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  2.3助焊劑(Flux)

  清潔的金屬表面其所具有的自由能(FreeEnergy),必定大於氧化與髒汙的表面。

自由能較大的待焊表面其焊錫性也自然會好。

助焊劑的主要功能即在對金屬表面進行清潔,是一種化學反應。

現將其重點整理如下:

  (1)化學性:

可將待焊金屬表面進行化學清潔,並再以其強烈的還原性保護(即覆蓋)已完成清潔的表面,使在高溫空氣環境的短時間內不再生銹,此種能耐稱之爲助焊劑活性(FluxActivity)。

  (2)傳熱性:

助焊劑還可協助熱量的傳遞與分佈,使不同區域的熱量能更均勻的分佈。

  (3)物理性:

可將氧化物或其他反應後無用的殘渣,排開到待焊區以外的空間去,以增強其待焊區之焊錫性。

  (4)腐蝕性:

能夠清除氧化物的化學活性,當然也會對金屬産生腐蝕的效果,就焊後産品的長期可靠度而言,不免會造成某種程度上的危害。

故一般配方都刻意使其在高溫中才展現活性,而處於一般常溫環境中則儘量維持其安定的隋性。

不過當濕度增加時,則還是難保不出問題。

故電子工業一向都採用較溫和活性之Flux爲主旨,尤其在放棄溶劑清潔制程後(水洗反而更會造成死角處的腐蝕),業界早己傾向NoClean既簡化制程又節省成本之″免洗″制程了。

此時與組裝板永遠共處之助焊劑,當然在活性上還要更進一步減弱才不致帶來後患。

  三、手焊(HandSoldering)

  當大批量自動機焊後,發現局部少數不良焊點時,或對高溫敏感的元件等,仍將動用到老式的手焊工藝加以補救。

廣義的手焊除了錫焊外,尚另有銀焊與熔接等。

早期美國海軍對此種手工作業非常講究,曾訂有許多標準作業程式(SOP)以及考試、認證、發照等嚴謹制度。

其對實做手藝的尊重,絲毫不亞於對理論學術的崇尚。

  3.1焊槍(SolderingGun)手焊

  此爲最基本的焊接方式,其首要工具之焊槍亦俗稱爲烙鐵。

其中的發熱體與烙鐵頭(tip)可針對焊錫絲(SolderingWire)與待加工件(Workpiece)提供足夠的熱量,使其得以進行高溫的焊接動作。

由於加熱過程中焊槍之變壓器也會附帶産生節外生枝的電磁波,故焊槍還須具備良好的隔絕(Isolation)功能,以避免對PCB板面敏感的IC元件造成″電性壓力″(ElectricOverstress;

EOS)或″靜電釋放″(ElectrostaticDischarge;

ESD)等傷害。

  焊槍選擇應注意的專案頗多,如烙鐵頭形狀須適合加工的類型,溫度控制(±

5℃)的靈敏度、熱量傳導的快速性、待工溫度(IdleTemp.)中作業前回復溫度(RecoveryTemp.)之夠快夠高夠穩,操作的方便性、維修的容易度等均爲參考事項。

  3.2焊錫絲(SolderWire)

  系將各種錫鉛重量比率所組成的合金,再另外加入夾心在內的固體助焊劑焊芯,而抽拉制成的金屬條絲狀焊料,可用以焊連與填充而成爲具有機械強度的焊點(SolderJoint)者稱之。

其中的助焊劑要注意是否具有腐蝕性,焊後殘渣的絕緣電阻(InsulationResistance,一般人隨口而出的″絕緣阻抗″是不正確的說法)是否夠高,以免造成後續組裝板電性絕緣不良的問題。

