当前位置: 首页 » 资讯 » SMT设备 » 波峰焊 » 正文

接触时间对无铅波峰焊的影响

放大字体  缩小字体 发布日期:2013-01-16  浏览次数:104

许多工厂正在继续向无铅波峰焊工艺进行转换。当终端产品变得越来
越“绿色”的时候,工艺工程师却面临着越来越复杂的装配需求。如果我
们思考SMT到底在制造什么?它会带领我们看到图1中所示的答案——
焊点。板材、器件、连接器等,通常是在别的地方制造的。当我们思
考关于SMT线究竟是制造什么的时候,这会让人觉得有点惊奇,它最
终带我们看到的是焊点!绝大多数的PCB装配公司在检查他们的设备
——贴片机、印刷机和生产线监控设备等,他们在这上面花费了成百
上千万的美元,但是对于那些真正制造产品的设备却进行尽可能少的
投资。

 

除了波峰焊工艺的复杂度外,电路板的复杂度整体来说也在增加。大
的多层服务器电路板提升了对于波峰焊工艺的需求,不管它是有铅还
是无铅焊接。虽然产量不是很多,但是这些高端产品的高附加值和高
利润驱动着高的一次通过率和最少的返修率。当使用传统波峰焊接技
术时,这些电路板常常遇到低的通过率,慢的生产速度,以及返修带
来的潜在失效风险等问题。主要遇到的工艺问题就是通孔填充率。厚
的基层、大面积的接地层和大器件吞噬了形成良好焊点所必需的热量
。现在出现了较长接触面的焊接喷嘴,对于这些复杂装配来说,它能
够改进通过率,增加焊接速度,以及提高通孔填充率。
 

 

焊接喷嘴的千变万化

波峰焊设备制造商会提供各种各样的喷嘴以及围绕着焊接波峰会提供
过多的小配件和小装置的配置,这些东西通常都声称可以提供良好的
焊接表现。

假设电路板的基材和器件都是合格的,那么,为了能够获得良好的焊
点都需要些什么条件呢?答案是:大量的热能、接触时间、足够的助
焊 剂、可焊性好的表面、以及良好的波峰流动特性。当需要快速解决
波峰焊问题的时候,请把这些基本需求记在心中。如果这些基本的焊
接需求都不能满足,即使有一些漂亮的喷嘴小装置,也不能达到良好
的焊接水平。

简单地说,波峰焊分为单波峰和双波峰两种工艺。单波峰系统由一种
层状流动的平滑波组成,双波峰系统在平滑波前面还有另外一个比较
湍急的波。对于平滑波系统来说,基本上分为两类:第一类称为“A”型
波,焊锡会从喷嘴的两侧快速地流下;而第二类波的特征是,在喷嘴
的 前端焊锡会快速地流下,在后端(曳尾端)流速相对于导轨速度来
说会比较慢,此类波通常称为层状波或λ波。

 

扰流波被用在双波峰焊系统中,通常在宽度方面比较窄并且焊锡流得比
较急,这样可以提供额外的接触时间,减少器件的阴影效应;但要注
意的是,与此同时会产生额外的残留物。

面对目前不断上升的无铅焊锡的价格,如果不是必须的话,就不要使
用扰流波。图2显示了基本的波峰形式。每一种喷嘴配置在特定的导轨
速度下都有不同的接触时间。通常A型喷嘴的单波峰系统接触时间最短
,双波峰扩展接触系统时间最长。表1给出了各种不同的常规喷嘴配置
的接触时间。
 

 

波峰焊接气氛

配合各种各样的喷嘴设置,我们可以选择在大气环境下焊接,或者选
择充氮的惰性气体环境。同样地,存在有各种各样的小装置或小器具
用来提供所谓“最好”的惰性气体保护的焊接环境,但是这些保护装置归
根结底分为两类,一是焊接界面层式,二是隧道式。

隧道式系统在波峰焊接区域提供一个包围式的外壳,这样可以完全的
将锡缸和产品进行惰性气体保护。早期的隧道式系统将整个工艺过程
(包括预热区域)都用惰性气体进行保护,经验告诉我们,这样会导
致额外的氮气消耗和设备保养工作。随着时间的推移,人们更倾向于
选择仅仅在锡缸焊接区域进行惰性气体保护的隧道结构。

