手工手浸波峰焊设备与工艺Word格式文档下载.docx
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实际生产中还要注意不要把无铅锡丝熔点的上升幅度全部转移到烙铁头上,问题的关键不在于温度的高低,而在于要能够以最快的速度传给焊点所需的热量,因此是否拥有加热焊件所需的足够热量,烙铁头的形状是否与焊接物相符等成为解决问题的重点。
钎料线径规格的不同,焊接温度的平衡性也会有所差异,一般情况下钎料线径越粗,烙铁的热量越易被夺取,应尽量选用细丝。
对于焊接区的润湿不良,可以通过添加焊剂或变动烙铁头来进行改善和修正,也可选择更强活性焊剂的焊丝,但是焊后注意清洗。
建议采用恒温电烙铁,这样既保证足够的焊接温度,又不会因电烙铁温度过高损伤元件。
恒温电烙铁要具有很好的回温性能,这一点对于IC元件引脚的拖焊非常重要。
这是因为如果回温性能不好,拖焊后面的焊点时,烙铁头温度严重下降易产生拉尖现象。
一般手工焊工序:
准确合适烙铁头→烙铁头接触被焊件→送上钎料丝→钎料丝脱离焊点→烙铁头脱离焊点。
线路板上高可靠性焊接所需时间一般不会超过3s,无铅手工焊焊前需先对焊丝进行3-4s的预热处理,然后把烙铁头及熔融焊丝一起接触被焊件,时间在1.5s较为适宜,最多不超过2s,否则高温易损伤被焊件及导线绝缘层,且产生过热现象导致通孔内铜箔开裂,造成焊点表面粗糙、发黑、不亮和扩展性不好等缺陷。
短时间内完成焊接,快速移走烙铁头还可防止如图36(b)中拉尖等缺陷,预热时注意焊丝和烙铁头的接触位置,如图37所示,焊丝要与烙铁头最大面积接触,充分吸收热量,一方面使焊丝快速熔化,另一方面使烙铁头起到良好保护。
使用手浸锡炉应注意事项
(二)
手浸型锡炉在使用过程中,如果不注意保养或错误操作易造成冷焊﹑短路﹑假焊等各种问题。
本文就手浸型锡炉常见问题及相应对策简述如下:
一、助焊剂的正确使用。
助焊剂的质量好坏往往会直接影响焊接质量。
另外,助焊剂的活性与浓度对焊接也会产生一定的影响。
倘若助焊剂的活性太强或浓度太高,不但造成了助焊剂的浪费,在PCB板第一次过锡时,会造成零件脚上焊锡残留过多,同样会造成焊锡的浪费。
若助焊剂调配的太稀,会使机板吃锡不好及焊接不良等情况产生。
调配助焊剂时,一般先用助焊剂原样去试,然后逐步添加稀释剂,直至再添加稀释剂焊接效果会变差时,再稍稍添加助焊剂,然后再试直至效果最好时为止,这时用比重计测其比重,以后调配时可把握此值即可;
另外,助焊剂在刚倒入助焊槽使用时,可不添加稀释剂,待工作一段时间其浓度略为升高时,再添加稀释剂调配。
在工作过程中,因助焊剂往往离锡炉较近,易造成助焊剂中稀释剂的挥发,使助焊剂的浓度升高。
所以应经常测量助焊剂的比重,并适时添加稀释剂调配。
二、PCB板浸入助焊剂时不可太多,尽量避免PCB板板面触及助焊剂。
正常操作应是:
助焊剂浸及零件脚的2/3左右即可。
因为助焊剂之比重较及焊锡小许多,所以零件脚浸入锡液时,助焊剂会顺着零件脚往上推,直至PCB板面。
如果浸及助焊剂过多,不但会造成锡液上助焊剂对有残留污垢影响锡液的质量,而且会造成PCB板反正面都有大量助焊剂残留。
如果助焊剂的抗阻性能不够或遇潮湿环境及易造成导电现象,影响产品质量。
三、浸锡时应注意操作姿势。
尽量避免将PCB板垂直浸入锡液,当PCB板垂直浸入锡面时,易造成“浮件”产生。
另外容易产生“锡爆”(轻微时会有“扑”“扑”的声音,严重的会有锡液溅起。