甚至將來還會要求″免洗″(NoClean)之助焊劑,其評估方法可采IPC-TM-650中2.6.3節的″濕氣與絕緣電阻″進行取捨。

有時發現焊絲中助焊劑的效力不足時,也可另行外加液態助焊劑以助其作用,但要小心注意此等液態助焊劑的後續離子污染性。

  3.3焊槍手焊過程及要點

  (1)以清潔無鏽的鉻鐵頭與焊絲,同時接觸到待焊位置,使熔錫能迅速出現附著與填充作用,之後需將烙鐵頭多餘的錫珠錫碎等,採用水濕的海棉予以清除。

  (2)熔入適量的錫絲焊料並使均勻分散,且不宜太多。

其中之助焊劑可提供清潔與傳熱的雙重作用。

  (3)烙鐵頭須連續接觸焊位,以提供足夠的熱量,直到焊錫已均勻散佈爲止。

  (4)完工後,移走焊槍時要小心,避免不當動作造成固化前焊點的擾動,進而對焊點之強度産生損傷。

  (5)當待加工的PCB爲單面零件組裝,而其待焊點面積既大且多者,可先將其無零件之另一面板貼在某種熱盤上進行預熱;

如此將可加快作業速與減少局部板面的過熱傷害,此種預熱也可採用特殊的小型熱風機進行。

  (6)烙鐵頭(tip)爲傳熱及運補錫料的工具,對於待加工區域應具備最大的接觸面積,以減少傳熱的時間耗損。

又爲強化輸送焊錫原料的效率,與表面必須維持良好的焊錫性,以及不可造成各種殘渣的堆積起見,一旦烙鐵頭出現氧化或過度污染時則須加以更換。

  (7)小零件或細腿處的手焊作業,爲了避免過熱的傷害起見,可另外加設臨時性散熱配件,如金屬之鱷魚夾等。

  四、浸焊(ImmersionSoldering)

  此爲最早出現的簡單做法,系針對焊點較簡單的大批量焊接法(MassSoldering),目前一些小工廠或實驗做法仍在使用。

系將安插完畢的板子,水平裝在框架中直接接觸熔融錫面,而達到全面同時焊妥的做法。

其助焊劑塗布、預熱、浸焊與清潔等連續流程,可采手動或自動輸送化,則視情況而定,但多半是針對PTH插孔焊接而實施浸焊。

SMD之貼裝零件則應先行點膠固定才可實施,錫膏定位者則有脫落的麻煩。

  五、波焊(WaveSoldering)

  系利用已熔融之液錫在馬達幫浦驅動之下,向上揚起的單波或雙波,對斜向上升輸送而來的板子,從下向上壓迫使液錫進孔,或對點膠定位SMD元件的空腳處,進行填錫形成焊點,稱爲波焊,大陸術語稱爲″波峰焊″。

此種″量焊″做法已行之有年,即使目前之插裝與貼裝混合的板子仍然可用。

  5.1助焊劑

  波焊聯機中其液態助焊劑在板面塗布之施工,約有泡沫型、波浸型與噴灑型等三種方式,即:

  5.1.1泡沫型Flux:

  系將″低壓空氣壓縮機″所吹出的空氣,經過一種多孔性的天然石塊或塑膠製品與特殊濾心等(孔徑約5060μm),使形成衆多細碎的氣泡,再吹入助焊劑儲池中,即可向上揚湧出許多助焊劑泡沫。

當組裝板通過上方裂口時,於是板子底面即能得到均勻的薄層塗布。

並在其離開前還須將多餘的液滴,再以冷空氣約5060℃之斜向予以強力吹掉,以防對後續的預熱與焊接帶來煩惱。

並可迫使助焊劑向上湧出各PTH的孔頂與孔環,完成清潔動作。

至於助焊劑本身則應經常檢測其比重,並以自動添加方式補充溶劑中揮發成份的變化。

  5.1.2噴灑型SprayFluxing:

  常用於免洗低固形物(LowSolid;

固含量約13%)之助焊劑,對早先松香Rosin型固形物較高的助焊劑則並不適宜。

由於較常出現堵塞情形,其協助噴出之氣體宜采氮氣,既可防火又能減低助焊劑遭到氧化的煩惱。

其噴射的原理也有數種不同的做法,如采不銹鋼之網狀滾筒(RotatingDrum)自液中帶起液膜,再自筒內向上吹出氮氣而成霧狀,續以氮氣向上吹出等方式進行塗布。

  5.1.3波峰型WaveFlux:

