波峰焊技术
波峰焊是将熔融的液态焊料﹐借助与泵的作用﹐在焊料槽液面形成特定形状的焊料波﹐插装了元器件的PCB置与传送链上﹐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.
波峰面 :
波的表面均被一层氧化皮覆盖﹐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接触到锡波的前沿表面﹐氧化皮破裂﹐PCB前面的锡波无皲褶地被推向前进﹐这说明整个氧化皮与PCB以同样的速度移动
波峰焊机
焊点成型:
当PCB进入波峰面前端(A)时﹐基板与引脚被加热﹐并在未离开波峰面(B)之前﹐整个PCB浸在焊料中﹐即被焊料所桥联﹐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﹐由于重力的原因﹐回落到锡锅中 .
防止桥联的发生
1﹐使用可焊性好的元器件/PCB
2﹐提高助焊剞的活性
3﹐提高PCB的预热温度﹐增加焊盘的湿润性能
4﹐提高焊料的温度
5﹐去除有害杂质﹐减低焊料的内聚力﹐以利于两焊点之间的焊料分开 .
波峰焊机中常见的预热方法
1﹐空气对流加热
2﹐红外加热器加热
3﹐热空气和辐射相结合的方法加热
波峰焊工艺曲线解析
1﹐润湿时间
指焊点与焊料相接触后润湿开始的时间
2﹐停留时间
PCB上某一个焊点从接触波峰面到离开波峰面的时间
停留/焊接时间的计算方式是﹕
停留/焊接时间=波峰宽/速度
3﹐预热温度
预热温度是指PCB与波峰面接触前达到
的温度(見右表)
4﹐焊接温度
焊接温度是非常重要的焊接参数﹐通常高于
焊料熔点(183°C )50°C ~60°C大多数情况
是指焊锡炉的温度实际运行时﹐所焊接的PCB
焊点温度要低于炉温﹐这是因为PCB吸热的结
果
SMA類型 元器件 預熱溫度
單面板組件 通孔器件與混裝 90~100
雙面板組件 通孔器件 100~110
雙面板組件 混裝 100~110
多層板 通孔器件 115~125
多層板 混裝 115~125
波峰焊工艺参数调节
1﹐波峰高度
波峰高度是指波峰焊接中的PCB吃錫高度.其數值通常控制在PCB板厚度
的1/2~2/3,過大會導致熔融的焊料流到PCB的表面﹐形成“橋連”
2﹐傳送傾角
波峰焊機在安裝時除了使機器水平外﹐還應調節傳送裝置的傾角﹐通過
傾角的調節﹐可以調控PCB與波峰面的焊接時間﹐適當的傾角﹐會有助于
焊料液與PCB更快的剝離﹐使之返回錫鍋內
3﹐熱風刀
所謂熱風刀﹐是SMA剛離開焊接波峰后﹐在SMA的下方放置一個窄長的帶開口
的“腔體”﹐窄長的腔體能吹出熱氣流﹐尤如刀狀﹐故稱“熱風刀”
4﹐焊料純度的影響
波峰焊接過程中﹐焊料的雜質主要是來源于PCB上焊盤的銅浸析﹐過量的銅
會導致焊接缺陷增多
5﹐助焊劑
6﹐工藝參數的協調
波峰焊機的工藝參數帶速﹐預熱時間﹐焊接時間和傾角之間需要互相協調﹐
反復調整.
波峰焊接缺陷分析:
1.沾锡不良 POOR WETTING:
这种情况是不可接受的缺点,在焊点上只有部分沾锡.分析其原因及改善方式如
下:
1-1.外界的污染物如油,脂,腊等,此类污染物通常可用溶剂清洗,此类油污有
时是在印刷防焊剂时沾上的.
1-2.SILICON OIL 通常用于脱模及润滑之用,通常会
在基板及零件脚上发现,而 SILICON OIL 不易清理,因之使用它要非常小心尤其是
当它做抗氧化油常会发生问题,因它会蒸发沾在基板上而造成沾锡不良.
1-3.常因
贮存状况不良或基板制程上的问题发生氧化,而助焊剂无法去除时会造成沾锡不良
,过二次锡或可解决此问题.
1-4.沾助焊剂方式不正确,造成原因为发泡气压不稳
定或不足,致使泡沫高度不稳或不均匀而使基板部分没有沾到助焊剂.
1-5.吃锡时
间不足或锡温不足会造成沾锡不良,因为熔锡需要足够的温度及时间WETTING,通常
焊锡温度应高于熔点温度50℃至80℃之间,沾锡总时间约3秒.调整锡膏粘度.
2.局部沾锡不良 :
此一情形与沾锡不良相似,不同的是局部沾锡不良不会露出铜箔面,只有薄薄的一
层锡无法形成饱满的焊点.
3.冷焊或焊点不亮:
焊点看似碎裂,不平,大部分原因是零件在焊锡正要冷却形成焊点时振动而造成,注
意锡炉输送是否有异常振动.
4.焊点破裂:
此一情形通常是焊锡,基板,导通孔,及零件脚之间膨胀系数,未配合而造成,应在基
板材质,零件材料及设计上去改善.
5.焊点锡量太大:
通常在评定一个焊点,希望能又大又圆又胖的焊点,但事实上过大的焊点对导电性
及抗拉强度未必有所帮助.
5-1.锡炉输送角度不正确会造成焊点过大,倾斜角度由
1到7度依基板设计方式?#123;整,一般角度约3.5度角,角度越大沾锡越薄角度越小
沾锡越厚.
5-2.提高锡槽温度,加长焊锡时间,使多余的锡再回流到锡槽.
5-3.提
高预热温度,可减少基板沾锡所需热量,曾加助焊效果.
5-4.改变助焊剂比重,略为
降低助焊剂比重,通常比重越高吃锡越厚也越易短路,比重越低吃锡越薄但越易造
成锡桥,锡尖.
6.锡尖 (冰柱) :
此一问题通常发生在DIP或WIVE的焊接制程上,在零件脚顶端或焊点上发现有冰尖
般的锡.