主要原因是PC板浸锡前未经预热。
当PCB板上有零件较为密集时,会有冷空气遇热迅速膨胀。
从而产生锡爆现象)。
正确操作应是将PCB板与锡液表面呈30°
斜角浸入,当PCB板与锡液接触时,慢慢向前推动PCB板,使PCB板与液面呈垂直状态,然后以30°
角拉起。
四、波峰炉由马达带动,不断将锡液通过两层网的压力使其喷起,形成波峰。
这样使锡铅合金始终处于良好的工作状态。
而手动型锡炉属静态锡炉,因为锡铅的比重不同。
长时间的液态静置会使锡铅分离,影响焊接效果。
所以建议客户在使用过程中应经常搅动锡液(约每两个小时左右搅动一次即可)。
这样会使锡铅合金充分融合,保证焊接效果。
另外,在大量添加锡条时,锡液的局部温度会下降,应暂停工作。
等锡炉温度回复正常后开始工作。
最好能有温度计直接测量锡液的温度。
因为有些锡炉长期使用已逐渐老化。
仪表所显温度与实际温度有差;
这些都是手浸锡炉工作中应注意的问题。
无铅焊接技术(三)
1.无铅焊接技术的发展趋势
随着欧盟RHS关于2006年7月1日无铅化期限的逼近,日本知名的电子产品制造商:
PANASONIC/NATIONAL、SONY、TOSHIBA、PIONEER、NEC等,从2000年开始导入无铅化制程,至今已基本实施无铅化制造,在日本及欧美市场上推出"
绿色环保"
家电产品。
中国政府已于2003年3月由信息产业部拟定《电子信息产品生产污染防治管理法》自2006年7月1日禁止电子产品含铅(Pb)。
因此,出于对环保的考虑,市场发展趋势是使用含铅焊料的电子产品将无法进入市场。
对于电子组装企业来说,无铅焊接技术的应用已经是摆在企业面前必须解决的现实问题。
2.无铅焊接技术的工艺特点
电子产品制造业实施无铅化制程需面临以下问题:
1)焊料的无铅化;
2)元器件及PCB板的无铅化;
3)焊接设备的无铅化。
1)
焊料的无铅化
到目前为止,全世界已报道的无铅焊料成分有近百种,但真正被行业认可并被普遍采用是Sn-Ag-Cu三元合金,也有采用多元合金,添加In,Bi,Zn等成分。
现阶段国际上是多种无铅合金焊料共存的局面,给电子产品制造业带来成本的增加,出现不同的客户要求不同的焊料及不同的工艺,未来的发展趋势将趋向于统一的合金焊料。
(1)熔点高,比Sn-Pb高约30度;
(2)延展性有所下降,但不存在长期劣化问题;
(3)焊接时间一般为4秒左右;
(4)拉伸强度初期强度和后期强度都比Sn-Pb共晶优越。
(5)耐疲劳性强。
(6)对助焊剂的热稳定性要求更高。
(7)高Sn含量,高温下对Fe有很强的溶解性
鉴于无铅焊料的特性决定了新的无铅焊接工艺及设备
2)元器件及PCB板的无铅化
在无铅焊接工艺流程中,元器件及PCB板镀层的无铅化技术相对要复杂,涉及领域较广,这也是国际环保组织推迟无铅化制程的原因之一,在相当时间内,无铅焊料与Sn-Pb的PCB镀层共存,而带来"
剥离(Lift-Off)"
等焊接缺陷,设备厂商不得不从设备上克服这种现象。
另外对PCB板制作工艺的要求也相对提高,PCB板及元器件的材质要求耐热性更好。
3)焊接设备的无铅化
由于无铅焊料的特殊性,无铅焊接工艺进行要求无铅焊接设备必须解决无铅焊料带来的焊接缺陷及焊料对设备的影响,预热/锡炉温度升高,喷口结构,氧化物,腐蚀性,焊后急冷,助焊剂涂敷,氮气保护等。
A)无铅焊接要求的温度曲线分析:
