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波峰焊焊接工艺的应用研究

作者:未知

  摘要:近些年,虽然铁路信号专用设备和轨道交通信号控制设备的PCBA组件通孔元器件所占比例越来越少,但是因其高可靠性,短期内还会一直使用,而且对通孔元器件焊接品质的要求会越来越高,焊接难度也会越来越大,传统的手工焊、波峰焊在焊接能力和品质上已很难满足需求。而具有工艺窗口宽、焊接能力强、焊接品质高、一致性好、焊接残留少等优点的选择性波峰焊,却得到了广大用户的认可,应用也越来越广泛,在诸如汽车、电子等行业甚至已完全取代传统的手工焊和波峰焊工艺。
  关键词:波峰焊焊接;工艺;应用
  1选择性波峰焊工艺
  选择性波峰焊工艺是一种借助选择性波峰焊机,对通孔元器件进行选择性焊接的波峰焊工艺。与波峰焊机构造相同,选择性波峰焊机也由助焊剂喷涂、预热、焊接3个基本模块组成。焊接特点体现在:首先,选择性喷涂助焊剂,可只对特定元器件引脚喷涂助焊剂;其次,预热能力很强大,有很多种组合方式,预热时间、加热管输出功率和数量都可单独设定,甚至在焊接段也可配置顶部预热;最后,选择性焊接通常采用圆形喷嘴,最小内径/外径为3.0 mm/4.5 mm,焊料接触印制板为圆形,与波峰焊的长条形不同,因此可以实现选择性焊接。如果采用点焊,每个器件的焊接时间可单独设置;如果采用拖焊,则可设定喷嘴移动速度来控制每个焊点的焊接时间,还可通过设置焊接喷嘴辅助收锡等动作,保证焊接的品质。
  选择性波峰焊具有以下优点:①可以對每个器件焊点定制工艺参数,焊接能力更强,焊接质量和焊接一致性更好;②助焊剂消耗量少,残留少;③由于锡锅小,比波峰焊能耗更少(选择性波峰焊机锡锅容量十几公斤,波峰焊机锡锅容量五六百公斤);④由于焊接时用氮气保护,焊接产生锡渣少;⑤焊接双面回流工艺PCBA时,不必特意定制工装。
  选择性波峰焊机国外制造商有德国ERSA、SEHO、INERTEC,荷兰Vitronics Soltec等少数几家,国内制造还在起步模仿阶段。这些设备目前的主要市场还是欧美等国,近年来在国内才开始流行,主要集中在高铁、电力、工控、军工、通信和汽车电子行业等。
  2选择性波峰焊工艺可制造性
  合理的印制板布局可以确保选择性波峰焊工艺的可制造性。以ERSA选择性波峰焊机为例,单喷嘴最小内径3 mm,外径4.5 mm,最大内径10 mm,外径14 mm,因此印制布局要充分考虑喷嘴直径、喷嘴高度等因素。
  如果要采用单喷嘴选择性波峰焊工艺,设计人员在印制板排版时,需要在器件引脚或引脚排的三面空出2 mm的空间,并在第四面空出5 mm的空间,以便焊接完成后喷嘴可顺利离开印制板。另外,如果印制板焊接面上有较高器件也要使其尽可能远离焊点,以免焊接时较高器件碰到焊接喷嘴或氮气罩。
  如果要采用多喷嘴浸焊选择性波峰焊工艺,设计人员在排版时,一定要确保焊接的焊点与周边器件或不焊接的焊点之间的间距,不能小于2 mm,同时焊接的空间也要预留,如对于6 mm×18 mm的喷嘴,至少在焊点周围预留出10 mm×22 mm的空间.