6-1.基板的可焊性差,此一问题通常伴随着沾锡不良,此问题应由基板可
焊性去探讨,可试由提升助焊剂比重来改善.
6-2.基板上金道(PAD)面积过大,可用
绿(防焊)漆线将金道分隔来改善,原则上用绿(防焊)漆线在大金道面分隔成5mm乘
10mm区块.
6-3.锡槽温度不足沾锡时间太短,可用提高锡槽温度加长焊锡时间,使
多余的锡再回流到锡槽来改善.
6-4.出波峰后之冷却风流角度不对,不可朝锡槽方
向吹,会造成锡点急速,多余焊锡无法受重力与内聚力拉回锡槽.
6-5.手焊时产生
锡尖,通常为烙铁温度太低,致焊锡温度不足无法立即因内聚力回缩形成焊点,改用
较大瓦特数烙铁,加长烙铁在被焊对象的预热时间.
7.防焊绿漆上留有残锡 :
7-1.基板制作时残留有某些与助焊剂不能兼容的物质,在过热之,后餪化产生黏性
黏着焊锡形成锡丝,可用丙酮(*已被蒙特娄公约禁用之化学溶剂),,氯化烯类等溶
剂来清洗,若清洗后还是无法改善,则有基板层材CURING不正确的可能,本项事故应
及时回馈基板供货商.
7-2.不正确的基板CURING会造成此一现象,可在插件前先行
烘烤120℃二小时,本项事故应及时回馈基板供货商.
7-3.锡渣被PUMP打入锡槽内
再喷流出来而造成基板面沾上锡渣,此一问题较为单纯良好的锡炉维护,锡槽正确
的锡面高度(一般正常状况当锡槽不喷流静止时锡面离锡槽边缘10mm高度)
8.白色残留物 :
在焊接或溶剂清洗过后发现有白色残留物在基板上,通常是松香的残留物,这类物
质不会影响表面电阻质,但客户不接受.
8-1.助焊剂通常是此问题主要原因,有时
改用另一种助焊剂即可改善,松香类助焊剂常在清洗时产生白班,此时最好的方式
是寻求助焊剂供货商的协助,产品是他们供应他们较专业.
8-2.基板制作过程中残
留杂质,在长期储存下亦会产生白斑,可用助焊剂或溶剂清洗即可.
8-3.不正确的
CURING亦会造成白班,通常是某一批量单独产生,应及时回馈基板供货商并使用助
焊剂或溶剂清洗即可.
8-4.厂内使用之助焊剂与基板氧化保护层不兼容,均发生在
新的基板供货商,或更改助焊剂厂牌时发生,应请供货商协助.
8-5.因基板制程中
所使用之溶剂使基板材质变化,尤其是在镀镍过程中的溶液常会造成此问题,建议
储存时间越短越好.
8-6.助焊剂使用过久老化,暴露在空气中吸收水气劣化,建议
更新助焊剂(通常发泡式助焊剂应每周更新,浸泡式助焊剂每两周更新,喷雾式每月
更新即可).
8-7.使用松香型助焊剂,过完焊锡炉候停放时间太九才清洗,导致引起
白班,尽量缩短焊锡与清洗的时间即可改善.
8-8.清洗基板的溶剂水分含量过高,
降低清洗能力并产生白班.应更新溶剂.
9.深色残余物及浸蚀痕迹 :
通常黑色残余物均发生在焊点的底部或顶端,此问题通常是不正确的使用助焊剂或
清洗造成.
9-1.松香型助焊剂焊接后未立即清洗,留下黑褐色残留物,尽量提前清
洗即可.
9-2.酸性助焊剂留在焊点上造成黑色腐蚀颜色,且无法清洗,此现象在手
焊中常发现,改用较弱之助焊剂并尽快清洗.
9-3.有机类助焊剂在较高温度下烧焦
而产生黑班,确认锡槽温度,改用较可耐高温的助焊剂即可.
10.绿色残留物 :
绿色通常是腐蚀造成,特别是电子产品但是并非完全如此,因为很难分辨到底是绿
锈或是其它化学产品,但通常来说发现绿色物质应为警讯,必须立刻查明原因,尤其
是此种绿色物质会越来越大,应非常注意,通常可用清洗来改善.
10-1.腐蚀的问题
通常发生在裸铜面或含铜合金上,使用非松香性助焊剂,这种腐蚀物质内含铜离子
因此呈绿色,当发现此绿色腐蚀物,即可证明是在使用非松香助焊剂后未正确清
洗.
10-2.COPPER ABIETATES 是氧化铜与 ABIETIC ACID (松香主要成分)的化合
物,此一物质是绿色但绝不是腐蚀物且具有高绝缘性,不影影响品质但客户不会同
意应清洗.
10-3.PRESULFATE 的残余物或基板制作上类似残余物,在焊锡后会产生
绿色残余物,应要求基板制作厂在基板制作清洗后再做清洁度测试,以确保基板清
洁度的品质.
11.白色腐蚀物 :
第八项谈的是白色残留物是指基板上白色残留物,而本项目谈的是零件脚及金属上
的白色腐蚀物,尤其是含铅成分较多的金属上较易生成此类残余物,主要是因为氯
离子易与铅形成氯化铅,再与二氧化碳形成碳酸铅(白色腐蚀物).
在使用松香类助
焊剂时,因松香不溶于水会将含氯活性剂包着不致腐蚀,但如使用不当溶剂,只能清
洗松香无法去除含氯离子,如此一来反而加速腐蚀.
12.针孔及气孔 :
针孔与气孔之区别,针孔是在焊点上发现一小孔,气孔则是焊点上较大孔可看到内
部,针孔内部通常是空的,气孔则是内部空气完全喷出而造成之大孔,其形成原因是
焊锡在气体尚未完全排除即已凝固,而形成此问题.
