无铅波峰焊接工艺

无铅波峰焊接工艺

介绍无铅波峰焊工艺的特点，并从波峰焊接工艺流程分别介绍了无铅波峰焊设备的各个子系统。从无铅焊料的润湿性、易氧化性、金属间化合物的形成特点等方面分析了无铅焊接相对于锡铅焊接的工艺特点，提出了无铅焊接过程中应注意的问题及解决的方法。

从无铅焊接工艺特点分析，整个波峰焊接过程是一个统一的系统，任何一个参数的改变都可能影响焊接接头（焊点）的性能。通过分析需要对波峰焊接过程中的参数进行优化组合，得到优良的焊接接头。

综观整个波峰焊工艺过程，包括助焊剂涂敷系统、预热系统、波峰焊接系统、冷却系统和轨道传输系统。每个系统对整个焊接工艺来说都是非常重要的，直接影响到PCB焊接的质量。

在得到一个良好的波峰焊焊接质量来说，还需要有最重要的三点：被焊件的可焊性、焊盘的设计、焊点的排列。这三个条件是最基本的焊接条件。

下面我们就波峰焊的各个系统进行逐个的分析：

一：助焊剂涂敷系统

无铅波峰焊助焊剂采用的涂敷方法主要有两种：发泡和喷雾。在此我们主要介绍一下喷雾，喷雾法是焊接工艺中一种比较受欢迎的涂敷方法，它可以精确地控制助焊剂沉积量。助焊剂喷雾系统是利用喷雾装置，将助焊剂雾化后喷到PCB 上，预热后进行波峰焊。影响助焊剂喷量的参数有四个：基板传送速度、空气压力、喷嘴的摆速和助焊剂浓度。通过这些参数的控制可使喷射的层厚控制在1-10微米之间。

对于无铅波峰焊来说，由于无铅焊料的润湿性比有铅焊料要差，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。在选择助焊剂时还应考虑无铅PCB的预涂层和无铅焊料的润湿性。波峰焊设备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。当助焊剂的涂敷量过大时，就会使PCB 焊后残留物过多，影响外观。另外过多的助焊剂在预热过程中有可能滴落在发热管上引起着火，影响发热管的使用寿命，当助焊剂的涂敷量不足或涂敷不均匀时，就可能造成漏焊、虚焊或连焊。

二：预热系统

在基板涂敷助焊剂之后，首先是蒸发助焊剂中多余的溶剂，增加粘性。这就要在焊接前进行预热基板。如果粘性太低，助焊剂会被熔融的锡过早的排挤出，造成表面润湿不良。干燥助焊剂也可加强其表面活性，加快焊接过程。在预热阶段，基板和元器件被加热到100-105℃，使基板和熔融接触时降低了热冲击，减少基板翘曲的可能。

在通过波峰焊接之前预热，有以下几个理由：

1.提升了焊接表面的温度，因此从波峰上要求较少的温带能量，这样有助于助

焊剂表面的反应和更快速的焊接。

2.预热也减少波峰对元器件的热冲击，当元器件暴露在突然的温度梯度下时可

能被削弱或变成不能运行。

3.预热加快挥发性物质从PCB上的蒸发速度。这些挥发性物质主要来自于助焊

剂，但也有可能来自较早的操作、储存条件和处理。挥发物在波峰上的出现可能引起焊锡飞溅和PCB上的锡球。

控制预热温度梯度、预热温度和预热时间对于达到良好的焊接质量是关键的。

保证助焊剂在适当的时间正确地激发和保持，直到PCB离开波峰。预热必须将PCB带到足够高的温度，以提供正在使用的助焊剂的活性化。多数助焊剂供应商会推荐预热温度参考值。

