电子组件的波峰焊接工艺1
电子组件的波峰焊接工艺 在电子组件的组装过程中，焊接起到了相当重要的作用。它涉及到产品的性能、可靠性 和质量等，甚至影响到其后的每一工艺步骤。此外，由于电子组件朝着轻、薄、小的方 向快速发展，为焊接工艺提出了一系列的难题，为此，电子制造业的各个厂家围绕SMT的 焊接工艺展开了激烈的竞争，旨在进一步提高焊接质量，克服焊接中存在的短路、桥接 、焊球和漏焊等缺陷，从而提高产品质量，满足市场需求。 目前，最广泛使用的焊接工艺主要有波峰焊接和再流焊接。波峰焊接工艺主要是用于 通孔和各种不同类型元件的焊接，是一种关键的群焊工艺。尽管波峰焊接工艺已有多年 的历史，而且还将继续沿用下去，然而，我们要是能够用上切实可行的、有生命力的波 峰焊接工艺需持时日。因为这种工艺必须达到快速、生产率高和成本合理等要求。换言 之，这种工艺与焊接前的每一工艺步骤密切相关，其中包括资金投入、 PCB设计、元件可焊性、组装操作、焊剂选择、温度/时间的控制、焊料及晶体结构等。 1 焊料 目前，波峰焊接最常用的焊料是共晶锡铅合金：锡63％；铅37％，应时刻掌握焊锡 锅中的焊料温度，其温度应高于合金液体温度183℃，并使温度均匀。过去，250℃的焊锡 锅温度被视为“标准”。随着焊剂技术的革新，整个焊锡锅中的焊料温度的均匀性得到了 控制，并增设了预热器，发展趋势是使用温度较低的焊锡锅。在230—240℃的范围内设置 焊锡锅温度是很普遍的。 通常，组件没有均匀的热质量,要保证所有的焊点达到足够的温度，以便形成合格的焊点 是必要的。重要的问题是要提供足够的热量，提高所有引线和焊盘的温度，从而确保焊 料的流动性，湿润焊点的两面。焊料的温度较低就会降低对元件和基板的热冲击，有助 于减少浮渣的形成，在较低的强度下，进行焊剂涂覆操作和焊剂化合物的共同作用下， 可使波峰出口具有足够的焊剂，这样就可减少毛刺和焊球的产生。 焊锡锅中的焊料成份与时间有密切关系，即随着时间而变化，这样就导致了浮渣的 形成，这就是要从焊接的组件上去除残余物和其它金属杂质的原因及在焊接工艺中锡损 耗的原因。以上这些因素可降低焊料的流动性。在采购中，要规定的金属微量浮渣和焊 料的锡含量的最高极限，在各个标准中，(如象IPC/J-STD- 006都有明确的规定)。在焊接过程中，对焊料纯度的要求在ANSI/J-STD- 001B标准中也有规定。除了对浮渣的限制外，对63％锡；37％铅合金中规定锡含量最低 不得低于61.5％。 波峰焊接组件上的金和有机泳层铜浓度聚集比过去更快。这种聚集，加上明显的锡损耗 ，可使焊料丧失流动性，并产生焊接问题。外表粗糙、呈颗粒状的焊点常常是由于焊料 中的浮渣所致。由于焊锡锅中的集聚的浮渣或组件自身固有的残余物暗淡、粗糙的粒状 焊点也可能是锡含量低的征兆，不是局部的特种焊点，就是锡锅中锡损耗的结果。这种 外观也可能是在凝固过程中，由于振动或冲击所造成的。 焊点的外观就能直接体现出工艺问题或材料问题。为保持焊料“满锅”状态和按照工艺控 制方案对检查焊锡锅分析是很重要的。由于焊锡锅中有浮渣而“倒掉”焊锡锅中的焊剂， 通常来说是不必要的，由于在常规的应用中要求往锡锅中添加焊料，使锡锅中的焊料始 终是满的。在损耗锡的情况下，添加纯锡有助于保持所需的浓度。为了监控锡锅中的化 合物，应进行常规分析。如果添加了锡，就应采样分析，以确保焊料成份比例正确。 浮渣过多又是一个令人棘手的问题。毫无疑问，焊锡锅中始终有浮渣存在，在大气中 进行焊接时尤其是这样。使用“芯片波峰”这对焊接高密度组件很有帮助，由于暴露于大 气的焊料表面太大，而使焊料氧化，所以会产生更多的浮渣。焊锡锅中焊料表面有了浮 渣层的覆盖，氧化速度就放慢了。在焊接中，由于锡锅中波峰的湍流和流动而会产生更 多的浮渣。 推荐使用的常规方法是将浮渣撇去，要是经常进行撇削的话，就会产生更多的浮渣， 而且耗用的焊料更多。浮渣还可能夹杂于波峰中，导致波峰的不稳定或湍流，因此要求 对焊锡锅中的液体成份给予更多的维护。如果允许减少锡锅中焊料量的话，焊料表面的 浮渣会进入泵中，这种现象很可能发生。有时，颗粒状焊点会夹杂浮渣。最初发现的浮 渣，可能是由粗糙波峰所致，而且有可能堵塞泵。锡锅上应配备可调节的低容量焊料传 感器和报警装置。 