影响波峰焊质量分析

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1、影响波峰焊质量分析 摘要：本文分析了波峰焊各技术参数对焊接质量的影响，并简介焊接质量的控制及焊料保护措施。波峰焊接技术的普及和应用，对电子产品装联工艺技术进步的影响有划时代的意义，它实现了软钎接的自动化，大幅度地提高了生效率，而且对产品质量状况的改善也是极为明显的。在广泛使用波峰焊接技术的情况下，采取一些切实可行的质量控制措施，确保军用设备的高可靠性，成为波峰焊工艺生产中一项任务。进行波峰焊接的印刷板上必须涂阻焊剂，留下需要焊接的部分，这样有利于焊接。这是由于在涂印阻焊剂后，有阻焊剂地方表面张力加大，而减少了焊盘的表面张力。影响焊接质量的还有与元器件引线相匹配的的孔。如孔径大了，就会产生空洞现

2、象。而孔径小了，造成插元件困难，影响装配速度。一般孔径比元器件引线要大 20-30u 为最好。焊盘与焊盘之间要尽量保持一段距离，位置安排适才有助于焊接。焊盘的大小也是个影响因素，太大或太小都会产生质量问题，另外，引线伸出焊盘的长短也要保持适中，引线过长，上锡量少，引线过短，易引起虚焊，一般取2-3mm。我们取 3mm。预热是波峰焊机不可缺少的一部分，掌握预热温度可减少或避免焊点拉尖和圆缺，预热温度控制在 70-900C。这个温度是指印制板焊接面通过预热器所测得的温度，也正好是焊剂的活化温度，其助焊作用最佳。如果预热温度超过 900C，则泡沫助焊剂就会干枯而失去流动性，增加钎料和基体金属的表面张

3、力，将引起桥接，焊料堆积，板面上有飞溅的小锡粒等焊接质量问题。预热温度不足，涂布在印制板上的焊液不能全部汽化掉，这样在浸焊时，一旦接触到高温焊锡立即汽化形成气泡阻碍了焊料与底盘的结合，很容易形成蜂窝式的虚焊，预热温度不足，还会使涂布在印制板焊点上的焊剂不能全部活化，造成吃锡太少或根本吃不上锡，影响焊接质量。波峰焊槽的锡温对焊接的质量影响也很大。锡温若偏低，焊锡波峰的流动性就变差，表面张力大，易造成虚焊和拉尖等庇病，失去波峰焊接所应具有的优越性。若锡温偏高，有可能造成元器件受高温而变质损坏，同时锡温偏高，亦会加速锡的表面氧化。夏季波峰焊波峰焊接工艺中，助焊剂是必不可少的辅料。良好的助焊剂应能清除

4、焊接物表面的氧化物，并能防止高温下焊面的再氧化，对表面张力的平衡施加影响，减小接触角，促进钎料漫流。合理涂布助焊剂对提高焊接质量非常有利，而助焊剂的浓度大小又直接影响到助焊剂的涂布。当助焊剂比重在时，泡沫发粘影响涂布的均匀性，预热时也很难使其全部活化。这对于焊接效果来说，出现了明显的不利影响，焊后残留余物也太多，影响印制板的清洁。当焊剂浓度小，在印制板运行过程中易流失，而印制板实际得到助焊剂减少，大大削弱了助焊的作用。根据比较按助焊剂的比重来确定，一般是在其比重为 0.8g/cm3-0.83g/cm3 间选择，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、直接影响到波峰的平稳程度及波峰表面焊锡的流动性。适当的波峰高度可以保证印制板有良好的压锡深度，使焊点能充分与焊锡接触。平稳的波峰可使整块印制板在焊接时间内都能得到均匀的焊接。当波峰焊偏高时，表明泵内液态焊料的流速增大。雷诺数值增大将使液态流体进行湍流（紊流）状态，导致波峰不易稳定，造成印制板漫锡，使元器件损坏。但对于波峰上的印制（PCB）的压力增大，这有利于焊缝的填充。但易引起拉尖、桥接等缺陷。波偏低时，泵内液态钎料流体流速低并为层流态，因而波峰跳动小，平稳。焊锡的流动性变差了，容易产生吃锡量不够，锡点不饱满等缺陷。按照钎料波峰动力学的观点分析，波峰的工作高度取 10mm 效果最佳。印制板的传

