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怎样的波峰焊接是标准工艺 - 技术长廊 - 电子产

    最近在现场遇到的特别关注是与底面装配的表面贴装电阻元件和顶面安装的连接器的桥接有关的焊接问题。在焊接方向线上的间隔近的焊盘桥接是存在多时的一个问题。许多情况中把焊盘从方形到圆形的设计转变可减少或解决该问题。另一种方法,使用非活性的、靠近在线最后焊盘后面的掠锡焊盘经常达到目的。
  两种方法都从熔化焊锡的表面张力与能力平衡着手。对于方形焊盘,当焊盘离开熔化的焊锡时,焊锡不能够呈现一个低能量的外形。焊锡从平整的边缘断开,造成桥接。掠锡焊盘为焊锡提供一个断开的地方,或许防止了危害。这个方法假设了足够的元件和印制线路板(PWB, printed wiring board)的可焊性和受控的上助焊剂、预热和焊接工艺。
  锡膏-通孔(PIH, pin/paste-in-hole)工艺是用来减少在制造一些混合技术装配中的工艺步骤的一种方法。与该方法的经验表明,使用PIH工艺消除波峰焊接的温度巡回通常是有好处的。其中一个优点是消除了大的通孔(through-hole)连接器所出现的桥接。
  高密度安装的混合技术装配的增加,驱使许多工艺的创新。特制的波峰焊接设备的数量越来越多。选择性焊接托盘(pallet)现在更广泛地用于传统的波峰焊接机器上。这些托盘针对那些在装配的底面上有已经焊接的、大型、温度敏感有源元件、球栅阵列(BGA, ball grid array)QFP(quad flat pack)的通孔元件。
  对于进化的和较旧的两种PWB设计,新的不同的可焊性保护剂正得到波峰焊接和回流焊接工艺的亲眛。传统的热风焊锡均涂(HASL, hot air solder leveling)工艺,虽然一般对焊接性能有好处,但与进化的设计和工艺存在一个问题。在进入的PWB中,可能在阻焊层(solder resist)中吸收HASL助焊剂残留物对免洗工艺是有问题的。要求用来从小的通孔中清除过量焊锡的空气压力,或者在涂镀的两个表面上的压力差,有时引起面与面之间HASL涂层的厚度不同。这个不同可能导致在一些要焊接的表面特征上很薄的涂层。可能回造成不足的可焊性和不满意的焊接表现,甚至当使用有侵蚀性的焊接助焊剂。
  为了达到在任何的焊接工艺中的低缺陷率,PWB和元件端子的表面最终涂层都必须提供持久的可焊性。涂层必须经受焊接之前的储存时间和环境,以及多次温度巡回而不退化。在焊接工艺中短的熔湿(wetting)时间要求用来表面元件损伤和一些焊接缺陷。因为PWB为每个焊接的连接提供表面的一半,它必须表现出持续和足够的可焊性特征。
  有机可焊性保护剂(OSP, organic solderability preservative)和各种通过电解和浸镀工艺施用的金属涂料在许多情况中证明是最满意的。任何使用的可焊性保护剂都必须持续地满足装配与焊接工艺的需求和所要求的产品可靠性。助焊剂、上助焊剂和预热

 