对于任何助焊剂，不足的预热时间和温度将造成较多的焊后残留物，或许活性不足，造成润湿性差。预热低也可能导致焊接时有气体放出造成焊料球，当在波峰前没有提供足够的预热来蒸发水分时，液体溶剂到达波峰时容易造成焊锡飞溅。当预热温度过高或预热时间过长，导致助焊剂有可能在到达波峰之前就已经作用。助焊剂在波峰上的主要作用是降低焊锡的表面张力，提高润湿性。如果助焊剂的活性成分过早的挥发，则可能造成桥连或冰柱。最佳的预热温度是在波峰上留下足够的助焊剂，以帮助在PCB退出波峰时焊锡从金属表面的剥落。

波峰焊预热温度的高低与时间的长短是由所生产的板材来设置的。一般单面板所需温度在70-90℃；双面板所需温度在100-120之间。时长1-3分钟。

目前波峰焊机基本上采用热辐射方式进行预热，最常用的波峰焊预热方法有强制热风对流、电热板对流、电热棒加热及红外线加热等。

三：波峰焊接系统

波峰焊的焊接机理是将熔融的液态焊料，借助动力泵的作用，在焊料槽液面形成特定形状的焊料波，插装了元器件的PCB置于传送带上，经过某一特定的角度以及一定的浸入深度穿过焊料波峰而实现焊点焊接的过程。

焊料波的表面被一层均匀的氧化皮覆盖，它在沿焊料波的整个长度方向上几乎都保持静态，在波峰焊接过程中，PCB接触到焊料波的前沿表面，氧化皮破裂，PCB前面的焊料波跟着推向前进，这说明整个氧化皮与PCB以同样的速度移动。

当PCB进入波峰面前端时，基板与引脚被加热，并在未离开波峰面之前，整个PCB浸在焊料中，即被焊料桥联，但在离开波峰尾端的瞬间，少量的焊料由于润湿力的作用，粘附在焊盘上，并由于表面张力的原因，会出现以引线为中心收缩至最小状态，此时焊料与焊盘之间的润湿力大于两焊盘之间的焊料的内聚力。因此会形成饱满、圆整的焊点，离开波峰尾部的多余焊料，由于地球引力的原因，回落到锡炉中。

1.锡炉温度

焊接温度并不等于锡炉温度，在线测试表面，一般焊接温度要比锡炉温度低10℃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润湿时间和最大润湿力。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，但差别不大。

波峰焊锡炉的温度对焊接质量影响很大。温度若偏低，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焊接缺陷，失去波峰焊接所应具有的优越性；若温度偏高，有可能造成元器件受高温而损坏，同时温度偏高亦会加速无铅焊料的表面氧化。

2. 波峰高度

波峰高度的升高和降低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PCB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PCB在焊接时间内得到均匀的焊接。当波峰偏高时，表明泵内液态焊料的流速增大。易导致波峰不稳定，造成PCB漫锡，损坏PCB上的电子元器件，但对于波峰上PCB的压力增大，这有利于焊缝的填充，不过容易引起拉尖、桥连等焊接缺陷。同时还会加速造成焊锡表面氧化。波峰偏低时，泵内液态焊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，焊点不饱满等缺陷。波峰高度通常控制在PCB板厚度的1/2-2/3，其焊点的外观和可靠性达到最好。

3. 浸锡时间

被焊表面浸入和退出熔化焊料波峰的速度，对润湿质量、焊点的均匀和厚度影响很大。焊料被吸收到PCB焊盘通孔内，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。当锡炉温度在250℃-260℃左右，焊接温度在245℃左右，焊接时间应在3-5秒左右。也就是说PCB某一元件引脚与波峰的接触时间为3-5秒，但由于室内温度的变化、助焊剂的性能和焊料的温度不同，接触时间有所不同。

四：冷却系统

在无铅焊接工艺过程中，通孔基板波峰焊接时常常会发生剥离缺陷，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。