6、送速度与夹送倾角钎焊时间往往可以用传送速度表示出来。被焊表面浸入和退出熔化钎料波峰的速，对润湿质量，钎料层的均匀性和厚度影响很大。焊料被吸收到印制板焊盘孔内，立即产生热交换。当印制板离开波峰时，放出潜热。焊料由液相变为固相。当焊料槽温度在 2500C-2600C左右，焊区温度就在 2450C 左右，焊接时间应在 3-5 秒左右。也就是说印制板某一引线脚与锡的接触时间为 3-5 秒，但由于室内温度的变化助焊剂的性能和锡的温度不同，接触时间就要有所不同，因此，行进速度要有所控制和调节。印制线路板沿着倾斜角度运动时 a 角越大越好，越能消除拉尖，通过试验摸索到传送装置倾斜 6-70 是有助于把钎料更

7、快的剥离使之返回波峰。防氧化油的使用液态状的高温焊料很容易氧化，这不仅使锡的浪费量很大，还会影响焊接质量。最好的办法是使用防氧化焊料。投如金属氧化片。或在焊料槽内喷一层防氧化油来减缓焊料的氧化，减少桥接现象。质量好的防氧化油含有适量激活剂，它会提高助焊剂的功效。一般采用布油泵来控制防氧化油的用量，使印制板表面基本不粘染防氧化油。波峰焊接质量控制措施消除焊点拉尖焊点的拉尖是多余的焊料凝固在引线端部形成不规律的锥状的锡体，这是焊点的多余部分，是焊的庇病之一。采取消除焊点拉尖的办法是：控制锡锅温度在 2500C-2600C，不能让锡温波动很大。传送速度快和慢都易造成拉尖，传送速度应控制在以 2450

8、C为最合适的钎接时间为 3 秒左右。印制线路板与波峰夹角控制在 6-70，如果角度过大或过小都易造成焊点的拉尖。元器件引线不氧化，可焊性好也可减少焊点拉尖。减少焊点的虚锡元器件引线在焊接前全部进行搪锡，100符合搪锡质量要求。印制线路板设计与制造应符合工艺要求。泡沫助焊剂的配比及浓度按工艺规定，定期进行质量检查。形成饱满的焊点控制印制线路板的预热温度（70-900C）。注意锡锅的恒温精度，温度梯变化不能太大。严格按工艺要求对助焊剂进行配比和测定是。印制线路板印刷阻焊剂。定期对焊料进行测定和化学分析。波峰焊接中焊料的保护焊料槽中各类物质汇集，是产生物理化学反应的地方。印制线路板上的铜箔、元器件的

9、引线，各种连接端子及其镀层全浸入焊料槽中，助焊剂残留物，氧化油不断涌入焊料槽，在槽中溶解而造成污染。这此污染直接影响了焊接质量，是波峰焊的致命弱点。对钎料槽中的钎料污染物主要是铜，其次是锌。除此外，还有各种合金组等。铜：铜和锡结合生成的化学物，使焊料的流动性变差，表面张力增大。锌：如含量达 0.005，就会对焊点外观、钎料流动性及润湿性造成不良影响，严重时焊接失效，整槽焊料报废。金：金和铅锡结合生成金属化合物会使焊点失去光泽、变脆。为了保证焊接质量，焊料要定期抽检查，当超过表中含量时，整槽焊料必须更换。为了防止焊料的迅速污染，可采取适当降低焊接温度，焊接时间，印制板采用阻焊膜等对策，焊料槽补料

