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1、影響波峰焊質量分析 摘要：本文分析了波峰焊各技術參數對焊接質量的影響，并簡介焊接質量的控制及焊料保護措施。波峰焊接技術的普及和應用，對電子產品裝聯工藝技術進步的影響有劃時代的意義，它實現了軟釬接的自動化，大幅度地提高了生效率，而且對產品質量狀況的改善也是極為明顯的。在廣泛使用波峰焊接技術的情況下，采取一些切實可行的質量控制措施，確保軍用設備的高可靠性，成為波峰焊工藝生產中一項任務。進行波峰焊接的印刷板上必須涂阻焊劑，留下需要焊接的部分，這樣有利于焊接。這是由于在涂印阻焊劑后，有阻焊劑地方表面張力加大，而減少了焊盤的表面張力。影響焊接質量的還有與元器件引線相匹配的的孔。如孔徑大了，就會產生空洞現
2、象。而孔徑小了，造成插元件困難，影響裝配速度。一般孔徑比元器件引線要大 20-30u 為最好。焊盤與焊盤之間要盡量保持一段距離，位置安排適才有助于焊接。焊盤的大小也是個影響因素，太大或太小都會產生質量問題，另外，引線伸出焊盤的長短也要保持適中，引線過長，上錫量少，引線過短，易引起虛焊，一般取2-3mm。我們取 3mm。預熱是波峰焊機不可缺少的一部分，掌握預熱溫度可減少或避免焊點拉尖和圓缺，預熱溫度控制在 70-900C。這個溫度是指印制板焊接面通過預熱器所測得的溫度，也正好是焊劑的活化溫度，其助焊作用最佳。如果預熱溫度超過 900C，則泡沫助焊劑就會干枯而失去流動性，增加釬料和基體金屬的表面張
3、力，將引起橋接，焊料堆積，板面上有飛濺的小錫粒等焊接質量問題。預熱溫度不足，涂布在印制板上的焊液不能全部汽化掉，這樣在浸焊時，一旦接觸到高溫焊錫立即汽化形成氣泡阻礙了焊料與底盤的結合，很容易形成蜂窩式的虛焊，預熱溫度不足，還會使涂布在印制板焊點上的焊劑不能全部活化，造成吃錫太少或根本吃不上錫，影響焊接質量。波峰焊槽的錫溫對焊接的質量影響也很大。錫溫若偏低，焊錫波峰的流動性就變差，表面張力大，易造成虛焊和拉尖等庇病，失去波峰焊接所應具有的優越性。若錫溫偏高，有可能造成元器件受高溫而變質損壞，同時錫溫偏高，亦會加速錫的表面氧化。夏季波峰焊波峰焊接工藝中，助焊劑是必不可少的輔料。良好的助焊劑應能清除
4、焊接物表面的氧化物，并能防止高溫下焊面的再氧化，對表面張力的平衡施加影響，減小接觸角，促進釬料漫流。合理涂布助焊劑對提高焊接質量非常有利，而助焊劑的濃度大小又直接影響到助焊劑的涂布。當助焊劑比重在時，泡沫發粘影響涂布的均勻性，預熱時也很難使其全部活化。這對于焊接效果來說，出現了明顯的不利影響，焊后殘留余物也太多，影響印制板的清潔。當焊劑濃度小，在印制板運行過程中易流失，而印制板實際得到助焊劑減少，大大削弱了助焊的作用。根據比較按助焊劑的比重來確定，一般是在其比重為 0.8g/cm3-0.83g/cm3 間選擇，夏季取 0.8g/cm3，冬季取 0.82 g/cm3。波峰高度波峰高度的升高和降低
5、直接影響到波峰的平穩程度及波峰表面焊錫的流動性。適當的波峰高度可以保證印制板有良好的壓錫深度，使焊點能充分與焊錫接觸。平穩的波峰可使整塊印制板在焊接時間內都能得到均勻的焊接。當波峰焊偏高時，表明泵內液態焊料的流速增大。雷諾數值增大將使液態流體進行湍流（紊流）狀態，導致波峰不易穩定，造成印制板漫錫，使元器件損壞。但對于波峰上的印制（PCB）的壓力增大，這有利于焊縫的填充。但易引起拉尖、橋接等缺陷。波偏低時，泵內液態釬料流體流速低并為層流態，因而波峰跳動小，平穩。焊錫的流動性變差了，容易產生吃錫量不夠，錫點不飽滿等缺陷。按照釬料波峰動力學的觀點分析，波峰的工作高度取 10mm 效果最佳。印制板的傳