焊后的冷却速度主要从三方面影响钎焊焊点的可靠性，分别是：

1.影响焊点的晶粒度。

2.影响界面金属化合物的形态和厚度。

3.影响低熔点共晶的偏析。

4.1 冷却速度对焊点晶粒度的影响

在低于合金熔点时，由于液相的自由能高于固相晶体的自由能，液相向固相的转变伴随着能量的降低，结晶才可能发生。液体金属的冷却速度愈大；结晶的过冷度愈大；自由能差愈大，结晶倾向就愈大。

晶粒大小对合金的性能有很大的影响，一般情况下，晶粒愈细小，金属的强度愈高、塑性和韧性也愈好。

4.2 冷却速度对界面金属间化合物厚度的影响

波峰焊接过程中，由于焊料与母材之间存在溶解、扩散和化学反应等相互作用，使得焊点的成分和组织与焊料原始成分和组织差别很大。焊点基本上由三个区域组成：母材上靠近界面的扩散区、焊缝界面区和焊缝中心区。

A：扩散区是焊料合金元素向母材扩散形成的组织。

B：焊缝中心区由于母材的溶解、焊料合金元素的扩散以及结晶时的偏析，组织也与原始焊料有所不同。

C：界面结合区是母材边界与焊缝中心区的过渡层，界面区形成的固溶体或金属间化合物建立了焊缝与母材表面之间的结合，因此，界面区组织对焊点的性能影响很大。

4.3 冷却速度对低熔点共晶偏析的影响

在实际焊接冷却过程中，由于无铅焊料成分的不同，焊点在冷却过程中合金内部尤其是固相内部的原子扩散不均匀，会使先结晶与后结晶相的溶质含量不同，形成枝晶偏析。因此，结晶过程中都会发生不同程度的偏析。

焊点结晶过程中由于化学成分不均匀、枝晶偏析的存在，容易导致焊接缺陷

的产生，另外由于低熔点共晶的存在，冷却过程中焊点内部产生内应力，容易导致焊接裂纹的产生。严重影响焊点的机械性能和抗腐蚀性能。为了减少焊接缺陷的产生，提高焊点的可靠性，可从两方面抑制合金偏析：

A：使用固液共存领域幅度小的合金焊料，减少偏析。

B：提高冷却速度，使焊料合金来不及产生偏析就已经凝固。

五：轨道传输系统

传输带是一条安放在滚轴上的金属传送带，它支撑PCB移动着通过波峰焊接区域。在该类传输带上，PCB组件通过金属机械手予以支撑，托架能够进行调整，以满足不同尺寸类型的PCB需求。波峰焊接设备的传输带控制着PCB通过每个工艺处理过程的速度和位置。为此，传输带必须运行平稳，并维持一个恒定的速度。传输带的速度和角度可以进行控制，通过倾角的调节，可以控制PCB与波峰面的焊接时间，适当的倾角，有助于液态焊料与PCB更快的脱离，使之返回锡炉内，当倾角太小时，容易出现桥连等焊接缺陷，而倾角过大，容易产生虚焊。轨道倾角应控制在4-7度之间，焊接效果最好。

轨道传输速度在波峰焊接过程中是一个非常重要的参数，因为它的改变将影响整个焊接温度曲线。当其他参数不变时，随着轨道传输速度的改变，PCB上助焊剂的喷雾量、预热温度、浸锡时间、冷却速度都将改变。选择适当的传输速度对焊接质量的影响是非常重要的，当传输速度太快时，PCB上助焊剂的涂敷量不足，以及预热温度不够，在焊接过程中容易产生润湿不良，导致上锡量不足、漏焊、拉尖等焊接缺陷。当传输速度太慢时，预热时间太长，导致助焊剂过度挥发，同样导致上锡不足、漏焊，而且浸锡时间过长，容易导致桥连，甚至导致电子元器件的损坏。一般轨道传输速度的范围在1.1-1.5m/min。

六：总结

无铅波峰焊接是一个系统工程，除上述原因将直接影响焊接品质外，还有就是应该注意线路板的材质、线路板与元器件的镀层、焊盘设计、焊点排列及线路板和元器件的可焊性也将影响焊接质量。