10、时尽量做到选用纯度高的焊料。焊接举例在某型号印制板后期的焊接中，这台波峰焊机（87 年引进6TF/330，电磁波、空心波、单波峰）焊接机焊接时发生了较多的连焊和拉尖现象，尤其拉尖最为严重，当时这类焊点超过了总焊的 5以上。我们仔细检查了焊接工艺条件并没有改变，印制板、元器件等原材料也没有变，唯一可能是我们对波峰焊机经验不足，了解不够。针对这一情况，我们请教了专家，对波峰焊接机使用的工艺参数进行适当的检查和调整。如预热不足，调整了预热时间，由原来的 5 秒调整到 10 秒，10 秒调整到 20 秒，清理了预热板，同时也适当调整了预热板与夹具间的距离。另一方面，助焊剂比重随着环境温度和焊板的多少不

11、断变化，需要我们经常用密度计测量其比重，随时添加助焊剂或稀释剂，此法不光繁琐，更重要的是人工方法很难掌握环境温度变化和生产中动态因素的影响，不能精确控制其比重，也无法判断其杂质的含量。针对此情况我们在波峰焊接机上加装了（TC-K1 型）焊剂控制仪。它通过密度传感器、温度传感器、液位传感器、寿命传感器，对焊剂在生产过程中的使用参数及时测量，校正补偿，自动供液调整，保证了焊接质量。我们使用的助焊剂是北京无线电厂生产的，其比重为 0.83g/cm3，夏天我们取 0.80g/cm3，冬天取 0.81g/cm3-0.82g/cm3。再者，焊料槽中锡的质量也直接影响其质量，印制板上的铜箔、元器件的引线、各

12、种连接端子及其镀层侵入、助焊剂的残留物及氧化物的不断涌入，在元素名称金铜锌最大允许含量 0.08 0.25 0.005欢迎光临 SMT 论坛页码，4/4槽中溶解而造成污染，使得铜、锌、金等各种合金组的含量超标，针对此现象我们对锡槽进行了清理，更换焊锡和高温油，并在更换后的锡锅时投加了金属抗氧化片。改善了焊接质量，对波峰高度也做了适当调整。在某型号备份的焊接中，焊点的合格率在 98以上。综上所述，使用波峰焊接机对印制板进行焊接可获得优良的焊接效果，也可成倍地提高效率，是电子产品必不可少的。波峰焊的工艺发展，对电子产品的质量保障和提高生产效率，降低产品能耗，缩短产品研制周期，具有明显的效果，目前市

13、场上更大功率，更大容锡量，具有三波峰的焊接质量更好、生产效率更高的波峰焊接机，已经为更多的经济实体广泛应用。我所在面向 21 世纪，承担更大规模相控阵雷达研制生产的情况下，更好地发挥现有设备的作用，不断改良和引进新的质量更佳的焊接设备，是 23 所无线装联人员期盼的目标，我们将一方面现有设备上挖掘潜力，另一方面要精选适合高、精、尖技术和微、轻、细器件的焊接设备，使之为 23 所的焊接工艺开辟新的天地，为完成 23 所的各项型号的焊接任务做扎扎实实的工作。By Martin Ingall,Gustavo Jimenez,Pete Michela,Monica Taylor and Nissim

14、Sasson 本文介绍：“对驻留时间和浸锡深度的研究，揭示了波峰焊接的可重复性与缺陷减少的重大机遇。”在过去几年中，生产与工艺工程师对板与波峰的相互作用又有新的认识，导致了波峰焊接程序的戏剧性变化。例如，已经采用直接测量 PCB 在波峰焊接中经历的技术。得到了电路板品质的即时与显著的改善，推动该技术的广泛使用。板与波相互作用的中心制造波峰焊机的唯一目的是：让板与焊锡波峰相互作用。你知道这个叙述是完全正确的，因为当你看看回流焊接炉里面时你没有看到波峰。在回流焊接炉中，当板经历加热温度时，出现的是化学反应，不象在波峰焊接中。在波峰焊机内，当把板送到焊锡波峰上时，化学反应与温度是作用物。其结果，与表

