波峰焊机焊接原理和改善案例解读.docx

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波峰焊机焊接原理和改善案例解读

长沙民政职业技术学院

毕业论文

题目:

波峰焊焊机焊接原理及

焊接改善案例

院系:

电子信息工程系

专业:

应用电子

姓名学号:

胡正060613315

杨林材060613322

王乐060613337

许科060613317

指导教师:

曹立忠

二OO八年十一月十一日

摘要----------------------------1

前言----------------------------2

1.锡焊原理------------------------2

1．1焊接的定义及其特点------------------------2

1．2润湿------------------------------4

1.3焊点--------------------------------5

1.4焊料------------------------------7

2.助焊剂分类及其特性选择---------------------8

2.1助焊剂的作用和所具备的性能-------------------8

2.2助焊剂分类---------------------------9

2.3助焊剂特性说明-------------------------10

4.3助焊剂的选择--------------------------12

3.波峰焊机焊接原理------------------------13

3.1波峰焊工艺技术介绍-----------------------13

3.2提高波峰焊接质量的方法和措施------------------15

4.焊接缺陷原因分析及解决办法------------------16

4.1吃锡不良----------------------------16

4.2常见的焊接缺陷及解决办法--------------------17

致谢---------------------------------19

参考文献---------------------------------19

【摘要】焊锡是采用一种熔融的填充金属（焊料）润湿待连接的两个金属表面，凝固时即形成连接。

波峰焊是将熔融的液态焊料﹐借助与泵的作用﹐在焊料槽液面形成特定形状的焊料波﹐插装了元器件的PCB置与传送链上﹐经过某一特定的角度以及一定的浸入深度穿过焊料波峰而实现焊点焊接的过程。

波峰焊过程：

治具安装→喷涂助焊剂系统→预热→一次波峰→二次波峰→冷却。

助焊剂系统是保证焊接质量的第一个环节。

选择适当助焊剂是一个非常科学化的过程。

生产所挑选的助焊剂，不但要配合工程的需要，同时亦要注意到避免不良后果及副作用的产生。

锡焊机上之预热措施应保持让种基板面有摄氏80~120度之热度，才能发挥良好之预热功能，如此可发挥助焊剂应有之焊锡能力。

焊接系统一般采用双波峰。

在波峰焊接时，PCB板先接触第一个波峰，然后接触第二个波峰。

【关键词】锡焊原理助焊剂波峰焊焊接原理改善

波峰焊焊机焊接原理及焊接改善案例

前言

波峰焊接是一项成熟的技术，保持一种有效的大规模焊接工艺过程，特别是对通孔和第三类SMT装配。

波峰焊接的复杂是由于其过程运作变量，例如，传送带速度、预热温度、波峰的焊接问题，板与波的交互作用、助焊剂化学成分、机器维护、板的设计、元件的可行性和操作员的培训。

一锡焊原理

1、焊接的定义及其特点

焊锡的定义：

采用一种熔融的填充金属（焊料）润湿待连接的两个金属表面，凝固时即形成连接。

从焊接的定义可知：

要焊接的金属并不融化，连接只发生在两个金属交界面处。

焊接的好坏取决于基体金属被融化的合金（焊料）所湿润的能力。

焊接与粘接的区别：

粘接是一种物理现象，即连接剂对连接表面的物理吸附，表现在被粘接表面越粗糙，粘接效果越好。

而焊接是一种物理、化学作用，表现在基体金属与焊料形成一种金属间的化合物。

2、润湿

举例来说明润湿，将一滴水和一滴水银滴在洁净的玻璃板上，可以看到如下情形，水在玻璃上扩散开来，而水银却成球形，如图：

水水银

玻璃

（图1）

这表明水对玻璃有润湿作用，而水银却不会润湿玻璃。

同样熔融焊料在洁净的无氧化层的金属平面上会形成润湿作用，而在有氧化层或有油污的金属氧化表面却不会有润湿作用。

（1）润湿的产生

液体由于其自身的表面张力作用会形成球状。

液体在固体表面的润湿状态由下图表示：

PLV

VAPOR

θLIQUID

PSVPLSSOLID

（图2）

PLV：

代表液体与气体之间的表面张力

PSV：

代表固体与气体之间的表面张力

PLS：

代表液体与固体之间的表面张力

θ：

代表润湿角

当上述液体在固体表面稳定时，即上述表面张力达到一种平衡状态。

PSV=PLS+PLV·cosθ

当PSV、PLV恒定，助焊剂帮助清洁被焊金属表面，减小了液固之间表面张力PLS时，cosθ值变大，θ角变小，即液体对固体的润湿角变小，液体沿固体表面铺展开来，即形成润湿。

