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選擇性波峰焊技術(shù)選型

來源：上海銳馳創(chuàng)通電子科技有限公司 2013年05月28日 16:14

摘要

選擇性波峰焊技術(shù)選型，選擇性波峰焊技術(shù)不是一項(xiàng)新工藝，它已經(jīng)在汽車和醫(yī)療產(chǎn)品行業(yè)通孔元件的應(yīng)用上有30年的歷史了。如今，越來越多的制造業(yè)正努力使SMD技術(shù)微型化以便降低PCB板的復(fù)雜性及平衡電路板元件密度，從而保證良好的組裝工藝。說到這里，有人要問，為什么選擇性波峰焊技術(shù)一直沿用至今？難道是因?yàn)樵煽?/span>性，*性和復(fù)雜性才不得不用此技術(shù)么？先記住這個(gè)疑問，下一個(gè)問題就討論哪種平臺(tái)此產(chǎn)品。

本文介紹選擇性波峰焊技術(shù)的評估過程。本文將低成本平臺(tái)和高成本平臺(tái)分別歸為平臺(tái)A和平臺(tái)B。通過對比分析和模擬，本文目的是放大兩種平臺(tái)的本質(zhì)差異。兩種平臺(tái)建立的原理相同，但不同的性能會(huì)對生產(chǎn)率有所影響。了解選擇性波峰焊技術(shù)非常重要，能夠在生產(chǎn)過程中，避免質(zhì)量成本的花費(fèi)及產(chǎn)量缺陷。

研究表明，在焊接工藝中，零件和其功能會(huì)影響焊接的可焊性。本文將對助焊劑噴涂，預(yù)熱，錫槽和噴嘴材料間分析進(jìn)行實(shí)際模擬操作，做出評估。另外，每種平臺(tái)的投資成本也將考慮在內(nèi)。本文旨在為選擇焊接平臺(tái)提供信息，同時(shí)也可為有相同工藝和應(yīng)用需求的制造商提供參考。

關(guān)鍵詞：選擇性焊接，混合技術(shù)，平臺(tái)，制造，指南

簡介

選擇性波峰焊技術(shù)不是一項(xiàng)新工藝，自1980年以來，在有限規(guī)模的生產(chǎn)中，已經(jīng)使用此技術(shù)進(jìn)行通孔元件的應(yīng)用。客戶總是要求在不損害產(chǎn)品質(zhì)量的情況下降低產(chǎn)品價(jià)格，因此，對制造商來說，為特定的產(chǎn)品選擇合適的平臺(tái)是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，需要考慮三個(gè)主要的因素：產(chǎn)量，周期時(shí)間和質(zhì)量。

是有一個(gè)良好的周期時(shí)間，但是許多因素會(huì)影響這個(gè)周期時(shí)間，比如傳送帶設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)置和焊接焊點(diǎn)的數(shù)量。zui后也相當(dāng)重要的是質(zhì)量方面的影響。有幾個(gè)方面影響著產(chǎn)品質(zhì)量，如材料，設(shè)計(jì)，工藝參數(shù)，處理方式和設(shè)備本身引起的錯(cuò)誤。

實(shí)驗(yàn)材料

I. 助焊劑，Alpha Metal SLS65

II. 焊錫條，通過無鉛認(rèn)證的SAC 305

III.PCB板，280×200mm×1.6mm+/-0.2mm包括焊料標(biāo)簽，4層銅，2層墨

IV. PCB夾具（金屬）

焊接概念
本文將工藝平臺(tái)概念分為如下幾類：

圖1 機(jī)器基本概念

圖1 列出了兩種平臺(tái)在選擇性焊接過程中簡單的工藝流程。平臺(tái)A進(jìn)行焊接時(shí)，通過頂部預(yù)熱簡化其工藝，這樣，平臺(tái)A的占地尺寸比平臺(tái)B小得多。如圖1，平臺(tái)B使用正常的焊接工藝，由此占地尺寸比A長的多。*了解此工藝過程及設(shè)備如何才能滿足用戶需要，是用戶和設(shè)備制造商達(dá)成協(xié)同合作的關(guān)鍵因素。