焊接界面层式系统仅仅用惰性气体保护电路板的底面,它利用电路板
自身来提供一个惰性气体保护环境。隧道式的系统可以产生非常少的
残留物,可以产生非常光泽的顶面爬锡,但是在设备维护、氮气消耗
方面需要花费更多的资金来运作;而焊接界面层式系统比隧道式系统
会多产生一些残留物,但是在设备成本方面要更低,并且仅仅用氮气
保护真正发生焊接的区域。


 

喷嘴的选择

 

在众多的选择中,哪一种喷嘴是最适合于无铅波峰焊应用的呢?非常
不幸,目前没有一种系统可以满足所有的需求!每一位生产者都必须
先评估其某一条装配线上生产的产品类型,再选择一种可以满足要求
的系统。A型波峰的特点是接触时间短,也许对于简单的、比较薄的电
路板进行无铅焊接就已经足够了,但是对于比较复杂或比较厚的电路
板来说就会遇到问题。扩展接触式波峰焊接系统也许对于无铅焊接大
的服务器电路板是有益的,但是对于较薄的消费类的产品可能会导致
分层。

因此,强烈建议在选择任何设备配置之前先进行良好的电路板前期设
计以及和设备供应商一起进行工艺研发。表2将电路板的复杂度进行了
基本的分类,它可以作为选择喷嘴的经验法则。
 

 

多层板的通孔填充

在开发出扩展接触式双波峰焊系统之前,工艺工程师只能通过减慢导
轨速度来增加接触时间,以获得更高的合格率。但非常不幸,这导致
了 产出率的下降和增加了产品的热损耗;伴随而来的还有一个问题,
就是对于A型和λ型(平滑型)波喷嘴系统,较慢的速度会增加最后
一个预热区与第一个波峰之间的温度损失。同样,在双波峰焊系统中,
两个波峰之间也会有这种温度损失。

解决的办法,就是在提供更长接触时间的同时,能够在电路板通过两
个 波峰之间的过程中将温度损失降到最低。通过增加第一个扰流波的
宽度以及将扰流波与平滑波之间的间距最小化的方法可以解决这个问
题。因为增加扰流波部分的宽度相比于同样宽度的平滑波来说可以提
供更多的热量转移,而此波峰流动的紊乱和活跃性也可以提供更多的
传导性热量转移。这些改进对于达到较高的合格和产出率都非常有益。
图4展示的是A型,λ型(平滑型)和扩展型双波峰焊系统的温度曲线
图。

 

DOE试验方法用来比较扩展型双波峰焊系统和λ型双波峰焊系统的差
别。实验中将记录QFP、通孔器件和接地插座的通孔填充不足、桥连
和焊锡过量等缺陷。测试板厚为0.093”(93mil),内层为2oz.Cu.,镀层
为OSP,在测试过程中使用的是同一种助焊剂和同一种无铅合金
(SAC305)。

初始的印刷测试已经完成,用来记录实验中将要使用的助焊剂的低端
沉积率。测试在空气和隧道式氮气保护两种环境中进行,导轨的速度
设定为在λ型(平滑型)双波峰焊系统上两个波峰的接触时间为3秒和
6秒。测试板如图5所示。

 

统计分析了测试结果的数据后可以看到,扩展型双波峰焊系统在空气
和氮气环境中的焊接效果都要好于λ型(平滑型)双波峰焊系统。图6和
图7为实验的大体结果。

与图形相对应的DOE分组如下:
1. 扩展型双波峰焊在空气中
2. 平滑型双波峰焊在空气中
3. 平滑型双波峰焊在氮气中
4. 扩展型双波峰焊在氮气中
 

 

 