  直接用幫浦及噴口向上揚起液體,於狹縫控制下,可得到一種長條形的波峰,當組裝板底部通過時即可進行塗布。

此法可能呈現液量過多的情形,其後續氣刀(AirKnife)的吹刮動作則應更爲徹底才行。

此種機型之價格較泡沫型稍貴,但卻比噴灑型便宜,其中溶劑的揮發量也低於泡沫型。

  5.2預熱

  一般波焊前的預熱若令朝上板面升溫到65~121℃之間即可,其升溫速率約2℃/S~40℃/S之間。

預熱不足時助焊劑之活性發揮可能未達極致,則焊錫性很難達到最佳地步。

且在揮發份尚未趕光之下,其待焊表面的助焊劑黏度仍低時,將導致焊點的縮錫(Dewetting)與錫尖(SolderIcicles)等缺失。

但預熱溫度太高時,則又可能會對固形物太低的免洗助焊劑不利,此點須與助焊劑供應商深入瞭解。

  5.3波焊

  5.3.1錫溫管理:

  目前錫池中焊料的合金成份仍以Sn63/Pb37與Sn60/Pb40者居多,故其作業溫度控制以260o±

5℃爲宜。

但仍須考量到待焊板與零件之總體重量如何。

大型者尚可升溫到280℃,小型板或對熱量太敏感的産品,則可稍降到230℃,均爲權宜的做法。

且還須與輸送速度及預熱進行搭配,較理想的做法是針對輸送速度加以變換,而對錫溫則以不變爲宜,因錫溫會影響到融錫的流動性(Fluidity),進而會衝擊到焊點的品質。

且焊溫升高時,銅的溶入速率也會跟著增快,非常不利於整體焊接的品質管理。

  5.3.2波面接觸:

  自組裝板之底面行進接觸到上湧的錫波起,到完全通過脫離融錫湧出面的接觸爲止,其相互密貼的時程須控制在3-6秒之間。

此種接焊時間的長短,取決於輸送速度(ConveyorSpeed)及波形與浸深等三者所組成的″接觸長度″;

時程太短焊錫性將未完全發揮,時程太長則會對板材或敏感零件造成傷害。

若該波焊聯機是直接安裝在一般空氣中時,則錫波表面會不斷形成薄薄的氧化物,由於流動的原因與組裝板(PWA)不斷浮刮帶走,故整體尚不致累積太多的氧化物。

但若將全系統尤其是波焊段採用氮氣環境所籠罩時,則可大大減少氧化反應的發生,當然也就使得焊錫性有了顯著的改進。

  輸送組裝板的傳動面須呈現4o12o的仰角,如此將使得零件本體的後方,被阻擋之″背風波″錫流不強處的焊接動作大獲改善。

一般現行波焊機均設有可單獨控制的雙幫浦與雙波(錫池則單雙波均有),前波呈多股噴泉式強力上湧者稱爲″擾流波(TurbulentWave)″,系逼迫強力錫流穿過多排各種直徑的迂回小孔而形成,可直接沖打到行走中的底板表面,對通孔插腳或貼裝尾部接腳等焊接非常有利。

之後遭遇到的第二波,則爲呈抛物線狀的″平滑(流)波(LaminarWave)″對朝下板面的接觸時程較長,就板面需填錫補錫的引腳有利,且還可消除過多的錫尖。

某些商品機種還可另行加裝熱空氣(或熱氮氣)的刮錫設施於第二波之後,也可消除錫尖與焊點的過多錫量。

  對於板面衆多的小型片狀零件(如ChipResistor或ChipCapacitor)而言,“擾流波”附帶的機械打擊力量,還可迫使錫流包圍零件四周甚至進入腹底,使其等所形成的焊點更爲完整,任何局部的缺失還可被隨即報到的“平流波”所再補足。

