電子廠全面DIP波峰焊工藝流程及波峰焊接的缺陷不良原因分析 !

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電子廠全面DIP波峰焊工藝流程及波峰焊接的缺陷不良原因分析 !

電子廠DIP波峰焊錫機（波峰焊）主要用于傳統(tǒng)THT通孔插裝印制電路板電裝焊接工藝，以及表面組裝與通孔插裝元器件的混裝工藝，波峰焊其高溫液態(tài)錫保持一個斜面,并由特殊裝置使液態(tài)錫形成一道道類似波浪的現(xiàn)象,所以叫“波峰焊”; 適用于波峰焊工藝的表面組裝元器件有矩形和圓柱形片式元件、SOT以及較小的SOP等器件。

DIP波峰焊錫機工作原理 :

電子廠用于DIP及SMT紅膠工藝的波峰焊錫機一般都是雙波峰或電磁泵波峰焊機。

下面以雙波峰焊機的工藝流程為例，來說明波峰焊的工作原理 :

DIP插件波峰焊錫機整機工作原理流程圖

電子廠DIP插件焊接發(fā)展及優(yōu)點 :

隨著電子產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)，手工采用烙鐵工具逐點焊接PCB板上引腳焊點的方法，再也不能適應(yīng)市場要求、生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。于是就逐步發(fā)明了半自動／全自動群焊(Mass Soldering)設(shè)備與全自動焊接機。全自動焊接機早出現(xiàn)在日本，作為黑白／彩色電視機的主要生產(chǎn)設(shè)備。八十年代起引進，先后有浸焊機、單波峰焊機等。八十年代中期起貼插混裝的SMT技術(shù)迅速發(fā)展，又出現(xiàn)了雙波峰焊錫機。

波峰焊是指將熔化的軟釬焊料（鉛錫合金），經(jīng)電動泵或電磁泵噴流成設(shè)計要求的焊料波峰,亦可通過向焊料池注入氮氣來形成，使預(yù)先裝有元器件的印制板通過焊料波峰，實現(xiàn)元器件焊端或引腳與印制板焊盤之間機械與電氣連接的軟釬焊。根據(jù)機器所使用不同幾何形狀的波峰，波峰焊系統(tǒng)可分許多種。

與手工焊接技術(shù)相比，全自動流動焊接技術(shù)明顯的擁有以下優(yōu)點：節(jié)省電能，節(jié)省人力，提高效率，降低成本，提高了外觀質(zhì)量與可靠性，克服人為影響因素，可以完成手工無法完成的工作。

常用DIP波峰焊流程：將元件插入相應(yīng)的元件孔中 →預(yù)涂助焊劑 → 預(yù)熱 → 過波峰焊錫爐 → 冷卻 → 切除多余插件腳 → AOI檢測。

當完成點膠(或印刷)、貼裝、膠固化、插裝通孔元器件的PCB線路板從波峰焊機的入口端隨傳送帶向前運行，通過焊劑發(fā)泡(或噴霧)槽時，印制板下表面的焊盤、所有元器件端頭和引腳表面被均勻地涂覆上一層薄薄的焊劑。

助焊劑的作用原理 :

熔融的焊料之所以能承擔焊接作用，是由于金屬原子距離接近后產(chǎn)生相互擴散、溶解、浸潤等作用的結(jié)果。此時，阻礙原子之間相互作用的是金屬表面存在的氧化膜和污染物，也是妨礙浸潤的有害物質(zhì)。

為此，一方面要采取措施防止在金屬表面產(chǎn)生氧化物，另一方面必須采取去除污染的各種措施和處理方法。但是由于在PCBA生產(chǎn)的各種前端過程乃至于元器件生產(chǎn)的過程中，完全避免這些氧化和污染是很困難的。因此，必須在焊接操作之前采取某些方法把氧化膜和污染清除掉。采用熔劑去除氧化膜具備不損傷母材、效率高等特點，因此能被廣泛的用于PCBA的制程中。