6、送速度與夾送傾角釬焊時間往往可以用傳送速度表示出來。被焊表面浸入和退出熔化釬料波峰的速，對潤濕質量，釬料層的均勻性和厚度影響很大。焊料被吸收到印制板焊盤孔內，立即產生熱交換。當印制板離開波峰時，放出潛熱。焊料由液相變為固相。當焊料槽溫度在 2500C-2600C左右，焊區溫度就在 2450C 左右，焊接時間應在 3-5 秒左右。也就是說印制板某一引線腳與錫的接觸時間為 3-5 秒，但由于室內溫度的變化助焊劑的性能和錫的溫度不同，接觸時間就要有所不同，因此，行進速度要有所控制和調節。印制線路板沿著傾斜角度運動時 a 角越大越好，越能消除拉尖，通過試驗摸索到傳送裝置傾斜 6-70 是有助于把釬料更
7、快的剝離使之返回波峰。防氧化油的使用液態狀的高溫焊料很容易氧化，這不僅使錫的浪費量很大，還會影響焊接質量。最好的辦法是使用防氧化焊料。投如金屬氧化片。或在焊料槽內噴一層防氧化油來減緩焊料的氧化，減少橋接現象。質量好的防氧化油含有適量激活劑，它會提高助焊劑的功效。一般采用布油泵來控制防氧化油的用量，使印制板表面基本不粘染防氧化油。波峰焊接質量控制措施消除焊點拉尖焊點的拉尖是多余的焊料凝固在引線端部形成不規律的錐狀的錫體，這是焊點的多余部分，是焊的庇病之一。采取消除焊點拉尖的辦法是：控制錫鍋溫度在 2500C-2600C，不能讓錫溫波動很大。傳送速度快和慢都易造成拉尖，傳送速度應控制在以 2450
8、C為最合適的釬接時間為 3 秒左右。印制線路板與波峰夾角控制在 6-70，如果角度過大或過小都易造成焊點的拉尖。元器件引線不氧化，可焊性好也可減少焊點拉尖。減少焊點的虛錫元器件引線在焊接前全部進行搪錫，100符合搪錫質量要求。印制線路板設計與制造應符合工藝要求。泡沫助焊劑的配比及濃度按工藝規定，定期進行質量檢查。形成飽滿的焊點控制印制線路板的預熱溫度（70-900C）。注意錫鍋的恒溫精度，溫度梯變化不能太大。嚴格按工藝要求對助焊劑進行配比和測定是。印制線路板印刷阻焊劑。定期對焊料進行測定和化學分析。波峰焊接中焊料的保護焊料槽中各類物質匯集，是產生物理化學反應的地方。印制線路板上的銅箔、元器件的
9、引線，各種連接端子及其鍍層全浸入焊料槽中，助焊劑殘留物，氧化油不斷涌入焊料槽，在槽中溶解而造成污染。這此污染直接影響了焊接質量，是波峰焊的致命弱點。對釬料槽中的釬料污染物主要是銅，其次是鋅。除此外，還有各種合金組等。銅：銅和錫結合生成的化學物，使焊料的流動性變差，表面張力增大。鋅：如含量達 0.005，就會對焊點外觀、釬料流動性及潤濕性造成不良影響，嚴重時焊接失效，整槽焊料報廢。金：金和鉛錫結合生成金屬化合物會使焊點失去光澤、變脆。為了保證焊接質量，焊料要定期抽檢查，當超過表中含量時，整槽焊料必須更換。為了防止焊料的迅速污染，可采取適當降低焊接溫度，焊接時間，印制板采用阻焊膜等對策，焊料槽補料
10、時盡量做到選用純度高的焊料。焊接舉例在某型號印制板后期的焊接中，這臺波峰焊機（87 年引進6TF/330，電磁波、空心波、單波峰）焊接機焊接時發生了較多的連焊和拉尖現象，尤其拉尖最為嚴重，當時這類焊點超過了總焊的 5以上。我們仔細檢查了焊接工藝條件并沒有改變，印制板、元器件等原材料也沒有變，唯一可能是我們對波峰焊機經驗不足，了解不夠。針對這一情況，我們請教了專家，對波峰焊接機使用的工藝參數進行適當的檢查和調整。如預熱不足，調整了預熱時間，由原來的 5 秒調整到 10 秒，10 秒調整到 20 秒，清理了預熱板，同時也適當調整了預熱板與夾具間的距離。另一方面，助焊劑比重隨著環境溫度和焊板的多少不