且此第二波中亦可加裝額外的振動裝置,以增加波流對板面所施展的機械壓力。

  5.3.3接觸的細節:

  若再仔細深入探討其瞬間接觸焊接的細節時,還可再分述於後:

  (1)板面與擾流波接觸的初期,助焊劑立即進行揮發與分散的動作,連帶使得待焊的金屬表面也開始沾錫(Wetting)。

此波中也可再加裝低頻的振蕩裝置,以加強與配合其待焊面接受助焊劑的搓擦動作。

如此將可對貼裝零件腳之填錫補錫大有助益,並可減少背風坡處的″漏焊″(Skipping)現象。

當然在雙波的先強勁與後溫柔的不同作用下,整體焊錫性也將會更好。

  (2)當板面進入錫波中心處的″傳熱區″(HeatTransferRegion)時,在大量熱能的推動下,Wetting瞬間的散錫(Spreading)動作也迅速展開。

  (3)之後是錫波出口的″脫離區″(BreakAway),此時各種焊點(SolderJoint)已經形成,而各種不良缺點也陸續出現。

組裝板若能快速順利的脫離錫波則萬事太平。

難捨難分的拖錫,當然就會成爲不良錫橋(SolderBridge)或錫尖(Soldericicles)甚至錫球(SolderBall)的主要原因。

其脫離的快慢雖直接取決於輸送速度,但刻意將輸送帶平面上仰4o12o時,還可借助重力的協同而能更乾脆而方便的分開。

至於該等拖泥帶水造成的板面缺點,當然還有機會被隨後即到的熱風再加修整。

此時卻不能用冷風,以免造成組裝品溫度過度起伏的熱震蕩(ThermalShock)不良效應。

  5.3.4氮氣環境的協力:

汽车基地

  在免洗助焊劑的弱勢活力下(只含CarboxylicAcid羰酸1%而已),還要奢求更好的焊錫性,豈非緣木求魚撖面杖吹火?

然而回避溶劑清洗之環保壓力既不可違,當然只好另謀他途尋求解決。

於是當波焊線之錫池區,若能改裝成氮氣環境以減少氧化的不良反應者,自然大大有助於焊接。

經過衆多前人試驗的結果,氮氣環境的錫池區其殘氧量以100ppm以下的焊錫性最爲良好,然而其成本的額外增加自是不在話下。

爲了節省開支,一般實用規格多半都將殘氧率範圍訂定在500ppm至1000ppm左右。

也曾有人將甲酸的氣體引入氮氣環境中,或加用在助焊劑中,以其強烈的還原性協助減少氧化反應的發生。

然而此種具毒性的刺激物質,其在室內的揮發濃度卻不可超過5ppm,以免對人體造成傷害。

設計良好的″氮氣爐″其待焊件的進出口與充氣裝置等動態部份,都已做好隔絕密封的設施,自可減少氮氣的無謂消耗,此等氮氣爐波焊線具有下列效益:

  (1)提升焊接之良率(yield)。

  (2)減少助焊劑的用量。

  (3)改善焊點的外觀及焊點形狀。

  (4)降低助焊劑殘渣的附著性,使之較易清除。

  (5)減少機組維修的機率,增加産出效益。

  (6)大量減少錫池表面浮渣(Dross)的發生,節省焊錫用量,降低處理成本。

  5.3.5波焊不良錫球的發生:

  早先業界於焊後仍維持清洗的年代,錫球較少發生於完工板面。

主要原因是焊後溶劑沖刷清洗的功勞。

如今之″免洗″不但帶來板面助焊劑殘渣的增加,也使得不良錫球(SolderBall)附著的機率變大。

免洗所造成板面錫球已帶來許多爲頭痛的問題,而且幾乎都是無解的懸案。

無可奈何之下只好反過頭來仔細追究爲何會出現錫球?