（2）润湿的分类：

在润湿平衡图（图2）中

1、当θ≤75°时，称为良好润湿（GOODWETTING）；

2、当75°＜θ≤90°时，称为边际润湿（MARGINALWETTING），即已成为不可接受；

3、当90°＜θ≤180°时，称为退润湿（DEWETTING）；

4、当θ＝180°时，称为末润湿（NONWETTING）；

由上可知，θ角越小润湿越好。

（3）润湿的结果

毛细作用：

将洁净的很细小玻璃管分别插入水槽和水银槽中，会看到水沿毛细玻璃管爬升，而水银则下降。

由前面知道水对玻璃有润湿作用，由此可见，润湿作用的直接结果是产生毛细现象，即液体被其润湿基材的毛细孔中上升。

（4）毛细作用导致的焊点标准结构：

PTH无插件时θ角越小，焊点越好。

3、焊点

（1）金属间化合物的形成

如果两个铜板如图4–a所示用焊锡焊接在一起，并将他们之间的一小部分取出放大200倍成如图4–b所示。

在中间是焊锡，两边是基层铜板。

但是，在铜和焊锡之间的材料在焊接之前并不存在。

那是焊锡中的锡和铜的表面形成的一种新化合物，它是铜/锡化合物（CU3Sn、CU6Sn5），也称为金属间化合物（INTERMETALLICCOMPOUND）。

当焊锡润湿铜板时才会形成金属间化合物，同时也是润湿已经发生的表示。

金属间化合物

放大后

（图4-b）

（图4-a）

CUCU铜焊锡铜

TIN/LEAD63%TIN（Sn）

63/3737%LEAD（Pb）

焊锡

焊锡分子扩散进入铜层

CU3Sn

CU6Sn5

铜分子扩散进入焊锡中

INT金属间化合物—铜和焊锡分子结晶构造的扩散区

图5金属间化合物的侧视图

（2）金属间化合物的厚度

化合物的厚度是决定于焊点的温度和在此温度下所停留的时间。

锡/铜金属间化合物的形成在室温下便会发生，但其反应相当慢，故对焊点而言，没有什么意义。

不过，在铜板覆一层很薄的焊锡时，锡会漫漫地与铜组合，而是铅浮于外层，长期储存后便会影响焊锡性。

图6是镀锡的成份、储存温度和焊锡性失效的关系。

图6镀锡的成分，储存温度和时间导致焊锡性不良的金属化合物的厚度

（3）焊点龟裂

金属间化合比焊锡或铜还要硬，而且比较脆。

如果此金属间化合物太厚的话，当焊点受到热或机械性的应力下，便会产生焊点龟裂如图7所示

厚金属化合物

沿金属化合物产生焊点龟裂

图7因厚金属间化合物的形成而突然发生龟裂

4、焊料

（1）锡铅合金的相图

非63/37焊料在焊点冷凝过程中要经过一段糊状区，若在此度区间内，焊点受到振动即产生所谓的冷焊或焊点粗糙。

焊点组分偏离共晶点越远，其达到液体所需温度越高，相应地其焊点温度则更为高。

（2）焊料的选择

一般情况下选优63/37焊料，但对于单面板且孔径较大者选择60/40，所形成的焊点大，较易填满整个孔径。

（3）焊料的工作温度

一般操作温度应高于熔点70℃左右，以保持焊料良好的流动性；高于熔点50℃是可选择的最低焊接温度，其所需焊锡的时间相应较长。

（4）焊接后焊点的最高工作温度

当焊锡接近其熔点时，其抗张强度和抗剪强度等一些机械性能会丧失。

因此，焊接件最高工作温度依下式作为参考。

熔点温度–室温

最高工作温度=+室温

1.5

以63/37焊料为例，室温18℃时最高工作温度应为128℃。

