波峰焊接工艺中常见的问题 [波峰焊接工艺技术的研究]
摘要：作为一种传统焊接技术，目前波峰焊依然在电子制造领域发挥着积极作用。本文介绍了波峰焊接技术的原理，以及一种新型波峰焊接技术的特点，与传统波峰焊情况不同,它可以保护表面贴装元件来实现对通孔元件焊接。最后本文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有效方法。
关键词：波峰焊; 印制线路板; 助焊剂; 焊料; 工艺参数
Study on Process of Wave Soldering
XIANFei
（Fiberhome Telecommunication Co., Ltd, Wuhan 430074,China）
Abstract: Although wave soldering is a conventional soldering technology, now it still plays a important role in electronics production. The article introduces theory of wave soldering, at the same time an advanced soldering technology is also mentioned, it allowed through-hole components to be soldered, and protected the SMT components from the wave, unlike in the case of wave soldering. At last the effective way for improving the quality of wave soldering was discussed in terms of the quality control before soldering and the control of manufacturing material and process parameters.
Keywrds: Wave Soldering; Printed Circuit Board; Soldering Flux; Solder; Process Parameters
波峰焊是将熔化的焊料，经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰，使预先装有电子元器件的线路板通过焊料波峰，实现元器件焊端或引脚与线路板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。波峰焊用于线路板装联已有20多年的历史，现在已成为一种非常成熟的电子装联工艺技术，目前主要用于通孔插装组件和采用混合组装方式的表面组件的焊接。
1波峰焊工艺技术介绍
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。
双波峰焊的结构组成见图1。
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。
1.1 治具安装
治具安装是指给待焊接的线路板安装夹持的治具，可以限制基板受热形变的程度，防止冒锡现象的发生，从而确保浸锡效果的稳定。
1.2 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，除去线路板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，不挥发物含量只有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，保证在线路板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，再喷涂到线路板上。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。
1.3预热系统
1.3.1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形发生。
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。
1.3.2预热方法
波峰焊机中常见的预热方法有三种：空气对流加热、红外加热器加热以及热空气和辐射相结合的方法加热。
1.3.3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线路板翘曲、分层、变形问题。
1.4焊接系统
焊接系统一般采用双波峰。在波峰焊接时，线路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，即使线路板上不设置排气孔也不存在焊剂气体的影响，从而大大减少了漏焊、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。双波峰基本原理如图3。
1.5冷却
浸锡后适当的冷却有助于增强焊点接合强度,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使用屏蔽模具波峰焊接工艺技术
由于传统波峰焊接技术无法应对焊接面细间距、高密度贴片元件的焊接，因此一种新方法应运而生：使用屏蔽模具（如图4）遮蔽贴片元件来实现对线路板焊接面插装引线的波峰焊接。
2.1使用屏蔽模具波峰焊接技术的优点
1）实现双面混装PCB波峰焊生产，能大幅提高双面混装PCB生产效率，避免手工焊接存在的质量一致性差的问题。
2）减少粘贴阻焊胶的准备时间，提高生产效率，降低生产成本。
3）产量相当于传统波峰焊。
2.2屏蔽模具材料
1）制作模具必须防静电，常见材料为：铝合金，合成石（国产/进口），纤维板。使用合成石时为避免波峰焊传感器不感应，建议不要使用黑色合成石。