隨著波峰焊噴助焊劑工序完成, PCB板經(jīng)波峰鈦爪傳送進入預(yù)熱區(qū)，焊劑中的溶劑被揮發(fā)掉，焊劑中松香和活性劑開始分解和活性化，印制板焊盤、元器件端頭和引腳表面的氧化膜以及其它污染物被清除；同時，印制板和元器件得到充分預(yù)熱。

PCB線路印制板繼續(xù)向前運行，印制板的底面首先通過個熔融的焊料波。個焊料波是亂波(振動波或紊流波)，將焊料打到印制板的底面所有的焊盤、元器件焊端和引腳上；熔融的焊料在經(jīng)過焊劑凈化的金屬表面上進行浸潤和擴散。之后，印制板的底面通過第二個熔融的焊料波，第二個焊料波是平滑波，平滑波將引腳及焊端之間的連橋分開，并去除拉尖(冰柱)等焊接缺陷。

波峰焊隨著人們對環(huán)境保護意識的增強有了新的焊接工藝。以前的是采用錫鉛合金，但是鉛是重金屬對人體有很大的傷害。于是現(xiàn)在有了無鉛工藝的產(chǎn)生。它采用了*錫銀銅合金*和特殊的助焊劑且焊接接溫度的要求更高更高的預(yù)熱溫度還要說一點在PCB板過焊接區(qū)后要設(shè)立一個冷卻區(qū)工作站。

傳統(tǒng)的錫鉛焊料在電子裝聯(lián)中已經(jīng)應(yīng)用了近一個世紀。共晶焊料的導電性、穩(wěn)定性、抗蝕性、抗拉和抗疲勞、機械強度、工藝性都是非常的，而且資源豐富，價格便宜。是一種極為理想的電子焊接材料。但由于鉛污染人類的生活環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，某些地區(qū)地下水的含鉛量已超標30倍，由于Pb是一種有毒的金屬，對人體有害，并且對自然環(huán)境有很大的破壞性，所以引進了無鉛焊絲。

無鉛焊接的特點和對策 :

(1) 無鉛焊接的主要特點：

(A) 高溫、熔點比傳統(tǒng)有鉛共晶焊料高34℃左右。

(B) 表面張力大、潤濕性差。

(2) 無鉛焊點的特點：

(A) 浸潤性差，擴展性差。

(B) 無鉛焊點外觀粗糙。傳統(tǒng)的檢驗標準與AOI需要升級。

(D) 缺陷多－由于浸潤性差，使自定位效應(yīng)減弱。

無鉛焊點外觀粗糙、氣孔多、潤濕角大、沒有半月形，由于無鉛焊點外觀與有鉛焊點有較明顯的不同，如果有原來有鉛的檢驗標準衡量，甚至可以認為是不合格的，隨著無鉛技術(shù)的深入和發(fā)展，由于助焊劑的改進以及工藝的進步，無鉛焊點的粗糙外觀已經(jīng)有了一些改觀。

波峰焊在使用過程中的常見參數(shù)主要有以下幾個：

1.預(yù)熱：

A.“預(yù)熱溫度“一般設(shè)定在90-110度，這里所講“溫度”是指預(yù)熱后PCB板焊接面的實際受熱溫度，而不是“表顯”溫度；如果預(yù)熱溫度達不到要求，則易出現(xiàn)焊后殘留多、易產(chǎn)生錫珠、拉錫尖等現(xiàn)象；

SMA類型元器件預(yù)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

B、影響預(yù)熱溫度的有以下幾個因素，即：PCB板的厚度、走板速度、預(yù)熱區(qū)長度等；

B1.PCB的厚度，關(guān)系到PCB受熱時吸熱及熱傳導的這樣一系列的問題，如果PCB較薄時，則容易受熱并使PCB“零件面”較快升溫，如果有不耐熱沖擊的部件，則應(yīng)適當調(diào)低預(yù)熱溫度；如果PCB較厚，“焊接面”吸熱后，并不會迅速傳導給“零件面”，此類板能經(jīng)過較高預(yù)熱溫度；