通过上述曲线图和金属材料学知识,我们了解到为了获得可靠、最佳的焊点,温度T2最佳值应大于无铅锡的共晶温度,锡液焊接温度控制在250±
20度(比有铅锡的温度要求更严),一般有高可靠要求的军用产品,△T<300C,对于普通民用产品,建议温差可放宽到△T2<50度(根据日本松下的要求);
预热温度T1比有铅焊要稍高,具体数值根据助焊剂和PCB板工艺等方面来定,但△T1必须控制在50度以内,以确保助焊剂的活化性能的充分发挥和提高焊锡的浸润性;
焊接后的冷却从温度T3250度降至温度T4100~150度,建议按10~150度/S的降幅梯度控制;
温度曲线在时间上的要求主要是预热时间t1、浸锡时间t2、t3及冷却时间t4,这些时间的具体数值的确定要考虑元器件、PCB板的耐热性及焊锡的具体成份等多方面因素,通常t1在1分钟左右,t2+t3在3~5S之间。
B)从以上温度曲线分析可确定设备的结构及控制要求:
预热方式
预热时间t1在1分钟左右输送PCB板的速度1.2m/min,预热长度要保障1.2M以上;
为保障预热的热稳定性预热结构必须采用封闭式的结构,预热方式建议采用:
1)热风预热方式;
2)远红外线发热管方式;
3)陶瓷发热管(或不锈钢发热管) 。
从国内外设备厂研制的波峰焊及客户使用分析,采用第2种远红外线发热管方式比较理想,因为发热原理是一种红外线辐射,可提高热效率,如果在发热管上部再覆盖耐高温陶瓷玻璃,效果会更佳,安全可靠,避免松香滴落在发热管上,日东公司生产的设备已有2000台使用此种方式(自1998年),特别是针对无铅波峰焊又开发一种新的控制方式:
PID+模拟量调压方式,解决传统ON-OFF控制方式对温度的冲击,达到较佳的预热曲线,保证预热区与焊接取的温度下降值在50度以内。
如果预热区分成2温区或3温区长度1.6M,焊接预热工艺将灵活。
当然针对某些产品适合用热风预热方式。
锡炉喷口
要克服无铅焊料润湿性(铺展能力)差给焊接带来的缺陷,需要4秒以上的浸锡时间,如果采用双波峰焊接,两波峰之间的最低温度要在200度以上锡炉喷口结构必须能达到符合以上的温度曲线,设备厂家通过加宽喷口设计,减少两波峰间距来实现。
由于高Sn含量的无铅焊料更易氧化,另外无铅焊料的成本较高,控制锡氧化物生成量是焊接设备厂家必须考虑的问题,一些国内外的厂家已推出新的波峰喷口结构,氧化物生成量同过去相比减少一倍,日东公司在日本松下公司的协助下推出的无摇动双波峰喷口结构已广泛应用到包括松下公司在内的众多日本公司及国内知名公司,并得到客户的认可。
腐蚀性
无铅焊料的高Sn含量,在高温下对Fe有佷强的溶解能力,传统的波峰焊焊料槽及喷口大多数采用不锈钢材料,从而发生溶解反应,随着时间的推移,最终导致部件的溶蚀损坏,特别是喷口及叶轮部件。
现在国外大多数厂家的焊锡槽采用铸铁并镀防护层,国内大多数厂家采用钛合金材料。
氧化
同Sn-Pb合金焊料相比,高Sn含量的无铅焊料在高温焊接中更容易氧化,从而在锡炉液面形成氧化物残渣(SnO2),过多的氧化物不但影响焊接品质,而且使焊料成本浪费,尤其是对现在昂贵的无铅焊料。
多数设备厂家采用改善锡炉喷口结构来减少氧化物,例如上面提到的日东公司的新款喷口。
当然最好的对策是加氮气保护,氮气保护系统设备前期投入较大,如果从长远利益考虑是合理的。
国内外佷多设备厂家都已推出氮气保护的波峰焊,技术已成熟。
焊后急冷却
在无铅焊接工艺应用,通孔基板的波峰焊接时常常会发生"
剥离"
