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选择性波峰焊技术在SMT中的应用
发布时间:2018-04-12

选择性波峰焊技术是SMT技术中新兴发展的技术,它的出现较大的满足了高密度多样性混装PCB板的组装要求。选择性波峰焊具有焊点参数单独设置,对PCB热冲击小,助焊剂喷涂量少焊接可靠性强等优点,正逐渐成为复杂PCB不可或缺的焊接技术。

选择性波峰焊

引言:

SMT技术是表面安装元件SMC/器件SMD、PCB、点胶、涂锡膏、表面安装技术、焊接及在线测试等一整套工艺技术过程的统称。随着微电子组装技术的进一步发展,很多电子元器件呈现微型化多功能的趋势,这对传统的电子封装技术提出了新的要求。

对于大多数的表面贴装元件,已经成熟的回流焊技术可以满足其组装要求。但是对于可靠性要求高、精密度高的通信系统,电力系统,汽车电器电子,航空航天,军用设备等产品,其PCB板往往是高密度双面板,并含有一定量的通孔插装元件,传统的回流焊技术并不能满足其组装需求。在这种情况下,人们把目光转向了选择性焊接,以实现对某些通孔插装元器件或其它高精密元器件组装。目前,选择性焊接使用较多的是选择性波峰焊激光焊,其次为选择性回流焊

 

一、选择性波峰焊接技术的概述

选择性波峰焊主要是为了满足含通孔插装元器件的混装产品高品质的组装需求而发展起来的新型波峰焊工艺。与传统的波峰焊类似,选择性波峰焊一般由助焊剂喷涂、预热和焊接三个模块构成。通过程序设定,助焊剂喷涂模块可对每个焊点进行助焊剂选择性喷涂,经预热模块预热后,再由焊接模块对每个焊点进行选择性焊接。选择性波峰焊的优点介绍如下:

1)、提高焊接品质

当使用选择性波峰焊对PCB进行焊接时,每一个焊点的焊接参数都可以通过编程进行单独制定,这使不同性能的元器件拥有了专属的焊接工艺,极大地满足了其组装要求。针对不同焊接要求的元器件,焊接工程师可以就助焊剂喷涂量,焊接波峰高度,焊接时间这几个方面进行焊接工艺调试,有效的降低了波峰焊缺陷率,甚至做到了焊接的零缺陷。图1为采用不同的焊接参数对两个相同焊点进行的焊接,可以看出,焊点的外观和形状有很大的差别。

 

不同焊接技术的焊接点

1 不同焊接参数下的两个焊点

 

同时,使用选择性波峰焊时,喷嘴只对需要焊接的焊点进行焊接,焊接所造成的热影响区域有限,混装线路板上贴装元器件的引脚与通孔插装器件的引脚只要不是距离过近,基本不会发生焊点重熔,避免了热冲击的产生。这样,就不需制作大量复杂的工装卡具对已焊好的贴装器件进行遮蔽和保护。 

2)、节约成本

  对于目前混装线路板,通孔插装器件的焊接只占整体线路板焊接的小部分。在这种情况下,选择性波峰焊体现出了很大的成本优势。

    设备占地面积较小

与传统的波峰焊相比,选择性波峰焊不需要较大的锡炉和很长预热区,因此其占地面积一般不到传统波峰焊一半。与手工焊相比,由于每个焊接工人都需要面积一定大小的焊接桌面来摆放焊接器具和进行焊接,因此选择性波峰焊占地面积也小于手工焊。

节省助焊剂

通常情况下,混装线路板中通孔插装器件的焊接面积只占整个板面的小部分。传统的波峰焊需要对线路板进行大面积助焊剂喷涂,而选择性波峰焊只针对需要的焊接部分进行喷涂,在很大程度上减少了助焊剂使用量。据某公司统计,采用选择性波峰焊,两台机器两班工作,年助焊剂用量不过百公斤,而普通波峰焊生产将消耗助焊剂达四吨以上。

由于选择性波峰焊只针对所需焊接的焊点进行助焊剂喷涂,对其他部分没有影响,因此,PCB离子污染率大大降低,而清洁度提高。助焊剂一般含有腐蚀性离子,如果残留在PCB上会腐蚀板面和焊点,造成电路开路。传统的波峰焊因为需要对PCB进行大面积喷涂,焊后往往需要对线路板进行清洁。