15、面贴装的炉相比较，波峰焊机内温度的工艺窗口是宽松的，并且板与波峰相互作用的精确控制产生很大好处。引脚在焊锡波峰内只是几秒钟或更少。焊接应该可以在一次过中达到，不出现缺陷。由于这个过程是如此简单，今天的板是如此复杂，使得电路板必须精确地通过波峰。有头脑的工程师已经知道，似乎很小的板与波峰过程的变化可以导致很大的品质变化。温度曲线的限制那些坚持认为波峰焊接控制主要是温度的人，通常选择严格地依赖温度粘结剂、高温计或温度曲线。虽然温度是重要的，但它不能说明板与焊锡波峰的相互作用。没有板与波的精确数据的波峰焊接可能造成连续的缺陷、生产危机和停机时间。实际上，生产管理人员了解这样的结果，看到工位上需要修理

16、工人，承受产量与品质的压力。尽管有温度管理的 Herculean 效应、波峰焊机品质的惊奇进步、以及助焊剂与焊锡化学成分的不断发展，波峰焊接还可能是有问题的。如果问一个制造工程师从哪里主要出现装配缺陷，最常见，他或她会指向波峰焊机。因此，返工人员每天、每班工作只是为了修整生产线上的缺陷。修理现在的水平不是看作对生产失效的一个补偿性活动，可以去掉的一样事情，而是经常看作生产线本身“可以接受的”部分。这个看法的直接结果就是允许生产成本的大幅增加和波峰焊接严重的表现不佳。例如，调节预热器永远不能消除由于太长驻留时间引起的锡桥或者由于浸锡深度太浅所引起的不焊(skipping)。这里所陈述的研究结果将

17、表明，现有的波峰焊接缺陷的大多数只能通过对板与锡波相互作用的精确、直接的测量与控制才能消除。板与锡波的相互作用假设板与波峰是平行的，板与波峰相互作用有三个清楚的同时发生的面，可以直接准确地测量：1.驻留时间(dwell 入库时间 e):驻留时间是一个引脚在焊锡波内的时间数量，需要以 0.10 秒的递增来控制。2.浸锡深度(immersion depth):浸锡深度是板浸在焊锡波内有多深。由于最好的波峰具有 1020-mil 之间的波峰高度变化，这个参数最好是通过其穿过一个过程窗口的通道来测量。用于本研究的设备使用 12-mil 的递增量。3.接触长度(contact length):接触长度是

18、一个引脚通过波峰的距离。图一，解释了板的浸锡深度与接触长度的相互关系，显示浸锡深度直接决定接触长度。接触长度又直接影响驻留时间，因为：驻留时间=接触长度 传送带速度。计?）传送带速度的设定将不能单独控制在焊锡波峰上的驻留时间。必须有精确测量与控制浸锡深度的方法。波峰形状我们许多人都有在两台不同的波峰焊机上运行同一个装配的经验，看到的是两个很不同的板的品质的出现。在两台波峰焊机设定成相同的泵的速度、传送带速度、传送带角度、锡缸高度、预热与焊接温度；使用相同的化学品；相同的维护计划；以及显示相同的温度曲线的时候，为什么波峰焊机还会产生不同的结果？作为一个工业，我常常已经退而接受“不同的波峰焊机有不

19、同的个性。”有些人责怪操作员。但是这个答案是简单的，可测量的：所有波峰焊机产生的波峰是不同形状的。图二，显示波峰形状对接触长度的影响。一个较宽的波意味着较长的接触长度-因此，驻留时间较长-以相同的浸锡深度。计?）机器设定的限制控制波峰焊接过程涉及直接测量板在波峰上实际所经历的。波峰焊机永远不能保证可重复性。板看不到传送带速度；但感受到驻留时间。同样，板不知道泵的速度，但感受到浸锡深度。还有，波峰焊机的设定不显示波峰焊机的可变化性。因此，波峰焊接的参数必须主要基于板与波峰的相互作用，而不是波峰焊机的设定。装配工厂没有必要责怪它们的波峰焊机，助焊剂或操作人员，因为实际的挑战是波峰焊接工艺过程本身。