12-1.有机污染物:基板与零件
脚都可能产生气体而造成针孔或气孔,其污染源可能来自自动植件机或储存状况不
佳造成,此问题较为简单只要用溶剂清洗即可,但如发现污染物为SILICONOIL 因其
不容易被溶剂清洗,故在制程中应考虑其它代用品.
12-2.基板有湿气:如使用较便
宜的基板材质,或使用较粗糙的钻孔方式,在贯孔处容易吸收湿气,焊锡过程中受到
高热蒸发出来而造成,解决方法是放在烤箱中120℃烤二小时.
12-3.电镀溶液中的
光亮剂:使用大量光亮剂电镀时,光亮剂常与金同时沉积,遇到高温则挥发而造成,
特别是镀金时,改用含光亮剂较少的电镀液,当然这要回馈到供货商.
13.TRAPPED OIL:
氧化防止油被打入锡槽内经喷流涌出而机污染基板,此问题应为锡槽焊锡液面过低
,锡槽内追加焊锡即可改善.
14.焊点灰暗 :
此现象分为二种(1)焊锡过后一段时间,(约半载至一年)焊点颜色转暗.
(2)经制造
出来的成品焊点即是灰暗的.
14-1.焊锡内杂质:必须每三个月定期检验焊锡内的
金属成分.
14-2.助焊剂在热的表面上亦会产生某种程度的灰暗色,如RA及有机酸
类助焊剂留在焊点上过久也会造成轻微的腐蚀而呈灰暗色,在焊接后立刻清洗应可
改善.
某些无机酸类的助焊剂会造成 ZINC OXYCHLORIDE 可用 1% 的盐酸清洗再
水洗.
14-3.在焊锡合金中,锡含量低者(如40/60焊锡)焊点亦较灰暗.
15.焊点表面粗糙:
焊点表面呈砂状突出表面,而焊点整体形状不改变.
15-1.金属杂质的结晶:必须每
三个月定期检验焊锡内的金属成分.
15-2.锡渣:锡渣被PUMP打入锡槽内经喷流涌
出因锡内含有锡渣而使焊点表面有砂状突出,应为锡槽焊锡液面过低,锡槽内追加
焊锡并应清理锡槽及PUMP即可改善.
15-3.外来物质:如毛边,绝缘材等藏在零件脚
,亦会产生粗糙表面.
16.黄色焊点 :
系因焊锡温度过高造成,立即查看锡温及温控器是否故障.
17.短路:
过大的焊点造成两焊点相接.
17-1.基板吃锡时间不够,预热不足調整锡炉即
可.
17-2.助焊剂不良:助焊剂比重不当,劣化等.
17-3.基板进行方向与锡波配合
不良,更改吃锡方向.
17-4.线路设计不良:线路或接点间太过接近(应有0.6mm以上
间距);如为排列式焊点或IC,则应考虑盗锡焊垫,或使用文字白漆予以区隔,此时之
白漆厚度需为2倍焊垫(金道)厚度以上.
17-5.被污染的锡或积聚过多的氧化物被
PUMP带上造成短路应清理锡炉或更进一步全部更新锡槽内的焊锡.
提高波峰焊质量的方法及效果
摘 要: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.
关键词:波峰焊;焊盘设计;印制电路板;助焊剂;焊料;工艺参数
插件元件与表面贴装元件同时组装于电路基板的混装工艺仍是当前电子产品中采用最普遍的一种组装形式.SMT混装波峰焊接技术对工艺参数的要求是相当苛刻.焊接工艺参数选择不当,不但影响焊接质量,而且还会出现桥接、虚焊等焊接缺陷,严重影响焊接质量.下面将就一些提高波峰焊接质量的方法和措施做些讨论.
一、焊接前对印制板质量及元件的控制
1.1 焊盘设计
(1)在设计插件元件焊盘时,焊盘大小尺寸设计应合适.焊盘太大,焊料铺展面积较大,形成的焊点不饱满,而较小的焊盘铜箔表面张力太小,形成的焊点为不浸润焊点.孔径与元件引线的配合间隙太大,容易虚焊,当孔径比引线宽0.05 - 0.2mm,焊盘直径为孔径的2 - 2.5倍时,是焊接比较理想的条件.
(2)在设计贴片元件焊盘时,应考虑以下几点:
为了尽量去除“阴影效应”,SMD的焊端或引脚应正对着锡流的方向,以利于与锡流的接触,减少虚焊和漏焊.波峰焊时推荐采用的元件布置方向图如图1所示.
波峰焊接不适合于细间距QFO、PLCC、BGA和小间距SOP器件焊接,也就是说在要波峰焊接的这一面尽量不要布置这类元件.
较小的元件不应排在较大元件后,以免较大元件妨碍锡流与较小元件的焊盘接触造成漏焊.
1.2 PCB平整度控制
波峰焊接对印制板的平整度要求很高,一般要求翘曲度要小于0.5mm,如果大于0.5mm要做平整处理.尤其是某些印制板厚度只有1.5mm左右,其翘曲度要求就更高,否则无法保证焊接质量.
1.3 妥善保存印制板及元件,尽量缩短储存周期 在焊接中,无尘埃、油脂、氧化物的铜箔及元件引线有利于形成合格的焊点,因此印制板及元件应保存在干燥、清洁的环境下,并且尽量缩短储存周期.对于放置时间较长的印制板,其表面一般要做清洁处理,这样可提高可焊性,减少虚焊和桥接,对表面有一定程度氧化的元件引脚,应先除去其表面氧化层.
图1 波峰焊推荐采用元件方向图
二、生产工艺材料的质量控制
在波峰焊接中,使用的生产工艺材料有:助焊剂和焊料.分别讨论如下:
2.1 助焊剂质量控制
助焊剂在焊接质量的控制上举足轻重,其作用是:
(1)除去焊接表面的氧化物;
(2)防止焊接时焊料和焊接表面再氧化;
(3)降低焊料的表面张力;
(4)有助于热量传递到焊接区.