PCBA 裝載（PCB+焊料治具）

錫槽不同，PCB裝載也不同。裝載看似簡單，卻真正影響著整個(gè)工藝。圖2所示，PCB裝載的方向與平臺(tái)A長度方向平行, 這種情況下，PCB沒有發(fā)生彎曲；而PCB裝載的方向與平臺(tái)B寬度方向平行，這種情況下，PCB發(fā)生了彎曲。

圖2 PCB裝載和噴嘴方向

噴嘴方向影響PCB為雙噴嘴配置的裝載。圖2所示噴嘴方向如何影響PCB的裝載。

圖3 固定

圖3所示PCBA線路板裝載的方向與平臺(tái)B寬度方向平行，用固定裝置支撐板子，防止焊接時(shí)PCB彎曲。

助焊

本文中的平臺(tái)都集成可編程、的助焊劑噴涂系統(tǒng)，通過自動(dòng)噴涂精度控制對已選擇的焊點(diǎn)和路線進(jìn)行助焊劑噴涂。

描述	Platform A	Platform B
助焊器噴涂速度	50 dots/sec	80 dots/sec
助焊器噴涂類型	4.0--6.0 mm	3.0--8.0 mm

圖4 助焊劑噴凃規(guī)格

助焊劑噴凃頭將準(zhǔn)量的助焊劑非常準(zhǔn)確地噴涂在極小的PCB區(qū)。

圖5 助焊劑噴涂

助焊劑噴涂方式是根據(jù)焊點(diǎn)數(shù)量和元件排列來決定的。有效的周期時(shí)間取決于焊接元件的排列方式。研究表明，平臺(tái)A和平臺(tái)B的助焊劑噴涂沒有太大區(qū)別。（見圖5）兩者都在大批量生產(chǎn)測試中表現(xiàn)良好。沒有遇到阻塞或錯(cuò)位問題。

預(yù)熱

根據(jù)助焊劑所需的焊接溫度和PCBA線路板密集程度選擇預(yù)熱工藝及其預(yù)熱參數(shù)。由于內(nèi)部層數(shù)越來越多，元件越來越重，規(guī)格越來越多樣化，預(yù)熱系統(tǒng)必須非常靈活。zui重要的是溫度曲線梯度和焊接溫度阻力必須匹配元件規(guī)格。特別是那種不屬于SMD分類的元件。

焊接工藝需要先預(yù)熱再焊接。加熱是必須的，因?yàn)?I. 助焊劑溶劑部分需在焊接開始前蒸發(fā)；否則，在焊接過程中會(huì)發(fā)生噴濺，產(chǎn)生錫球并導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降。II.在熱焊組裝工藝中，如果板子太涼，焊料的溫度就會(huì)傳到組裝階段，而不是傳到焊點(diǎn)。通孔透錫質(zhì)量會(huì)下降。III.在組裝過程中使用更均勻的溫度，以減少熱應(yīng)力。

圖6. 頂部預(yù)熱圖7. 底部預(yù)熱

研究表明，底部預(yù)熱比頂部預(yù)熱有更多優(yōu)勢，因?yàn)閺牡撞款A(yù)熱很容易干燥助焊劑，并且在電路板進(jìn)入焊接階段之前，加熱元件引腳部分。圖7所示是底部預(yù)熱實(shí)際照片。只進(jìn)行頂部預(yù)熱（圖6）不能保證板子下方助焊劑*干燥，而且還有可能在焊接完成后留有助焊劑殘留物。助焊劑殘留物只能通過刷洗方法祛除，而刷洗過程是一項(xiàng)額外工序，直接影響制造成本。盡管應(yīng)用過程根據(jù)產(chǎn)品的復(fù)雜性有所不同，但仍推薦先評估助焊劑材料，為您的產(chǎn)品選擇*助焊劑。

圖8. 元件浮動(dòng)