  当焊接通过器件焊点周围有贴片器件时,设计人员就要注意贴片器件排布方向,要确保贴片器件只有一个焊端与焊接喷嘴相邻,以免选择性波峰焊接时,贴片器件被解焊。
  3选择性波峰焊焊接质量
  3.1印制板布局与通孔填充率
  造成通过填充率不足的主要原因是器件引脚直径相对于通孔直径过小或过大,如果间隙太大,就不能形成毛细管作用;如果间隙太小,助焊剂无法深人通孔,也就无法充分发挥助焊作用,形成合格的焊点。因此需合理设计印制板,根据经验,在有铅焊接工艺中,通过的直径通常在引脚直径的基础上增加0.2~0.4 mill,在无铅焊接工艺中,则要增加0.5 mm。
  3.2印制板布局与桥接缺陷
  桥接是选择性波峰焊接过程中发生的主要缺陷,主要是因器件引脚间距离过小导致。通常多喷嘴浸焊焊接工艺要求引脚间距大于2.54 mm,而单喷嘴焊接工艺引脚间距要求大于1.27 mm。尽管引脚间距小于2.54 mm的集成电路、电阻排等器件的引脚排,在浸焊工艺中有较大的桥接风险,但如果印制板布局合理,在引脚对应焊盘附近排布引流焊盘,比如小尺寸的焊盘或者椭圆形的焊盘,可以帮助将多余的焊料导引出焊点,就可降低桥接风险。
  3.3印制板布局与锡珠缺陷
  锡珠现象存在于波峰焊、回流焊工艺中,在无铅焊接过程中更易发生,因为无铅焊接温度明显高于有铅焊接温度。较高的焊接温度可能导致耐温性较差的阻焊膜在PCBA预热期间就出现软化,增加了锡珠粘连的机会。所以设计人员在进行印制板排版时,应尽可能加大焊盘阻焊膜开窗,使阻焊膜远离焊盘,降低锡珠产生风险。
  4 选择性波峰焊机的应用
  选择性波峰焊机焊接工艺窗口宽、焊接能力强,但如果不充分了解和熟悉选择性波峰焊机构造功能,以及配套附件的应用,则无法充分发挥其作用。
  4.1选择性波峰焊工艺控制要点
  选择性波峰焊的工艺流程包括:助焊剂喷涂、印制板预热和焊接,每个工艺流程控制的基本要求如下:①助焊剂喷涂一般有点喷和雾喷2种方式,可根据产品特点和工艺要求进行选择;②预热条件需要调整到最佳,使得助焊剂活性达到最佳;③焊接喷嘴必须有持续的高纯度氮气(氮气纯度为99.999%)保护;④焊接过程中,器件本体上的实测温度必须在器件可承受范围内。影响选择性波峰焊接质量的关键参数包括:助焊剂喷涂时间、助焊剂喷头移动速度;预热时间、温度、输出功率,以及预热模块组合方式;焊接温度、时间;焊接喷嘴移动速度、焊接动作,焊接喷嘴自动清洗时间间隔等等。
  4.2选择性波峰焊喷嘴的选择
  焊接喷嘴是选择性波峰焊机的重要附件,有多种尺寸可以选择。以ERSA选择性波峰焊机为例,标准配置的就有3.0 mm/4.5 mm、4.0 mm/8.0 mm、6.0 mm/10.0 mm、8.0 mm/12.0 mm、10.0 ram/14.0 mm 5种不同内径/外径的喷嘴,合适的焊接喷嘴可以保证焊接质量。对于难焊大热容器件,尽量选择大尺寸喷嘴,可以提供足够的焊接热量;而对于密集贴片器件中的焊点,则需要选择小尺寸喷嘴,以免解焊掉周围的贴片器件。除了标
  准喷嘴,还可以定制不同尺寸、不同形状喷嘴,如加长喷嘴、浸焊喷嘴,以满足不同的焊接需求。焊接喷嘴的技术(比如润湿性和非润湿性焊接喷嘴)也是重要的考虑因素。针对高可靠性电子产品特点,合理选择焊接喷嘴,以及焊接方式,如点焊或拖焊,对生产批量大的产品定制喷嘴进行浸焊,不仅保证了产品质量的一致性,也大大提高了生产效率。
  5 结束语
  通过合理设计印制板布局,设定合理的工艺参数,选择适合的喷嘴、助焊剂等,可有效保证选择性波峰焊焊接质量、降低生产成本,并能使选择性波峰焊设备得到更加充分的利用。
  参考文献:
  [1]顾蔼云.表面组装技术(SMT)基础与通用工艺[M].北京:电子工业出版社,2001.
  (作者单位:中天宽带技术有限公司)
论文来源:《名城绘》 2019年6期
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