目前,波峰焊接所采用的多为免清洗助焊剂.选择助焊剂时有以下要求:
(1)熔点比焊料低;
(2)浸润扩散速度比熔化焊料快;
(3)粘度和比重比焊料小;
(4)在常温下贮存稳定.
2.2 焊料的质量控制
锡铅焊料在高温下(250℃)不断氧化,使锡锅中锡-铅焊料含锡量不断下降,偏离共晶点,导致流动性差,出现连焊、虚焊、焊点强度不够等质量问题.可采用以下几个方法来解决这个问题:
①添加氧化还原剂,使已氧化的SnO还原为Sn,减小锡渣的产生.
②不断除去浮渣.
③每次焊接前添加一定量的锡.
④采用含抗氧化磷的焊料.
⑤采用氮气保护,让氮气把焊料与空气隔绝开来,取代普通气体,这样就避免了浮渣的产生.
这种方法要求对设备改型,并提供氮气.
目前最好的方法是在氮气保护的氛围下使用含磷的焊料,可将浮渣率控制在最低程度,焊接缺陷最少、工艺控制最佳.
三、焊接过程中的工艺参数控制
焊接工艺参数对焊接表面质量的影响比较复杂,并涉及到较多的技术范围.
3.1 预热温度的控制
预热的作用:①使助焊剂中的溶剂充分挥发,以免印制板通过焊锡时,影响印制板的润湿和焊点的形成;②使印制板在焊接前达到一定温度,以免受到热冲击产生翘曲变形.根据我们的经验,一般预热温度控制在180 200℃,预热时间1 - 3分钟.
3.2 焊接轨道倾角
轨道倾角对焊接效果的影响较为明显,特别是在焊接高密度SMT器件时更是如此.当倾角太小时,较易出现桥接,特别是焊接中,SMT器件的“遮蔽区”更易出现桥接;而倾角过大,虽然有利于桥接的消除,但焊点吃锡量太小,容易产生虚焊.轨道倾角应控制在5°- 7°之间.
3.3 波峰高度
波峰的高度会因焊接工作时间的推移而有一些变化,应在焊接过程中进行适当的修正,以保证理想高度进行焊接波峰高度,以压锡深度为PCB厚度的1/2 - 1/3为准.
3.4 焊接温度
焊接温度是影响焊接质量的一个重要的工艺参数.焊接温度过低时,焊料的扩展率、润湿性能变差,使焊盘或元器件焊端由于不能充分的润湿,从而产生虚焊、拉尖、桥接等缺陷;焊接温度过高时,则加速了焊盘、元器件引脚及焊料的氧化,易产生虚焊.焊接温度应控制在250+5℃.
四、常见焊接缺陷及排除
影响焊接质量的因素是很多的,下表列出的是一些常见缺陷及排除方法,以供参考.
缺 陷 产生原因
焊点不全
1、助焊剂喷涂量不足
2、预热不好
3、传送速度过快
4、波峰不平
5、元件氧化
6、焊盘氧化
7、焊锡有较多浮渣
解决方法
1、加大助焊剂喷涂量
2、提高预热温度、延长预热时间
3、降低传送速度
4、稳定波峰
5、除去元件氧化层或更换元件
6、更换PCB
7、除去浮渣
桥 接
1、焊接温度过高
2、焊接时间过长
3、轨道倾角太小
解决方法
1、降低焊接温度
2、减少焊接时间
3、提高轨道倾角
焊锡冲上印制板
1、印制板压锡深度太深
2、波峰高度太高
3、印制板葬翘曲
解决方法
1、降低压锡深度
2、降低波峰高度
3、整平或采用框架固
波峰焊锡作业中问题点与改善方法
1.沾锡不良 POOR WETTING:
这种情况是不可接受的缺点,在焊点上只有部分沾锡.分析其原因及改善方式如下:
1-1.外界的污染物如油,脂,腊等,此类污染物通常可用溶剂清洗,此类油污有时是在印刷防焊剂时沾上的.
1-2.SILICON OIL 通常用于脱模及润滑之用,通常会在基板及零件脚上发现,而 SILICON OIL 不易清理,因之使用它要非常小心尤其是当它做抗氧化油常会发生问题,因它会蒸发沾在基板上而造成沾锡不良.
1-3.常因贮存状况不良或基板制程上的问题发生氧化,而助焊剂无法去除时会造成沾锡不良,过二次锡或可解决此问题.
1-4.沾助焊剂方式不正确,造成原因为发泡气压不稳定或不足,致使泡沫高度不稳或不均匀而使基板部分没有沾到助焊剂.
1-5.吃锡时间不足或锡温不足会造成沾锡不良,因为熔锡需要足够的温度及时间WETTING,通常焊锡温度应高于熔点温度50℃至80℃之间,沾锡总时间约3秒.
2.局部沾锡不良 DE WETTING:
此一情形与沾锡不良相似,不同的是局部沾锡不良不会露出铜箔面,只有薄薄的一层锡无法形成饱满的焊点.
3.冷焊或焊点不亮 COLD SOLDER OR DISTURRED SOLDER JOINTS:
焊点看似碎裂,不平,大部分原因是零件在焊锡正要冷却形成焊点时振动而造成,注意锡炉输送是否有异常振动.
4.焊点破裂 CRACKS IN SOLDER FILLET:
此一情形通常是焊锡,基板,导通孔,及零件脚之间膨胀系数,未配合而造成,应在基板材质,零件材料及设计上去改善.
5.焊点锡量太大 EXCES SOLDER:
通常在评定一个焊点,希望能又大又圆又胖的焊点,但事实上过大的焊点对导电性及抗拉强度未必有所帮助.
5-1.锡炉输送角度不正确会造成焊点过大,倾斜角度由1到7度依基板设计方式?#123;整,一般角度约3.5度角,角度越大沾锡越薄角度越小沾锡越厚.
5-2.提高锡槽温度,加长焊锡时间,使多余的锡再回流到锡槽.
5-3.提高预热温度,可减少基板沾锡所需热量,曾加助焊效果.