2）制作模具基材厚度。根据机盘反面元件的厚度，选取5～8mm厚度的基材制作模具。
2.3模具工艺尺寸要求
1）模具的外形尺寸：模具的长与宽分别等于PCB的长与宽加上60mm的载具边的宽度且模具宽度必须�350mm，具体工艺尺寸如图5。当PCB宽度小于140mm时，可以考虑在一模具同时放置两块PCB焊接。
2）工艺边离边缘8mm，另外两边贴近边缘地方加装10mm宽、10mm高的电木条，以增加模具的强度，减少模具变形。
3）每个加强档条上必须使用螺丝固定，螺丝与螺丝的间隔必需在150mm以下。
4）在模具制作完成后，需在四周且间距100mm以内安装压扣 （固定PCB于模具上），且须注意以下几点：（1）旋转一周不碰触到零件；（2）不影响DIP插件；（3）能将PCB稳固于模具。
5）模具的四个角要开一个R5的倒角。
6）模具上的PCBA在过锡炉时，有些零件受锡波的冲击会产生浮高，因此对一些容易浮高的零件采用压件的方法来解决。目前主要采用的方式：（1）金属铁块压件；（2）模具上安装压扣压件；（3）制作防浮高压件治具。
3提高波峰焊接质量的方法和措施
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有 效方法。
3.1 焊接前对线路板质量及元件的控制
3.1.1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6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。
（4）当采用波峰焊接SOIC等多脚元件时，应于锡流方向最后两个（每边各1）焊脚处设置窃锡焊盘，防止连焊。
（5）类型相似的元件应该以相同的方向排列在板上，使得元件的安装、检查和焊接更容易。例如使所有径向电容的负极朝向板件的右面，使所有双列直插封装（DIP）的缺口标记面向同一方向等等，这样可以加快插装的速度并更易于发现错误。如图7所示，由于A板采用了这种方法，所以能很容易地找到反向电容器，而B板查找则需要用较多时间。实际上一个公司可以对其制造的所有线路板元件方向进行标准化处理，某些板子的布局可能不一定允许这样做，但这应该是一个努力的方向。
3.1.2PCB平整度控制
波峰焊接对线路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。尤其是某些线路板厚度只有1.5mm左右，其翘曲度要求就更高，否则无法保证焊接质量。
3.1.3妥善保存线路板及元件，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，因此线路板及元件应保存在干燥、清洁的环境中，并且尽量缩短储存周期。对于放置时间较长的线路板，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。
3.2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，分别讨论如下：
3.2.1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。
3.2.2焊料的质量控制
锡铅焊料在高温下（250℃）不断氧化，使锡锅中锡-铅焊料含锡量不断下降，偏离共晶点，导致流动性差，出现连焊、虚焊、焊点强度不够等质量问题。可采用以下几个方法来解决这个问题：
1） 添加氧化还原剂，使已氧化的SnO还原为Sn，减小锡渣的产生；
2） 不断除去浮渣；
3） 每次焊接前添加一定量的锡；
4） 采用含抗氧化磷的焊料；
5） 采用氮气保护，让氮气把焊料与空气隔绝开来，取代普通气体，这样就避免了浮渣的产生。这种方法要求对设备改型，并提供氮气。
目前最好的方法是在氮气保护的氛围下使用含磷的焊料，可将浮渣率控制在最低程度，焊接缺陷最少、工艺控制最佳。
3.3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。
3.3.1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，以免线路板通过焊锡时，影响线路板的润湿和焊点的形成；
2）使线路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1~3分钟。
3.3.2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。
3.3.3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，以保证在理想波峰高度进行焊接，以压锡深度为PCB厚度的1/2~1/3为准。
3.3.4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℃。
4常见焊接缺陷及排除方法
影响焊接质量的因素是很多的，表1列出的是一些常见缺陷及排除方法，以供参考。
波峰焊接是一项很精细的工作，影响焊接质量的因素也很多，还需要我们更深一步地研究，以期提高波峰焊的焊接质量。
参考文献
[1]吴懿平，鲜飞.电子组装技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.
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[3]周德俭.表面组装工艺技术[M].北京：电子工业出版社，2002.
[4]王德贵.迎接21世纪的表面组装技术[J].电子工艺技术，1999（4）：169-171.
作者简介
鲜飞，华中科技大学计算机学院工程硕士，工程师，从事电子组装工艺技术工作，在各种学术会议及电子科技期刊上发表学术论文200多篇，出版有《电子组装技术》专著，2008年深圳华南Nepcon最佳SMT工程师获得者。