20、波峰焊机不能测量板与波的相互作用；好的设备不是用来补偿一个不受控的工艺。用于研究的驻留时间基线一家主要的消费电子公司让其北美的工厂完成为期一个月的研究，以评估驻留时间优化与可重复性的重要性。选择了最大批量的装配来用作研究，它代表在该地生产的所有电路板的 19%。为了这个用途，使用一台电子设备和直接板与波峰接触传感器。由于能够进行每排四个运行，该设备可以在将数据卸载到 PC 之前记录多个读数。还有，该设备的 LCD 显示器允许从波峰焊机出来时即时的数据读数，并提供浸锡高度的直接测量。下面是进行的步骤：1.测量与建立平行度。2.测量现时板的驻留时间，以前是 1 秒。3.测量现时板的浸锡深度，以前是

21、 24-mil。4.评估板的质量。得出 312 ppm(parts per million)的缺陷率，这个被认为在工厂内是正常的，按工业标准也是很好的，尽管有一定量的返工数量。5.步骤 1 3 对一排中的三个班次很容易地完成，每班两次，因为所有数据都是在通过波峰焊机的设备一次运行中获得的。步骤 4 是在每一班次结束时完成。在运行装配板之前，如果测量显示不平行-或者驻留时间比 1 秒钟超出 0.1 秒，或者浸锡深度不是 24-mil-则对波峰焊机作出调整。另外作一些测量以证实发生所希望的板与波的相互作用。始终保持那些与板-波相互作用无关的地方，包括，如，助焊剂类型、预热设定和焊锡温度。在每班结束

22、时，作百万缺陷(dpm,defects per million)记录。这个板的 dpm 持续地在 312 范围。因此，达到了电路板质量的可重复性。驻留时间研究方法下一个目标是决定是否板的缺陷率受到以不同驻留时间运行的影响。这个计划涉及以不同的驻留时间运行相同类型的板，驻留时间以半秒的递增幅度从 0.5 秒增加到 5.0 秒，并且涉及将每个驻留时间与其产生的缺陷率相联系。对每个驻留时间进行上述的 15 步。图三的蓝线显示该结果。对这个特定的板产生最低缺陷率的驻留时间是在 2.53 秒之间。然后进行这个板的进一步研究，在 2.8 秒时缺陷持续最低。因此该板现在只以 2.8 秒的驻留时间和 24-m

23、il 的浸锡深度运行。波峰焊机的设定现在是非主要的，与使用的波峰焊机无关。驻留时间的优化已经完成，同样达到在实际任何的波峰焊机上以可预计的品质装配该板的灵活性。对于该消费电子公司，这些结果就是对操作员的有意的波峰焊接工艺文件、更清晰的髦甘荆蟮牧榛钚裕蛭冒蹇梢钥煽康赝魏尾搴富霉疽部梢允迪指俚墓炭刂仆急碇械姆逯担蛭诎逶诵兄敖辛瞬饬浚桓俚耐；奔洌唤细叩牟浚跎俣怨展淌难沽灰约案淇斓墓芾怼?nbsp;其它观察包括：所发现的最佳驻留时间与以前发生的有很大的不同悄鞘泵挥胁饬俊?nbsp;缺陷率随驻留时间的不同而显著变化。控制浸锡深度对本研究是关键的，因为浸锡深度的变化意味着接触长度的变化，结果，驻留时间不受