二助焊剂分类及其特性选择

1、助焊剂的作用和所具备的性能

（1）助焊剂在锡焊过程中起下列作用：

1．清除焊接元器件、印刷板铜箔以及焊锡表面的氧化物；

2．以液体薄层覆盖被焊金属和焊锡的表面，隔绝空气中的氧对它们的再一次氧化；

3．起界面活性作用，改善液态焊锡对被焊金属表面的润湿；

4．助焊剂在锡焊过程中应具备下列性能：

1助焊剂应有足够的能力清除被焊金属和焊料表面的氧化膜；

2助焊剂要有适当的活性温度范围，在焊锡熔化前开始起作用，在锡焊过程中较好地发挥清除氧化膜，降低液态焊锡表面张力起作用；

3助焊剂要有良好的热稳定性，一般温度100℃；

4助焊剂的密度要小于液态焊锡的密度，这样助焊剂才能均匀地在被焊金属表面铺展，成薄膜状覆盖在焊锡和被焊金属表面，有效地隔绝空气，促进焊锡与基材的润湿与铺展，避免焊点内部夹渣；

5助焊剂残渣容易清洗；

6助焊剂及残渣不应有腐蚀性，不应析出有毒、有害气体，要有符合电子工业规定的绝缘电阻、不吸潮、不产生霉菌；

7价格合理，货源充足，质量稳定，易于储存。

2、助焊剂分类

焊接用助焊剂在IPC新分类法中未按其化学组成加以分类，而是就该助焊剂之活性度作出分类。

按其活性度助焊剂可分为：

Ｌ＝表示助焊剂本身或助焊剂残渣均为低度活性者；

M＝表示助焊剂本身或助焊剂残渣均为中度活性者；　

Ｈ＝表示助焊剂本身或助焊剂残渣均为高度活性者；　

新分类与传统型分类的联系如下：

L型助焊剂可表示：

（1）所有R型之松香非活性助焊剂；

（2）大部分RMA型之松香基微活性助焊剂；

（3）某些RA型之松香活性助焊剂。

M型助焊剂可表示：

（1）某些RMA型助焊剂；

（2）大部分RA型助焊剂；

（3）少数水溶性及合成活化型助焊剂。

H型助焊剂可表示：

（1）所有RSA型之松香基超活性助焊剂；

（2）大部分水溶性及合成活化型助焊剂。

助焊剂分类代码如下：

X1RX2CN

X1代表助焊剂活性度之分类，分别为：

L、M、H；

R代表含有松香；

X2代表电子组装品之级别，分别为：

1、2、3；

C代表清洗后可通过表面绝缘阻抗测试；

N代表未清洗通过表面绝缘阻抗测试。

4、助焊剂的选择

选择适当助焊剂是一个非常科学化的过程。

生产所挑选的助焊剂，不但要配合工程的需要，同时亦要注意到避免不良后果及副作用的产生。

选择助焊剂时，注意以下要点，会直接提高焊锡的效果及减低补焊的时间和成本，间接地增加公司的利润：

1.政府订定的规格

2.对健康的影响

3.金属表面清洁程度

4.焊接后的清洁要求

5.稳定性

6.腐蚀的程度

7.绝缘度

8.经济原则

（1）助焊剂的选择原则：

1.容易焊接者：

此类材料可用松香类助焊剂即可，除非严重氧化。

或表面污染，通常使用RMA即可，不必使用无机酸类助焊剂，因其活性太强，会有腐蚀之虞。

2.不易焊者：

通常此类材质无法使用一般松香助焊剂，即使用水溶性助焊剂亦要求在条件状况好的情况下才能使用，在此情况下，要使用特别助焊剂，或需要在材料上先沾焊点。

3.选择助焊剂，必须配合整个装配时的其它条件，如果某一种助焊剂适用于某一种金属，但不适合装配的条件时，我们可以调整其基层金属的表面处理，而避免使用较强的助焊剂，如焊锡或电镀，但电镀时亦会使用腐蚀性大的电镀液，在焊前必须清理干净。