其中重要原因之一就是板面綠漆本身的硬化(Curing)不足,又經助焊劑在高溫中對其産生交互作用Interaction,形成軟泥狀的環境,致使細碎的濺錫得以附著。

除了加強綠漆硬化與減少錫池濺錫外,板面零件的密集佈局也會增加錫球的機率。

  5.3.6波焊的問題與原因

  大批量波焊中免不了會出現一些問題,然而要仔細追求原因與找出對策,確是需要相當專業與長期經驗的專家才能勝任。

如何將多年所累積下來的智慧,讓大多數從業者在很短時間內靈活應用,則可藉助對照表式一一列舉其綱要,可從發生的原因上逐一著手解決,即便生手上路也會出現″雖不中亦不遠矣″的成績。

運用純熟後按圖索驥手到擒來,則遠比閱讀衆多文獻而卻條理不清下更爲有效。

下表列之問題與原因的對照表相當務實,業者應可加以利用。

順序

缺   點

原因之編號

1

沾錫不良或不沾錫

1,2,3,11,12,13,14,16,,19,20,24,25,29,30

2

吹孔(BlowHole)或孔中未填錫

3,4,7,8,15,17,24,27,29

3

搭橋短路(Bridge)

1,3,11,12,13,14,16,21,23,24,25,27,29,30,31

4

冷焊點(ColdsolderingJoints)

5

縮錫(Dewetting)

1,3,8,20,24,27

6

焊點昏暗不亮(DullJoint)

9,16,25,27

7

板面助焊劑過多

3,7,14,18,19,24

8

錫量過多(ExcessSolder)

2,3,6,7,10,14,18,19,24,17,31

9

錫池表面浮渣過多

10,25,26

10

拖帶錫量過多

14,25,26

11

焊點表面砂粒狀(Graing)

5,6,9,16,25,26,27,28

12

錫尖(Icicles)

1,3,5,8,11,12,13,14,15,24,25,26,27,29,31

13

通孔中流錫填錫不足

1,3,5,8,13,16,19,24,28,29

14

焊點之錫量不足

15

焊墊浮離

22,26,28

16

焊點缺錫

1,3,10,12,13,18,24,29,31

17

焊點中有空洞

3,4,7,8,13,15,17,24

18

濺錫(SolderBall)

5,7,12,13,18,21,26,27,30

19

焊點板面出面不良錫球(SolderBall)

7,10,11,15,22,24,30

20

焊點中或錫柱出現空間

2,3,8,13,14,15,24,27

21

白色殘渣(WhiteResidues)

20,30

  原因編號之內容說明

1.焊錫性不好

2.板子在夾具上固定不牢或於輸送帶之移動不正確

3.輸送速度太快

4.輸送速度太慢

5.輸送帶出現抖動情形

6.錫池發現銅污染或金污染

7.助焊劑之比重太高

8.助焊劑之比重太低

9.焊錫中出現浮渣

10.錫波之規律性不良

11.助焊劑遭到污染

12.助焊劑之活性不足

13.助焊劑與板子的互動不足

14.助焊劑塗布站之操作不均勻

15.通孔孔壁出現裂口及破洞,焊接時造成所填錫柱被板材中蒸氣吹入或吹歪而成吹孔

16.焊點熱容量不足

17.孔徑對腳徑之比值過大

18.板面對錫波之浸入深度不正確

19.板子夾具不正確

20.助焊劑不正確

21.板面線路佈局不良

22.基材板有問題(如樹脂硬化不足)

23.錫波表面發生氧化

24.預熱不足

25.錫池焊料遭到污染

26.錫溫太高

27.錫溫太低

28.焊接時間太長

29.焊接時間太短

30.綠漆不良或硬化不足

31.錫波之波形或高度不適應

  六、錫膏溶焊(ReflowSoldering)

  各種表面黏裝元件在電路板面上的互連引腳,不管是伸腳、勾腳(J-Lead)、球腳或是無腳而僅具焊墊者,均須先在板面承墊上印著錫膏,而對各″腳″先行暫時定位黏著,然後才能使之進行錫膏融熔之永久焊接。