 选择性波峰焊助焊嘴


2 选择性助焊剂喷嘴

 

锡渣产生量和氮气使用量减少

与传统波峰焊相比,由于锡炉尺寸和喷嘴尺寸的减少,锡渣产生量和氮气使用量均有大幅度的减少。在不充氮的情况下,波峰焊一天的锡渣产生量可能高达10-20kg与之相比,选择性波峰焊一周产生的锡渣量只有0.5-1kg。与此同时,波峰焊的锡炉比较大,耗氮量达15m3/h,而选择性波峰焊采用封闭小锡炉方式,单一锡炉的耗氮量大约为1.5m3/h,且氮气环境焊接更好。

工装载具费用减少

在波峰焊生产中,一个品种需制作1020工装载具,而目前合成石制作的工装载具价格约为1000-2000/个。在选择性波峰焊生产中,一般不需要工装载具,由此减少了大量的成本。

由于选择性波峰焊具有很多传统波峰焊难以相比的优点,因此,在电子元器件组装行业中正得到越来越广泛的应用。

 

二、选择性波峰焊技术的应用

 

 

2.1选择性波峰焊的应用领域

近几年来,选择性波峰焊作为高品质高精密的组装技术,在多个领域内的著名企业正得到广泛的应用。

首先,选择性波峰焊广泛应用于汽车电子领域,如伟创力汽车电子(上海)有限公司,惠州西门子VDO(大陆集团),上海联合汽车电子(德国博世合资厂),联创汽车电子有限公司等。

其次是通信电子领域,如华为技术有限公司,中兴通讯股份有限公司,北京大唐通讯,上海贝尔阿尔卡特通讯,杭州贝莱胜通讯,南京爱立信熊猫通讯有限公司等。

第三是电力系统,如南京南瑞继保电气有限公司,国电(南京)自动化有限公司,南京南瑞成套公司,上海思源电气,山东GE鲁能等。

此外,采用选择性波峰焊的还有科研院所等。

 

    2.2、选择性波峰焊的技术要点

选择性波峰焊作业流程一般由助焊剂喷涂预热焊接三个部分组成。通过设备的程序设置,可对将要焊接的焊点依次完成助焊剂喷涂工作,然后焊点经预热模块预热后,再由焊接模块对其进行逐点焊接。

1)助焊剂喷涂

助焊剂的喷涂方式可以分为单咀喷雾式微孔喷射式同步式多点/图形喷雾等多种方式,可根据PCB的线路布局特点及元器件引脚进行选择。在保证喷涂位置精确度的情况下,根据焊点的不同,参考传统波峰焊喷涂量,选择性助焊剂的喷涂可以分为以下几种情况。

单点喷涂时,助焊剂量一般控制20%以内(与元件引脚、孔径的大小有关),喷涂时间为1s以内,喷涂时间不宜过长,否则会造成PCB板面助焊剂残留。

连续焊点喷涂时,助焊剂量一般控制在30-40%左右,喷头的移动速度一般控制在15-30mm/s之间

对于一些特殊位置,特殊元器件焊接时,助焊剂喷涂量有所不同,在保证焊接效果的情况下,尽量减少助焊剂喷涂量。 

2) 、预热

评价通孔插装元器件的焊接质量时,钎料在焊盘上的铺展面积和对通孔的填充率是两个重要的指标。PCB在焊接前的预热对这两个方面有很大的作用。

      在波峰焊过程中,PCB承受的温度一般介于215-255℃。在此温度下,PCB处于高弹状态,已发生形变。而选择性波峰焊是局部焊接,冷的PCB直接焊接会带来焊接质量差、板材易变形等缺陷。因此,预热过程是选择性波峰焊不可缺少的过程。日本电子机械工业协会标准分会推荐如下的预热工艺参数:预热温度80-150℃,预热时间20-120s。一般情况下,预热温度控制在135℃以内,时间为30s,而顶部预热系统的温度控制在110℃左右,时间为10s