2 波峰 在波峰焊接工艺中，波峰是核心。可将预热的、涂有焊剂、无污物的金属通过传送带送 到焊接工作站，接触具有一定温度的焊料，而后加热，这样焊剂就会产生化学反应，焊 料合金通过波峰动力形成互连，这是最关键的一步。目前，常用的对称波峰被称为主波 峰，设定泵速度、波峰高度、浸润深度、传送角度及传送速度，为达到良好的焊接特性 提供全方位的条件。应该对数据进行适当的调整，在离开波峰的后面(出口端)就应使焊 料运行降速，并慢慢地停止运行。PCB随着波峰运行最终要将焊料推至出口。在最挂的情 况下，焊料的表面张力和最佳化的板的波峰运行，在组件和出口端的波峰之间可实现零 相对运动。这一脱壳区域就是实现了去除板上的焊料。应提供充分的倾角，不产生桥接 、毛刺、拉丝和焊球等缺陷。 有时，波峰出口需具有热风流，以确保排除可能形成的桥接。在板的底部装上表面贴 装元件后，有时，补偿焊剂或在后面形成的“苛刻的波峰”区域的气泡，而进行的波峰整 平之前，使用湍流芯片波峰。湍流波峰的高竖直速度有助于保证焊料与引线或焊盘的接 触。在整平的层流波峰后面的振动部分也可用来消除气泡，保证焊料实现满意的接触组 件。 焊接工作站基本上应做到：高纯度焊料(按标准)、波峰温度(230～250℃)、接触波峰的 总时间(3～5秒钟)、印制板浸入波峰中的深度(50～80％)，实现平行的传送轨道和在波 峰与轨道平行状态下锡锅中焊剂含量。 3 波峰焊接后的冷却 通常在波峰焊机的尾部增设冷却工作站。为的是限制铜锡金属间化合物形成焊点的趋势 ，另一个原因是加速组件的冷却，在焊料没有完全固化时，避免板子移位。快速冷却组 件，以限制敏感元件暴露于高温下。然而，应考虑到侵蚀性冷却系统对元件和焊点的热 冲击的危害性。 一个控制良好的“柔和稳定的”、强制气体冷却系统应不会损坏多数组件。使用这个系 统的原因有两个：能够快速处理板，而不用手夹持，并且可保证组件温度比清洗溶液的 温度低。人们所关心的是后一个原因，其可能是造成某些焊剂残渣起泡的原因。另一种 现象是有时会出现与某些焊剂浮渣产生反应的现象，这样，使得残余物“清洗不掉”。 在保证焊接工作站设置的数据满足所有的机器、所有的设计、采用的所有材料及工艺材 料条件和要求方面没有哪个定式能够达到这些要求。必须了解整个工艺过程中的每一步 操作。 4 结论 总之，要获得最佳的焊接质量，满足用户的需求，必须控制焊接前、焊接中的每一工艺 步骤，因为SMT的整个组装工艺的每一步骤都互相关联、互相作用，任一步有问题都会影 内到整体的可靠性和质量。焊接操作也是如此，所以应严格控制所有的参数、时间/温度 、焊料量、焊剂成分及传送速度等等。对焊接中产生的缺陷，应及早查明起因，进行分 析，采取相应的措施，将影响质量的各种缺陷消灭在萌芽状态之中。这样，才能保证生 产出的产品都符合技术规范。 线路板装配中的无铅工艺应用原则 过去5年间，电子装配业一直在测试各种合金，希望能找到几种无铅方案替代常规63Sn/ 37Pb共晶系统。有很多方案虽然从技术的角度来看是可行的，但却没考虑成本、供货性 和工艺性等其它方面的因素。本文旨在为业界提供一个实际可行的无铅工艺选用原则， 内容包括工艺要求、根据要求得出的结论以及在实际条件下的试用情况等，今后如需对 其他更为复杂的系统进行判断比较，这里提供的方法也可作为评估参考。 电子装配对无铅焊料的基本要求 无铅焊接装配的基本工艺包括： a. 无铅PCB制造工艺； b. 在焊锡膏中应用的96.5Sn/3.5Ag和95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu共晶和近似共晶合金系统； c. 用于波峰焊应用的99.3Sn/0.7Cu共晶合金系统； d. 用于手工焊接的99.3Sn/0.7Cu合金系统。尽管这些都是可行工艺，但具体实施起来还存 在几个大问题，如原料成本仍然高于标准Sn/Pb工艺、对湿润度的限制有所增加、要求在 波峰焊工艺中保持惰性空气状态(要有足量氮气)以及可能将回流焊温度升到极限温度范 围(235～245℃之间)而提高了对各种元件的热性要求等等。 