11、斷變化，需要我們經常用密度計測量其比重，隨時添加助焊劑或稀釋劑，此法不光繁瑣，更重要的是人工方法很難掌握環境溫度變化和生產中動態因素的影響，不能精確控制其比重，也無法判斷其雜質的含量。針對此情況我們在波峰焊接機上加裝了（TC-K1 型）焊劑控制儀。它通過密度傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、壽命傳感器，對焊劑在生產過程中的使用參數及時測量，校正補償，自動供液調整，保證了焊接質量。我們使用的助焊劑是北京無線電廠生產的，其比重為 0.83g/cm3，夏天我們取 0.80g/cm3，冬天取 0.81g/cm3-0.82g/cm3。再者，焊料槽中錫的質量也直接影響其質量，印制板上的銅箔、元器件的引線、各
12、種連接端子及其鍍層侵入、助焊劑的殘留物及氧化物的不斷涌入，在元素名稱金銅鋅最大允許含量 0.08 0.25 0.005歡迎光臨 SMT 論壇頁碼，4/4槽中溶解而造成污染，使得銅、鋅、金等各種合金組的含量超標，針對此現象我們對錫槽進行了清理，更換焊錫和高溫油，并在更換后的錫鍋時投加了金屬抗氧化片。改善了焊接質量，對波峰高度也做了適當調整。在某型號備份的焊接中，焊點的合格率在 98以上。綜上所述，使用波峰焊接機對印制板進行焊接可獲得優良的焊接效果，也可成倍地提高效率，是電子產品必不可少的。波峰焊的工藝發展，對電子產品的質量保障和提高生產效率，降低產品能耗，縮短產品研制周期，具有明顯的效果，目前市
13、場上更大功率，更大容錫量，具有三波峰的焊接質量更好、生產效率更高的波峰焊接機，已經為更多的經濟實體廣泛應用。我所在面向 21 世紀，承擔更大規模相控陣雷達研制生產的情況下，更好地發揮現有設備的作用，不斷改良和引進新的質量更佳的焊接設備，是 23 所無線裝聯人員期盼的目標，我們將一方面現有設備上挖掘潛力，另一方面要精選適合高、精、尖技術和微、輕、細器件的焊接設備，使之為 23 所的焊接工藝開辟新的天地，為完成 23 所的各項型號的焊接任務做扎扎實實的工作。By Martin Ingall,Gustavo Jimenez,Pete Michela,Monica Taylor and Nissim
14、Sasson 本文介紹：“對駐留時間和浸錫深度的研究，揭示了波峰焊接的可重復性與缺陷減少的重大機遇?！痹谶^去幾年中，生產與工藝工程師對板與波峰的相互作用又有新的認識，導致了波峰焊接程序的戲劇性變化。例如，已經采用直接測量 PCB 在波峰焊接中經歷的技術。得到了電路板品質的即時與顯著的改善，推動該技術的廣泛使用。板與波相互作用的中心制造波峰焊機的唯一目的是：讓板與焊錫波峰相互作用。你知道這個敘述是完全正確的，因為當你看看回流焊接爐里面時你沒有看到波峰。在回流焊接爐中，當板經歷加熱溫度時，出現的是化學反應，不象在波峰焊接中。在波峰焊機內，當把板送到焊錫波峰上時，化學反應與溫度是作用物。其結果，與表
