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SMT实用工艺基础-波峰焊接工艺

作者:博维科技 时间:2018-07-26 13:36
第三章 波峰焊接工艺
 
波峰焊接(波峰焊)主要用于传统通孔插装印制电路板电装工艺,以及表面组装与通孔插装元器件的混装工艺。适用于波峰焊工艺的表面组装元器件有矩形和圆柱形片式元件、SOT以及较小的SOP等器件。
1. 1波峰焊原理
用于表面组装元器件的波峰焊设备一般都是双波峰或电磁泵波峰焊机。
下面以双波峰焊机的工艺流程为例,来说明波峰焊原理(见图3-1)
 
 
图3-1   双波峰焊接过程示意图
波峰焊原理用于表面组装元器件的波峰焊设备一般都是双波峰或电磁泵波峰焊机。
    下面以双波峰焊机的工艺流程为例,来说明波峰焊原理(见图3-1)。
    当完成点(或印刷)胶、贴装、胶固化、插装通孔元器件的印制板从波峰焊机的入口端随传送带向前运行,通过焊剂发泡(或喷雾)槽时,印制板下表面的焊盘、所有元器件端头和引脚表面被均匀地涂覆上一层薄薄的焊剂。 随着传送带运行,印制板进入预热区,焊剂中的
溶剂被挥发掉,焊剂中松香和活性剂开始分解和活性化,印制板焊盘、元器件端头和引脚表面的氧化膜以及其它污染物被清除;同时,印制板和元器件得到充分预热。
    印制板继续向前运行,印制板的底面首先通过第一个熔融的焊料波。第一个焊料波是乱波(振动波或紊流波),将焊料打到印制板的底面所有的焊盘、元器件焊端和引脚上;熔融的焊料在经过焊剂净化的金属表面上进行浸润和扩散。之后,印制板的底面通过第二个熔融的焊料波,第二个焊料波是平滑波,平滑波将引脚及焊端之间的连桥分开,并去除拉尖(冰柱)等焊接缺陷(图3-2是双波峰焊锡波)
 
 

