波峰焊接工藝設計

  1. 正確進行波峰焊接工藝設計的重要性

  元器件(含PCB)引線(或電極)的可焊性及PCB安裝設計的正確性、波峰焊接設備設計的合理性、波峰焊接工藝的正確選擇，是構成波峰焊接的三大要素。對于一臺功能設計完善的波峰焊接機，其釬接工藝要素應在一定范圍內是可調的，而且其控制度能滿足正常操作的要求，并具有良好的環保性能。在此前提下，波峰焊接工藝參數的合理選擇就是影響波峰焊接質量的關鍵因素。的研究人員稱：“波峰焊接的成功與否取決于人們對波峰焊接設備的了解及對工藝細節的重視程序……。”因此，掌握波峰焊接工藝的合理設計和參數的正確調控，是確保波峰焊接質量的關鍵環節之一。

  波峰焊接中關鍵的工藝參數主要是指：上機前的預處理、預熱溫度、釬接溫度、釬接時間、夾送傾角、壓波深度、波峰高度、釬料中雜質容限的控制等。

  2. 上機前的烘干處理

  涂覆助焊劑之前的制造過程中，PCB曾在電鍍溶中處理過，如果因其多孔性而吸收了一定數量的溶液與水，那么在高溫下進行波峰焊接操作時，將使這些液體汽化，這不僅會使釬料本身產生噴油現象(即波峰焊接時PCB板中的水分蒸發而把釬料從焊縫中噴出)，而且還能形成大量蒸汽，這些蒸汽被截留在填充釬料中形成氣孔，為了消除在制造過程中就隱藏于PCB中殘余的溶劑和水份，故在插裝元器件之前，建議對PCB板進行上線前的烘干處理，烘干的溫度時間可參見表1-1.

  表1-1中所列溫度和時間，對1.5mm以下的薄板可選用較低的溫度和較短的時間，而對厚板可采用較高的溫度和較長的時間。四層以上的PCB板要求采用表中最高的溫度和最長的時間。

  PCB在上線之前進一步烘干處理對消除PCB制板過程中所形成的殘余應力，減少波峰焊接時PCB的翹曲和變形也是極為有利的。

  3. 預熱溫度

  3.1 預熱的作用

  有些專家認為：無論如何強調PCB板焊前適當預熱的重要性都不過份，在波峰焊接中，只要在PCB上涂覆助焊劑是不夠的，助焊劑還必須在活化溫度下在PCB表面上停留足夠的時間。該停留的時間和溫度是保證助焊劑適當預凈化被焊基體金屬表面的重要參數，確切的時間和溫度要求取決于具體的波峰焊接設備系統。

  在波峰焊接工藝中增加預熱處理工序，具有下列作用：

  (1) 助焊劑在起作用前，需把助焊劑中的酸性活化劑進行化學分解，然后這些具有活性的化學成份與基體金屬表面氧化物互相作用，使氧化物從被焊表面消除。因此，必須把助焊劑預熱到適化溫度才能發生這種反應；

  (2) 當被焊件到達釬料波峰處時，助焊劑中的溶劑(發揮性材料)若仍與松香在一起，在此狀態下釬接時，釬料槽的熱度會使溶劑迅速揮發而引起飛濺，并使焊點產生氣孔。預熱可以除去過多的揮發物，以把噴濺現象和產生的氣體減少到最低程度，從而消除波峰焊接中可能出現的潛在問題；

  (3) 使被焊接部件溫度逐步增加，從而使波峰焊接過程中對PCB及所安裝的元器件所產生的有害熱沖擊降低到最低程度，緩和了熱應力，從而使印制板的翹曲和變形現象減至最小；

  (4) 預熱處理提高了PCB裝配件的焊前溫度，這樣可就使PCB在與釬料波峰接觸時，縮短把被焊件加熱到潤濕溫度所需要的時間，從而可以加快傳送帶的夾送速度，這不僅提高了生產效率，而且在技術具有減弱焊縫中填充釬料和基體金屬之間所發生的過量的冶金現象，抑制PCB板、元器件、塑料零件等熱變形現象等優點。理論上講，潤濕過程是瞬時發生的，在潤濕溫度下一經把熔化的釬料，施加于已被助焊劑凈化過了的基體金屬表面就將立即發生潤濕現象。