就无铅替代物而言，现在并没有一套获得普遍认可的规范，经过与该领域众多专业人士 的多次讨论，我们得出下面一些技术和应用要求： 金属价格 许多装配厂商都要求无铅合金的价格不能高于63Sn/37Pb，但不幸的是现有的所有无铅替 代物成本都比63Sn/37Pb高出至少35%以上。在选择无铅焊条和焊锡丝时，金属成本是其 中最重要的因素；而在制作焊锡膏时，由于技术成本在总体制造成本中所占比例相对较 高，所以对金属的价格还不那么敏感。 熔点 大多数装配厂家(不是所有)都要求固相温度最小为150℃，以便满足电子设备的工作温度 要求,最高液相温度则视具体应用而定。 波峰焊用焊条：为了成功实施波峰焊，液相温度应低于炉温260℃。 手工/机器焊接用焊锡丝：液相温度应低于烙铁头工作温度345℃。 焊锡膏：液相温度应低于回流焊温度250℃。对现有许多回流焊炉而言，该温度是实用温 度的极限值。许多工程师要求最高回流焊温度应低于225～230℃，然而现在没有一种可行 的方案来满足这种要求。人们普遍认为合金回流焊温度越接近220℃效果越好，能避免出 现较高回流焊温度是最理想不过的，因为这样能使元件的受损程度降到最低，最大限度 减小对特殊元件的要求，同时还能将电路板变色和发生翘曲的程度降到最低，并避免焊 盘和导线过度氧化。 导电性好 这是电子连接的基本要求。 导热性好 为了能散发热能，合金必须具备快速传热能力。 较小固液共存温度范围 非共晶合金会在介于液相温度和固相温度之间的某一温度范围内凝固，大多数冶金专家 建议将此温度范围控制在10℃以内，以便形成良好的焊点，减少缺陷。如果合金凝固温度 范围较宽，则有可能会发生焊点开裂，使设备过早损坏。 低毒性 合金及其成分必须无毒，所以此项要求将镉、铊和汞排除在考虑范围之外；有些人也要 求不能采用有毒物质所提炼的副产品，因而又将铋排除在外，因为铋主要来源于铅提炼 的副产品。 具有良好的可焊性 在现有设备和免清洗型助焊剂条件下该合金应具备充分的润湿度，能够与常规免清洗焊 剂一起使用。由于对波峰进行惰性处理的成本不太高，因此可以接受波峰焊加惰性环境 的使用条件要求；但就SMT回流焊而言，合金最好要具备在空气下进行回流焊的能力，因 为对回流焊炉进行惰性处理成本较高。 良好的物理特性(强度、拉伸度、疲劳度等) 合金必须能够提供63Sn/37Pb所能达到的机械强度和可靠性，而且不会在通孔器件上出现 突起的角焊缝(特别是对固液共存温度范围较大的合金)。 生产可重复性/熔点一致性 电子装配工艺是一种大批量制造工艺，要求其重复性和一致性都保持较高的水平，如果 某些合金的成分不能在大批量条件下重复制造，或者其熔点在批量生产时由于成分变化 而发生较大变化，便不能给予考虑。3种以上成分构成的合金往往会发生分离或成分变化 ，使得熔点不能保持稳定，合金的复杂程度越高，其发生变化的可能性就越大。 焊点外观 焊点的外观应与锡/铅焊料接近，虽然这并非技术性要求，但却是接受和实施替代方案的 实际需要。 供货能力 当试图为业界找出某种解决方案时，一定要考虑材料是否有充足的供货能力。从技术的 角度而言，铟是一种相当特别的材料，但是如果考虑全球范围内铟的供货能力，人们很 快就会将它彻底排除在考虑范围之外。 另外业界可能更青睐标准合金系统而不愿选专用系统，标准合金的获取渠道比较宽，这 样价格会比较有竞争性，而专用合金的供应渠道则可能受到限制，因此材料价格会大幅 提高。 与铅的兼容性 由于短期之内不会立刻全面转型为无铅系统，所以铅可能仍会用在某些元件的端子或印 刷电路板焊盘上。有些含铅合金熔点非常低，会降低连接的强度，如某种铋/锡/铅合金 的熔点只有96℃，使得焊接强度大为降低。 金属及合金选择 在各种候选无铅合金中，锡(Sn)都被用作基底金属，因为它成本很低，货源充足，并具 备理想的物理特性，如导电/导热性和润湿性，同时它也是63Sn/37Pb合金的基底金属。 通常与锡配合使用的其它金属包括银(Ag)、铟(In)、锌(Zn)、锑(Sb)、铜(Cu)以及铋(B i)。 p> 之所以选择这些材料是因为它们与锡组成合金时一般会降低熔点，得到理想的机械、电 气和热性能。表1列出了各种金属的成本、密度、年生产能...
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