B2.走板速度：一般情況下，建議把走板速度定在1.1-1.2米/分鐘這樣一個速度，但這不是值；如果要改變走板速度，通常都應(yīng)以改變預(yù)熱溫度作配合；比如：要將走板速度加快，那么為了保證PCB焊接面的預(yù)熱溫度能夠達到預(yù)定值，就應(yīng)當把預(yù)熱溫度適當提高；

B3.預(yù)熱區(qū)長度：預(yù)熱區(qū)的長度影響預(yù)熱溫度，在調(diào)試不同的波峰焊機時，應(yīng)考慮到這一點對預(yù)熱的影響；預(yù)熱區(qū)較長時，溫度可調(diào)的較接近想要得到的板面實際溫度；如果預(yù)熱區(qū)較短，則應(yīng)相應(yīng)的提高其預(yù)定溫度。

2、錫爐溫度：

以使用63/37的錫條為例，一般來講此時的錫液溫度應(yīng)調(diào)在245至255度為合適，盡量不要在超過260度，因為新的錫液在260度以上的溫度時將會加快其氧化物的產(chǎn)生量.

雙波峰焊理論溫度曲線

3、鏈條（或稱輸送帶）的傾角：

A、這一傾角指的是鏈條（或PCB板面）與錫液平面的角度；
B、當PCB板走過錫液平面時，應(yīng)保證PCB零件面與錫液平面只有一個切點；而不能有一個較大的接觸面；
C、當沒有傾角或傾角過小時，易造成焊點拉尖、沾錫太多、連焊多等現(xiàn)象的出現(xiàn)；當傾角過大時，很明顯易造成焊點的吃錫不良甚至不能上錫等現(xiàn)象。

4、風刀：

在波峰爐使用中，“風刀”的主要作用是吹去PCB板面多余的助焊劑，并使助焊劑在PCB零件面均勻涂布；一般情況下，風刀的傾角應(yīng)在100左右；如果“風刀”角度調(diào)整的不合理，會造成PCB表面焊劑過多，或涂布不均勻，不但在過預(yù)熱區(qū)時易滴在發(fā)熱管上，影響發(fā)熱管的壽命，而且會影響焊完后PCB表面光潔度，甚至可能會造成部分元件的上錫不良等狀況的出現(xiàn)。
注：風刀角度可請設(shè)備供應(yīng)商在調(diào)試機器進行定位，在使用過程中的維修、保養(yǎng)時不要隨意改動。

DIP波峰焊的生產(chǎn)管理指導說明書 :

①預(yù)熱溫度：峰值溫度 100～130℃（焊接面焊盤上的溫度）

②錫槽溫度：２５０～２６０℃

③搬送鏈速：0.8～1.4ｍ／分（根據(jù)基板種類，有所不同）

④焊接時間：1次：2～3秒 2次：2～3秒合計4～6秒（大10sec）

⑤焊錫浸漬狀態(tài)：錫槽高度、根據(jù)噴流高度進行調(diào)整

⑥錫槽內(nèi)焊錫成份管理（成份分析）

?分析頻率：１～３次／半年（導入初期：１～４次／月)

?成分管理：銅濃度 0.5～1.0% 鉛濃度 0.1%以下

波峰焊接的缺陷不良原因分析

關(guān)系波峰焊品質(zhì)的特定因素 :

一、沾錫不良POOR WETTING

這種情況是不可接受的缺點，在焊點上只有部分沾錫。分析其原因及改善方式如下：

1、外界的污染物如油、脂、臘等，此類污染物通常可用溶劑清洗，油污有時是在印刷防焊劑時沾上的；
2、SILICONOIL通常用于脫模及潤滑之用，通常會在基板及零件腳上發(fā)現(xiàn)，而SILICON OIL不易清理，因之使用它要非常小心尤其是當它做抗氧化油常會發(fā)生問題，因它會蒸發(fā)沾在基板上而造成沾錫不良。
3、常因貯存狀況不良或基板制程上的問題發(fā)生氧化，而助焊劑無法去除時會造成沾錫不良，過二次錫或可解決此問題。
4、沾助焊劑方式不正確，造成原因為發(fā)泡氣壓不穩(wěn)定或不足，致使泡沫高度不穩(wěn)或不均勻而使基板部分沒有沾到助焊劑。
5、吃錫時間不足或錫溫不足會造成沾錫不良，因為熔錫需要足夠的溫度及時間WETTING，通常焊錫溫度應(yīng)高于熔點溫度50℃至80℃之間，沾錫總時間約3秒。調(diào)整錫膏粘度。