接触时间与铜流失之间的关系

由于增加了接触时间, 可能会对焊盘和金属化孔(PTH)中的铜产生更强
的分解,因为焊锡有分解和腐蚀效应,尤其是在锡含量较高的无铅焊
料中。

下面再用一个DOE 试验来分析这种效应。在这个DOE试验中有4个因
子:合金材料、导轨速度、波分形式和电路板供应商。将电路板供应
商设为一个变量是为了减少数据的不准确,除非你只有一家供应商提
供你一个代码的一种电路板。使用两家供应商和两种电路板可以确认
试验的结果是不是可以用在其他各种各样的电路板上。响应量是焊锡
填充后的PTH的铜厚度。将比较环氧材料填充的通孔铜厚和焊锡填充的
通孔铜厚。合金为SAC305和Sn-Cu-Ni两种无铅焊料。导轨速度为1.5、
3.0、4.5英尺/分钟三种,两家电路板供应商负责提供测试板,总共需要
运行36次。图8表示的是用来测试焊接前/后铜厚变化的方法。

 

值得注意的是,在同一块电路板上铜厚的差异是显著的,最大可以达
到50微米,但是在比较前/后铜厚变化的时候会将此因素考虑在内。图
9显示的就是一个典型的实验样本。

 

 

在4个因子中间,波峰形式对铜腐蚀的影响是最大的。实验中用了三种
波峰形式:单个宽的扰流波,单个λ型平滑波,和以上两种组合成的
双 波峰。图10为在两种合金三种导轨速度下测得的铜流失量。

从这个实验中得到的结论是:

1、在接触时间内铜会流失;

2、同其他研究所的结果一样,Sn-Cu-Ni合金造成的铜流失较少;

3、没有明显的迹象表明腐蚀效应比分解效应更明显;

4、发现电路板与电路板之间和不同的供应商之间有比较明显的差别,
这不仅仅是因为孔与孔之间的间距,还因为使用了不同的合金;

5、不管在哪一种合金中,长接触时间的焊接工艺都会对通孔转角处
( knee dimension)有显著影响,因此在工艺设计的过程中需要考虑这
一因素。非常不幸,为了获得理想的工艺流程需要量化数据,这些数
据又依赖于截面的显微分析,但是不同批次的电路板和不同的供应商
之间存在的铜厚的差异是此次研究完全无法控制的一个变量。
 

现场经验

从使用隧道式扩展双波峰焊系统用户的反馈来看,结果是积极的。在
一面上,缺陷率从47dpm下降到25dpm,下降了47%。这个产品是大尺寸
厚服务器电路板。通孔填充率有了改善,焊锡空洞消除了。此外,氧
化残留物(锡渣)从1.4公斤/小时下降到30克/小时,同时保养间隔时间
由8小时增加到了72小时。图11为三种系统的残留物目视比较,在空气
中(右),焊接界面层(中),隧道式(左)。


结论

在波峰焊喷嘴设计中存在着各种各样的变化,每一种设计都有各自的
优势和不足。在这些系统中波峰接触时间的差异也是非常大的,这才
是提供良好焊点质量的关键因素。工艺工程师应该先考虑需要焊接的
电路板然后再来选择最合适的喷嘴。

 

无铅焊接对波峰焊不断地提出新的工艺挑战。当使用目前标准的喷嘴
进行焊接时,对于有大的接地层的复杂的厚的电路板会遇到很大的困
难。但是使用扩展型喷嘴时将会克服这些困难,并且可以提供更好的
合格率,更低的运作成本,以及更可靠的产品。

对于任何形式的喷嘴来说都会遇到铜的分解与腐蚀问题,即使扩展型
喷嘴也不例外。在建立工艺流程之前先意识到这个问题是非常重要的
。在许多地方都证明了,某些种类的无铅焊锡,在长时间的接触下会
将孔环(annular ring)完全溶解掉。在电路板的内层可能也会产生铜分
解现象,电路板的设计者在设计需要长接触时间的厚板时应该考虑到
这一点。扩展式系统和全隧道式惰性气体保护相结合,会对无铅和有
铅焊接带来非常大的灵活性以及非常低的成本。

 
[ 资讯搜索 ]  [ 加入收藏 ]  [ 告诉好友 ]  [ 打印本文 ]  [ 关闭窗口 ]

 
0条 [查看全部]  相关评论

 
推荐图文
推荐资讯
点击排行
 
网站首页 | 注册指南 | 网站制作 | 关于我们 | 联系方式 | 使用协议 | 版权隐私 | 网站地图 | 排名推广 | 广告服务 | 积分换礼 | 网站留言 | RSS订阅 | 沪ICP备09033911号-6