15、面貼裝的爐相比較，波峰焊機內溫度的工藝窗口是寬松的，并且板與波峰相互作用的精確控制產生很大好處。引腳在焊錫波峰內只是幾秒鐘或更少。焊接應該可以在一次過中達到，不出現缺陷。由于這個過程是如此簡單，今天的板是如此復雜，使得電路板必須精確地通過波峰。有頭腦的工程師已經知道，似乎很小的板與波峰過程的變化可以導致很大的品質變化。溫度曲線的限制那些堅持認為波峰焊接控制主要是溫度的人，通常選擇嚴格地依賴溫度粘結劑、高溫計或溫度曲線。雖然溫度是重要的，但它不能說明板與焊錫波峰的相互作用。沒有板與波的精確數據的波峰焊接可能造成連續的缺陷、生產危機和停機時間。實際上，生產管理人員了解這樣的結果，看到工位上需要修理
16、工人，承受產量與品質的壓力。盡管有溫度管理的 Herculean 效應、波峰焊機品質的驚奇進步、以及助焊劑與焊錫化學成分的不斷發展，波峰焊接還可能是有問題的。如果問一個制造工程師從哪里主要出現裝配缺陷，最常見，他或她會指向波峰焊機。因此，返工人員每天、每班工作只是為了修整生產線上的缺陷。修理現在的水平不是看作對生產失效的一個補償性活動，可以去掉的一樣事情，而是經常看作生產線本身“可以接受的”部分。這個看法的直接結果就是允許生產成本的大幅增加和波峰焊接嚴重的表現不佳。例如，調節預熱器永遠不能消除由于太長駐留時間引起的錫橋或者由于浸錫深度太淺所引起的不焊(skipping)。這里所陳述的研究結果將
17、表明，現有的波峰焊接缺陷的大多數只能通過對板與錫波相互作用的精確、直接的測量與控制才能消除。板與錫波的相互作用假設板與波峰是平行的，板與波峰相互作用有三個清楚的同時發生的面，可以直接準確地測量：1.駐留時間(dwell 入庫時間 e):駐留時間是一個引腳在焊錫波內的時間數量，需要以 0.10 秒的遞增來控制。2.浸錫深度(immersion depth):浸錫深度是板浸在焊錫波內有多深。由于最好的波峰具有 1020-mil 之間的波峰高度變化，這個參數最好是通過其穿過一個過程窗口的通道來測量。用于本研究的設備使用 12-mil 的遞增量。3.接觸長度(contact length):接觸長度是
18、一個引腳通過波峰的距離。圖一，解釋了板的浸錫深度與接觸長度的相互關系，顯示浸錫深度直接決定接觸長度。接觸長度又直接影響駐留時間，因為：駐留時間=接觸長度 傳送帶速度。計?）傳送帶速度的設定將不能單獨控制在焊錫波峰上的駐留時間。必須有精確測量與控制浸錫深度的方法。波峰形狀我們許多人都有在兩臺不同的波峰焊機上運行同一個裝配的經驗，看到的是兩個很不同的板的品質的出現。在兩臺波峰焊機設定成相同的泵的速度、傳送帶速度、傳送帶角度、錫缸高度、預熱與焊接溫度；使用相同的化學品；相同的維護計劃；以及顯示相同的溫度曲線的時候，為什么波峰焊機還會產生不同的結果？作為一個工業，我常常已經退而接受“不同的波峰焊機有不
19、同的個性?！庇行┤素煿植僮鲉T。但是這個答案是簡單的，可測量的：所有波峰焊機產生的波峰是不同形狀的。圖二，顯示波峰形狀對接觸長度的影響。一個較寬的波意味著較長的接觸長度-因此，駐留時間較長-以相同的浸錫深度。計?）機器設定的限制控制波峰焊接過程涉及直接測量板在波峰上實際所經歷的。波峰焊機永遠不能保證可重復性。板看不到傳送帶速度；但感受到駐留時間。同樣，板不知道泵的速度，但感受到浸錫深度。還有，波峰焊機的設定不顯示波峰焊機的可變化性。因此，波峰焊接的參數必須主要基于板與波峰的相互作用，而不是波峰焊機的設定。裝配工廠沒有必要責怪它們的波峰焊機，助焊劑或操作人員，因為實際的挑戰是波峰焊接工藝過程本身。