原文之Reflow系指錫膏中已熔製成的焊錫小球狀粒子,又經各種熱源而使之再次熔融焊接而成爲焊點的過程。

一般業者不負責任的直接引用日文名詞″回焊″,其實並不貼切,也根本未能充份表達ReflowSoldering的正確含義。

而若直譯爲″重熔″或″再流″者更是莫名其妙不知所云。

  6.1錫膏的選擇與儲存:

  目前錫膏最新國際規範是J-STD-005,錫膏的選擇則應著眼於下列三點,目的是在使所印著的膏層都要保有最佳的一致性:

  (1)錫粒(粉或球)的大小、合金成份規格等,應取決於焊墊與引腳的大小,以及焊點體積與焊接溫度等條件。

  (2)錫膏中助焊劑的活性(Activity)與可清潔性(Cleanability)如何?

  (3)錫膏之黏度(Viscosity)與金屬重量比之含量如何?

  由於錫膏印著之後,還需用以承接零件的放置(Placement)與引腳的定位,故其正面的黏著性(Tackiness)與負面的坍塌性(Slump),以及原裝開封後可供實際工作的時程壽命(WorkingLife)也均在考慮之內。

當然與其他化學品也有著相同觀點,那就是錫膏品質的長期穩定性,絕對是首先應被考慮到的。

  其次是錫膏的長時間儲存須放置在冰箱中,取出使用時應調節到室溫才更理想,如此將可避免空氣中露珠的冷凝而造成印點積水,進而可能在高溫焊接中造成濺錫,而且每小瓶開封後的錫膏要盡可能的用完。

網版或鋼板上剩餘的錫膏也不宜刮回,混儲于原裝容器的餘料內以待再次使用。

  6.2錫膏的布著及預烤:

  板面焊墊上錫膏的分配分佈及塗著,最常見的量産方法是採用“網印法”(ScreenPrint),或鏤空之鋼板(StencilPlate)印刷法兩種。

前者網版中的絲網本身只是載具,還需另行貼附上精確圖案的版膜(Stencil),才能將錫膏刮印轉移到各處焊墊上。

此種網印法其網版之製作較方便且成本不貴,對少量多樣的産品或打樣品之制程非常經濟。

但因不耐久印且精准度與加工速度不如鋼板印刷,故在大量生産型的臺灣組裝廠商較少使用前者。

至於鋼板印刷法,則必須採用局部化學蝕刻法或雷射燒蝕加工法,針對0.2mm厚的不銹鋼板進行雙面精准之鏤空,而得到所需要的開口出路,使錫膏得以被壓迫漏出而在板面焊墊上進行印著。

其等側壁必須平滑,使方便於錫膏穿過並減少其積附。

因而除了蝕刻鏤空外,還要進行電解抛光(Electropolishing)以去除毛頭。

甚至採用電鍍鎳以增加表面之潤滑性,以利錫膏的通過。

  錫膏的分佈塗著除上述兩種主要方法外,常見者尚有注射布著法(SyringeDispensing)與多點沾移法(DipTransfer)兩種用於小批量的生産。

注射法可用於板面高低不平致使網印法無法施工者,或當錫膏布著點不多且又分佈太廣時即可用之。

但因布著點很少故加工成本很貴。

錫膏塗布量的多寡與針管內徑、氣壓、時間、粒度、黏度都有關。

至於″多點沾移法″則可用於板面較小等封裝載板(Substrates)之固定陣列者,其沾移量與黏度、點移頭之大小都有關。

某些已布著的錫膏在放置零件黏著引腳之前,還需要預烤(7080℃,515分鐘),以趕走膏體中的溶劑,如此方可減少後來高溫熔焊中濺錫而成的不良錫球(SolderBall),以及減少焊點中的空洞(Voiding);

但此種印著後再熱烘,將會使降低黏度的錫膏在踩腳時容易發生坍塌。

且一旦過度預烤者,甚至還會因粒子表面氧化而意外帶來焊錫性不良與事後的錫球。

  6.3高溫熔焊(Reflow)

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