波峰焊技术讲座分析

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波峰焊技术
三、PCB图形设计的影响分析
1. PCB图形设计的正确性对波峰焊接效果的影响 PCB图形设计的好坏，是造成波峰焊接中拉尖、桥连、堆锡、 透锡不良、焊点吃锡不均匀、少锡、空洞、针孔等缺陷的主要因素 因此，为了确保波峰焊接效果，必须对PCB图形设计施加某些必要 的限制，这是极为重要的，我们往往简单地把出现的各种焊接缺陷 都归罪于波峰焊接设备本身，却忽略了问题的本质。
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波峰焊技术
5 波峰
波峰的作用： (1).实现热传导以提高待焊部位达到润湿温度。
(2) 提供熔融焊料形成润湿及焊料填充。
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波峰焊技术 波峰过程分析
按照波峰焊接过程可分为三个阶段：进波峰、热传导与焊料填充、出波峰。 a. 进波峰 进波峰阶段主要作用是通过波峰与PCB板的冲刷运动使板上大多数助焊剂 待焊表面的保护层、氧化层等被清除，同时是待焊金属与焊料润湿的开始。 b.热传导与焊料填充 这个阶段中，热传导是保证焊料填充的前提，要得到好的焊料填充效果及高可 靠性的焊点，在整个焊接曲线的设置上就必须综合考虑。 c.出波峰 出波峰阶段直接影响焊点的最终形成，焊点完全脱离锡面，锡点在表面张力的 作用下急剧收缩，焊锡完成浸润，温度急剧下降 ，同时形成焊点形状。理论 上，最佳脱离点是波峰焊接过程中对焊点的所有作用力为零的位置 (相当于波 峰面和焊点相对速度为零的位置)。如果焊点和锡面分离速度太快，或者环境 温度太低，PCB设计不良或元件热容量太大时，焊点温度下降太快，容易产 生拉尖和连锡缺陷，因此在焊接设备参数控制时，应尽量延长焊点脱离时间 ，提高环境温度，对减少缺陷有相当大的作用。
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波峰焊技术 波峰焊接过程图示 ：
一
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波峰焊技术 波峰焊接过程分析 ：
剖析PCB板在钎料波峰中的波峰焊接过程可以划分为三个作用区 (以下简称波区) 如图1-7所示： (1) 图中A点是进入波峰的点，因PCB与钎料运动方向相反，所以该点的速度 差最大。因此，在该点处湍流的冲洗作用最大，这有利于从基体金属表面除掉 预热后的助焊剂－锈膜残渣混合物，以使融熔钎料与基体金属直接接触。当达 到润湿温度时，立即产生润湿现象。 (2) 图中的A-B段是热交换区，印制板通过钎料波区时在波峰中的时间必须足 够长，以使在润湿温度下的表面能量能够把溶化的钎料吸附到印制板的表面上 ，从而形成填充良好的焊缝，另外在接合界面上形成所需要的合金层也需要时 间。 (3) 图中B点是从钎料波峰中退出的点，在该点上，以润湿形式表现出来的表 面能量，将使钎料保留在焊缝中，而重力(或钎料的质量)将势必把钎料向下拉 ，这些作用力之间的平衡点必须选择在位于钎料波峰速度零点附近脱离。
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2 润湿机理
润湿角：钎料液相表面和基体金属固相表面所形成的角度.即焊 点边缘切线与焊盘之间的夹角
A=180
A=0
180>A>0
A=180： 完全不润湿 A=0: 完全润湿 180>A>90: 部份润湿 ENP对焊点润湿角的要求是：A<=90
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3 扩散反应
扩散是指在热动力下，原子从一个晶格点阵移动到另一个晶 格点阵的现象。焊接时，伴随着润湿现象，还会出现焊料向母材 基体扩散的现象。 波峰焊接时发生的扩散是一种选择性扩散，在扩散反应时，铅 不发生扩散。 扩散反应的结果是生成合金层IMC（金属间化合物）. 图示：
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助焊剂的分类：
树脂型：低活性(R)类、中等活性(RMA)类、全活性(RA)类。 水溶性：有机酸及盐类、无机酸及盐类、有机胺及盐类。 免清洗：有机溶剂类、无挥发性有机化合物(VOC-free)类。 与树脂型助焊剂和水溶性助焊剂相比，免清洗助焊剂的要求更高：它必须 不影响可焊性的前提下焊后残留物要极少，无腐蚀性、无粘性，且要求具有较高 绝缘电阻值和很低的离子残留量。免清洗助焊剂在焊后保证只留下微量残留物， 焊剂必须采用低固含量体系。 ENP项目所使用的INTERFLUX 2005M为有机溶剂类的免清洗助焊剂。
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波峰焊技术 5.单面板的留孔焊盘
波峰焊时，要求露出孔的焊盘称留孔焊盘，以供焊后补装元器件用。 这可在焊盘圆环上开一个0.5~0.6MM宽的槽即可。
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波峰焊技术 6.SMD焊盘和导线的连接
为保证在波峰焊接中能获得良好的焊点外形和焊盘热量的均衡，在 PCB设计时应遵循如下图形设计规则。
3 扩散反应
IMC连接。 没有IMC就没有良好的焊点连接，IMC是可靠连接的保证。焊盘 材料一般是铜（Cu），焊接时Cu与锡膏中锡（Sn）作用，Cu 向 Sn中扩散，Sn 向Cu中扩散，形成金属间化合物Sn6Sn5，Cu3Sn等 （一般为Cu6Sn5）。 如果高温时间过长，Cu会持续向焊点中扩散。在焊点中形成化 合物，而Cu6Sn5和Cu3Sn都是脆性材料，高温时间长则IMC厚，焊 点的脆性大，可靠性降低。IMC的成长与温度有关，与焊接温度 有关，与板的使用环境温度有关，如果使用温度过高，60℃， 90℃，则IMC仍会增长。 IMC厚度以1.3…3.5较合适。