20、波峰焊機不能測量板與波的相互作用；好的設備不是用來補償一個不受控的工藝。用于研究的駐留時間基線一家主要的消費電子公司讓其北美的工廠完成為期一個月的研究，以評估駐留時間優化與可重復性的重要性。選擇了最大批量的裝配來用作研究，它代表在該地生產的所有電路板的 19%。為了這個用途，使用一臺電子設備和直接板與波峰接觸傳感器。由于能夠進行每排四個運行，該設備可以在將數據卸載到 PC 之前記錄多個讀數。還有，該設備的 LCD 顯示器允許從波峰焊機出來時即時的數據讀數，并提供浸錫高度的直接測量。下面是進行的步驟：1.測量與建立平行度。2.測量現時板的駐留時間，以前是 1 秒。3.測量現時板的浸錫深度，以前是
21、 24-mil。4.評估板的質量。得出 312 ppm(parts per million)的缺陷率，這個被認為在工廠內是正常的，按工業標準也是很好的，盡管有一定量的返工數量。5.步驟 1 3 對一排中的三個班次很容易地完成，每班兩次，因為所有數據都是在通過波峰焊機的設備一次運行中獲得的。步驟 4 是在每一班次結束時完成。在運行裝配板之前，如果測量顯示不平行-或者駐留時間比 1 秒鐘超出 0.1 秒，或者浸錫深度不是 24-mil-則對波峰焊機作出調整。另外作一些測量以證實發生所希望的板與波的相互作用。始終保持那些與板-波相互作用無關的地方，包括，如，助焊劑類型、預熱設定和焊錫溫度。在每班結束
22、時，作百萬缺陷(dpm,defects per million)記錄。這個板的 dpm 持續地在 312 范圍。因此，達到了電路板質量的可重復性。駐留時間研究方法下一個目標是決定是否板的缺陷率受到以不同駐留時間運行的影響。這個計劃涉及以不同的駐留時間運行相同類型的板，駐留時間以半秒的遞增幅度從 0.5 秒增加到 5.0 秒，并且涉及將每個駐留時間與其產生的缺陷率相聯系。對每個駐留時間進行上述的 15 步。圖三的藍線顯示該結果。對這個特定的板產生最低缺陷率的駐留時間是在 2.53 秒之間。然后進行這個板的進一步研究，在 2.8 秒時缺陷持續最低。因此該板現在只以 2.8 秒的駐留時間和 24-m
23、il 的浸錫深度運行。波峰焊機的設定現在是非主要的，與使用的波峰焊機無關。駐留時間的優化已經完成，同樣達到在實際任何的波峰焊機上以可預計的品質裝配該板的靈活性。對于該消費電子公司，這些結果就是對操作員的有意的波峰焊接工藝文件、更清晰的髦甘荊蟮牧榛钚裕蛭冒蹇梢鑰煽康贗魏尾搴富霉疽部梢允迪指俚墓炭刂仆急碇械姆逯擔蛭詘逶誦兄敖辛瞬飭?；纲的?；奔洌喚細叩牟浚跎俁怨展淌難沽灰約案淇斕墓芾懟?nbsp;其它觀察包括：所發現的最佳駐留時間與以前發生的有很大的不同悄鞘泵揮脅飭俊?nbsp;缺陷率隨駐留時間的不同而顯著變化。控制浸錫深度對本研究是關鍵的，因為浸錫深度的變化意味著接觸長度的變化，結果，駐留時間不受
24、控。逐板的優化正如每鐘板在表面貼裝爐中使用其自己的溫度曲線一樣，每種板也在波峰焊機中使用其自己的板與波峰的參數。因此，上述研究也對第二種板進行。圖三，把結果記錄成紅線。研究發現，對這種板的最佳駐留時間是 3.6 秒，與第一種板的 2.8 秒形成對比。注意兩種板的“駐留時間曲線”是不同的。雖然不太象第一種板所獲得的新基線那么低，但該工藝過程得到所研究的第二種板的顯著更低的缺陷率，這種板以前也是以 1 秒運行。這些結果強烈地顯示諸如非最佳浸錫深度或設計問題等這些缺陷根源與駐留時間沒有關系。計?）浸錫深度改變浸錫深度會改變接觸長度和駐留時間，這使得浸錫深度的直接和準確測量成為關鍵。泵速產生波峰高度，