5-4.改变助焊剂比重,略为降低助焊剂比重,通常比重越高吃锡越厚也越易短路,比重越低吃锡越薄但越易造成锡桥,锡尖.
6.锡尖 (冰柱) ICICLING:
此一问题通常发生在DIP或WIVE的焊接制程上,在零件脚顶端或焊点上发现有冰尖般的锡.
6-1.基板的可焊性差,此一问题通常伴随着沾锡不良,此问题应由基板可焊性去探讨,可试由提升助焊剂比重来改善.
6-2.基板上金道(PAD)面积过大,可用绿(防焊)漆线将金道分隔来改善,原则上用绿(防焊)漆线在大金道面分隔成5mm乘10mm区块.
6-3.锡槽温度不足沾锡时间太短,可用提高锡槽温度加长焊锡时间,使多余的锡再回流到锡槽来改善.
6-4.出波峰后之冷却风流角度不对,不可朝锡槽方向吹,会造成锡点急速,多余焊锡无法受重力与内聚力拉回锡槽.
6-5.手焊时产生锡尖,通常为烙铁温度太低,致焊锡温度不足无法立即因内聚力回缩形成焊点,改用较大瓦特数烙铁,加长烙铁在被焊对象的预热时间.
7.防焊绿漆上留有残锡 SOLDER WEBBING:
7-1.基板制作时残留有某些与助焊剂不能兼容的物质,在过热之,后餪化产生黏性黏着焊锡形成锡丝,可用丙酮(*已被蒙特娄公约禁用之化学溶剂),,氯化烯类等溶剂来清洗,若清洗后还是无法改善,则有基板层材CURING不正确的可能,本项事故应及时回馈基板供货商.
7-2.不正确的基板CURING会造成此一现象,可在插件前先行烘烤120℃二小时,本项事故应及时回馈基板供货商.
7-3.锡渣被PUMP打入锡槽内再喷流出来而造成基板面沾上锡渣,此一问题较为单纯良好的锡炉维护,锡槽正确的锡面高度(一般正常状况当锡槽不喷流静止时锡面离锡槽边缘10mm高度)
8.白色残留物 WHITE RESIDUE:
在焊接或溶剂清洗过后发现有白色残留物在基板上,通常是松香的残留物,这类物质不会影响表面电阻质,但客户不接受.
8-1.助焊剂通常是此问题主要原因,有时改用另一种助焊剂即可改善,松香类助焊剂常在清洗时产生白班,此时最好的方式是寻求助焊剂供货商的协助,产品是他们供应他们较专业.
8-2.基板制作过程中残留杂质,在长期储存下亦会产生白斑,可用助焊剂或溶剂清洗即可.
8-3.不正确的CURING亦会造成白班,通常是某一批量单独产生,应及时回馈基板供货商并使用助焊剂或溶剂清洗即可.
8-4.厂内使用之助焊剂与基板氧化保护层不兼容,均发生在新的基板供货商,或更改助焊剂厂牌时发生,应请供货商协助.
8-5.因基板制程中所使用之溶剂使基板材质变化,尤其是在镀镍过程中的溶液常会造成此问题,建议储存时间越短越好.
8-6.助焊剂使用过久老化,暴露在空气中吸收水气劣化,建议更新助焊剂(通常发泡式助焊剂应每周更新,浸泡式助焊剂每两周更新,喷雾式每月更新即可).
8-7.使用松香型助焊剂,过完焊锡炉候停放时间太九才清洗,导致引起白班,尽量缩短焊锡与清洗的时间即可改善.
8-8.清洗基板的溶剂水分含量过高,降低清洗能力并产生白班.应更新溶剂.
9.深色残余物及浸蚀痕迹 DARK RESIDUES AND ETCH MARKS:
通常黑色残余物均发生在焊点的底部或顶端,此问题通常是不正确的使用助焊剂或清洗造成.
9-1.松香型助焊剂焊接后未立即清洗,留下黑褐色残留物,尽量提前清洗即可.
9-2.酸性助焊剂留在焊点上造成黑色腐蚀颜色,且无法清洗,此现象在手焊中常发现,改用较弱之助焊剂并尽快清洗.
9-3.有机类助焊剂在较高温度下烧焦而产生黑班,确认锡槽温度,改用较可耐高温的助焊剂即可.
10.绿色残留物 GREEN RESIDUE:
绿色通常是腐蚀造成,特别是电子产品但是并非完全如此,因为很难分辨到底是绿锈或是其它化学产品,但通常来说发现绿色物质应为警讯,必须立刻查明原因,尤其是此种绿色物质会越来越大,应非常注意,通常可用清洗来改善.
10-1.腐蚀的问题通常发生在裸铜面或含铜合金上,使用非松香性助焊剂,这种腐蚀物质内含铜离子因此呈绿色,当发现此绿色腐蚀物,即可证明是在使用非松香助焊剂后未正确清洗.
10-2.COPPER ABIETATES 是氧化铜与 ABIETIC ACID (松香主要成分)的化合物,此一物质是绿色但绝不是腐蚀物且具有高绝缘性,不影影响品质但客户不会同意应清洗.
10-3.PRESULFATE 的残余物或基板制作上类似残余物,在焊锡后会产生绿色残余物,应要求基板制作厂在基板制作清洗后再做清洁度测试,以确保基板清洁度的品质.
11.白色腐蚀物
第八项谈的是白色残留物是指基板上白色残留物,而本项目谈的是零件脚及金属上的白色腐蚀物,尤其是含铅成分较多的金属上较易生成此类残余物,主要是因为氯离子易与铅形成氯化铅,再与二氧化碳形成碳酸铅(白色腐蚀物).
在使用松香类助焊剂时,因松香不溶于水会将含氯活性剂包着不致腐蚀,但如使用不当溶剂,只能清洗松香无法去除含氯离子,如此一来反而加速腐蚀.
12.针孔及气孔 PINHOLDS AND BLOWHOLES:
针孔与气孔之区别,针孔是在焊点上发现一小孔,气孔则是焊点上较大孔可看到内部,针孔内部通常是空的,气孔则是内部空气完全喷出而造成之大孔,其形成原因是焊锡在气体尚未完全排除即已凝固,而形成此问题.
