深度分析DIP波峰焊工艺及常见焊接不良现场与解决方案

ulppknot · 发表于 2020-2-6 18:39

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波峰焊是现代电子制造重要工艺之一，虽然它一直受到SMT技术的冲击，但还是有相当多的电子元器件无法完全采用SMT封装技术替代，如高可靠性要求的插拔连接器，一些大功率电解电容等。因此波峰焊还会在电子制造领域发挥重要作用。

波峰焊工作原理

波峰焊是种借助泵压作用，使熔融的液态焊料表面形成特定形状的焊料波，当插装了元器件的装联组件以定角度通过焊料波时，在引脚焊区形成焊点的工艺技术。

波峰焊机的主要部件构成

一台波峰焊机，主要由传送带、加热器、锡槽、泵、助焊剂发泡（或喷雾）装置等组成。主要分为助焊剂添加区、预热区、焊接区、冷却区。

组件在由链式传送带传送的过程中，先在焊机预热区进行预热(组件预热及其所要达到的温度依然由预定的温度曲线控制)。实际焊接中，通常还要控制组件面的预热温度，因此许多设备都增加了相应的温度检测装置(如红外探测器)。预热后，组件进入铅槽进行焊接。锡槽盛有熔融的液态焊料，钢槽底部喷嘴将熔碰焊料喷出定形状的波峰，这样，在组件焊接面通过波时就被焊料波加热，同时焊料波也就润湿焊区并进行扩展填充，终实现焊接过程。

波峰焊是采用对流传热原理对焊区进行加热的。熔融的焊料波作为热源，一方面流动以冲刷引脚焊区，另一方面也起到了热传导作用，引脚焊区正是在此作用下加热的。为了保证焊区升温，焊料波通常具有一定的宽度，这样，当组件焊接面通过波时就有充分的加热、润湿等时间。传统的波峰焊中，一般采用单波，而且波比较平坦。随着铅焊料的使用，目前多采取双波形式。

元器件的引脚为固态，焊料浸入金属化通孔提供了条途径。当引脚接触到焊料波后，借助于表面张力的作用，液态焊料沿引脚和孔壁向上爬升。金属化通孔的毛细管作用进步促进了焊料的爬升。焊料到达PcB部焊盘后，在焊盘的表面张力作用下铺展开来。上升中的焊料排出了通孔中的焊剂气体和空气，从而填充了通孔，在冷却后终形成了焊点。