（2）助焊剂于操作时应注意事项

1.比重乃助焊剂之浓度之表示，应针对不同种板与零件之氧化，设定不同之比重作业。

2.日常作业中应每工作二小时，慎重检测其比重。

有超过设定标准时应马上添加稀释液恢复原设定之比重标准，反之，有利于设定之标准时则添加助焊剂原液直到回复原设定之比重，并做记录备查。

3.每日作业完后，应将发泡槽内之助焊剂倒至一干净容器内密封储存，并装入清洁之稀释剂于发泡槽内并加盖子封闭发泡槽，作为保养发泡管之用。

4.发泡槽内之助焊剂不使用时，应随即加盖封以防挥发水与水气污染，未过种板焊锡时请勿让助焊剂发泡，以减低各类污染。

5.自空压机接气到发泡槽，管路过程中至少应备二道以上之滤水机过滤空气中之水分。

滤水机须定时检测其作业功能，以防水分进发泡槽内影响助焊剂安定性。

6.发泡时泡沫颗粒应愈绵密愈好，应随时注意发泡颗粒是否大小均匀，反之，必有发泡管阻塞，漏气或故障。

7.发泡高度原则以不超过种板零件面为最合适高度，同时也应注意保持泡沫之绵密。

8.助焊剂应于使用50小时全部放下更换新液，以防污染，老化衰退影响作业效果与品质。

9.作业中应该严禁随意添加其它非本公司之稀释剂或其它厂助焊剂以防化学结构突变，导致无法收拾之后果。

（3）通常须设定较高比重作业情况有：

1.基板严重氧化时（此现象无法用肉眼客观辨认须经实验室检测）。

2.零件脚端严重氧化时（同上）。

3.基板零件密度高时。

4.基板零件方向与锡焊方向错误时。

5.多层板。

6.锡焊温度较低时。

7.清洗过程必备时。

应尽量避免裸板之事前喷涂助焊剂作业，先用此法作业时应特别指定使用R或RMA级之助焊剂作业，以防侵蚀金属基材。

倘或有清洗需要时，最好能于当天清洗完毕以防污染而导致清洗困难度升高。

作业过程中，应防止裸板与零件脚端被汗渍，手渍，面霜，油脂类或其它材料污染。

锡焊机上之预热措施应保持让种基板面有摄氏80~120度之热度，才能发挥良好之预热功能，如此可发挥助焊剂应有之焊锡能力。

三波峰焊机焊接原理

1、波峰焊工艺技术介绍

波峰焊是将熔融的液态焊料﹐借助与泵的作用﹐在焊料槽液面形成特定形状的焊料波﹐插装了元器件的PCB置与传送链上﹐经过某一特定的角度以及一定的浸入深度穿过焊料波峰而实现焊点焊接的过程。

波峰焊有单波峰焊和双波峰焊之分。

单波峰焊用于SMT时，由于焊料的"遮蔽效应"容易出现较严重的质量问题，如漏焊、桥接和焊缝不充实等缺陷。

而双波峰则较好地克服了这个问题，大大减少漏焊、桥接和焊缝不充实等缺陷，因此目前在表面组装中广泛采用双波峰焊工艺和设备，见下图。

波峰锡过程：

治具安装→喷涂助焊剂系统→预热→一次波峰→二次波峰→冷却。

下面分别介绍各步内容及作用。

（1）治具安装

治具安装是指给待焊接的PCB板安装夹持的治具，可以限制基板受热变形的程度，防止冒锡现象的发生，从而确保浸锡效果的稳定。

（2）助焊剂系统

助焊剂系统是保证焊接质量的第一个环节，其主要作用是均匀地涂覆助焊剂，除去PCB和元器件焊接表面的氧化层和防止焊接过程中再氧化。

助焊剂的涂覆一定要均匀，尽量不产生堆积，否则将导致焊接短路或开路。

助焊剂系统有多种，包括喷雾式、喷流式和发泡式。

目前一般使用喷雾式助焊系统，采用免清洗助焊剂，这是因为免清洗助焊剂中固体含量极少，不挥发无含量只有1/5～1/20。

所以必须采用喷雾式助焊系统涂覆助焊剂，同时在焊接系统中加防氧化系统，保证在PCB上得到一层均匀细密很薄的助焊剂涂层，这样才不会因第一个波的擦洗作用和助焊剂的挥发，造成助焊剂量不足，而导致焊料桥接和拉尖。

