波峰焊接技术(三)
发布时间:2011-05-20 10:06 阅读次数: 分类:论文集
3. 选择性波峰焊
一般情况下，选择性波峰焊接在线路板装配完其它元器件以后进行，如图3.1所示，这是因为大多数需要采用选择性波峰焊接的元器件都无法承受表面安装器件在回焊炉里进行大批量焊接时所经受的高温。
选择性波峰焊接的最大优点在于它的适用性比较强，能够很好地焊接各种元器件、引脚以及处于不同位置的焊点，例如它可以焊接线路板底面的表面安装器件，也可以翻转线路板在板子的两面进行焊接，不论是大面积针栅阵列(PGA)封装还是带有较大散热器的元器件，它都能轻松焊接。由于选择性焊接是一种由机器控制的工艺，重复性较好，可以得到非常一致的焊接效果。 图3.1 选择性波峰焊
通孔元件和混合型线路板还将继续使用，选择性焊接技术的作用也将愈来愈大。还有很多种元器件没有表面安装封装形式，例如：很重的元件、连接器、周围的连接片以及屏蔽罩连接端片等，大多数这类器件都必须要承受一定的机械负荷力，再加上外形等因素，所以都不会改成表面安装形式。
3.1 设备的类型
3.1.1简单系统
简单的选择性波峰焊接设备如图3.2a所示，利用锡槽和一种泵压结构，使融熔焊料向上喷出，通过特殊的喷嘴形成一定的流量和形状，喷出的焊料再接触到线路板的底部和要进行焊接的元器件。这种小型设备配备标准喷嘴，每次只喷出少量焊锡，夹具调整范围为5×15～30×46 cm。在有些场合，一些大线路板如背板可能有两三个不同的区域，这时可用带多个喷头和工具的系统进行同时加工。
选择性焊接技术的基本工艺比较简单，只需要将焊料加热到高于熔点，一旦达到了所要求的温度，就可利用离心泵系统将焊料压送到输送管道及后面的喷嘴中。
3.1.2大型复杂系统
复杂选择性焊接设备则是一种全自动化系统，如图3.2b所示，每台设备装有许多微小的喷嘴，可一次同时完成多个元件或线路板的焊接，并且可以和全自动生产线整合在一起。
(a) 简单系统 (b) 复杂系统
图3.2 选择性波峰焊喷嘴
大型设备都带有边沿传动带传输系统和一个移动的牵引装置，使传送系统每次移动一定的距离而将线路板停放在预定的位置。这类系统可减少传送时间，速度较快，提供准确的位置以进行助焊剂涂敷、预热及选择性焊接。选择性焊接设备所使用的助焊剂和焊接材料与普通波峰焊系统所使用的相同，同时它也可以配备喷雾式助焊剂涂敷装置。
3.2 焊接工艺控制
3.2.1 焊接原理
1) 热传导。 选择性波峰焊焊接原理如图3.3所示。
图3.3 选择性波峰焊焊接原理
选择性波峰焊接的巧妙之处在于它能够将微量焊料送到线路板下面而浸润某一个引脚，实现理想的热传导过程，热量可通过通孔和引脚很快传播。如果线路板已经经过了预热，则当融熔的焊锡波峰接触到PCB底部时，被焊元件和焊接表面温度迅速升高，并超过焊料熔化温度达到浸润要求，只需很短的停留时间就可以形成焊点。
2) 毛细作用。 焊料的运动实际上是由于毛细作用被带上来的并且会填满整个孔，形成一个几乎完美的通孔焊接，而不是因为焊料受到泵压才穿过通孔。选择性焊接所能提供的热量是手工焊无法达到的，对于带有大型散热器的元件，选择性焊接也可以很容易地将其焊上。选择性焊接的供热能力还可以克服线路板的散热作用，在线路板还未来得及将热量传走而使焊接难于施行时，它就已经完成了整个焊接过程。
3.2.2设备的控制参数
选择性焊接技术的可控性非常好，它能根据不同元器件或者不同的运行条件进行优化，这种设备能够调整的控制参数包括：焊锡温度、波峰位置。微波峰的数目、焊锡流动方向、波峰高度（和流速有关）、焊锡实际浸润时间、氮气。
3.2.3返修工作
不论从速度还是从性能方面考虑，选择性焊接系统都很适合于进行批量返工，或者用于大型元件如PGA器件的返修。与热风修复台相比，选择性焊接也要快得多，这是因为选择性焊接热传递更快。快速热传递可以加快焊接过程，减少焊接杂质的产生和金属间化合物的形成。
4. 无铅波峰焊
图4.1为传统波峰焊工艺转变无铅的参数变化，除了传输速度减小外，其它参数均大于或相似于传统工艺。
图4.1 有铅和无铅波峰焊工艺的参数变化
4.1 焊剂除覆系统
对于无铅波峰焊来说，由于无铅焊料的润湿性比SnPb焊料要差，为了保证良好的焊接质量，对助焊剂的选择和涂敷的要求更高。一般无铅波峰焊采用免清洗助焊剂，其溶剂包括水、甲醇、乙醇、异丙醇和丁醇固体含量低于5％，一般为2％左右。醇基焊剂的挥发对环境不利，无VOC水基免清洗焊剂一般具有较低的活性，而且残留物活性在很大程度上依赖于过程操作，这就需要波峰焊在助焊剂喷雾上要求均匀涂敷,而且涂敷的助焊剂的量要求适中。
