無(wú)鉛波峰焊工藝機(jī)理很簡(jiǎn)單,也很好理解,但是要在生產(chǎn)中獲得良好的焊點(diǎn),就要嚴(yán)格控制各工藝參數(shù),其中任何一個(gè)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)都會(huì)產(chǎn)生焊接不良。目前無(wú)鉛釬料的使用,給波峰焊工藝與設(shè)備帶來(lái)新的特點(diǎn)。下面廣晟德波峰焊給大家講解一下無(wú)鉛波峰焊工藝的特點(diǎn)。
1. 較高的焊接溫度
主要的無(wú)鉛釬料Sn0.7Cu熔點(diǎn)(227oC)較傳統(tǒng)SnPb(183oC)高44oC,設(shè)備的可加熱最高溫度也應(yīng)相應(yīng)提高至少44oC,所以設(shè)備材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須具有良好的耐熱性,在高溫下不變形。
另外無(wú)鉛波峰焊的焊接溫度較高(一般設(shè)定為260oC),為減少印刷電路板組裝件與波峰接觸時(shí)的熱沖擊,需要增加預(yù)熱時(shí)間。最好的解決方法是增加設(shè)備的預(yù)熱區(qū)長(zhǎng)度,其長(zhǎng)度由產(chǎn)量和傳送速度來(lái)決定。無(wú)鉛化后預(yù)熱區(qū)的長(zhǎng)度由以前的90~100㎝變?yōu)?20~150㎝,增加了預(yù)熱時(shí)間。對(duì)于加熱方式來(lái)說(shuō),基本采用熱輻射方式進(jìn)行預(yù)熱,最常用的波峰焊預(yù)熱方法由強(qiáng)制熱風(fēng)對(duì)流,電熱板對(duì)流、電熱棒加熱和紅外線加熱等。
2.較長(zhǎng)的預(yù)熱時(shí)間
預(yù)熱階段主要是蒸發(fā)多余溶劑和PCB制造過(guò)程中夾帶的水分,增加粘性,并起到活化助焊劑的作用。如果粘度太低,助焊劑會(huì)被熔融釬料過(guò)早的排擠出,造成表面潤(rùn)濕不良。表2為無(wú)鉛免清洗助焊劑和水溶性助焊劑的活性參數(shù)。
對(duì)于不同的助焊劑的活性參數(shù)要求,需要的預(yù)熱區(qū)長(zhǎng)度可能有所變化,但差別不是很大。
預(yù)熱階段干燥助焊劑也可加強(qiáng)其表面活性,加快焊接過(guò)程。并且基板和元器件在預(yù)熱階段加熱到100℃以上,可以降低熱沖擊,較少基板翹曲的可能。另外預(yù)熱階段可以加快PCB板及元器件上揮發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā),避免在波峰上引起焊錫飛濺和PCB上的錫球。
不足的預(yù)熱時(shí)間和溫度會(huì)造成焊后殘留,或許活性不足,造成潤(rùn)濕性差。預(yù)熱低可能導(dǎo)致焊接時(shí)水蒸氣、液體助焊劑等氣體排放造成焊料球,這種情況在低揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)的水基助焊劑上特別明顯。過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致助焊劑在到達(dá)波峰之前就已經(jīng)失去作用,導(dǎo)致焊錫表面張力增大,造成橋連或冰柱。
3.大量助焊劑的使用
由于可能要使用較大量的助焊劑,所以設(shè)備必須配備優(yōu)良的抽風(fēng)過(guò)濾系統(tǒng),以最小化助焊劑中揮發(fā)物質(zhì)的污染。
4.噴霧式助焊劑涂覆方式
常用助焊劑用CFC等清洗劑清洗,其中含有的ODS(臭氧耗竭物質(zhì))破壞生態(tài)環(huán)境,嚴(yán)重威脅人類(lèi)安全。免清洗助焊劑和水溶性助焊劑解決了不使用CFC類(lèi)清洗劑減少環(huán)境污染方面和解決因細(xì)間隙、高密度元器件組裝帶來(lái)的清洗困難問(wèn)題,它們的使用已經(jīng)同無(wú)鉛焊料一樣,成為一種必然的趨勢(shì)。表1所示為三種不同助焊劑的物理參數(shù)的比較,分別代表傳統(tǒng)的松香基助焊劑、免清洗助焊劑和水溶性助焊劑。
5.較高的腐蝕性
高Sn含量(95%以上)的無(wú)鉛焊料在焊接溫度升高(30~50℃)的情況下,對(duì)錫爐采用的材料SUS304和SUS316型不銹鋼具有明顯腐蝕(圖1),一般為6個(gè)月,而且最容易受到腐蝕的是與流動(dòng)焊料接觸的部位,如泵的葉輪、輸送管和噴口。
6.更多氧化錫渣
焊料波的表面被一層均勻的氧化皮覆蓋,它在沿焊料波的整個(gè)長(zhǎng)度方向上幾乎都保持靜態(tài),在波峰焊過(guò)程中,PCB接觸到焊料波的前沿表面,氧化皮破裂,PCB前面的焊料皮無(wú)褶皺的向前推進(jìn),整個(gè)氧化皮與PCB以同樣的速度移動(dòng)。與Sn-Pb焊料相比,無(wú)鉛焊料將產(chǎn)生更多的錫渣(dross),影響焊接質(zhì)量,同時(shí)也造成浪費(fèi)。典型的錫渣結(jié)構(gòu)都是90%的可用金屬在中心,外面包含10%的氧化物。這是因?yàn)椴煌瑴囟认耂nO2和PbO的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能不同,前者生成自由能低,容易產(chǎn)生,而后者不易。對(duì)于無(wú)鉛波峰焊設(shè)備最好配有自動(dòng)刮除錫渣裝置和焊錫液面高度自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置。
7.采用雙波峰系統(tǒng)
雙波峰系統(tǒng)前面的湍流波可滲入到所有待焊表面以保證良好潤(rùn)濕后面的雙向?qū)捚讲鲃?dòng)緩慢且平坦,有利于保證印刷電路板在流動(dòng)速率最小點(diǎn)處脫離焊料波峰,進(jìn)而最大限度地抑制橋連(bridge)、毛刺(icicle)等焊接缺陷的產(chǎn)生。
8.Lift-off(剝離)缺陷
剝離現(xiàn)象如圖 所示,焊點(diǎn)與焊盤(pán)在應(yīng)力的作用下開(kāi)裂,焊點(diǎn)邊緣翹起。剝離現(xiàn)象一般在40X工業(yè)檢測(cè)放大鏡下就可以觀測(cè)到,對(duì)電性能幾乎沒(méi)有影響,但是對(duì)可靠性會(huì)造成很大的威脅。
9.焊錫成分的準(zhǔn)確性
波峰焊中,由于焊料的氧化和母材金屬的溶解,使焊料槽中釬料的成分發(fā)生變化,偏離共晶點(diǎn),導(dǎo)致流動(dòng)性差,出現(xiàn)連焊、虛焊、焊點(diǎn)強(qiáng)度不夠,影響整機(jī)的可靠性。焊錫中Cu含量超過(guò)0.85wt%時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊接不良,當(dāng)Cu溶解于釬料鍋內(nèi)時(shí),會(huì)在熔融釬料內(nèi)形成Cu6Sn5金屬間化合物,Cu6Sn5化合物相的密度為8.3g/mm3,而常用無(wú)鉛釬料的密度則為7.4g/mm3,從而形成的金屬間化合物沉淀在熔融釬料鍋的底部不易清除,縮短焊錫鍋壽命。