那么下面我们看看波峰焊接工艺制造中常见的问题与解决方法：

常见波峰焊不良

多锡

PTH焊料填充不足

白斑

拉尖

退润湿和不润湿

板子变形
连锡

焊点空洞

溢锡

锡球

吹孔或针孔

冷焊

漏焊

助焊剂残留

322KM

A、焊料不足：

焊点干瘪/不完整/有空洞，插装孔及导通孔焊料不饱满，焊料未爬到元件面的焊盘上。

原因：

a)PCB预热和焊接温度过高，使焊料的黏度过低；

b)插装孔的孔径过大，焊料从孔中流出；

c) 插装元件细引线大焊盘，焊料被拉到焊盘上，使焊点干瘪；

d) 金属化孔质量差或阻焊剂流入孔中；

e) PCB爬坡角度偏小，不利于焊剂排气。

对策：

a) 预热温度90-130℃，元件较多时取上限，锡波温度250+/-5℃，焊接时间3～5S。

b) 插装孔的孔径比引脚直径大0.15～0.4mm，细引线取下限，粗引线取上线。

c) 焊盘尺寸与引脚直径应匹配，要有利于形成弯月面；

d）反映给PCB加工厂，提高加工质量；

e) PCB的爬坡角度为3～7℃。

B、焊料过多：

元件焊端和引脚有过多的焊料包围，润湿角大于90°

原因：

a)焊接温度过低或传送带速度过快，使熔融焊料的黏度过大；

b) PCB预热温度过低，焊接时元件与PCB吸热，使实际焊接温度降低；

c) 助焊剂的活性差或比重过小；

d) 焊盘、插装孔或引脚可焊性差，不能充分浸润，产生的气泡裹在焊点中；

e) 焊料中锡的比例减少，或焊料中杂质Cu的成份高，使焊料黏度增加、流动性变差。

f) 焊料残渣太多。

对策：

a) 锡波温度250+/-5℃，焊接时间3～5S。

b) 根据PCB尺寸、板层、元件多少、有无贴装元件等设置预热温度，PCB底面温度在90-130。

c) 更换焊剂或调整适当的比例；

d) 提高PCB板的加工质量，元器件先到先用，不要存放在潮湿的环境中；

e) 锡的比例<61.4%时，可适量添加一些纯锡，杂质过高时应更换焊料；

f) 每天结束工作时应清理残渣。

C、焊点桥接或短路

原因：

a) PCB设计不合理，焊盘间距过窄；

b) 插装元件引脚不规则或插装歪斜，焊接前引脚之间已经接近或已经碰上；

c) PCB预热温度过低，焊接时元件与PCB吸热，使实际焊接温度降低；

d) 焊接温度过低或传送带速度过快，使熔融焊料的黏度降低；

e）阻焊剂活性差。

对策：

a) 按照PCB设计规范进行设计。两个端头Chip元件的长轴应尽量与焊接时PCB运行方向垂直，SOT、SOP的长轴应与PCB运行方向平行。将SOP最后一个引脚的焊盘加宽（设计一个窃锡焊盘）。