在某些情況下，需要覆蓋零件，來防止零件傾斜或浮動(dòng)，如圖8，在元件頂部放些砝碼，這時(shí)，就不需要頂部加熱。

焊接模塊

良好的錫槽能提供良好的性能，可靠并易于維護(hù)。如圖9所示，兩個(gè)平臺(tái)都使用雙噴嘴焊接模塊。研究表明，良好的錫槽設(shè)計(jì)能防止零件從錫槽移除時(shí)損壞或破裂。圖10所示的是設(shè)計(jì)不佳的泵浦在維護(hù)過程中被輕易損毀。

圖9.焊接模塊

圖10.損毀的泵浦（平臺(tái)A）

如圖9所示，平臺(tái)A和平臺(tái)B在焊接過程中都使用雙噴嘴。平臺(tái)A是單泵單槽，但使用雙噴嘴，平臺(tái)B有兩個(gè)錫槽和兩個(gè)獨(dú)立的泵浦。泵浦的配置非常重要，它可以提供所需的功率，確保熔化的焊料從噴嘴尖頭中流出。

大量生產(chǎn)

設(shè)計(jì)不佳直接影響焊接質(zhì)量。平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念也許大體相似，但在選擇選擇性焊接技術(shù)時(shí)，其可靠性將是巨大的挑戰(zhàn)。

噴嘴

在這項(xiàng)研究中，兩個(gè)平臺(tái)都使用潤濕性噴嘴。平臺(tái)A采用純鐵，平臺(tái)B采用薄涂層材料。在大規(guī)模生產(chǎn)測試中，平臺(tái)A的噴嘴壽命約是3周，平臺(tái)B是8周，22.5小時(shí)×6.5天。

圖11A 所示在這項(xiàng)研究中使用的噴嘴尺寸和幾何圖形。

圖11A 噴嘴類型
噴嘴熱模擬

兩個(gè)噴嘴都能把經(jīng)度和緯度的溫度擴(kuò)大到290℃。圖11是兩個(gè)噴嘴熱變形對比圖。噴嘴A在經(jīng)度和緯度方向變形的幅度相同，而噴嘴B緯度變形幅度非常小。噴嘴上的zui大位移發(fā)生在噴嘴尖頭上，噴嘴尖頭先在焊接過程中有所損壞，但其變形程度并不影響焊接進(jìn)程。

圖11B 尖頭熱應(yīng)力

圖11C 底部熱應(yīng)力（平臺(tái)A）

圖11D 底部熱應(yīng)力（平臺(tái)B）

兩個(gè)噴嘴都固定在底部。圖11C所示的是吸嘴A的壓力。吸嘴Azui大壓力在螺紋區(qū)，其壓力比噴嘴B大的多（如圖11D所示）。這就能解釋這種現(xiàn)象：在替換或維護(hù)過程中，噴嘴A很難從螺紋組件中移除，而平臺(tái)B的噴嘴由于基座部分壓力小，很容易移除和替換。

氮?dú)?/span>

在選擇性焊接工藝中，必須要使用氮?dú)猓€應(yīng)評估操作成本。氮?dú)庵苯釉谠附訁^(qū)擴(kuò)散以提供良好的焊點(diǎn)。氮?dú)饪梢詼p少錫渣的形成，并使焊料從噴嘴中流出得更穩(wěn)定順暢。

圖12 氮?dú)夤┙o（平臺(tái)A）

圖12所示的是氮?dú)夤┙o槽嵌在錫槽里，槽蓋或擴(kuò)散器一旦損壞，焊料就很容易堵塞氮?dú)馔ǖ馈?br />

圖13 氮?dú)夤┙o（平臺(tái)B）

圖13所示的是平臺(tái)B的氮?dú)夤┙o。氮?dú)庵苯訌腻a槽頂部出來，錫槽上覆蓋著密封金屬蓋，這樣可以隔絕氮?dú)夂涂諝獾慕佑|，從而有效減少錫渣的產(chǎn)生。