缺陷(Lift-off,或Filletlifting),产生的原因在于冷却过程中,焊料合金的冷却速率与印刷电路板的冷却速率不同所致。
无铅化推广前期,无铅焊料与镀有Sn-Pb的元器件会有一段时间共存,如果采用的是含Bi无铅焊料此种现象更为突出,解决对策是在波峰焊出出口处加冷却系统,至于冷却方式及冷却速率的要求要根据具体情况而定,因为冷却速率超过60度/SEC.设备冷却系统要采用冷源方式,大多数采用冷水机或冷风机,国外的研究有提到用冷液方式,可达到200℃/SEC.以上的冷却效果,成本非常高,对于大规模电子产品生产厂家是无法承受的,属于早期实验,真正被推广应用的,在日本大多数厂家采用全无铅化方案(焊料/元器件/基板等全部无铅化),设备冷却结构采用强制自然风冷却,对于国内电子产品生产厂家,建议采用Sn-Ag-Cu合金或Sn-Cu合金的焊料,快速冷却速率控制在6~80度/SEC.或8~120度/SEC.,冷却方式采用自然风强制冷却或带冷水机冷源的方式。
助焊剂
无铅焊料的特殊性,在焊接工艺中必须是对应的助焊剂相匹配,基于环保的考虑,醇类溶剂的降低使用,逐步推广VOC-FREE环保助焊剂.
由于无铅焊料润湿性差,克服焊接缺陷在佷大程度上要通过助焊剂成分及喷雾方式来改变,传统的发泡是喷雾结构已不适应现在的工艺,喷雾结构一些设备厂家经过改良,一些厂家喷雾移动采用步进马达方式,助焊剂供给采用衡压系统,强力抽风过滤系统,目的是使喷雾效果均匀,降低挥发性物质的排放量.
无铅波峰焊接工艺技术(四)
波峰焊是借助于机械泵使熔融钎料不断垂直向上地朝喷嘴涌出,形成20-40mm高的波峰。
钎料以一定压力和速度作用于电路板完成焊接过程。
图21为传统波峰焊工艺转变的参数变化,除了传输速度减小外,其他参数均大于或相似于传统工艺。
1焊剂涂覆系统
免清洗焊剂普遍应用于无铅化电子组装中,其溶剂包括水、甲醇、乙醇、异丙醇和丁醇(见表6)固体含量低于5%,一般为2%左右,发泡式涂覆方式缺乏过程控制、溶剂蒸发严重,比重很难控制,易造成非均匀形核,常需要标定焊剂比重(多为0.808-0.815μg/cm3)及更换焊剂。
由于醇基焊剂的挥发对环境不利,目前市场对无VOC水基免清洗焊剂的需求较大,采用喷雾方式效果较好。
水基焊剂由于成本高,要求更少的剂量,减少了30%,并需增强的喷雾法使雾滴更加细小,得到平稳的焊剂分布,传统喷雾方式基于空气压力调整,喷嘴直径0.6-1.0mm,为了降低喷涂量而使用细喷嘴容易发生堵塞。
附带超声装置的喷嘴自带有雾化作用,喷嘴直径一般在2.54mm左右,不易堵塞。
焊剂涂覆量和均匀性对于焊点质量非常重要,涂覆量的检测一般可采用称质量法,单位为μg/cm3,普通焊剂流量通过手动流量调节阀来调节,先进焊剂流量通过精密机械泵来控制,涂层厚度可控制在1.5μm左右,涂敷均匀性一般采用两块金属板夹住一具有化学敏感性的纸张(一般选择传真纸),面向喷雾设备的金属板预先开好特定的焊盘孔,进行喷雾过程后根据纸张上颜色或灰度值大小进行判断涂敷的均匀性以及是否有严重的重复涂敷。
对于无铅高密度组装要求,还需减小喷射角度以更好地浸透过孔壁,一般选择45度较好。
2预热系统
图22为无铅与有铅波峰焊工艺曲线对比,无铅波峰焊预热区温度爬升斜率一般小于2摄氏度/秒,温度由110-130摄氏度升高为120-150/160摄氏度,预热区长度由1.2m增加至1.5m或1.8m,用以满足预热温度比波峰温度低100摄氏度的基本原则,如果PCB在高的预热温度下易发生变形,则采用较低预热温度,为了保证充足的预热就需较长的预热区,PCB上表面最高预热温度有铅工艺一般为110摄氏度,无铅工艺一般为130摄氏度,对多层板预热不足时,有必要安装顶部预热单元。