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波峰焊技术
2 润湿机理
向量等式： F1=F2+F3cosA 附着功W: W=F1+F3-F2 则：W=F2+F3COSA+F3-F2 W=F3(1+COSA) 当F1大于F2和F3水平方向的合力时，焊锡才存在漫流 的润湿作用。 从附着功的公式可得出： 接触角A的越小，则附着功越大，说明钎料的润湿性越 好。
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波峰焊技术 阴影效应:
成因2：高元器件对矮元器件形成挡流： 由于错误的安装设计，造成了如图所示的高元器件对矮元器件的挡流而形成阴影 效应，使得位于阻挡区内的元器件漏焊。
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波峰焊技术 遮蔽效应:
成因：由于SMD贴装在PCB表面上后，在PCB表面和SMC、SMD之间将形成大 的窄缝(特别是高密度安装时更为显著)，在波峰焊接过程中，当PCB基板浸入钎料 波峰焊后，残存在窄缝中的气体受热后膨胀以及助焊剂溶剂挥发等原因，将产 大量的气体而形成气泡。由于SMT所用的PCB，通常过孔很少，所以依附在PCB表 和液态钎料之间的气泡，因找不到排放通道，便在PCB与液态钎料界面上游离。 游离并吸附在需要钎接的部位上时，便在此位置上形成局部气体高压区，阻拦 液态钎料的浸润而形成漏焊，如图所示。
波峰焊技术讲座
一、波峰焊系统简介 二、波峰焊接基本理论 三、PCB图形设计的影响分析 四、波峰焊接缺陷成因及机理分析 五、实例讲解
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波峰焊技术
一 、波峰焊系统简介
1.系统组成
焊接系统按设备进行分类，可分为：浸焊、波峰焊、回流焊、激光焊接、 选择性焊接。 我司所采用的焊接设备为波峰焊和回流焊，本次讲述的为波峰焊接系统。 波峰焊系统组成（以一次性焊接系统为例）：
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波峰焊技术 波峰焊PROFILE:
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波峰焊技术 阴影效应:
成因1：SMD元件本身的挡流 由于SMC/SMD本身高度差别的原因，在波峰焊接中阻挡了迎面而来的液态钎料流， 由于表面张力的影响，液态钎料绕流性质差，因而在元器件的背面形成了液态钎 料无法浸润到的挡流区，造成位于挡流区内的焊点漏焊。
夹送系统 风刀 助焊剂涂覆系统 第二波峰 第一波峰 冷却系统
机板
预热系统
助焊剂流量、密度 控制系统
电气控制系统
波峰钎料发生器 钎料补给系统 热风刀 波峰高度控制
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波峰焊技术 二 焊接系统部件基本功能
1.夹送系统： PCB的载体，以一定的速度和倾角经过波峰焊的各工艺区。常见的结构 有托架式和爪式两种。我司使用的为爪式。 2.助焊剂涂覆系统： 在PUB上均匀涂覆助焊剂，常见的方式有：喷露式，发泡式，波峰式， 发射式，刷涂式等。我司所采用的为喷露式。 3.预热系统： 目的是避免PUB急剧受热，挥发助焊剂中的有机溶剂，激活助焊剂中的 活性物质。常见的波峰焊预热方式有强制热风对流、电热板对流、电热棒 加热及红外加热等剂. 4 钎料发生器： 是波峰焊系统的核心，它按工艺要求提供特定的钎料波形完成焊接过程 。 5 电气控制系统： 对系统各部件的工作进行协调和管理，是整个系统的中枢。 6.风刀：均匀助焊剂在基板的涂覆，清除助焊剂的堆积。 7.热风刀：对波峰后的焊点进行整形，消除连锡缺陷。
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波峰焊技术 7.普通SMD焊盘排列
图中位于左边的SMD引出电极方向，是顺着钎料流动方向排列的，钎 料流经焊盘区时未受阻挡，液态钎料液体回流畅通，因而不易产生桥连。 但位于右边的元器件引出电极取向是横着钎料流动方向的，液体流道不 畅，受阻变向，液体回流不好。“阻影效应”和“遮蔽效应”明显，因 而易产生桥连、漏焊等缺陷。
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波峰焊技术 2. PCB布线取向
良好的PCB布线几乎可以完全消除桥连现象。在普通PCB上，即使非常小的 间隙也可以很安全地进行波峰焊接，只要PCB布线设计是遵循“x-y坐标布线 法”的，而焊接又是沿导线方向进行的，保证不出现桥连的最小导线间隙可 达到0.2mm 对双面或多面PUB，“x-y坐标布线法”最适用。
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2 润湿机理
润湿是熔融焊料在被焊母材表面充分扩展而形成的一个附着层。
液态钎料 助焊剂液体
基体金属
润湿过程动力平衡示意图
F1:基体金属和助焊剂之间的界面张力，即液态金属在基体 金属的润湿力。 F2:液态钎料和基体金属之间的界面张力。 F3:液态钎料和助焊剂之间的界面张力。
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波峰焊技术
母材、焊材、助焊剂之间的关系