電子組件的波峰焊接工藝1
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)的各個廠家圍繞SMT的 焊接工藝展開了激烈的競爭，旨在進一步提高焊接質(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可行的、有生命力的波 峰焊接工藝需持時日。因為這種工藝必須達到快速、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、元件可焊性、組裝操作、焊劑選擇、溫度/時間的控制、焊料及晶體結(jié)構(gòu)等。 1 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“標準”。隨著焊劑技術(shù)的革新，整個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,要保證所有的焊點達到足夠的溫度，以便形成合格的焊點 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 料的流動性，濕潤焊點的兩面。焊料的溫度較低就會降低對元件和基板的熱沖擊，有助 于減少浮渣的形成，在較低的強度下，進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間有密切關(guān)系，即隨著時間而變化，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，在各個標準中，(如象IPC/J-STD- 006都有明確的規(guī)定)。在焊接過程中，對焊料純度的要求在ANSI/J-STD- 001B標準中也有規(guī)定。除了對浮渣的限制外，對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 ，可使焊料喪失流動性，并產(chǎn)生焊接問題。外表粗糙、呈顆粒狀的焊點常常是由于焊料 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 焊點也可能是錫含量低的征兆，不是局部的特種焊點，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，由于振動或沖擊所造成的。 焊點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 進行焊接時尤其是這樣。使用“芯片波峰”這對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而會產(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)常進行撇削的話，就會產(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 對焊錫鍋中的液體成份給予更多的維護。如果允許減少錫鍋中焊料量的話，焊料表面的 浮渣會進入泵中，這種現(xiàn)象很可能發(fā)生。有時，顆粒狀焊點會夾雜浮渣。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 感器和報警裝置。 2 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，這樣焊劑就會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，焊 料合金通過波峰動力形成互連，這是最關(guān)鍵的一步。目前，常用的對稱波峰被稱為主波 峰，設(shè)定泵速度、波峰高度、浸潤深度、傳送角度及傳送速度，為達到良好的焊接特性 提供全方位的條件。應(yīng)該對數(shù)據(jù)進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在離開波峰的后面(出口端)就應(yīng)使焊 料運行降速，并慢慢地停止運行。PCB隨著波峰運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行，在組件和出口端的波峰之間可實現(xiàn)零 相對運動。這一脫殼區(qū)域就是實現(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，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，補償焊劑或在后面形成的“苛刻的波峰”區(qū)域的氣泡，而進行的波峰整 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部分也可用來消除氣泡，保證焊料實現(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(按標準)、波峰溫度(230～250℃)、接觸波峰的 總時間(3～5秒鐘)、印制板浸入波峰中的深度(50～80％)，實現(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。 3 波峰焊接后的冷卻 通常在波峰焊機的尾部增設(shè)冷卻工作站。為的是限制銅錫金屬間化合物形成焊點的趨勢 ，另一個原因是加速組件的冷卻，在焊料沒有完全固化時，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)對元件和焊點的熱 沖擊的危害性。 一個控制良好的“柔和穩(wěn)定的”、強制氣體冷卻系統(tǒng)應(yīng)不會損壞多數(shù)組件。使用這個系 統(tǒng)的原因有兩個：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)心的是后一個原因，其可能是造成某些焊劑殘渣起泡的原因。另一種 現(xiàn)象是有時會出現(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)滿足所有的機器、所有的設(shè)計、采用的所有材料及工藝材 料條件和要求方面沒有哪個定式能夠達到這些要求。必須了解整個工藝過程中的每一步 操作。 4 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，因為SMT的整個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)嚴格控制所有的參數(shù)、時間/溫度 、焊料量、焊劑成分及傳送速度等等。