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。

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(biāo)準(zhǔn)”。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(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。

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(biāo)準(zhǔn))、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。

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。

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(yán)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。