图23为不同预热方式,不锈钢发热管发热不均匀,热冲击大,而且容易引起PCB上滴落焊剂着火。
红外预热采用热板式或高温烧结陶瓷管或波长为2.5-5μm的远红外射线管加热,水基免清洗焊剂挥发相对醇基额外需要50%的能量,使用红外预热技术效果较差,强制热风对流技术最有效的方法,其具有良好的温度均匀性并且加快焊剂的挥发,减少焊后残余。
3波峰喷嘴
混装工艺中由于表面组装元件没有通孔插件那样的安装孔,焊接产生的气体无处散逸,加上贴装元件有一定的高度和宽度,且组装密度较大(5-8件/cm2),易产生评比效应,为此开发双波峰方式,前波较窄,波高宽比大于1,峰端有2-4排交错排列的扰动小波峰,利于气体排放,实现相同浸润,且垂直向上的力防止遮蔽效应,后波为双向宽平波,一般6-10mm,可以去除多余钎料,消除毛刺、桥连等缺陷,还可调节波型保证印刷电路板在流动速率最小点处脱离钎料波峰,进行最大限度地抑制桥连和毛刺等焊接缺陷的产生。
无铅波峰工艺中,焊炉温度升高到255-265摄氏度,温度控制精度小于±
2摄氏度,波峰与预热区之间温度差不大于100摄氏度,两波峰之间温度跌落不超过50摄氏度,高可靠产品不超过30摄氏度,为了满足以上工艺要求,波峰与预热区之间安装热补偿设备,两波峰喷嘴距离缩减到70mm或60mm,两波峰之间距离缩减到30mm。
此外,无铅工艺中还要求扰动波接触时间为0.8s,平波接触时间为3.5-4s,最小也不得低于3s,相比传统0.5s和2.6s而言,焊接时间延长,图24和25为相应的双波峰喷嘴已单波峰喷嘴结构的改动,其中扰流波变为3排或4排孔。
无铅钎料氧化严重,波峰喷嘴需进行防氧化和氧化渣分流设计,新型波峰焊喷嘴结构如图26所示,全新的锡渣分离设计,使氧化渣自动聚积流向边缘,流动波峰部位无飘浮的氧化锡渣,通过逐步优化喷嘴,使实际钎料波接近于最佳流动特性,从而使锡球出现率降低最低程度,使用氮气时效果更明显,此外,钎料槽维护与清洗工作也得到了很大的改进。
4波峰高度 波峰高度对焊接质量有很大影响,波峰焊时,通孔元件插装孔内上锡不足,高度达不到75%板厚要求,如图27,形成原因除焊盘孔径设计、焊剂选择和部分工艺参数设计外,还与过低的波峰高度有关,但波峰高度过高容易在PCB上板面形成锡球。
以1.6mm厚PCB为例,第一波峰高度应高于PCB底面0.8-1.6mm,最佳为1.5mm,第二波峰高度应高于PCB地面0.1-0.8mm,最佳为0.5mm。
5钎料槽选择
无铅钎料很容易导致不锈钢材料的钎料槽腐蚀,一般连续工作三个月就会发生漏锅现象,不锈钢耐腐蚀的根本原因在于其表面的氧化铬保护层可以有效阻挡钎料腐蚀,但高Sn含量的无铅钎料对这层氧化铬有很强的溶解能力,一旦失去该保护层,内部的不锈钢基体就很快被溶蚀,波峰焊设备中与无铅钎料接触的地方,必须采用适当的抗腐蚀材料,表7为几种材料方案性能对比,钎料槽里面的叶轮、输送管和喷嘴用材料多为钛和钛合金和表面渗氮不锈钢,钎料槽用材料多为钛及钛合金,铸铁和表面渗氮不锈钢。
6杂质元素控制
表8为无铅钎料中污染元素含量上限要求,实际生产过程中,对钎料槽中Cu、Pb、Fe杂质要进行严格控制。
