的發生。向上沖擊的紊流波也有利于安裝孔的良好填錫。


2) 平滑波


正如其名,其主要功能產生一個無波峰與波谷的平滑錫波,用于焊縫形態是修正。平滑波的結構與寬度對波峰焊接質量的影響很大,一定程度上決定了波峰焊接的直通率,也是不同品牌波峰焊機的價值所在。


(1)平滑波工藝分析


平滑波可分為三個工藝區域:PCB進入區(A點前)、傳熱區(A-B間的區域)和PCB離開區(B點后),如圖所示。


3、工藝控制


1)焊劑噴涂


用雙面膠紙把一張白紙粘貼在PCB上,進行焊劑涂覆,檢查焊劑噴涂是否均勻,是否漏噴,焊劑是否入孔,特別是OSP孔。


漏噴常常是引起橋連、拉尖的常見原因。


2)預熱


預熱有如下幾個目的:


(1)使大部分焊劑揮發,避免焊接時引起飛濺、造成錫波溫度下降(因為焊劑揮發需要吸熱)。


(2)獲得適當的黏度。黏度太低,焊劑容易過早地被錫波帶走,會使潤濕變差;


(3)獲得適當的溫度。減少PCBA進入焊錫波時的熱沖擊和板變形;


(4)促進焊劑活化。


4、合適預熱結果的評判


(1)對有鉛焊接而言,焊接面約110℃。對于給定的PCBA,可以通過測量元件面溫度判斷;也可以用手摸,發粘即可,太干容易引起焊接問題。


(2)OSP板,預熱溫度需要適當提高,如130℃。


(3)ENIG板,要視使用單波還是雙波確定。雙波需要較高的預熱溫度,單波則需要較低的預熱溫度,以避免焊盤邊緣反潤濕。


5、焊接


(1)紊流波向上應具有一定的沖擊力,形成無規則的谷與峰;


(2)平滑波錫波面必須平整,波高以實現無缺陷焊接為調整目標。


不同的波形要求不同,如某品牌波峰焊機,波比較低時,橋連、拉尖就比較多( 受熱不足);波比較高時,焊點的飽滿性會變差(快速下拉)。這些都基于其窄的弧形波特性。


拉尖,通常是因為焊錫還沒有拉下,其上部已經凝固所致。之所以凝固,是因為引線散熱比較快或引線比較長,為了避免拉尖,有時需要平滑波壓的深些以提高引線的熱容量,也可以通過降低傳送速度來實現(高速傳送前提下)。


波高的調節一定要配合傳送速度進行調節,單純的調節波高往往難以實現目標。


傳送速度:影響焊點的受熱和分離速度。一般不可單獨調節,需要根據波形、所焊PCBA進行調節。


6、常見焊接不良與對策


1、橋連


1) 橋連的類別


影響橋連的因素很多,設計、焊劑活性、焊料成分、工藝等,需多方面持續改進。


根據所產生的原因,橋連可以大致分成兩類:焊劑不足型和垂直布局型。


(1)焊劑不足型。


特征是多引線連錫、焊盤、引線頭(最容易氧化)無潤濕或局部潤濕,如圖所示。


(2)垂直布局型。


特征是焊點飽滿、引線頭包錫、連錫懸空,如圖所示。這是常見的橋連類型,正如其分類名稱那樣,它主要與引線構成的錫墻厚度有關—— 引線直徑、長度與間距。


當然,也與PCB上元件布局、焊劑的活性、錫波高度、預熱溫度和鏈速等有關,影響因素比較多、復雜,難以100%解決。一般多發生在引線間距比較?。ā?mm)、伸出比較長(≥1.5mm)、比較粗的連接器類元件,如歐式插座。


2)改進措施:


(1)設計


a)最有效的措施就是采用短引線設計。2.5mm間距的引線,長度控制在1.2mm以內;2mm間距的引線,長度控制在0.5mm以內。最簡單的經驗就是“1/3原則”,即引線伸出長度應取其間距的1/3。只要做到這點,橋連現象基本可以消除。


b)連接器等元件。盡可能將元件的長度方向平行于傳送方向布局并設計盜錫工藝焊盤,以提供連續載波能力。


c) 使用小焊盤設計,因為金屬化孔的PCB焊點的強度基本不靠焊盤的大小。對減少橋連缺陷而言焊盤環寬越小越好,只要滿足PCB制造需要的最小環寬即可。


(2) 工藝


a)使用窄的平波波峰焊機進行焊接。


b)使用合適的傳送速度(以引線能夠連續脫離為宜)。鏈速快或慢,都不利于橋連現象的減少。這是因為(傳統的解釋)鏈速快,打開橋連的時間不夠或受熱不足;鏈速慢,有可能導致引線靠近封裝端溫度下降。但實際情況遠比這復雜,有時,熱容量大、長的引線,宜快,反之,宜慢(大熱容量與小熱容量引線在傳送速度方面的要求總是相反的)。因此,實踐中要多試。


鏈速快慢判別標準視焊接對象、所用設備而定,是一個動態的概念!一般以


0.8~1.2m/min分界點。


c)預熱溫度要合適,應使焊劑達到一定的黏度。黏度太低容易被焊錫波沖走,會使潤濕變差。過度預熱會使松香氧化并發生聚合反應,減緩潤濕過程。這都會增加橋連的概率。


d)對非焊劑原因產生的橋連,可以通過降低波高的方法進行消除(以波剛接觸最長引線尖端為目標,這是TAMULA的建議)。


漏焊(Skip、Dry)及虛焊


漏焊,主要涉及片式元件,與元件高度和布局方向以及元件封裝和焊盤外伸長度有關。原因是元件的“遮蔽效應”和焊劑的“氣囊隔絕”,有時也與焊劑涂覆、焊盤/引線氧化有關。


虛焊多與焊盤或焊端氧化、熱量不足、引線長過波峰時擾動有關。改進措施:


(1)優化元件布局和焊盤設計,如圖所示。


(2)對裝有SMD的波焊面一定要打開紊流波。圖示雖然非漏焊現象,但形成原因同漏焊。


(3)充分預熱或減少焊劑量(前提是使用了高焊劑量),消除“氣囊隔絕”效應


的影響。


(4)還要注意擋條和托架的設計不要影響元件的受熱與受錫空間。

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