二、局部沾錫不良：

此一情形與沾錫不良相似，不同的是局部沾錫不良不會露出銅箔面，只有薄薄的一層錫無法形成飽滿的焊點。

三、冷焊或焊點不亮：

焊點看似碎裂，不平，大部分原因是零件在焊錫正要冷卻形成焊點時振動而造成，注意錫爐輸送是否有異常振動。

四、焊點破裂：

此一情形通常是焊錫，基板，導通孔，及零件腳之間膨脹系數(shù)，未配合而造成，應(yīng)在基板材質(zhì)，零件材料及設(shè)計上去改善。

五、焊點錫量太大：

通常在*定一個焊點，希望能又大又圓又胖的焊點，但事實上過大的焊點對導電性及抗拉強度未必有所幫助。

1、錫爐輸送角度不正確會造成焊點過大，傾斜角度由1到7度依基板設(shè)計方式？#123;整，一般角度約3.5度角，角度越大沾錫越薄角度越小沾錫越厚。
2、提高錫槽溫度，加長焊錫時間，使多余的錫再回流到錫槽。
3、提高預(yù)熱溫度，可減少基板沾錫所需熱量，曾加助焊效果。
4、改變助焊劑比重，略為降低助焊劑比重，通常比重越高吃錫越厚也越易短路，比重越低吃錫越薄但越易造成錫橋，錫尖。

六、錫尖（冰柱）

此一問題通常發(fā)生在DIP或WIVE的焊接制程上，在零件腳頂端或焊點上發(fā)現(xiàn)有冰尖般的錫。

1、基板的可焊性差，此一問題通常伴隨著沾錫不良，此問題應(yīng)由基板可焊性去探討，可試由提升助焊劑比重來改善。
2、基板上金道（PAD）面積過大，可用綠（防焊）漆線將金道分隔來改善，原則上用綠（防焊）漆線在大金道面分隔成5mm乘10mm區(qū)塊。
3、錫槽溫度不足沾錫時間太短，可用提高錫槽溫度加長焊錫時間，使多余的錫再回流到錫槽來改善。
4、出波峰后之冷卻風流角度不對，不可朝錫槽方向吹，會造成錫點急速，多余焊錫無法受重力與內(nèi)聚力拉回錫槽。
5、手焊時產(chǎn)生錫尖，通常為烙鐵溫度太低，致焊錫溫度不足無法立即因內(nèi)聚力回縮形成焊點，改用較大瓦特數(shù)烙鐵，加長烙鐵在被焊對象的預(yù)熱時間。

七、防焊綠漆上留有殘錫

1、基板制作時殘留有某些與助焊劑不能兼容的物質(zhì)，在過熱之，后餪化產(chǎn)生黏性黏著焊錫形成錫絲，可用丙酮（*已被蒙特婁公約禁用之化學溶劑），氯化烯類等溶劑來清洗，若清洗后還是無法改善，則有基板層材CURING不正確的可能，本項事故應(yīng)及時回饋基板供貨商。
2、不正確的基板CURING會造成此一現(xiàn)象，可在插件前先行烘烤120℃二小時，本項事故應(yīng)及時回饋基板供貨商。
3、錫渣被PUMP打入錫槽內(nèi)再噴流出來而造成基板面沾上錫渣，此一問題較為單純良好的錫爐維護，錫槽正確的錫面高度（一般正常狀況當錫槽不噴流靜止時錫面離錫槽邊緣10mm高度）。