预热系统的另一作用是活化助焊剂,并对焊盘和覆铜通孔进行预热选择性波峰焊一般采用整体预热方式,防止线路板因受热不均而发生变形。选择性波峰焊多采用松香型助焊剂,它的活化温度一般是在120-150℃,超过这一温度则活化作用消失。因此,松香型助焊剂必须在焊接之前活化,同时,松香是一种大分子多环化合物,具有一定的成膜性,在活化过程中去除金属氧化物后可以在金属表面成膜防止其再氧化

当选择顶部预热时,可以选择热风预热方式。但与其相比,红外预热的效率较高,但却存在着如下三个问题:

对于插装器件,其母体均在顶部,而引脚在底部。在整块PCB中可能存在少量的热敏感元器件。热风预热方式在对线顶部PCB和热敏感器件的预热过程中,温度控制方面比短波红外方式更加有效和安全;

短波红外线在照射到PCB顶部插装元器件的母体时,母体本身会使其下方的部位出现阴影,这会使的不同部分出现温差;

短波红外属于亮红外,也叫可见光红外,对不同颜色的吸收率和反射率存在着显著差异;而PCB本身及其所布置的大量元器件母体必然会有较大的颜色差异。因此,当选择红外预热方式时,要考虑PCB板实际情况与以上的问题。

对于热容较大的电子元器件,或厚度较大的多层板,预热过程显得尤为重要。对于大热容量和多层线路板,为了达到良好的焊接效果,一般需采用底部红外预热顶部热风预热的联合预热方式,可以明显的改善透锡效果。 

3)、焊接

选择性波峰焊最主要的优点就是对PCB上的每个焊点都可以单独设置焊接参数,确保其得到最优的焊接效果。在传统的波峰焊过程中,由于焊接范围大,PCB大部分元器件都会经历同样的温度变化过程。选择性波峰焊只是针对特定点的焊接,只会在焊点及其邻近的极小区域产生热冲击,可以避免热冲击带来的危害无铅波峰焊的温度一般为260℃左右,对于上锡难的元器件,其波峰焊温度可调到280℃

在选择性波峰焊系统中,正是由于各个焊点的焊接参数可以单独设置,单个喷嘴一次只能焊一个点或一排点,这使其焊接的效率有所降低。目前,很多选择性波峰焊设备配备了双模组串联工作方式。一模组使用较小的喷嘴,用于完成单点焊接;另一模组采用较大喷嘴,用于完成某些元器件双排针的焊接,这样生产效率得到了很大的提高。

 

3 选择性波峰焊的双喷嘴结构

 

多喷嘴选择性波峰焊结构

4 多喷嘴选择性波峰焊结构

 

    2.3选择性波峰焊的关键技术

合适的喷嘴形状、尺寸及采用的技术(如润湿性、非润湿性焊接喷嘴,去桥接刀),可有效降低焊接缺陷,大大提高生产效率和控制品质。

 

不同喷嘴结构对PCB板上引脚的伸出长度和间距有着不同的要求。图7和图8分别说明了在采用单喷嘴和多喷嘴进行焊接时,PCB板上引脚的设计要求。

 

紫光日东选择性波峰焊采用的喷嘴使用寿命长达6个月,是行业中使用寿命最长的,是同行的喷嘴使用寿命的2倍。

 


 喷嘴要求

喷嘴要求

 

 


焊点和邻近元器件间如果间距过小,会使选择性焊接的工艺产生问题。单点焊时要求焊接位置处相邻元器件的距离大于喷嘴直径1.25倍,或喷嘴外边缘距离最近元件元件1.5mm,如图9所示。如果喷嘴中心偏离焊点中心,则相邻元器件距喷嘴外边缘或焊点距波峰边缘最小为1mm。多点焊时,要求焊点孔环边缘到表面贴装焊盘边缘的最小距离为1mm。


喷嘴 

 

为保证焊接的质量,如果PCB有不可使用边缘,则焊点中心到PCB板边距离可为3.0mm,如无不可使用边缘,则到板边最小距离为6mm。对于元器件的引脚及引脚与通孔的孔径比,选择性波峰焊也有一定的要求。多喷嘴浸焊工艺要求引脚长度应不小于2.5mm,以保证热量的传导。孔径比对焊接质量有一定的影响,比例过大时就不能形成毛细作用,钎料爬升缓慢;比例过小,助焊剂无法深入通孔,也不能得到良好焊点。一般要求通孔直径等于引脚直径加0.3-0.5mm。