    当印制板继续向前运行离开第二个焊料波后,自然降温冷却形成焊点,即完成焊接。
3.2波峰焊工艺对元器件和印制板的基本要求
 一、对表面组装元件要求
    表面组装元器件的金属电极应选择三层端头结构,元器件体和焊端能经受两次以上260 ℃波峰焊的温度冲击,焊接后元器件体不损坏或变形,片式元件金属端头无剥落(脱帽)现象。
 二、对插装元件要求
    如采用短插一次焊工艺,插装元件必需预先成形,要求元件引脚露出印制板表面0.8-3mm。
 三、对印制电路板要求
    基板应能经受260℃/50s的热冲击,铜箔抗剥强度好;阻焊膜在高温下仍有足够的粘附力,焊接后不起皱;一般采用RF4环氧玻璃纤维布印制电路板。
 四、印制电路板翘曲度小于0.8-1.0%。
 五、对PCB设计要求    
    对于贴装元器件采用波峰焊工艺的印制电路板必须按照贴装元器件的特点进行设计,元器件布局和排布方向应遵循较小的元件在前和尽量避免互相遮挡的原则。
3.3波峰焊工艺材料
    一、焊料
    目前一般采用Sn63/Pb37棒状共晶焊料,熔点183℃。
    使用过程中,Sn和Pb的含量分别保持在±l%以内;Sn的最小含量为61.5%:焊料中主要杂质的最大含量控制在以下范围内:
    Cu<0.08%;A1<0.005%;Fe<0.02%;Bi<0.1%;Zn<0.002%;Sb<0.02%;As<0.05%。根据设备的使用情况定期(三个月至半年)检测焊料的主要杂质以及Sn和Pb的含量,不符合要求时更换焊锡或采取其它措施,例如当Sn含量少于标准要求时,可掺加一些纯Sn。
二.焊剂和焊剂的选择
    预热的作用
  1.焊剂的作用
    (1)焊剂中的松香树脂和活性剂在一定温度下产生活性化反应,能去除焊接金属表面氧化膜,同时松香树旨又能保护金属表面在高温下不再氧化。
    (2)焊剂能降低熔融焊料的表面张力,有利于焊料的润湿和扩散。     
  2.焊剂的特性要求
    (1)熔点比焊料低,扩展率>85%。
    ( 2)粘度和比重比熔融焊料小,容易被置换,不产生毒气。焊剂的比重可以用溶剂来稀释,一般控制在0.82-0.84。
    (3)免清洗型焊剂的比重<0.8,要求固体含量<2.0wt%,不含卤化物,焊后残留物少,不产生腐蚀作用,绝缘性能好,绝缘电阻>1x1011 Ω。
    (4)水清洗、半水清洗和溶剂清洗型焊剂要求焊后易清洗。
    (5)常温下储存稳定。
  3.焊剂的选择
  按照清洗要求,焊剂分为免清洗、水清洗、半水清洗和溶剂清洗四种类型。按照松香的活性分类,可分为R(非活性)、RMA(中等活性)、RA(全活性)三种类型,要根据产品对清洁度和电性能的具体要求进行选择。
 一般情况下军用及生命保障类产品,如卫星、飞机仪表、潜艇通信、医疗装置和微弱信号测试仪器等电子产品必须采用清洗型的焊剂。其他如通信类、工业设备类、办公设备类及计算机等类型的电子产品可采用免清洗或清洗型的焊剂。一般家用电器类电子产品均可采用免清洗型焊剂或采用RMA(中等活性)松香型焊剂,可不清洗。
三、稀释剂
   当焊剂的比重超过要求值时,可使用稀释剂进行稀释;不同型号的焊剂应采用相应的稀释剂。
四、防氧化剂
   防氧化剂是为减少焊接时焊料在高温下氧化而加大的辅料,起节约焊料和提高焊接质量作用,目前主要采用油类与还原剂组成的防氧化剂。要求防氧化剂还原能力强、在焊接温度下不碳化。
五、锡渣减除剂
   锡渣减除剂能使熔融的焊锡与锡渣分离,从而起到节省焊料的作用。  
六、阻焊剂或耐高温阻焊胶带
   用于防止波峰焊时后附元件的插孔被焊料堵塞等。
 3.4波峰焊工艺流程
   焊接前准备 →开波峰焊机→设置焊接参数→首件焊接并检验→连续焊接生产→送修板检验。
 3.5波峰焊的主要工艺参数及对工艺参数的调整
 一、焊剂涂覆量
   要求在印制板底面有薄薄的一层焊剂,要均匀,不能太厚,对于免清洗工艺特别要注意不能过量。焊剂涂覆量要根据波峰焊机的焊剂涂覆系统,以及采用的焊剂类型进行设置。焊剂涂覆方法主要有涂刷与发泡和定量喷射两种方式。
    采用涂刷与发泡方式时,必须控制焊剂的比重。焊剂的比重一般控制在0.82-0.84之间(液态松香焊剂原液的比重)。焊接过程中随着时间的延长,焊剂中的溶剂会逐渐挥发,使焊剂的比重增大;其粘度随之增大,流动性也随之变差,影响焊剂润湿金属表面,妨碍熔融的焊料在金属表面上的润湿,引起焊接缺陷。因此,采用传统涂刷及发泡方式时应定时测量焊剂的比重,如发现比重增大,应及时用稀释剂调整到正常范围内;但是,稀释剂不能加入过多,比重偏低会使焊剂的作用下降,对焊接质量也会造成不良影响。另外,还要注意不断补充焊剂槽中的焊剂量,不能低于最低极限位置。
     采用定量喷射方式时,焊剂是密闭在容器内的,不会挥发、不会吸收空气中水分、不会被污染,因此焊剂成分能保持不变。关键要求喷头能够控制喷雾量,应经常清理喷头,喷射孔不能堵塞。
二、预热温度和时间
   预热的作用:
   1.将焊剂中的溶剂挥发掉,这样可以减少焊接时产生气体。
   2.焊剂中松香和活性剂开始分解和活化,可以去除印制板焊盘、元器件端头和引脚表面的氧化膜及其它污染物,同时起到防止金属表面在高温下发生再氧化的作用。
3.使印制板和元器件充分预热,避免焊接时急剧升温产生热应力损坏印制板和元器件。
    印制板预热温度和时间要根据印制板的大小、厚度、元器件的大小和多少,以及贴装元器件的多少来确定。预热温度在90—130℃(PCB表面温度),多层板及有较多贴装元器件时预热温度取上限。预热时间由传送带速度来控制。如预热温度偏低或和预热时间过短,焊剂中的溶剂挥发不充分,焊接时产生气体引 起气孔、锡珠等焊接缺陷;如预热温度偏高或预热时 间过长,焊剂被提前分解,使焊剂失去活性,同样会引起毛刺、桥接等焊接缺陷。因此,要恰当控制顶热温度和时间,最佳的预热温度是在波峰焊前涂覆在PCB底面的焊剂带有粘性(见表3-1)。
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        三、焊接温度和时间
    焊接过程是焊接金属表面、熔融焊料和空气等之间相互作用的复杂过程,必须控制好焊接温度和时间。如焊接温度偏低,液体焊料的粘度大,不能很好地在金属表面润湿和扩散,容易产生拉尖和桥连、焊点表面粗糙等缺陷。如焊接温度过高,容易损坏元器件,还会由于焊剂被炭化失去活性、焊点氧化速度加快,产生焊点发乌、焊点不饱满等问题。
    波峰温度一般为250 ±5℃(必须测量打上来的实际波峰温度)。由于热量是温度和时间的函数,在一定温度下焊点和元件受热的热量随时间的增加而增加。波峰焊的焊接时间通过调整传送带的速度来控制,传送带的速度要根据不同型号波峰焊机的长度、预热温度、焊接温度等因素统筹考虑进行调整。以每个焊点,接触波峰的时间来表示焊接时间,—般焊接时间为3-4秒钟。
 四、印制板爬坡角度和波峰高度
    印制板爬坡角度为3—7℃。是通过调整波峰焊机传 输装置的倾斜角度来实现的。
适当的爬坡角度有利于排除残留在焊点和元件周 围由焊剂产生的气体,当THC与SMD混装时,由于通孔比较少,应适当加大印制板爬坡角度。通过调节倾斜角度还可以调整PCB与波峰的接触时间,倾斜角度越大,每个焊点接触波峰的时间越短,焊接时间就短;倾斜角度越小,每个焊点接触波峰的时间越长,焊接时间就长。适当加大印制板爬坡角度还有利于焊点与焊料波的剥离。当焊点离开波峰时,如果焊点与焊料波的剥离速度太慢,容易造成桥接。适当的波峰高度使焊料波对焊点增加压力和流速有利于焊料润湿金属表面、流入小孔,波峰高度一般控制在印制板厚度的2/3处。
 