发泡式涂覆方式缺乏过程控制、溶剂蒸发严重，比重很难控制，易造成非均匀形核，常需要标定焊剂比重（多为0.808～0.815μg/cm3）及更换焊剂。喷雾法能得到平稳的焊剂分布，传统喷雾方式基于空气压力调整，喷嘴直径0.6～1.0 mm，为了降低喷涂量而使用细喷嘴容易发生堵塞。附带超声装置的喷嘴自带有雾化作用，喷嘴直径一般在2.54 mm左右，不易堵塞。
4.2 预热系统
无铅波峰焊预热区温度爬升斜率一般小于2 ℃/秒，温度由110～130℃升高为120～160 ℃，预热区长度由1.2 m增加至1.5 m或1.8 m，用以满足预热温度比波峰温度低100℃的基本原则，如果PCB在高的预热温度下易发生变形，则采用较低预热温度，为了保证充足的预热就需较长的预热区，PCB上表面最高预热温度有铅工艺一般为110 ℃，无铅工艺一般为130 ℃，对多层板预热不足时，有必要安装顶部预热单元。
4.3 焊接系统
4.3.1双波峰
无铅波峰焊工艺中，焊炉温度升高到255～265 ℃，温度控制精度小于±2 ℃，波峰与预热区之间温度差不大于100 ℃，两波峰之间温度跌落不超过50 ℃，高可靠产品不超过30 ℃。为了满足以上工艺要求，波峰与预热区之间安装热补偿设备，两波峰喷嘴距离缩减到70 mm或60 mm，两波峰之间距离缩减到30mm。此外，无铅工艺中还要求扰动波接触时间为0.8 s，平波接触时间为3.5～4 s，最小也不得低于3 s，相比传统0.5 s和2.6 s而言，焊接时间延长。
无铅钎料氧化严重，波峰喷嘴需进行防氧化和氧化渣分流设计，全新的锡渣分离设计，使氧化渣自动聚积流向边缘，流动波峰部位无飘浮的氧化锡渣，通过逐步优化喷嘴，使实际钎料波接近于最佳流动特性，从而使锡球出现率降低最低程度，使用氮气时效果更明显。
4.3.2波峰高度
波峰高度对焊接质量有很大影响，波峰焊时，通孔组件插装孔内上锡不足，高度达不到75％板厚要求，形成原因除焊盘孔径设计、焊剂选择和部分工艺参数设计外，还与过低的波峰高度有关，但波峰高度过高容易在PCB上板面形成锡球。以1.6 mm厚PCB为例，第一波峰高度应高于PCB底面0.8～1.6 mm，最佳为1.5 mm，第二波峰高度应高于PCB地面0.1～0.8 mm，最佳为0.5 mm。
4.3.3钎料槽
无铅钎料很容易导致不锈钢材料的钎料槽腐蚀，一般连续工作三个月就会发生漏锅现象。波峰焊设备中与无铅钎料接触的地方，必须采用适当的抗腐蚀材料，钎料槽里面的叶轮、输送管和喷嘴用材料多为钛和钛合金和表面渗氮不锈钢，钎料槽用材料多为钛及钛合金，铸铁和表面渗氮不锈钢。
4.3.4锡炉温度
焊接温度并不等于锡炉温度，在线测试表明，一般焊接温度要比锡炉温度低5℃左右。实验研究表明，对于一般的无铅焊料合金，最适当的锡炉温度为271℃。此时，Sn/Ag、Sn/Cu、Sn/Ag/Cu合金一般存在最小的湿润时间和最大的湿润力。当采用不同的助焊剂时，无铅焊料润湿性能最佳的锡炉温度有所不同，但差别不是很大。对于采用低固免清洗助焊剂的波峰焊接过程，ALPHA公司推荐的锡炉温度如表4.1所示。
表4.1 ALPHA公司推荐的锡炉温度
所用无铅焊料 锡炉温度
Sn99.3-Cu0.7 (Sn-Cu) 530º F / 276 ℃
Sn96.5-Ag3.0-Cu0.5 (SAC305) 520º F / 270 ℃
Sn95.5-Ag4.0-Cu0.5 (SAC405) 530º F / 276 ℃
Sn96.5-Ag3.5 (Sn-Ag) 530º F / 276 ℃
Sn63-Pb37 (Sn-Pb) 500º F / 260 ℃
4.4. 冷却系统
在无铅焊接工艺过程中，通孔PCB板波峰焊接时常常会发生剥离缺陷（Lift-off或Fillet lifting），产生的原因在于冷却过程中，焊料合金的冷却速率与PCB的冷却速率不同所致。特别是无铅化推广前期，无铅焊料与镀有Sn-Pb合金的元器件会有一段时间共存，如果采用的是含合金元素Bi无铅焊料此种现象更为突出，目前解决的最好方法是在波峰焊出口处加冷却系统，至于冷却方式及冷却速率的要求须根据具体情况而定，因为冷却速率超过6 ℃/s，设备冷却系统要采用冷源方式，大多数采用冷水机或冷风机。
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