12-1.有机污染物:基板与零件脚都可能产生气体而造成针孔或气孔,其污染源可能来自自动植件机或储存状况不佳造成,此问题较为简单只要用溶剂清洗即可,但如发现污染物为SILICONOIL 因其不容易被溶剂清洗,故在制程中应考虑其它代用品.
12-2.基板有湿气:如使用较便宜的基板材质,或使用较粗糙的钻孔方式,在贯孔处容易吸收湿气,焊锡过程中受到高热蒸发出来而造成,解决方法是放在烤箱中120℃烤二小时.
12-3.电镀溶液中的光亮剂:使用大量光亮剂电镀时,光亮剂常与金同时沉积,遇到高温则挥发而造成,特别是镀金时,改用含光亮剂较少的电镀液,当然这要回馈到供货商.
13.TRAPPED OIL:
氧化防止油被打入锡槽内经喷流涌出而机污染基板,此问题应为锡槽焊锡液面过低,锡槽内追加焊锡即可改善.
14.焊点灰暗 :
此现象分为二种(1)焊锡过后一段时间,(约半载至一年)焊点颜色转暗.
(2)经制造出来的成品焊点即是灰暗的.
14-1.焊锡内杂质:必须每三个月定期检验焊锡内的金属成分.
14-2.助焊剂在热的表面上亦会产生某种程度的灰暗色,如RA及有机酸类助焊剂留在焊点上过久也会造成轻微的腐蚀而呈灰暗色,在焊接后立刻清洗应可改善.
某些无机酸类的助焊剂会造成 ZINC OXYCHLORIDE 可用 1% 的盐酸清洗再水洗.
14-3.在焊锡合金中,锡含量低者(如40/60焊锡)焊点亦较灰暗.
15.焊点表面粗糙:
焊点表面呈砂状突出表面,而焊点整体形状不改变.
15-1.金属杂质的结晶:必须每三个月定期检验焊锡内的金属成分.
15-2.锡渣:锡渣被PUMP打入锡槽内经喷流涌出因锡内含有锡渣而使焊点表面有砂状突出,应为锡槽焊锡液面过低,锡槽内追加焊锡并应清理锡槽及PUMP即可改善.
15-3.外来物质:如毛边,绝缘材等藏在零件脚,亦会产生粗糙表面.
16.黄色焊点 :
系因焊锡温度过高造成,立即查看锡温及温控器是否故障.
17.短路BRIDGING:
过大的焊点造成两焊点相接.
17-1.基板吃锡时间不够,预热不足,?#123;整锡炉即可.
17-2.助焊剂不良:助焊剂比重不当,劣化等.
17-3.基板进行方向与锡波配合不良,更改吃锡方向.
17-4.线路设计不良:线路或接点间太过接近(应有0.6mm以上间距);如为排列式焊点或IC
,则应考虑盗锡焊垫,或使用文字白漆予以区隔,此时之白漆厚度需为2倍焊垫(金道)厚度以上.
17-5.被污染的锡或积聚过多的氧化物被PUMP带上造成短路应清理锡炉或更进一步全部更新锡槽内的焊锡.
培 训 教 程 (助焊剂)
助焊剂是一种促进焊接的化学物质.在锡焊中,它是一种不可缺少的辅助材料,其作用极为重要.
1.助焊剂的作用
(1)溶解被焊母材表面的氧化膜
在大气中,被焊母材表面总是被氧化膜覆盖着,其厚度大约为2×10-9~2×10-8m.在焊接时,氧化膜必然会阻止焊料对母材的润湿,焊接就不能正常进行,因此必须在母材表面涂敷助焊剂,使母材表面的氧化物还原,从而达到消除氧化膜的目的.
(2)防止被焊母材的再氧化
母材在焊接过程中需要加热,高温时金属表面会加速氧化,因此液态助焊剂覆盖在母材和焊料的表面可防止它们氧化.
(3)降低熔融焊料的表面张力
熔融焊料表面具有一定的张力,就像雨水落在荷叶上,由于液体的表面张力会立即聚结成圆珠状的水滴.熔融焊料的表面张力会阻止其向母材表面漫流,影响润湿的正常进行.当助焊剂覆盖在熔融焊料的表面时,可降低液态焊料的表面张力,使润湿性能明显得到提高.
2.助焊剂应具备的性能
(1)助焊剂应有适当的活性温度范围.在焊料熔化前开始起作用,在施焊过程中较好地发挥清除氧化膜、降低液态焊料表面张力的作用.焊剂的熔点应低于焊料的熔点,但不易相差过大.
(2)助焊剂应有良好的热稳定性,一般热稳定温度不小于100℃.
(3)助焊剂的密度应小于液态焊料的密度,这样助焊剂才能均匀地在被焊金属表面铺展,呈薄膜状覆盖在焊料和被焊金属表面,有效地隔绝空气,促进焊料对母材的润湿.
(4)助焊剂的残留物不应有腐蚀性且容易清洗;不应析出有毒、有害气体;要有符合电子工业规定的水溶性电阻和绝缘电阻;不吸潮,不产生霉菌;化学性能稳定,易于贮藏.
1.助焊剂的种类
助焊剂的种类繁多,一般可分为无机系列、有机系列和树脂系列.
(1)无机系列助焊剂
无机系列助焊剂的化学作用强,助焊性能非常好,但腐蚀作用大,属于酸性焊剂.因为它溶解于水,故又称为水溶性助焊剂,它包括无机酸和无机盐2类.
含有无机酸的助焊剂的主要成分是盐酸、氢氟酸等,含有无机盐的助焊剂的主要成分是氯化锌、氯化铵等,它们使用后必须立即进行非常严格的清洗,因为任何残留在被焊件上的卤化物都会引起严重的腐蚀.这种助焊剂通常只用于非电子产品的焊接,在电子设备的装联中严禁使用这类无机系列的助焊剂.
