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SMT焊接工藝-波峰焊
來源：SMT 時間：2020/08/19
1、波峰焊接的歷史
波峰焊已經(jīng)存在了幾十年，并且作為焊接元件的主要方法在PCB的利用增長中起到了重要作用。將電子產(chǎn)品變得更小，功能更多，PCB（這些設(shè)備的核心）使這成為可能，這是一個巨大的推動力。這種趨勢也催生了新的焊接工藝作為波峰焊的替代品。
波峰焊前：PCB組裝歷史
焊接作為連接金屬部件的過程被認(rèn)為是在錫的發(fā)現(xiàn)后不久出現(xiàn)的，錫仍然是當(dāng)今焊料的主要元素。另一方面，第一塊PCB出現(xiàn)在20世紀(jì)。德國發(fā)明家艾伯特漢森提出了一個多層平面的想法; 包括絕緣層和箔導(dǎo)體。他還描述了在器件中使用孔，這與今天用于通孔元件安裝的方法基本相同。
在第二次世界大戰(zhàn)期間，隨著各國尋求提高通信和準(zhǔn)確性或精確度，電氣和電子設(shè)備的發(fā)展起飛。 現(xiàn)代PCB的發(fā)明者保羅·艾斯勒（Paul Eisler）于1936年開發(fā)了一種將銅箔連接到玻璃絕緣基底的工藝。他后來演示了如何在他的設(shè)備上組裝無線電。盡管他的電路板使用布線來連接元件，這是一個緩慢的過程，但當(dāng)時并不需要大規(guī)模生產(chǎn)PCB的大規(guī)模生產(chǎn)。
2、雙波峰焊機的工作原理
雙波峰焊機是為適應(yīng)插裝元件與表面貼裝元件混合安裝特點而在單波峰焊機基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，此發(fā)明以來，其結(jié)構(gòu)就基本固定為“紊流波+平滑波”的形式，如圖所示。
1) 紋流波
主要功能是產(chǎn)生一個向上沖擊的紊流波，將因“遮蔽效應(yīng)”（如圖所示），而形成的氣泡趕走，使錫波能夠緊密地與焊盤接觸從而減少漏焊現(xiàn)象的發(fā)生。向上沖擊的紊流波也有利于安裝孔的良好填錫。
2) 平滑波
正如其名，其主要功能產(chǎn)生一個無波峰與波谷的平滑錫波，用于焊縫形態(tài)是修正。平滑波的結(jié)構(gòu)與寬度對波峰焊接質(zhì)量的影響很大，一定程度上決定了波峰焊接的直通率，也是不同品牌波峰焊機的價值所在。
（1）平滑波工藝分析
平滑波可分為三個工藝區(qū)域：PCB進入?yún)^(qū)（A點前）、傳熱區(qū)（A-B間的區(qū)域）和PCB離開區(qū)（B點后），如圖所示。
3、工藝控制
1）焊劑噴涂
用雙面膠紙把一張白紙粘貼在PCB上，進行焊劑涂覆，檢查焊劑噴涂是否均勻，是否漏噴，焊劑是否入孔，特別是OSP孔。
漏噴常常是引起橋連、拉尖的常見原因。
2）預(yù)熱
預(yù)熱有如下幾個目的：
（1）使大部分焊劑揮發(fā)，避免焊接時引起飛濺、造成錫波溫度下降（因為焊劑揮發(fā)需要吸熱）。
（2）獲得適當(dāng)?shù)酿ざ?。黏度太低，焊劑容易過早地被錫波帶走，會使?jié)櫇褡儾睿?/p>
（3）獲得適當(dāng)?shù)臏囟?。減少PCBA進入焊錫波時的熱沖擊和板變形；
（4）促進焊劑活化。
4、合適預(yù)熱結(jié)果的評判
（1）對有鉛焊接而言，焊接面約110℃。對于給定的PCBA，可以通過測量元件面溫度判斷；也可以用手摸，發(fā)粘即可，太干容易引起焊接問題。
（2）OSP板，預(yù)熱溫度需要適當(dāng)提高，如130℃。
（3）ENIG板，要視使用單波還是雙波確定。雙波需要較高的預(yù)熱溫度，單波則需要較低的預(yù)熱溫度，以避免焊盤邊緣反潤濕。
5、焊接
（1）紊流波向上應(yīng)具有一定的沖擊力，形成無規(guī)則的谷與峰；
（2）平滑波錫波面必須平整，波高以實現(xiàn)無缺陷焊接為調(diào)整目標(biāo)。
不同的波形要求不同，如某品牌波峰焊機，波比較低時，橋連、拉尖就比較多（ 受熱不足）；波比較高時，焊點的飽滿性會變差（快速下拉）。這些都基于其窄的弧形波特性。