b) 插装元件引脚应根据PCB的孔距及装配要求成型，如采用短插一次焊工艺，焊接面元件引脚露出PCB表面0.8～3mm，插装时要求元件体端正。

c）根据PCB尺寸、板层、元件多少、有无贴装元件等设置预热温度，PCB底面温度在90-130。

d) 锡波温度250+/-5℃，焊接时间3～5S。温度略低时，传送带速度应调慢些。

f) 更换助焊剂。

D、润湿不良、漏焊、虚焊

原因：

a) 元件焊端、引脚、印制板基板的焊盘氧化或污染，或PCB受潮。

b) Chip元件端头金属电极附着力差或采用单层电极，在焊接温度下产生脱帽现象。

c) PCB设计不合理，波峰焊时阴影效应造成漏焊。

d) PCB翘曲，使PCB翘起位置与波峰焊接触不良。

e) 传送带两侧不平行（尤其使用PCB传输架时），使PCB与波峰接触不平行。

f) 波峰不平滑，波峰两侧高度不平行，尤其电磁泵波峰焊机的锡波喷口，如果被氧化物堵塞时，会使波峰出现锯齿形，容易造成漏焊、虚焊。

g) 助焊剂活性差，造成润湿不良。

h) PCB预热温度过高，使助焊剂碳化，失去活性，造成润湿不良。

对策：

a) 元器件先到先用，不要存在潮湿的环境中，不要超过规定的使用日期。对PCB进行清洗和去潮处理；

b) 波峰焊应选择三层端头结构的表面贴装元器件，元件本体和焊端能经受两次以上的260℃波峰焊的温度冲击。

c) SMD/SMC采用波峰焊时元器件布局和排布方向应遵循较小元件在前和尽量避免互相遮挡原则。另外，还可以适当加长元件搭接后剩余焊盘长度。

d) PCB板翘曲度小于0.8～1.0％。

e) 调整波峰焊机及传输带或PCB传输架的横向水平。

f) 清理波峰喷嘴。

g) 更换助焊剂。

h) 设置恰当的预热温度。

E、焊点拉尖

原因：

a) PCB预热温度过低，使PCB与元器件温度偏低，焊接时元件与PCB吸热；

b) 焊接温度过低或传送带速度过快，使熔融焊料的黏度过大；

c) 电磁泵波峰焊机的波峰高度太高或引脚过长，使引脚底部不能与波峰接触。因为电磁泵波峰焊机是空心波，空心波的厚度为4～5mm；

d) 助焊剂活性差；

e) 焊接元件引线直径与插装孔比例不正确，插装孔过大，大焊盘吸热量大。

对策：

a) 根据PCB、板层、元件多少、有无贴装元件等设置预热温度，预热温度在90-130℃；

b) 锡波温度为250+/-5℃，焊接时间3～5S。温度略低时，传送带速度应调慢一些。

c) 波峰高度一般控制在PCB厚度的2/3处。插装元件引脚成型要求引脚露出PCB焊接面0.8～3mm

d) 更换助焊剂；

e) 插装孔的孔径比引线直径大0.15～0.4mm（细引线取下限，粗引线取上线）。

F、其它缺陷

a) 板面脏污：主要由于助焊剂固体含量高、涂敷量过多、预热温度过高或过低，或由于传送带爪太脏、焊料锅中氧化物及锡渣过多等原因造成的；

b) PCB变形：一般发生在大尺寸PCB，由于大尺寸PCB重量大或由于元器件布置不均匀造成重量不平衡。这需要PCB设计时尽量使元器件分布均匀，在大尺寸PCB中间设计工艺边。

c) 掉片（丢片）：贴片胶质量差，或贴片胶固化温度不正确，固化温度过高或过低都会降低粘接强度，波峰焊接时经不起高温冲击和波峰剪切力的作用，使贴装元件掉在料锅中。

d) 看不到的缺陷：焊点晶粒大小、焊点内部应力、焊点内部裂纹、焊点发脆、焊点强度差等，需要X光、焊点疲劳试验等检测。这些缺陷主要与焊接材料、PCB焊盘的附着力、元器件焊端或引脚的可焊性及温度曲线等因素有关。

波峰焊锡珠产生原因及解决方法

产生原因

1）波峰焊产生的锡珠锡珠的形成原因锡珠是在线路板离开液态焊锡的时候形成的。当线路板与锡波分离时，线路板会拉出锡柱，锡柱断裂落回锡缸时，溅起的焊锡会在落在线路板上形成锡珠。因此，在设计锡波发生器和锡缸时，应注意减少锡的降落高度。小的降落高度有助于减少锡渣和溅锡现象。

2）氮气的使用会加剧锡珠的形成。氮气氛能防止焊锡表面形成氧化层，增加了锡珠形成的概率，同时，氮气也会影响焊锡的表面张力。

3）锡珠形成的第二个原因是线路板材和阻焊层内挥发物质的释气。如果线路板通孔的金属层上有裂缝的话，这些物质加热后挥发的气体就会从裂缝中逸出，在线路板的元件面形成锡珠。

4）锡珠形成的第三个原因与助焊剂有关。助焊剂会残留在元器件的下面或是线路板和搬运器（选择性焊接使用的托盘）之间。如果助焊剂没能被充分预热并在线路板接触到锡波之前烧尽，就会产生溅锡并形成锡珠。因此，应该严格遵循助焊剂供应商推荐的预热参数。

5）阻焊层锡珠是否会粘附在线路板上取决于基板材料。如果锡珠和线路板的粘附力小于锡珠的重力，锡珠就会从就会从线路板上弹开落回锡缸中。在这种情况下，线路板上的阻焊层是个非常重要的因素。比较粗燥（rough）的阻焊层会和锡珠有更小的接触面，锡珠不易粘在线路板上。在无铅焊接过程中，高温会使阻焊层更柔滑（SOFter），更易造成锡珠粘在线路板上。

行业标准

1）行业标准及规定一些行业标准对锡珠进行了阐释。分类从MIL-STD- 2000标准中的不允许有锡珠，到IPC-A-610C标准中的每平方英寸少于5个。 Ø在IPC-A-610C标准中，规定最小绝缘间隙0.13毫米，直径在此之内的锡珠被认为是合格的；而直径大于或等于0.13毫米的锡珠是不合格的，制造商必须采取纠正措施，避免这种现象的发生。

2）无铅焊接制订的最新版IPCA- 610D标准没有对锡珠现象做清楚的规定。有关每平方英寸少于5个锡珠的规定已经被删除。

3）有关汽车和军用产品的标准则不允许出现任何锡珠，所以线路板在焊接后必须被清洗，或将锡珠手工去除。影响锡珠形成的重要因素防止锡珠的产生欧洲一个研究小组的研究表明,线路板上的阻焊层是影响锡珠形成最重要的一个因素。