(2)有机系列助焊剂(OA)
有机系列助焊剂的助焊作用介于无机系列助焊剂和树脂系列助焊剂之间,它也属于酸性、水溶性焊剂.含有有机酸的水溶性焊剂以乳酸、柠檬酸为基础,由于它的焊接残留物可以在被焊物上保留一段时间而无严重腐蚀,因此可以用在电子设备的装联中,但一般不用在SMT的焊膏中,因为它没有松香焊剂的粘稠性(起防止贴片元器件移动的作用).
(3)树脂系列助焊剂
在电子产品的焊接中使用比例最大的是松香树脂型助焊剂.由于它只能溶解于有机溶剂,故又称为有机溶剂助焊剂,其主要成分是松香.松香在固态时呈非活性,只有液态时才呈活性,其熔点为127℃活性可以持续到315℃.锡焊的最佳温度为240~250℃,所以正处于松香的活性温度范围内,且它的焊接残留物不存在腐蚀问题,这些特性使松香为非腐蚀性焊剂而被广泛应用于电子设备的焊接中.
为了不同的应用需要,松香助焊剂有液态、糊状和固态3种形态.固态的助焊剂适用于烙铁焊,液态和糊状的助焊剂分别适用于波峰焊和再流焊.
在实际使用中发现,松香为单体时,化学活性较弱,对促进焊料的润湿往往不够充分,因此需要添加少量的活性剂,用以提高它的活性.松香系列焊剂根据有无添加活性剂和化学活性的强弱,被分为非活性化松香、弱活性化松香、活性化松香和超活性化松香4种,美国MIL标准中分别称为R、RMA、RA、RSA,而日本JIS标准则根据助焊剂的含氯量划分为AA(0.1wt%以下)、A(0.1~0.5wt%)、B(0.5~1.0wt%)3种等级.
①非活性化松香(R):它是由纯松香溶解在合适的溶剂(如异丙醇、乙醇等)中组成,其中没有活性剂,消除氧化膜的能力有限,所以要求被焊件具有非常好的可焊性.通常应用在一些使用中绝对不允许有腐蚀危险存在的电路中,如植入心脏的起搏器等.
②弱活性化松香(RMA):这类助焊剂中添加的活性剂有乳酸、柠檬酸、硬脂酸等有机酸以及盐基性有机化合物.添加这些弱活性剂后,能够促进润湿的进行,但母材上的残留物仍然不具有腐蚀性,除了具有高可靠性的航空、航天产品或细间距的表面安装产品需要清洗外,一般民用消费类产品(如收录机、电视机等)均不需设立清洗工序.在采用弱活性化松香时,对被焊件的可焊性也有严格的要求.
③活性化松香(RA)及超活性化松香(RSA):在活性化松香助焊剂中,添加的强活性剂有盐酸苯胺、盐酸联氨等盐基性有机化合物,这种助焊剂的活性是明显提高了,但焊接后残留物中氯离子的腐蚀变成不可忽视的问题,所以,在电子产品的装联中一般很少应用.随着活性剂的改进,已开发了在焊接温度下能将残渣分解为非腐蚀性物质的活性剂,这些大多数是有机化化合物的衍生物.
〖 免 清 洗 技 术 〗
1.免清洗的概念
(1)什么是免清洗
免清洗是指在电子装联生产中采用低固态含量、无腐蚀性的助焊剂,在惰性气体环境下焊接,焊后电路板上的残留物极微、无腐蚀,且具有极高的表面绝缘电阻(SIR),一般情况下不需要清洗既能达到离子洁净度的标准(美军标MIL-P-228809离子污染等级划分为:一级≤1.5ugNaCl/cm2无污染;二级≤1.5~5.0ugNACl/cm2质量高;三级≤5.0~10.0ugNaCl/cm2符合要求;四级>10.0ugNaCl/cm2不干净),可直接进入下道工序的工艺技术.
必须指出的是“免清洗”与“不清洗”是绝对不同的2个概念,所谓“不清洗”是指在电子装联生产中采用传统的松香助焊剂(RMA)或有机酸助焊剂,焊接后虽然板面留有一定的残留物,但不用清洗也能满足某些产品的质量要求,如家用电子产品、专业声视设备、低成本办公设备等产品,它们生产时通常是“不清洗”的,但绝对不是“免清洗”.
(2)免清洗的优越性
①提高经济效益:实现免清洗后,最直接的就是不必进行清洗工作,因此可以大量节约清洗人工、设备、场地、材料(水、溶剂)和能源的消耗,同时由于工艺流程的缩短,节约了工时提高了生产效率.
②提高产品质量:由于免清洗技术的实施,要求严格控制材料的质量,如助焊剂的腐蚀性能(不允许含有卤化物)、元器件和印制电路板的可焊性等;在装联过程中,需要采用一些先进的工艺手段,如喷雾法涂敷助焊剂、在惰性气体保护下焊接等.实施免清洗工艺,可避免清洗应力对焊接组件的损伤,因此免清洗对提高产品质量是极为有利的.
③有利于环境保护:采用免清洗技术后,可停止使用ODS物质,也大幅度地减少了挥发性有机物(VOC)的使用,从而对保护臭氧层具有积极作用.
2.免清洗材料的要求
(1)免清洗助焊剂
要使焊接后的PCB板面不用清洗就能达到规定的质量水平,助焊剂的选择是一个关键,通常对免清洗助焊剂有下列要求:
①低固态含量:2%以下
传统的助焊剂有较高的固态含量(20~40%)、中等的固态含量(10~15%)和较低的固态含量(5~10%),用这些助焊剂焊接后的PCB板面留有或多或少的残留物,而免清洗助焊剂的固态含量要求低于2%,而且不能含有松香,因此焊后板面基本无残留物.