  3.2 預熱溫度的選擇

   3.2.1 使用松香基助焊劑時

  目前常用的活性松香助焊劑主要有三種成分：溶劑、松香、活化劑。應當把助焊劑和其中的溶劑區別開。溶劑只起助焊劑的載體作用，其沸點低于釬接溫度，而助焊劑本身是熱穩定的，例如松香助焊劑，作為溶劑的無水乙醇在達到釬接溫度之前就一直在揮發，而松香本身只要不長時間受熱，則在較高溫度下是穩定的。然而活性松香與上相反，此時松香與無水乙醇兩者實際上都相當于溶劑，活化劑的分解溫度低于釬接溫度，在分解溫度下，釋放出能凈化基體金屬表面的腐蝕性鹵化物離子。隨著溫度升高到釬接溫度，活化劑分解和揮發，而助焊劑的主要部分則在冷卻過程中重新組合生成盡可能無害的殘留物。樹脂型助焊劑的活性一般從70℃附近開始，超過300℃開始分解和炭化，在合適焊接溫度下助焊劑中活性物質表現最強的溫度范圍為150～260℃。

  針對松香基助焊劑的預熱溫度究竟如何選擇呢？的應用報告稱“通常，在電路板有元件一側的溫度預熱到71℃～82℃左右，這個最佳溫度使助焊劑正好進入釬料波峰之前達到發粘狀態。預熱溫度太低會引起焊料滴落和不能排出氣體，從而導致虛焊或產生小孔。預熱溫度過高會降低助焊劑的流動性，增加釬料和釬接表面的表面張力。這種情況將引起焊料過多(橋連、起粘絲和堆積)等缺陷”。美國學者HOWARD H MANKO給出了PCB板離開預熱器時，在層壓板上表面測出的溫度示于表1-2。我國電子行業標準“SJ/T10534-94波峰焊接技術要求”中給出的參數如表1-3所示。

  日本松下電子株式會社的石黑 勇針對有C/D的PCB板預熱條件的選擇，認為“一般基板的表面130～150℃下保持1～3分鐘，如圖1-1所示。過高易造成助焊劑硬化，導致焊接性能變差；過低助焊的分解不充分，易引起氣體的滯留，形為焊接缺陷的原因”。

  表1-2與表1-3給出的預熱溫度值前者是指在預熱區出口處PCB上表面的溫度，而后者是指在PCB焊接面上的濕度，表面上看兩者存在著差異。實際上HOWARD HWANKO所給出的數據是針對圖1-2所示的具有上部加熱器的預熱器而言的，而后者是在無上部加熱情況下給出的，因此兩者并無矛盾。

  瑞士epm公司通過驗證認為，設計合理的預熱系統能保證助焊劑的最好活性，它將意味著其內的溶劑(異丙醇、水)將蒸發，在PCB焊接面上的高溫(約110℃)將驅動化學活性物質(催化劑)，然后松香和其它化學物質變成液體，充分流過PCB整個焊接表面，從而使得焊接區與空氣隔開以防止再誘蝕。1.6mm板厚的PCB頂面溫度約是85℃。溫度應在完全無錫或金屬的PCB表面進行。當PCB板厚超過或少于1.6mm時，溫度將會高或者低，最重要的是PCB下側面的溫度要正確，應接近110±10℃，他們認為該溫度對助焊劑中的活性劑與焊接面的基體金屬表面的化學反應是最合適的。

  有時為了達到較高的溫度，或者要求生產速度較高時，還必須采用附加頂部預熱器，圖1-2所示為美國Hollis公司采用的雙溫區并附加了輻射式頂部加熱器的結構示意。

  日本電熱計株式會社的井上 喜久雄針對雙面環氧樹脂覆箔板1.6t(板厚) 在備有三個溫區(第一溫區為熱風輻射復合式，二、三溫區是緊相連的輻射式)的預熱器預熱過程中，測得的PCB上、下兩表面所存在的溫度差曲線如圖1-3所示，兩者最大可達25℃。

  預熱溫度是附加熱時間、電源電壓、周圍環境溫度、季節及通風狀態的變化而變化的。當加熱器和PCB間的距離及夾送速度一定時，調控預熱溫度的方法通常是改變加熱器的加熱功率來實現。

  3.2.2 使用免清洗助焊劑時

  由于免清洗助焊劑都采用不含鹵素的活化劑，故其活性相對偏弱一些，因此，必須嚴格控制預熱的時間和溫度。免清洗助焊劑的預熱時間要比松香基助焊略長一些，預熱溫度也要高一些，這樣利用PCB在進入釬料波峰之前活化劑能充分地活化。的IF2005助焊劑為例，PCB元件面的溫度通常應控制在95～130℃左右焊接效果最好。預熱溫度偏低時，焊后板面的助焊劑殘留物會明顯增多。有些功能完善的波峰焊機裝備有對PCB移動時間的跟蹤系統和預熱溫度監控系統(例如在釬料槽前面安裝有高溫計)，以便對預熱過程進行監測。不同型號的免清洗助焊劑對預熱溫度的要求可能有些差異，這些數據通常在制造商提供的應用說明書中將會給出。