25、它隨著錫缸的焊錫變空而消失?？墒?，板的實際浸錫深度決定于幾個因素，包括錫缸高度、PCB 怎樣座落在傳送帶的指爪上、彎曲、破裂或變鉤的指爪、傳送帶角度、以及是否使用托盤。計?）可是，控制浸錫深度-測量和把它保持持續不變-只是這個難題中的一小部分。另一個是決定在那個浸錫高度，板的品質是最佳的。在圖四中，注意由藍條形所代表的板的缺陷率，在不同范圍上比由黃色條形所代表的板更優化：48 mil 或甚至 3660 mil 分別比 2436 mil。因此，不同板的類型最受益于不同浸錫深度。結論板與波峰優化的好處是很大的，當決定波峰焊接工作指示時，需要進行逐個電路板地評估。對板實際所經歷的進行直接測量與管理是
26、關鍵的。對所有的板使用相同的波峰焊機設定將永遠不會產生對各種裝配類型最佳的波峰焊接結果，對波峰焊機設定的依賴不包裝板與波峰相互作用的可重復性。優化要求對板上實際缺陷有關的調整。只記錄機器設定和/或注重板與波的數據將不會產生所希望的結果。波峰焊機不一定是可重復的。要開始是簡單的。該過程只要花幾分鐘，并且將馬上產生對你有幫助的信息：1.象平時你對特定的板一樣設定波峰焊機。2.一旦你已經建立板對波的平行度，記錄駐留時間和浸錫深度讀數。3.處理其中一塊板，記錄其波峰焊接品質。4.作為確定最佳駐留時間的第一步，將傳送帶速度減少到每分鐘 0.75 英尺，再運行設備，得到新的駐留時間讀數。5.再運行相同板類
27、型中的一個，記錄其波峰焊接品質。如果板的質量已經改善，那么你已經得到一個比你現在用于運行板的駐留時間更優越的駐留時間。你現在可以每天在每一次運行該類板之前記錄駐留時間讀數，以保證你的波峰焊機對你的板給予所希望的、更好的經驗。因此，你可用該數據來保證可重復性和最佳效果。如果板的品質惡化，那么增加傳送帶速度，重復相同的步驟。你將很快找到最佳的板與波相互作用參數。為了評估浸錫深度對波峰焊接品質的影響，改變泵的速度，另外進行相同的步驟。要理解的另一個重要方面是工藝窗口(process window)。所有波峰焊機有其自己的數據變化和可重復性的正常范圍，這個只有通過在機器保持在使用的每個設定時，對駐留時
28、間和浸錫深度的直接測量來確定。理解波峰焊機的對駐留時間、浸錫深度和平行度的工藝窗口，將幫助你優化對每個板的波峰焊接工藝。如果你的工廠一個產品高度混合的工廠，那么從最普通或最棘手的板開始。對于大批量、的混合的運作，你有機會來優化你運行的每一個板。對于兩類工廠，在不同的波峰焊機之間，甚至工廠位置之間可靠地移動一種特定板的靈活性也要增加。許多工廠已經將可得到的技術與簡單的程序相結合，以優化其電路板的駐留時間、控制浸錫深度和得到其波峰焊接工藝的真正可重復性。對于那些想要迅速降低成本和與波峰焊接品質的工業規范保持步伐的工廠，這里所敘述的技術與程序值得調查研究。Martin Ingall,Peter Mi
29、chela,Monica Taylor and Nissim Sasson,are with Technology Information Corp.,Burtosville,MD;(301)476-7329.Gustavo Jimenez has directed wave solder and through-hole manufacturing at three of the largest maquiladoras and is currently a senior process and key technology engineer in Juarez,Mexico;(52)16-293-827.
影響波峰焊質量分析