八、白色殘留物：

在焊接或溶劑清洗過后發(fā)現(xiàn)有白色殘留物在基板上，通常是松香的殘留物，這類物質(zhì)不會影響表面電阻質(zhì)，但客戶不接受。

1、助焊劑通常是此問題主要原因，有時改用另一種助焊劑即可改善，松香類助焊劑常在清洗時產(chǎn)生白班，此時的方式是尋求助焊劑供貨商的協(xié)助，產(chǎn)品是他們供應(yīng)他們較專業(yè)。
2、基板制作過程中殘留雜質(zhì)，在長期儲存下亦會產(chǎn)生白斑，可用助焊劑或溶劑清洗即可。
3、不正確的CURING亦會造成白班，通常是某一批量單獨產(chǎn)生，應(yīng)及時回饋基板供貨商并使用助焊劑或溶劑清洗即可。
4、廠內(nèi)使用之助焊劑與基板氧化保護層不兼容，均發(fā)生在新的基板供貨商，或更改助焊劑廠牌時發(fā)生，應(yīng)請供貨商協(xié)助。
5、因基板制程中所使用之溶劑使基板材質(zhì)變化，尤其是在鍍鎳過程中的溶液常會造成此問題，建議儲存時間越短越好。
6、助焊劑使用過久老化，暴露在空氣中吸收水氣劣化，建議更新助焊劑（通常發(fā)泡式助焊劑應(yīng)每周更新，浸泡式助焊劑每兩周更新，噴霧式每月更新即可）。
7、使用松香型助焊劑，過完焊錫爐候停放時間太九才清洗，導致引起白班，盡量縮短焊錫與清洗的時間即可改善。
8、清洗基板的溶劑水分含量過高，降低清洗能力并產(chǎn)生白班。應(yīng)更新溶劑。

九、深色殘余物及浸蝕痕跡：

通常黑色殘余物均發(fā)生在焊點的底部或頂端，此問題通常是不正確的使用助焊劑或清洗造成。

1、松香型助焊劑焊接后未立即清洗，留下黑褐色殘留物，盡量提前清洗即可。
2、酸性助焊劑留在焊點上造成黑色腐蝕顏色，且無法清洗，此現(xiàn)象在手焊中常發(fā)現(xiàn)，改用較弱之助焊劑并盡快清洗。
3、有機類助焊劑在較高溫度下燒焦而產(chǎn)生黑班，確認錫槽溫度，改用較可耐高溫的助焊劑即可。

十、綠色殘留物：

綠色通常是腐蝕造成，特別是電子產(chǎn)品但是并非完全如此，因為很難分辨到底是綠銹或是其它化學產(chǎn)品，但通常來說發(fā)現(xiàn)綠色物質(zhì)應(yīng)為警訊，必須立刻查明原因，尤其是此種綠色物質(zhì)會越來越大，應(yīng)非常注意，通?？捎们逑磥砀纳?。

1、腐蝕的問題：通常發(fā)生在裸銅面或含銅合金上，使用非松香性助焊劑，這種腐蝕物質(zhì)內(nèi)含銅離子因此呈綠色，當發(fā)現(xiàn)此綠色腐蝕物，即可證明是在使用非松香助焊劑后未正確清洗。
2、COPPERABIETATES是氧化銅與ABIETIC ACID （松香主要成分）的化合物，此一物質(zhì)是綠色但絕不是腐蝕物且具有高絕緣性，不影影響品質(zhì)但客戶不會同意應(yīng)清洗。
3、PRESULFATE的殘余物或基板制作上類似殘余物，在焊錫后會產(chǎn)生綠色殘余物，應(yīng)要求基板制作廠在基板制作清洗后再做清潔度測試，以確?；迩鍧嵍鹊钠焚|(zhì)。

十一、白色腐蝕物：

第八項談的是白色殘留物是指基板上白色殘留物，而本項目談的是零件腳及金屬上的白色腐蝕物，尤其是含鉛成分較多的金屬上較易生成此類殘余物，主要是因為氯離子易與鉛形成氯化鉛，再與二氧化碳形成碳酸鉛（白色腐蝕物）。在使用松香類助焊劑時，因松香不溶于水會將含氯活性劑包著不致腐蝕，但如使用不當溶劑，只能清洗松香無法去除含氯離子，如此一來反而加速腐蝕。