解决方法

在大多数情况下，选择适当的阻焊层能避免锡珠的产生。使用一些特殊设计的助焊剂能帮助避免锡珠的形成。另外，要保证使用足够多的助焊剂，这样在线路板离开波峰的时候，会有一些助焊剂残留在线路板上，形成一层非常薄的膜，以防止锡珠附着在线路板上。同时，助焊剂必须和阻焊层相兼容，助焊剂的喷涂必须采用助焊剂喷雾系统严格控制。

以下建议可以帮助您减少锡珠现象：

1、尽可能地降低焊锡温度；

2、使用更多地助焊剂可以减少锡珠，但将导致更多的助焊剂残留；

3、尽可能提高预热温度，但要遵循助焊剂预热参数，否则助焊剂的活化期太短

4、更快的传送带速度也能减少锡珠。

（一），助焊剂方面的原因分析及预防控制办法

1. 助焊剂中的水份含量较大或超标，在经过预热时未能充分挥发；

2. 助焊剂中有高沸点物质或不易挥发物，经预热时不能充分挥发；

这两种原因是助焊剂本身“质量”问题所引起的，在实际焊接工艺中，可以通过“提高预热温度或放慢走板速度等来解决”。除此之外，在选用助焊剂前应针对供商所提供样品进行实际工艺的确认，并记录试用时的标准工艺，在没有“锡珠”出现的情况下，审核供应商所提供的其他说明资料，在以后的收货及验收过程中，应核对供应商最初的说明资料。

（二），工艺方面的原因分析及预防控制办法

1. 预热温度偏低，助焊剂中溶剂部分未完全挥发；

2. 走板速度太快未达到预热效果；

3.链条（或PCB板面）倾角过小，锡液与焊接面接触时中间有气泡，气泡爆裂后产生锡珠；

4. 助焊剂涂布的量太大，多余助焊剂未能完全流走或风刀没有将多余焊剂吹下；

这四种不良原因的出现，都和标准化工艺的确定有关，在实际生产过程中，应该严格按照已经订好的作业指导文件进行各项参数的校正，对已经设定好的参数，不能随意改动，相关参数及所涉及技术层面主要有以下几点：

（1），关于预热：一般设定在90-110摄氏度，这里所讲“温度”是指预热后PCB板焊接面的实际受热温度，而不是“表显”温度；如果预热温度达不到要求，则焊后易产生锡珠。（2），关于走板速度：一般情况下，建议用户把走板速度定在1.1-1.4米/分钟，但这不是绝对值；如果要改变走板速度，通常都应以改变预热温度作配合；比如：要将走板速度加快，那么为了保证PCB焊接面的预热温度能够达到预定值，就应当把预热温度适当提高；如果预热温度不变，走板速度过快时，焊剂有可能挥发不完全，从而在焊接时产生“锡珠”。

（3），关于链条（或PCB板面）的倾角：这一倾角指的是链条（或PCB板面）与锡液平面的角度，当PCB板走过锡液平面时，应保证PCB零件面与锡液平面只有一个切点；而不能有一个较大的接触面；当没有倾角或倾角过小时，易造成锡液与焊接面接触时中间有气泡，气泡爆裂后产生“锡珠”。

（4），在波峰炉使用中，“风刀”的主要作用是吹去PCB板面多余的助焊剂，并使助焊剂在PCB零件面均匀涂布；一般情况下，风刀的倾角应在10度左右；如果“风刀”角度调整的不合理，会造成PCB表面焊剂过多，或涂布不均匀，不但在过预热区时易滴在发热管上，影响发热管的寿命，而且在浸入锡液时易造成“炸锡”现象，并因此产生“锡珠”。在实际生产中，结合自身波峰焊的实际状况，对相关材料进行选型，同时制订严格《波峰焊操作规程》，并严格按照相关规程进行生产。经过实验证明，在严格落实工艺技术的条件下，完全可以克服因为“波峰焊焊接工艺问题”产生的“锡珠”。

yin123 · 发表于 2020-2-6 19:13

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