PCB設(shè)計(jì)

PCB設(shè)計(jì)規(guī)則主要與焊點(diǎn)周圍間距范圍有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，由于PCB設(shè)計(jì)欠缺，導(dǎo)致元件清洗遇到困難。

圖14 間距問題

圖14所示的是由于焊點(diǎn)間距設(shè)計(jì)不佳，而不得不使用高溫膠帶。并且SMD元件之間距離太窄（＜1.2mm）。

圖15 錫橋問題

圖15所示，引腳或Pad之間的焊料形成錫橋造成短路。如果焊料固化前不能從兩個(gè)或更多的引腳上分離，就會(huì)形成錫橋。為了防止錫橋生成，應(yīng)當(dāng)使用正確的設(shè)計(jì)方法：Pin腳間使用較短的元件引腳和較小的pad。運(yùn)用強(qiáng)力助焊劑。如果有可能使用除錫橋工具。

生產(chǎn)率

產(chǎn)量是zui能說明問題的。低成本平臺(tái)在進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)中，得到的產(chǎn)品質(zhì)量是zui差的。在相同條件下，高成本平臺(tái)得到的產(chǎn)品質(zhì)量是zui高的。

圖16 生產(chǎn)率

收集一個(gè)月的產(chǎn)量數(shù)據(jù)。如圖16所示，在同等情況下，平臺(tái)B每天生產(chǎn)的電路板比平臺(tái)A多。平臺(tái)A不合格率較多且出現(xiàn)的問題會(huì)直接影響生產(chǎn)率。

影響生產(chǎn)率問題

研究中出現(xiàn)的大多數(shù)問題都來自平臺(tái)A，而平臺(tái)B在大規(guī)模生產(chǎn)測試中，總是表現(xiàn)良好的可焊性。

圖17 噴嘴變形

如圖17所示，由于熱膨脹和腐蝕的影響，導(dǎo)致噴嘴變形，繼而導(dǎo)致錫流失衡，影響其焊接性能。

圖18 正時(shí)皮帶磨損

如圖18所示，使用平臺(tái)A幾個(gè)月后，正時(shí)皮帶磨損情況。我們腦海里首先想到的是設(shè)計(jì)問題“設(shè)計(jì)的同步帶也許不適合在高溫條件下應(yīng)用”。研究發(fā)現(xiàn)，我們的想法是對的，此正時(shí)皮帶的確不適合在高溫條件下使用。但我們馬上又會(huì)想到它的泵機(jī)組設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)：泵浦組的冷卻系統(tǒng)可以維持低溫，這樣正時(shí)皮帶就可以承受小于75℃的溫度，但這只在少數(shù)情況下。當(dāng)機(jī)器停工時(shí)，泵浦和正時(shí)皮帶都會(huì)暴露在接近200℃的高溫下，因?yàn)橐坏]有電源，就馬上沒有空氣。

圖19 絲杠缺陷

如圖19所示，絲杠缺陷只出現(xiàn)在平臺(tái)A。在大規(guī)模生產(chǎn)測試中，平臺(tái)A在焊接過程中出現(xiàn)不一致性，且產(chǎn)量下降。對此，無法推薦更好的方法，只能換一個(gè)新的絲杠然后重新校準(zhǔn)。

圖20 氮?dú)獗Ｗo(hù)蓋損壞

圖20所示的是由于氮?dú)獗Ｗo(hù)蓋損壞，焊料堵塞氮?dú)庀到y(tǒng)，焊料被氧化。

影響質(zhì)量問題

選擇性波峰焊工藝參數(shù)至關(guān)重要。無論平臺(tái)成本高還是低，都會(huì)有缺陷和問題產(chǎn)生。關(guān)鍵的區(qū)別在于焊接的穩(wěn)定性和一致性。

圖21 焊料不足

如圖21所示，由于噴嘴磨損導(dǎo)致焊料不足。噴嘴磨損造成其焊接半月板不平衡，而半月板在焊接過程中至關(guān)重要。為了避免此問題，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S護(hù)，并使用性能良好的助焊劑。