②无腐蚀性:不含卤素、表面绝缘电阻>1.0×1011Ω
传统的助焊剂因为有较高的固态含量,焊接后可将部分有害物质“包裹起来”,隔绝与空气的接触,形成绝缘保护层.而免清洗助焊剂,由于极低的固态含量不能形成绝缘保护层,若有少量的有害成分残留在板面上,就会导致腐蚀和漏电等严重不良后果.因此,免清洗助焊剂中不允许含有卤素成分.
对助焊剂的腐蚀性通常采用下列几种方法进行测试:
a.铜镜腐蚀测试:测试助焊剂(焊膏)的短期腐蚀性
b.铬酸银试纸测试:测试焊剂中卤化物的含量
c.表面绝缘电阻测试:测试焊后PCB的表面绝缘电阻,以确定焊剂(焊膏)的长期电学性能的可靠性
d.腐蚀性测试:测试焊后在PCB表面残留物的腐蚀性
e.电迁移测试:测试焊后PCB表面导体间距减小的程度
③可焊性:扩展率≥80%
可焊性与腐蚀性是相互矛盾的一对指标,为了使助焊剂具有一定的消除氧化物的能力,并且在预热和焊接的整个过程中均能保持一定程度的活性,就必须包含某种酸.在免清洗助焊剂中用得最多的是非水溶性醋酸系列,配方中可能还有胺、氨和合成树脂,不同的配方会影响其活性和可靠性.不同的企业有不同的要求和内部控制指标,但必须符合焊接质量高和无腐蚀性的使用要求.
助焊剂的活性通常是用pH值来衡量的,免清洗助焊剂的pH值应控制在产品规定的技术条件范围内(各生产厂家的pH值略有不同).
④符合环保要求:无毒,无强烈刺激性气味,基本不污染环境,操作安全.
(2)免清洗印制电路板和元器件
在实施免清洗焊接工艺中,制电路板及元器件的可焊性和清洁度是需要重点控制的方面.为确保可焊性,在要求供应商保证可焊性的前提下,生产厂应将其存放在恒温干燥的环境中,并严格控制在有效的储存时间内使用.为确保清洁度,生产过程中要严格地控制环境和操作规范,避免人为的污染,如手迹、汗迹、油脂、灰尘等.
3.免清洗焊接工艺
在采用免清洗助焊剂后,虽然焊接工艺过程不变,但实施的方法和有关的工艺参数必须适应免清洗技术的特定要求,主要内容如下:
(1)助焊剂的涂敷
为了获得良好的免清洗效果,助焊剂涂敷过程必须严格控制2个参数,即助焊剂的固态含量和涂敷量.
通常,助焊剂的涂敷方式有发泡法、波峰法和喷雾法3种.在免清洗工艺中,不宜采用发泡法和波峰法,其原因是多方面的,第一,发泡法和波峰法的助焊剂是放置在敞开的容器内,由于免清洗助焊剂的溶剂含量很高,特别容易挥发,从而导致固态含量的升高,因此,在生产过程中用比重法来控制助焊剂的成分保持不变是有困难的,且溶剂的大量挥发也造成了污染和浪费;第二,由于免清洗助焊剂的固体含量极低,不利于发泡;第三,涂敷时不能控制助焊剂的涂敷量,涂敷也不均匀,往往有过量的助焊剂残留在板的边缘.因此,采用这2种方式不能得到理想的免清洗效果.
喷雾法是最新的一种焊剂涂敷方式,最适用于免清洗助焊剂的涂敷.因为助焊剂被放置在一个密封的加压容器内,通过喷口喷射出雾状助焊剂涂敷在PCB的表面,喷射器的喷射量、雾化程度和喷射宽度均可调节,所以能够精确地控制涂敷的焊剂量.由于涂敷的焊剂是雾状薄层,因此板面的焊剂非常均匀,可确保焊接后的板面符合免清洗要求.同时,由于助焊剂完全密封在容器内,不必考虑溶剂的挥发和吸收大气中的水分,这样可保持焊剂比重(或有效成分)不变,一次加入至用完之前无需更换,较发泡法和波峰法可减少焊剂的稀释剂用量60%以上.因此,喷雾涂敷方式是免清洗工艺中首选的一种涂敷工艺.
在采用喷雾涂敷工艺时必须注意一点,由于助焊剂中含有较多的易燃性溶剂,喷雾时散发的溶剂蒸气存在一定的爆燃危险性,因此设备需要具有良好的排风设施和必要的灭火器具.
(2)预热
涂敷助焊剂后,焊接件进入预热工序,通过预热挥发掉助焊剂中的溶剂部分,增强助焊剂的活性.在采用免清洗助焊剂后,预热温度应控制在什么范围最为适当呢?
实践证明,采用免清洗助焊剂后,若仍按传统的预热温度(90±10℃)来控制,则有可能产生不良的后果.其主要原因是:免清洗助焊剂是一种低固态含量、无卤素的助焊剂,其活性一般较弱,而且它的活性剂在低温下几乎不能起到消除金属氧化物的作用,随着预热温度的升高,助焊剂逐渐开始激活,当温度达到100℃时活性物质才被释放出来与金属氧化物迅速反映.另外,免清洗助焊剂的溶剂含量相当高(约97%),若预热温度不足,溶剂就不能充分挥发,当焊件进入锡槽后,由于溶剂的急剧挥发,会使得熔融焊料飞溅而形成焊料球或焊接点实际温度下降而产生不良焊点.因此,免清洗工艺中控制好预热温度是又一重要的环节,通常要求控制在传统要求的上限(100℃)或更高(按供应商指导温度曲线)且应有足够的预热时间供溶剂充分挥发.
(3)焊接
由于严格限制了助焊剂的固态含量和腐蚀性,其助焊性能必然受到限制.要获得良好的焊接质量,还必须对焊接设备提出新的要求——具有惰性气体保护功能.除了采取上述措施外,免清洗工艺还要求更严格地控制焊接过程的各项工艺参数,主要包括焊接温度、焊接时间、PCB压锡深度和PCB传送角度等.应根据使用不同类型的免清洗助焊剂,调整好波峰焊设备的各项工艺参数,才能获得满意的免清洗焊接效果.