拉尖，通常是因為焊錫還沒有拉下，其上部已經(jīng)凝固所致。之所以凝固，是因為引線散熱比較快或引線比較長，為了避免拉尖，有時需要平滑波壓的深些以提高引線的熱容量，也可以通過降低傳送速度來實現(xiàn)（高速傳送前提下）。
波高的調(diào)節(jié)一定要配合傳送速度進行調(diào)節(jié)，單純的調(diào)節(jié)波高往往難以實現(xiàn)目標(biāo)。
傳送速度：影響焊點的受熱和分離速度。一般不可單獨調(diào)節(jié)，需要根據(jù)波形、所焊PCBA進行調(diào)節(jié)。
6、常見焊接不良與對策
1、橋連
1) 橋連的類別
影響橋連的因素很多，設(shè)計、焊劑活性、焊料成分、工藝等，需多方面持續(xù)改進。
根據(jù)所產(chǎn)生的原因，橋連可以大致分成兩類：焊劑不足型和垂直布局型。
（1）焊劑不足型。
特征是多引線連錫、焊盤、引線頭（最容易氧化）無潤濕或局部潤濕，如圖所示。
（2）垂直布局型。
特征是焊點飽滿、引線頭包錫、連錫懸空，如圖所示。這是常見的橋連類型，正如其分類名稱那樣，它主要與引線構(gòu)成的錫墻厚度有關(guān)—— 引線直徑、長度與間距。
當(dāng)然，也與PCB上元件布局、焊劑的活性、錫波高度、預(yù)熱溫度和鏈速等有關(guān)，影響因素比較多、復(fù)雜，難以100%解決。一般多發(fā)生在引線間距比較小（≤2mm）、伸出比較長(≥1.5mm)、比較粗的連接器類元件，如歐式插座。
2）改進措施：
（1）設(shè)計
a）最有效的措施就是采用短引線設(shè)計。2.5mm間距的引線，長度控制在1.2mm以內(nèi)；2mm間距的引線，長度控制在0.5mm以內(nèi)。最簡單的經(jīng)驗就是“1/3原則”，即引線伸出長度應(yīng)取其間距的1/3。只要做到這點，橋連現(xiàn)象基本可以消除。
b）連接器等元件。盡可能將元件的長度方向平行于傳送方向布局并設(shè)計盜錫工藝焊盤，以提供連續(xù)載波能力。
c) 使用小焊盤設(shè)計，因為金屬化孔的PCB焊點的強度基本不靠焊盤的大小。對減少橋連缺陷而言焊盤環(huán)寬越小越好，只要滿足PCB制造需要的最小環(huán)寬即可。
(2) 工藝
a)使用窄的平波波峰焊機進行焊接。
b)使用合適的傳送速度（以引線能夠連續(xù)脫離為宜）。鏈速快或慢，都不利于橋連現(xiàn)象的減少。這是因為（傳統(tǒng)的解釋）鏈速快，打開橋連的時間不夠或受熱不足；鏈速慢，有可能導(dǎo)致引線靠近封裝端溫度下降。但實際情況遠比這復(fù)雜，有時，熱容量大、長的引線，宜快，反之，宜慢（大熱容量與小熱容量引線在傳送速度方面的要求總是相反的）。因此，實踐中要多試。
鏈速快慢判別標(biāo)準(zhǔn)視焊接對象、所用設(shè)備而定，是一個動態(tài)的概念！一般以
0.8~1.2m/min分界點。
c）預(yù)熱溫度要合適，應(yīng)使焊劑達到一定的黏度。黏度太低容易被焊錫波沖走，會使?jié)櫇褡儾?。過度預(yù)熱會使松香氧化并發(fā)生聚合反應(yīng)，減緩潤濕過程。這都會增加橋連的概率。
d）對非焊劑原因產(chǎn)生的橋連，可以通過降低波高的方法進行消除（以波剛接觸最長引線尖端為目標(biāo)，這是TAMULA的建議）。
漏焊（Skip、Dry）及虛焊
漏焊，主要涉及片式元件，與元件高度和布局方向以及元件封裝和焊盤外伸長度有關(guān)。原因是元件的“遮蔽效應(yīng)”和焊劑的“氣囊隔絕”，有時也與焊劑涂覆、焊盤/引線氧化有關(guān)。
虛焊多與焊盤或焊端氧化、熱量不足、引線長過波峰時擾動有關(guān)。改進措施：
（1）優(yōu)化元件布局和焊盤設(shè)計，如圖所示。
（2）對裝有SMD的波焊面一定要打開紊流波。圖示雖然非漏焊現(xiàn)象，但形成原因同漏焊。
（3）充分預(yù)熱或減少焊劑量（前提是使用了高焊劑量），消除“氣囊隔絕”效應(yīng)
的影響。
（4）還要注意擋條和托架的設(shè)計不要影響元件的受熱與受錫空間。