喷雾式有两种方式：

一是采用超声波击打助焊剂，使其颗粒变小，再喷涂到PCB板上。

二是采用微细喷嘴在一定空气压力下喷雾助焊剂。

这种喷涂均匀、粒度小、易于控制，喷雾高度/宽度可自动调节，是今后发展的主流。

（3）预热系统

1预热系统的作用：

（1）助焊剂中的溶剂成份在通过预热器时，将会受热挥发。

从而避免溶剂成份在经过液面时高温气化造成炸裂的现象发生，最终防止产生锡粒的品质隐患。

（2）待浸锡产品搭载的部品在通过预热器时的缓慢升温，可避免过波峰时因骤热产生的物理作用造成部品损伤的情况发生。

（3）预热后的部品或端子在经过波峰时不会因自身温度较低的因素大幅度降低焊点的焊接温度，从而确保焊接在规定的时间内达到温度要求。

2预热方法

波峰焊机中常见的预热方法有三种：

①空气对流加热；②红外加热器加热；③热空气和辐射相结合的方法加热。

3预热温度

一般预热温度为130～150℃，预热时间为1～3min。

预热温度控制得好，可防止虚焊、拉尖和桥接，减小焊料波峰对基板的热冲击，有效地解决焊接过程中PCB板翘曲、分层、变形问题。

（4）焊接系统

焊接系统一般采用双波峰。

在波峰焊接时，PCB板先接触第一个波峰，然后接触第二个波峰。

第一个波峰是由窄喷嘴喷流出的"湍流"波峰，流速快，对组件有较高的垂直压力，使焊料对尺寸小，贴装密度高的表面组装元器件的焊端有较好的渗透性；通过湍流的熔融焊料在所有方向擦洗组件表面，从而提高了焊料的润湿性，并克服了由于元器件的复杂形状和取向带来的问题；同时也克服了焊料的"遮蔽效应"湍流波向上的喷射力足以使焊剂气体排出。

因此，即使印制板上不设置排气孔也不存在焊剂气体的影响，从而大大减小了漏焊、桥接和焊缝不充实等焊接缺陷，提高了焊接可靠性。

经过第一个波峰的产品，因浸锡时间短以及部品自身的散热等因素，浸锡后存在着很多的短路，锡多，焊点光洁度不正常以及焊接强度不足等不良内容。

因此，紧接着必须进行浸锡不良的修正，这个动作由喷流面较平较宽阔，波峰较稳定的二级喷流进行。

这是一个"平滑"的波峰，流动速度慢，有利于形成充实的焊缝，同时也可有效地去除焊端上过量的焊料，并使所有焊接面上焊料润湿良好，修正了焊接面，消除了可能的拉尖和桥接，获得充实无缺陷的焊缝，最终确保了组件焊接的可靠性。