  如图一中所说明的,助焊剂用来提高能量水平,改善要焊接的表面的可熔湿性。用来焊接电子的助焊剂范围从侵蚀性强的有机酸到传统的松香基材料到弱有机酸,低残留物、低活性、免清洗助焊剂。松香基助焊剂可能在侵蚀性上变化很大,取决于卤化物类型与含量。侵蚀性水溶性强有机酸助焊剂的残留物必须通过焊接之后的清洗来去掉。有些松香基材料的残留物可以留在焊接的装配上。松香包围活性剂,因此防止反应,这种反应可能使装配的可操作性降级。松香对活性剂含量的比率可决定活性剂的密封有多好。今天使用的大多数免洗波峰焊接助焊剂是基于弱有机酸配方,琥珀或脂肪酸用乙醇或水作溶剂。装配的操作环境主要决定是否免洗助焊剂可以留在装配上。
  当清洗装配密度高的装配时,从一些元件之间和下面清除所有助焊剂残留物是困难的。低残留物助焊剂由于留下的残留物对电路危害的可能性很小。他们留下少数较良性的残留物。因此,免洗助焊剂可能是一个好的选择,甚至是必须清洗。注意,使用低残留物助焊剂,可焊性特性必须是好的。这些助焊剂不提供较高活性的材料所具有的对可焊性差的帮助。
  对于成功的波峰焊接,应用的助焊剂涂层必须是均匀的,厚度上受控的。为了有效,助焊剂必须渗入孔内和涂在引脚上。一种喷雾上助焊剂的装置,跟着空气刀,提供保证在要焊接的表面均匀施用助焊剂正确数量的最有些的和受控的方法。空气刀帮助将助焊剂流到孔内,在装配上更均匀地分布助焊剂,并帮助去掉过多的材料。
  在通过波峰焊接之前预热装配,有几个理由。第一,提升要焊接的表面的温度,因此从波峰上要求较少的温带能量,这样有助于助焊剂/表面的反应和更快速的焊接。预热也减少对元件的温带冲击,当元件暴露在突然的温度梯度下时可能被削弱或变成不能运行。第三、预热加快挥发性物质从装配上的蒸发速度。这些挥发性物质主要来自于助焊剂,但也可能来自较早的操作、储存条件和处理。挥发物在波峰上的出现可能引起焊锡飞溅和在装配上的锡球。
  控制和了解加热的速率、在波峰焊接各个阶段的温度、和在给定温度或以上的时间长度对于达到和在生产良好的焊接结果是关键的。保证助焊剂的出现 - 在适当的时间正确地激发和保持直到装配离开波峰 - 不能过度紧张。预热必须将装配带到足够高的温度,以提供正在使用的特殊助焊剂的活性化。多数助焊剂供应商发布推荐的温度上升率和最大/最小顶面与底面预热温度。
  对于任何装配,最佳的时间/温度曲线是取决于许多因素,而不是助焊剂化学成分。这些因素包括板的设计、在波峰上的接触长度、焊锡温度、锡波的速度和形状。一些助焊剂与两步升温表现最好,结合一个活性化和反应的保温或稳定阶段方式。其他的则推荐一个连续的升温,这经常与特殊助焊剂的固体含量有关。
  对于任何助焊剂,不足的预热时间和温度将造成较多的残留物留下,或许活性不足,造成熔湿(wetting)差。预热底也可从气体放出造成锡球,和当液体溶剂到达波峰时的焊锡飞溅。当在波峰前没有提供足够的预热来蒸发水分时,这个情况在低挥发性有机化合物(VOC, volatile organic compound)的水基助焊剂上看到。过分的时间/温度曲线将降低助焊剂和/或所有的助焊剂将在波峰之前失去/反应。助焊剂在波峰上的出现帮助降低焊锡的表面张力。如果助焊剂失去,则可能的造成锡桥或冰柱(icicle)。最佳的温度在波峰上留下足够的助焊剂,以帮助在板退出波峰时焊锡从金属表面的剥离和排泄。

 

在锡波上

 

  在焊接工位,波峰焊接工艺的所有元素都一起来到。设计、元件、PWB、元件贴装操作、可焊性特性、助焊剂、热能的一部分和一个平稳的材料输送系统都应该到位。在这些规定的和受控的元素出现的情况下,波峰动态和需要形成连接的温度现在是关键因素。
  波峰经常被引证为许多与工艺有关的问题的原因。事实上,在工艺开始之前,焊接工位需要相对的关注。焊接工位要求关注与维护,作为一个可再生产的设备功能的良好工艺控制程序的部分。在锡炉中,没有夹住的锡渣造成的开口或屏障,一个平缓的水平主波峰是至关重要的。崎岖的波峰是用于片状波峰的,较高速度的紊流提供垂直与水平的压力,来帮助焊接底面的表面贴装元件。
  当使用熟悉的锡/铅共晶合金时,在板的底面使用的焊锡温度应该是连续一致的,在460~500°F的范围。往这个范围的较低方向偏离有时是有帮助的。免洗助焊剂经常以这个范围的最低或稍微更低的温度焊接,来帮助确保在波峰的出口处有助焊剂存在。一些使用其它助焊剂的工艺,通过提高预热来达到较高的顶面与底面温度和将波峰温度减少到低至430°F,在较厚的多层板上已经取得成功。

 

培训与工艺控制

 

  你不可能控制你不测量的东西!为了有效地测量,必须在工艺技术和对工艺输出的可再生产性的过程变量统计含义上培训员工。
  理解你的工艺

 

  教育和培训有关人员,使他们理解所要求控制的基本知识。如果他们理解怎样产生一个不可接受的条件,和怎样产生一个可接受的条件,他们将获得知识与信心,特别是如果允许他们为了学习去做这两种事情。
  使用一个已定义的控制系统和保持它尽可能简单  

 

 有时,在开始了解1.67Cpk1.33Cpk大约好10倍这一点已经足够了。
  在使用点上测量工艺参数,并且观察到偏离时马上行动

 

  除了有温度曲线工具可用于建立最佳的机器设定处理各个板的设计之外,其他工具可帮助整个波峰焊机的监测与分析。这些工具所检测、跟踪、和分析的重要标准是板在焊锡波形上的驻留时间和接触长度。这些数据的使用使得能够计划维护,以在情况恶化、造成产品缺陷、干扰你的计划和让你顾客失望之前纠正变量。

 

结论

 

  低成本、低缺陷的焊接表现是配合设计、零件、材料、工艺、设备功能和有知识的人员的一个函数。高度可焊性的表面不能指望用来补偿差劣的设计或工艺 - 反之亦然。整个运行必须受控。工艺控制,不是一次搞好的,和对细节的关注是关键。因为你不能控制你不连续测量的东西,做足你的功课,限制材料和验证

工艺。实行预防而不是发现,过程结果将自我保持:在这个运行环境中将稳定地得到可靠。