十二、針孔及氣孔：

針孔與氣孔之區(qū)別，針孔是在焊點上發(fā)現(xiàn)一小孔，氣孔則是焊點上較大孔可看到內(nèi)部，針孔內(nèi)部通常是空的，氣孔則是內(nèi)部空氣完全噴出而造成之大孔，其形成原因是焊錫在氣體尚未完全排除即已凝固，而形成此問題。

1、有機污染物：基板與零件腳都可能產(chǎn)生氣體而造成針孔或氣孔，其污染源可能來自自動植件機或儲存狀況不佳造成，此問題較為簡單只要用溶劑清洗即可，但如發(fā)現(xiàn)污染物為SILIConOIL因其不容易被溶劑清洗，故在制程中應(yīng)考慮其它代用品。
2、基板有濕氣：如使用較便宜的基板材質(zhì)，或使用較粗糙的鉆孔方式，在貫孔處容易吸收濕氣，焊錫過程中受到高熱蒸發(fā)出來而造成，解決方法是放在烤箱中120℃烤二小時。
3、電鍍?nèi)芤褐械墓饬羷菏褂么罅抗饬羷╇婂儠r，光亮劑常與金同時沉積，遇到高溫則揮發(fā)而造成，特別是鍍金時，改用含光亮劑較少的電鍍液，當然這要回饋到供貨商。

十三、TRAPPED OIL：

氧化防止油被打入錫槽內(nèi)經(jīng)噴流涌出而機污染基板，此問題應(yīng)為錫槽焊錫液面過低，錫槽內(nèi)追加焊錫即可改善。

十四、焊點灰暗：

此現(xiàn)象分為二種（1）焊錫過后一段時間，（約半載至一年）焊點顏色轉(zhuǎn)暗。（2）經(jīng)制造出來的成品焊點即是灰暗的。

1、焊錫內(nèi)雜質(zhì)：必須每三個月定期檢驗焊錫內(nèi)的金屬成分。
2、助焊劑在熱的表面上亦會產(chǎn)生某種程度的灰暗色，如RA及有機酸類助焊劑留在焊點上過久也會造成輕微的腐蝕而呈灰暗色，在焊接后立刻清洗應(yīng)可改善。

某些無機酸類的助焊劑會造成ZINCOXYCHLORIDE可用1%的鹽酸清洗再水洗。
3、在焊錫合金中，錫含量低者（如40/60焊錫）焊點亦較灰暗。

十五、焊點表面粗糙：

焊點表面呈砂狀突出表面，而焊點整體形狀不改變。

1、金屬雜質(zhì)的結(jié)晶：必須每三個月定期檢驗焊錫內(nèi)的金屬成分。
2、錫渣：錫渣被PUMP打入錫槽內(nèi)經(jīng)噴流涌出因錫內(nèi)含有錫渣而使焊點表面有砂狀突出，應(yīng)為錫槽焊錫液面過低，錫槽內(nèi)追加焊錫并應(yīng)清理錫槽及PUMP即可改善。
3、外來物質(zhì)：如毛邊，絕緣材等藏在零件腳，亦會產(chǎn)生粗糙表面。

十六、焊點：

系因焊錫溫度過高造成，立即查看錫溫及溫控器是否故障。

十七、短路：

過大的焊點造成兩焊點相接。

1、基板吃錫時間不夠，預(yù)熱不足調(diào)整錫爐即可。
2、助焊劑不良：助焊劑比重不當，劣化等。
3、基板進行方向與錫波配合不良，更改吃錫方向。
4、線路設(shè)計不良：線路或接點間太過接近（應(yīng)有0.6mm以上間距）；如為排列式焊點或IC，則應(yīng)考慮盜錫焊墊，或使用文字白漆予以區(qū)隔，此時之白漆厚度需為2倍焊墊（金道）厚度以上。
5、被污染的錫或積聚過多的氧化物被PUMP帶上造成短路應(yīng)清理錫爐或更進一步全部更新錫槽內(nèi)的焊錫。