（5）冷却

浸锡后适当的冷却有助于增强焊点接合强度的功能，同时，冷却后的产品更利于炉后操作人员的作业，因此，浸锡后产品需进行冷却处理。

2提高波峰焊接质量的方法和措施

增加焊接工艺参数控制（3）焊接过程中的工艺参数控制

焊接工艺参数对焊接表面质量的影响比较复杂，并涉及到较多的技术范围。

1预热温度的控制

预热的作用：

①使助焊剂中的溶剂充分发挥，以免印制板通过焊锡时，影响印制板的润湿和焊点的形成；②印制板在焊接前达到一定温度，以免受到热冲击产生翘曲变形。

一般预热温度控制在180～210℃，预热时间1～3min。

2焊接轨道倾角

轨道倾角对焊接效果的影响较为明显，特别是在焊接高密度SMT器件时更是如此。

当倾角太小时，较易出现桥接，特别是焊接中，SMT器件的"遮蔽区"更易出现桥接；而倾角过大，虽然有利于桥接的消除，但焊点吃锡量太小，容易产生虚焊。

轨道倾角应控制在5°～8°之间。

3波峰高度

波峰的高度会因焊接工作时间的推移而有一些变化，应在焊接过程中进行适当的修正，以保证理想高度进行焊接波峰高度，以压锡深度为PCB厚度的1/2～1/3为准。

4焊接温度

焊接温度是影响焊接质量的一个重要的工艺参数。

焊接温度过低时，焊料的扩展率、润湿性能变差，使焊盘或元器件焊端由于不能充分的润湿，从而产生虚焊、拉尖、桥接等缺陷；焊接温度过高时，则加速了焊盘、元器件引脚及焊料的氧化，易产生虚焊。

焊接温度应控制在250±5℃。

5、有铅波峰焊的焊接参数设定和有铅波峰焊标准焊接曲线

要介绍一下有铅波峰焊的参数设定值和有铅波峰焊标准焊接曲线

预热温度

板底实际温度：

100±10℃

焊接温度

250±5℃

焊接时间

2~4S

助焊剂比重

参照产品规格书（其中BY-350-1:

0.820±0.005g/cm3，BY-820C:

0.810±0.005g/cm3）

链速

1.2~1.8米/分钟

有铅波峰焊标准焊接曲线

分别从焊接前的质量控制、生产工艺材料及工艺参数这三个方面探讨了提高波峰焊质量的方法。

（1）焊接前对印制板质量及元件的控制

1焊盘设计

（1）在设计插件元件焊盘时，焊盘大小尺寸设计应合适。

焊盘太大，焊料铺展面积较大，形成的焊点不饱满，而较小的焊盘铜箔表面张力太小，形成的焊点为不浸润焊点。

孔径与元件引线的配合间隙太大，容易虚焊，当孔径比引线宽0.05～0.2mm，焊盘直径为孔径的2～2.5倍时，是焊接比较理想的条件。

（2）在设计贴片元件焊盘时，应考虑以下几点：

①为了尽量去除"阴影效应"，SMD的焊端或引脚应正对着锡流的方向，以利于与锡流的接触，减少虚焊和漏焊，波峰焊时推荐采用的元件布置方向图如图4所示；②波峰焊接不适合于细间距QFP、PLCC、BGA和小间距SOP器件焊接，也就是说在要波峰焊接的这一面尽量不要布置这类元件；③较小的元件不应排在较大的元件后，以免较大元件妨碍锡流与较小元件的焊盘接触，造成漏焊。

2PCB平整度控制

波峰焊接对印制板的平整度要求很高，一般要求翘曲度要小于0.5mm，如果大于0.5mm要做平整处理。

尤其是某些印制板厚度只有1.5mm左右，其翘曲度要求就更高，否则无法保证焊接质量。

3妥善保存印制板及元件，尽量缩短储存周期

在焊接中，无尘埃、油脂、氧化物的铜箔及元件引线有利于形成合格的焊点，因此印制板及元件应保存在干燥、清洁的环境下，并且尽量缩短储存周期。

对于放置时间较长的印制板，其表面一般要做清洁处理，这样可提高可焊性，减少虚焊和桥接，对表面有一定程度氧化的元件引脚，应先除去其表面氧化层。

（2）生产工艺材料的质量控制

在波峰焊接中，使用的生产工艺材料有：

助焊剂和焊料。

1助焊剂质量控制

助焊剂在焊接质量的控制上举足轻重，其作用是：

（1）除去焊接表面的氧化物；

（2）防止焊接时焊料和焊接表面再氧化；（3）降低焊料的表面张力；（4）有助于热量传递到焊接区。

目前波峰焊接所采用的多为免清洗助焊剂。

选择助焊剂时有以下要求：

（1）熔点比焊料低；

（2）浸润扩散速度比熔化焊料快；（3）粘度和比重比焊料小；（4）在常温下贮存稳定。

2焊料的质