對焊接中產(chǎn)生的缺陷，應(yīng)及早查明起因，進行分 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。 線路板裝配中的無鉛工藝應(yīng)用原則 過去5年間，電子裝配業(yè)一直在測試各種合金，希望能找到幾種無鉛方案替代常規(guī)63Sn/ 37Pb共晶系統(tǒng)。有很多方案雖然從技術(shù)的角度來看是可行的，但卻沒考慮成本、供貨性 和工藝性等其它方面的因素。本文旨在為業(yè)界提供一個實際可行的無鉛工藝選用原則， 內(nèi)容包括工藝要求、根據(jù)要求得出的結(jié)論以及在實際條件下的試用情況等，今后如需對 其他更為復(fù)雜的系統(tǒng)進行判斷比較，這里提供的方法也可作為評估參考。 電子裝配對無鉛焊料的基本要求 無鉛焊接裝配的基本工藝包括： a. 無鉛PCB制造工藝； b. 在焊錫膏中應(yīng)用的96.5Sn/3.5Ag和95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu共晶和近似共晶合金系統(tǒng)； c. 用于波峰焊應(yīng)用的99.3Sn/0.7Cu共晶合金系統(tǒng)； d. 用于手工焊接的99.3Sn/0.7Cu合金系統(tǒng)。盡管這些都是可行工藝，但具體實施起來還存 在幾個大問題，如原料成本仍然高于標準Sn/Pb工藝、對濕潤度的限制有所增加、要求在 波峰焊工藝中保持惰性空氣狀態(tài)(要有足量氮氣)以及可能將回流焊溫度升到極限溫度范 圍(235～245℃之間)而提高了對各種元件的熱性要求等等。 就無鉛替代物而言，現(xiàn)在并沒有一套獲得普遍認可的規(guī)范，經(jīng)過與該領(lǐng)域眾多專業(yè)人士 的多次討論，我們得出下面一些技術(shù)和應(yīng)用要求： 金屬價格 許多裝配廠商都要求無鉛合金的價格不能高于63Sn/37Pb，但不幸的是現(xiàn)有的所有無鉛替 代物成本都比63Sn/37Pb高出至少35%以上。在選擇無鉛焊條和焊錫絲時，金屬成本是其 中最重要的因素；而在制作焊錫膏時，由于技術(shù)成本在總體制造成本中所占比例相對較 高，所以對金屬的價格還不那么敏感。 熔點 大多數(shù)裝配廠家(不是所有)都要求固相溫度最小為150℃，以便滿足電子設(shè)備的工作溫度 要求,最高液相溫度則視具體應(yīng)用而定。 波峰焊用焊條：為了成功實施波峰焊，液相溫度應(yīng)低于爐溫260℃。 手工/機器焊接用焊錫絲：液相溫度應(yīng)低于烙鐵頭工作溫度345℃。 焊錫膏：液相溫度應(yīng)低于回流焊溫度250℃。對現(xiàn)有許多回流焊爐而言，該溫度是實用溫 度的極限值。許多工程師要求最高回流焊溫度應(yīng)低于225～230℃，然而現(xiàn)在沒有一種可行 的方案來滿足這種要求。人們普遍認為合金回流焊溫度越接近220℃效果越好，能避免出 現(xiàn)較高回流焊溫度是最理想不過的，因為這樣能使元件的受損程度降到最低，最大限度 減小對特殊元件的要求，同時還能將電路板變色和發(fā)生翹曲的程度降到最低，并避免焊 盤和導(dǎo)線過度氧化。 導(dǎo)電性好 這是電子連接的基本要求。 導(dǎo)熱性好 為了能散發(fā)熱能，合金必須具備快速傳熱能力。 較小固液共存溫度范圍 非共晶合金會在介于液相溫度和固相溫度之間的某一溫度范圍內(nèi)凝固，大多數(shù)冶金專家 建議將此溫度范圍控制在10℃以內(nèi)，以便形成良好的焊點，減少缺陷。如果合金凝固溫度 范圍較寬，則有可能會發(fā)生焊點開裂，使設(shè)備過早損壞。 低毒性 合金及其成分必須無毒，所以此項要求將鎘、鉈和汞排除在考慮范圍之外；有些人也要 求不能采用有毒物質(zhì)所提煉的副產(chǎn)品，因而又將鉍排除在外，因為鉍主要來源于鉛提煉 的副產(chǎn)品。 具有良好的可焊性 在現(xiàn)有設(shè)備和免清洗型助焊劑條件下該合金應(yīng)具備充分的潤濕度，能夠與常規(guī)免清洗焊 劑一起使用。由于對波峰進行惰性處理的成本不太高，因此可以接受波峰焊加惰性環(huán)境 的使用條件要求；但就SMT回流焊而言，合金最好要具備在空氣下進行回流焊的能力，因 為對回流焊爐進行惰性處理成本較高。 良好的物理特性(強度、拉伸度、疲勞度等) 合金必須能夠提供63Sn/37Pb所能達到的機械強度和可靠性，而且不會在通孔器件上出現(xiàn) 突起的角焊縫(特別是對固液共存溫度范圍較大的合金)。 生產(chǎn)可重復(fù)性/熔點一致性 電子裝配工藝是一種大批量制造工藝，要求其重復(fù)性和一致性都保持較高的水平，如果 某些合金的成分不能在大批量條件下重復(fù)制造，或者其熔點在批量生產(chǎn)時由于成分變化 而發(fā)生較大變化，便不能給予考慮。3種以上成分構(gòu)成的合金往往會發(fā)生分離或成分變化 ，使得熔點不能保持穩(wěn)定，合金的復(fù)雜程度越高，其發(fā)生變化的可能性就越大。 焊點外觀 焊點的外觀應(yīng)與錫/鉛焊料接近，雖然這并非技術(shù)性要求，但卻是接受和實施替代方案的 實際需要。 供貨能力 當(dāng)試圖為業(yè)界找出某種解決方案時，一定要考慮材料是否有充足的供貨能力。從技術(shù)的 角度而言，銦是一種相當(dāng)特別的材料，但是如果考慮全球范圍內(nèi)銦的供貨能力，人們很 快就會將它徹底排除在考慮范圍之外。 另外業(yè)界可能更青睞標準合金系統(tǒng)而不愿選專用系統(tǒng)，標準合金的獲取渠道比較寬，這 樣價格會比較有競爭性，而專用合金的供應(yīng)渠道則可能受到限制，因此材料價格會大幅 提高。 與鉛的兼容性 由于短期之內(nèi)不會立刻全面轉(zhuǎn)型為無鉛系統(tǒng)，所以鉛可能仍會用在某些元件的端子或印 刷電路板焊盤上。有些含鉛合金熔點非常低，會降低連接的強度，如某種鉍/錫/鉛合金 的熔點只有96℃，使得焊接強度大為降低。 金屬及合金選擇 在各種候選無鉛合金中，錫(Sn)都被用作基底金屬，因為它成本很低，貨源充足，并具 備理想的物理特性，如導(dǎo)電/導(dǎo)熱性和潤濕性，同時它也是63Sn/37Pb合金的基底金屬。 通常與錫配合使用的其它金屬包括銀(Ag)、銦(In)、鋅(Zn)、銻(Sb)、銅(Cu)以及鉍(B i)。 p> 之所以選擇這些材料是因為它們與錫組成合金時一般會降低熔點，得到理想的機械、電 氣和熱性能。表1列出了各種金屬的成本、密度、年生產(chǎn)能...
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