在波峰焊过程中,要注意三个高度的设定,即移动高度焊接高度波峰高度。移动高度是指焊接头移动到焊接位置时的行走高度,一般要高于焊接面最高元器件5mm以上,防止行走过程中焊接头对PCB造成撞伤。但是,移动高度越高,焊接时间越长。焊接高度是指焊接头完成焊接动作时的高度,一般要高于被焊元件伸出PCB引脚长度的1mm以上,防止焊接头对元器件造成碰伤,但高出的值不应大于2.5mm,否则影响焊接质量。波峰高度指焊料高出焊接头的高度。理想情况下,80%的波峰高度形成的焊接面可以达到焊接喷嘴的外径。相同的波峰高度,型号越小的喷嘴形成的波峰越不稳定,所以在保证焊接质量的情况,尽量减小波峰高度(一般控制在60%-85%)。

在焊接过程中要避免PCB移动。当钎料还未完全凝固时,如果元器件引脚或者钎料发生抖动,会使焊点失去光泽,甚至使焊点产生裂纹。在元器件有很多引脚的情况下,如果焊盘发生移动,可能导致焊锡撕裂,浮起甚至焊盘的撕裂。因此,在对设备进行评估时,要尽量选择焊接过程中锡炉移动而PCB不动的波峰焊设备。焊接速度一般控制在2.5-4.5mm/s之间,速度过快或过慢都可能造成桥连、堆锡、拉尖等不良现象。

 

 

三、选择性波峰焊设备的维护

对于选择性波峰焊设备,一般有三个保养维护模块:助焊剂喷涂模块预热模块焊接模块

1)、助焊剂喷涂模块的维护与保养

助焊剂喷涂针对每一个焊点进行选择性喷涂,正确的维护可以保证其稳定的运行和精度。在喷涂过程中,一般会有少量助焊剂残留在喷嘴上,其溶剂挥发后会产生凝结。因此,在每次开机生产之前,需要用蘸了酒精或其他有机溶液的无尘布来清洁喷头和周围,清除掉喷头的助焊剂残留,避免喷头被堵住致使在连续生产中前几块板的喷涂不良。

下面三种情况下,需要对喷头进行彻底的保养:设备连续运行达3000小时;设备连续运行一年;设备停工一周后继续开始投入生产。彻底保养时要注意对喷头内部的清洁,其雾化装置最好使用超声波清洗。在使用超声波清洗前,清洁溶液加热到65℃左右,这样可以增强去污能力。同时,还要彻底检查喷涂模块的管路和密封部件。

2) 、预热模块的维护保养

每次设备开机使用前都要检查预热模块,看看高温玻璃是否有破裂和皴裂,若有要及时更换。如果没有则需用软棉布蘸水或酒精擦去其表面的污染物。当其表面有顽固的助焊剂残留时,可使用专用的清洁液对其表面进行清洁。

在预热模块中,热电偶用来测量预热温度,有着很重要的作用。一般情况下,热电偶与加热管平行安装。在使用过程中,如果热电偶与加热管不平行,要检查其是否发生损坏,需要时及时更换热电偶。

3)、焊接模块的维护保养

焊接模块是选择焊机器上最精密最重要的模块,它一般由位于上部的热风加热模块,中间的运输模块和下部的焊接模块部分组成,其工作状态直接影响到线路板焊接的质量,所以其维护保养也是非常重要的。

当波峰开始运行时,如果喷嘴没有完全被焊锡浸润,则没浸润的部分会使焊锡流动受阻,波峰的稳定性和焊接的精密性会受到很大的影响。此时要及时进行喷嘴去氧化工作,否则喷嘴会迅速氧化并报废。

波峰焊的过程中会产生一定量的氧化物(主要是锡灰和锡渣),当其过多时会影响锡流动性,它是造成空焊和桥连的主要原因,同时还会堵塞氮气口,降低氮气保护作用,使焊锡迅速氧化。因此在焊接过程中要注意清除锡灰锡渣,还要检查氮气出气口是否堵塞。