24、控。逐板的优化正如每钟板在表面贴装炉中使用其自己的温度曲线一样，每种板也在波峰焊机中使用其自己的板与波峰的参数。因此，上述研究也对第二种板进行。图三，把结果记录成红线。研究发现，对这种板的最佳驻留时间是 3.6 秒，与第一种板的 2.8 秒形成对比。注意两种板的“驻留时间曲线”是不同的。虽然不太象第一种板所获得的新基线那么低，但该工艺过程得到所研究的第二种板的显著更低的缺陷率，这种板以前也是以 1 秒运行。这些结果强烈地显示诸如非最佳浸锡深度或设计问题等这些缺陷根源与驻留时间没有关系。计?）浸锡深度改变浸锡深度会改变接触长度和驻留时间，这使得浸锡深度的直接和准确测量成为关键。泵速产生波峰高度，

25、它随着锡缸的焊锡变空而消失。可是，板的实际浸锡深度决定于几个因素，包括锡缸高度、PCB 怎样座落在传送带的指爪上、弯曲、破裂或变钩的指爪、传送带角度、以及是否使用托盘。计?）可是，控制浸锡深度-测量和把它保持持续不变-只是这个难题中的一小部分。另一个是决定在那个浸锡高度，板的品质是最佳的。在图四中，注意由蓝条形所代表的板的缺陷率，在不同范围上比由黄色条形所代表的板更优化：48 mil 或甚至 3660 mil 分别比 2436 mil。因此，不同板的类型最受益于不同浸锡深度。结论板与波峰优化的好处是很大的，当决定波峰焊接工作指示时，需要进行逐个电路板地评估。对板实际所经历的进行直接测量与管理是

26、关键的。对所有的板使用相同的波峰焊机设定将永远不会产生对各种装配类型最佳的波峰焊接结果，对波峰焊机设定的依赖不包装板与波峰相互作用的可重复性。优化要求对板上实际缺陷有关的调整。只记录机器设定和/或注重板与波的数据将不会产生所希望的结果。波峰焊机不一定是可重复的。要开始是简单的。该过程只要花几分钟，并且将马上产生对你有帮助的信息：1.象平时你对特定的板一样设定波峰焊机。2.一旦你已经建立板对波的平行度，记录驻留时间和浸锡深度读数。3.处理其中一块板，记录其波峰焊接品质。4.作为确定最佳驻留时间的第一步，将传送带速度减少到每分钟 0.75 英尺，再运行设备，得到新的驻留时间读数。5.再运行相同板类

27、型中的一个，记录其波峰焊接品质。如果板的质量已经改善，那么你已经得到一个比你现在用于运行板的驻留时间更优越的驻留时间。你现在可以每天在每一次运行该类板之前记录驻留时间读数，以保证你的波峰焊机对你的板给予所希望的、更好的经验。因此，你可用该数据来保证可重复性和最佳效果。如果板的品质恶化，那么增加传送带速度，重复相同的步骤。你将很快找到最佳的板与波相互作用参数。为了评估浸锡深度对波峰焊接品质的影响，改变泵的速度，另外进行相同的步骤。要理解的另一个重要方面是工艺窗口(process window)。所有波峰焊机有其自己的数据变化和可重复性的正常范围，这个只有通过在机器保持在使用的每个设定时，对驻留时

28、间和浸锡深度的直接测量来确定。理解波峰焊机的对驻留时间、浸锡深度和平行度的工艺窗口，将帮助你优化对每个板的波峰焊接工艺。如果你的工厂一个产品高度混合的工厂，那么从最普通或最棘手的板开始。对于大批量、的混合的运作，你有机会来优化你运行的每一个板。对于两类工厂，在不同的波峰焊机之间，甚至工厂位置之间可靠地移动一种特定板的灵活性也要增加。许多工厂已经将可得到的技术与简单的程序相结合，以优化其电路板的驻留时间、控制浸锡深度和得到其波峰焊接工艺的真正可重复性。对于那些想要迅速降低成本和与波峰焊接品质的工业规范保持步伐的工厂，这里所叙述的技术与程序值得调查研究。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.