钎料中的Cu主要来源于电路板镀层和元件镀层,SAC合金更趋向于溶解铜,速度是SnPb合金的2倍,是SnCuNi合金的3.5倍,使用SnCu钎料要密切注意Cu的含量,由图28SnCu合金相图可以看出:
当Cu成分改变0.2%时,熔点增加6℃;
成分改变0.25%时,就产生Cu6Sn5结晶体;
成分改变0.3%时,就会明显出现桥连缺陷,需要清理,成分改变1%,熔点增加25℃,即要更换钎料,Cu6Sn5化合物不能使用传统"
密度排铜法"
(190℃/8h)来清除,应该通过选择合适的钎料勾兑的方法,否则须更换钎料。
7氮气保护 如图29所示,无铅钎料在空气中焊接形成的气孔和夹杂等缺陷较多,尤其在通孔焊中,无铅焊接工艺中,常常在钎料槽部分增加如图30氮气保护装置。
氮气保护具有以下优点:
改善润湿性,使焊点更光亮,降低锡尖和桥连等缺陷,进而减少修补时间以及人工费用,促进润湿进而降低焊剂使用量,减少印刷电路板表面残余物;
增加生产线正常运行时间,降低锡渣量,节省钎料成本及处理锡渣带来的人工费用;
让使用中性焊剂成为可能。
大量工艺研究发现:
当氧含量为1×
10-3时,锡渣量可以减少一半左右。
8 快速冷却
无铅波峰焊工艺中,冷却速率业界一般要求为6-8℃/s或8-12℃/s。
理论上冷却主要影响焊点的晶粒度、IMC形态和厚度、低熔共晶和偏析和剥离现象产生,但实际生产过程中焊点在离开波峰到达冷却区之前温度已经下降到熔点以下,冷却区并不能起到理论作用,波峰焊工艺中增加强制冷却还会产生表面裂纹的趋势,其主要作用为降低组件焊后温度方便搬拿。
9传输系统 链条传输系统必须平稳,并维持一个恒定的速度,且传输速度和角度可以进行控制,轨道传输速度范围一般在1.2-1.4m/min,轨道倾角一般控制在5-7°
之间,另外,对于大尺寸PCB,传输系统还应增加线支撑来预防PCB变形。
对于无铅工艺带来的新问题,需要从PCB设计、焊剂活性和涂覆量,波峰温度及高度、导轨倾角等各方面综合考虑,进行调节以实现最优设计,比如从焊盘设计入手,改变形状和孔径尺寸,如图31所示。
波峰焊接工艺技术(五)
作为一种传统焊接技术,目前波峰焊依然在电子制造领域发挥着积极作用。
本文介绍了波峰焊接技术的原理,并分别从焊接前的质量控制、生产工艺材料及工艺参数这三个方面探讨了提高波峰焊质量的有效方法。
波峰焊是将熔化的焊料,经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰,使预先装有电子元器件的印制板通过焊料波峰,实现元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。
波峰焊用于印制板装联已有20多年的历史,现在已成为一种非常成熟的电子装联工艺技术,目前主要用于通孔插装组件和采用混合组装方式的表面组件的焊接,图1是典型波峰焊外观图
1波峰焊工艺技术介绍
波峰焊有单波峰焊和双波峰焊之分。
单波峰焊用于SMT时,由于焊料的“遮蔽效应”容易出现较严重的质量问题,如漏焊、桥接和焊缝不充实等缺陷。
而双波峰则较好地克服了这个问题,大大减少漏焊、桥接和焊缝不充实等缺陷,因此目前在表面组装中广泛采用双波峰焊工艺和设备。
双波峰焊的结构组成见图2。
波峰锡过程:
冶具安装→喷涂助焊剂系统→预热→一次波峰→二次波峰→冷却。
下面分别介绍各步内容及作用。
1.1冶具安装
冶具安装是指给待焊接的PCB板
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