 
五、工艺参数的综合调整
    工艺参数的综合调整对提高波峰焊质量是非常重要的。
    焊接温度和时间是形成良好焊点的首要条件。焊接温度和时间与预热温度、焊料波的温度、倾斜角度、传输速度都有关系。综合调整工艺参数时首先要保证焊接温度和时间。双波峰焊的第一个波峰一般在235~240℃/1s左右,第二个波峰—般在240-260℃/3s左右。
    焊接时间=焊点与波峰的接触长度/传输速度
    焊点与波峰的接触长度可以用一块带有刻度的耐高温玻璃测试板走一次波峰进行测量。
    传输速度是影响产量的因素。在保证焊接质量的前提下,通过合理的综合调整各工艺参数,可以实现尽可能的提高产量的目的。
3.6波峰焊接质量要求
 一、焊点外观
    焊接点表面应完整、连续平滑、焊料量适中,无大气孔和砂眼:
二、润湿性
    焊点润湿性好,呈弯月形状,插装元件润湿角θ应小于90°,以15~45°为最好,见图3-4(a)。片式元件闰湿角θ小于90°,焊料应在片式元件金属化端头处全面铺开,形成连续均匀的覆盖层,见图3-4(b):
三、漏焊、虚焊和桥接等缺陷应降至最少:
四、元件体
    焊接后贴装元件无损坏、无丢失、端头电极无脱落:
五、插装元件
    要求插装元器件的元件面上锡好(包括元件引脚插装孔和金属化孔);
六、PCB表面
焊接后印制板表面允许有微小变色,但不允许严重变色,不允许阻焊膜起皱、起泡和脱落。

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