圖22 透錫性不足

如圖22所示, 當(dāng)焊料不能到達(dá)電鍍通孔頂部，并覆蓋板子頂部的pad，透錫性就會(huì)不足。通過提高焊料溫度，使用活性較強(qiáng)的助焊劑或檢查噴嘴狀況可以避免此問題。

圖23 LCD褪色

如圖23所示，當(dāng)LCD元件暴露在高于100℃預(yù)熱溫度的條件下，LCD就會(huì)褪色。使用底部預(yù)熱或在LCD頂部覆蓋夾具以避免其暴露于高溫，可以避免此問題。

圖24 錫球

如圖24所示，錫球是在元件周圍形成的微小球體。在無鉛焊接中，由于焊接溫度升高，阻焊層上的錫球也會(huì)增加。通過改變阻焊層，優(yōu)化焊接溫度，使用合適的助焊劑可以避免此問題。

環(huán)境對產(chǎn)品可靠性的影響

合格測試的目的是驗(yàn)證兩個(gè)平臺(tái)上終端產(chǎn)品的可靠性。JEDEC作為熱循環(huán)測試的標(biāo)準(zhǔn)（JESD22-A104-B）。圖25是熱循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)，圖26是熱循環(huán)條件。

圖25：熱循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)

圖26：熱循環(huán)條件

兩種平臺(tái)的環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果如下所示

1.熱循環(huán)后，焊點(diǎn)表面無明顯變化

2.平臺(tái)A和平臺(tái)B上薄板透錫性無明顯區(qū)別

3.兩個(gè)平臺(tái)都通過熱循環(huán)試驗(yàn)

透錫性

使用X-射線檢查透錫性。檢查選定的通孔，如圖28和29所示，圖29所示的是一個(gè)插頭連接器。由于測試載體采用的是薄板，因此，兩個(gè)平臺(tái)都能穿

透焊點(diǎn)上的焊料。測試結(jié)果用0和1表示。0表示焊點(diǎn)透錫率在75％以下，1表示焊點(diǎn)透錫率在75％以上。

圖27 X射線概率圖

圖27所示是測試板取樣數(shù)據(jù)。如圖所示，在焊接過程中，平臺(tái)A不能像平臺(tái)B那樣始終保持良好的透錫性。

圖28 平臺(tái)A上焊料的X-射線

圖29 平臺(tái)A上焊料的X-射線

如圖28所示，Pin腳1透錫性＜75％，其余＞75％。而圖29所示的全部Pin腳透錫性都符合標(biāo)準(zhǔn)。

截面分析

截面顯示兩個(gè)平臺(tái)焊料透錫性都表現(xiàn)良好。如圖30和31所示，雖然有空洞，但都沒超過3-4微米，這樣的空洞都可接受?？斩词呛更c(diǎn)上的孔，會(huì)降低互連路徑的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，造成傳熱失敗。通過提高電路板質(zhì)量，清潔元件表面，預(yù)熱電路板，增加預(yù)熱時(shí)間或使用氮?dú)鈦肀苊獯藛栴}。

總結(jié)

在為產(chǎn)品或應(yīng)用選擇合適的平臺(tái)時(shí)，務(wù)必要考慮平臺(tái)的設(shè)計(jì)和使用的材料。平臺(tái)的設(shè)計(jì)決定了平臺(tái)根據(jù)產(chǎn)品需要能達(dá)到的*參數(shù)。焊接在兩個(gè)平臺(tái)上的樣品都表現(xiàn)出了可靠性，這表明，兩個(gè)平臺(tái)可焊性都是良好的。大規(guī)模生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)表明，平臺(tái)B的產(chǎn)量zui多，因?yàn)?/span>與平臺(tái)A相比，平臺(tái)B的焊接性能更持續(xù)更穩(wěn)定，而平臺(tái)A在評估過程中經(jīng)常出現(xiàn)停工現(xiàn)象。

相關(guān)產(chǎn)品

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