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        波峰焊接工藝設計,暨波峰焊接工藝和設備介紹(二)

          1.1 夾送速度

          圖 1-7 PCB通過焊料波峰示意圖

          焊接時間往往可以用夾送速度反映出來,被焊表面浸入和退出熔化焊料波峰的速度,對潤濕質量,焊料層的均勻性和厚度影響很大。每一對基體金屬和助焊劑都有自己特有的理想浸入速度,該速度是助焊劑活性和基體金屬傳熱能力的函數。對于導熱性較好的材料來說,在采用活性松香助焊劑時可采用較高的浸入速度,而沉積于工作表面釬料的均勻性和厚度,在很大程度上取決于工件從熔化焊料波峰中退出時的速度及退出速度的均勻性,標準做法是取退出速度相等。在退出過程中,振動將使釬料表面產生波紋狀,抖動將使焊點表面呈粗糙狀。

          剖析PCB板在焊料波峰中的波峰焊接過程可以劃分為三個作用區(以下簡稱波區)如圖1-7所示:

          (1) 圖中A點是進入波峰的點,因PCB與焊料運動方向相反,所以該點的速度差最大。因此,在該點處湍流的沖洗作用最大,這有利于從基體金屬表面除掉預熱后的助焊劑-銹膜殘渣混合物,以使融熔焊料與基體金屬直接接觸。當達到潤濕溫度時,立即產生潤濕現象。

          (2) 圖中的A-B段是熱交換區,印制板通過釬料波區時在波峰中的時間必須足夠長,以使在潤濕溫度下的表面能量能夠把溶化的釬料吸附到印制板的表面上,從而形成填充良好的焊縫,另外在接合界面上形成所需要的合金層也需要時間。

          (3) 圖中B點是從焊料波峰中退出的點,在該點上,以潤濕形式表現出來的表面能量,將使焊料保留在焊縫中,而重力(焊料的質量)將勢必把焊料向下拉,這些作用力之間的平衡點必須選擇在位于焊料波峰速度零點附近脫離。

          PCB在焊料波峰中的浸漬寬度取決于焊料波峰的闊度,當焊料槽中焊料的溫度控制在250℃時。

          

          井上喜久雄還給出了波峰闊度,夾送速度和浸漬時間(印制板浸入焊料波峰的時間)的關系曲線,如圖1-8所示。

          設備系統應確保夾送速度能在0.5~2.0m/min范圍內無級變速,而波峰焊接中最適宜夾送速度的確定,要根據具體的生產效率、PCB基板的元器件的熱容量、浸漬時間及預熱溫度等綜合因素,通過工藝試驗確定,根據大量工業運行中的數據統計,應用中為獲得較好的波峰焊接效果,通常一個焊點在波峰釬料中浸漬的時間應控制在2~4秒之間(我國電子行業標準SJ/t10534-94規定為3~4秒)。超過4秒時橋連和熱沖擊變大,易過熱而損害元器件和PCB基板。低于2秒則因熱量不足,將導致焊接性能變劣并成為虛焊、拉尖、橋連等焊接缺陷的原因。因此,圖1-8中2秒線和4秒線之間所夾的區間,才是夾送速度適當的選用范圍。例如:針對某機型釬料波峰的熱交換區的寬度為50mm,浸漬時間若3秒,則可求得夾送速度應為1m/min,浸漬時間若取2秒,則夾送速度將提高到1.5m/min。

          工業應用中夾送速度通常要由生產效率來確定。例如:根據日產量需要,確定了夾送速度為1.5m/min,為確保良好的焊接效果取浸漬時間為3秒。因此,波峰焊接設備中釬料波峰必須能提供闊度為75mm的熱交換區才行。

          不同的波峰焊機能提供的熱交換區的寬度也是不同的,要獲得所用機型的交換區長度的具體尺寸,通常采用帶刻度的石英玻璃平板,模擬PCB夾送時浸入波峰的深度(通常稱壓錫深度)在波峰上實際測得。

          日本深山先生針對傳送速度及焊料槽溫度與焊接缺陷的關系的試驗分析情況,匯總示于表1-4中。

          

          1.2. 夾送傾角

          從圖1-7的分析中可知,當夾送傾角較大,PCB板對焊料波峰的進入點(A)向前下方移,PCB板在焊料流體的高速點開始受力并與波峰釬料接觸,由于速度差的增大。在切入點的湍流和擦洗作用更加明顯。這對進一步減少釬料薄層的大小、拉尖和橋連等均大有好處。Clogdef .Coombs指出焊料的靡擦特性約為30,因此把夾送裝置傾斜40~90,有助于焊料更快地剝離使之返回波峰,目前公認的比較佳的傾角范圍為60~80。

          1.3 波峰高度

          波峰焊接中,波峰高度的選擇對波峰焊接效果也有一定的影響,波峰偏高時,表明泵內液態焊料的流速增大,雷諾數增大將使液態流體流速可能進湍流(紊流)狀態,導致波峰不易穩定,釬料氧化明顯加劇,基至溢流到PCB的上表面(元器件面)造成被焊件損壞,從焊點的潤濕理論來分析,過高的波峰還可能會掩蓋一些局部潤濕不良所形成的焊接缺陷。我們知道良好的潤濕和焊縫的填充性,取決于焊料的表面能和焊縫的毛細吸附現象來完成接合部的冶金過程,無論是金屬化的穿孔焊盤或者是表面貼裝的焊縫均必須是這樣的。波峰過高時,焊料波峰中液壓過高。潤濕過程外力作用過大,干擾了正常的冶金過程。例如。當接合部存在著某些潤濕不良現象時,此時焊縫的填充可能純粹是靠外部壓力將焊料壓入的,這種焊縫從表面上看雖然也被焊料填充覆蓋了,然而接合部可能未發生冶金過程,僅僅是一種機械粘附而已,這是一種典型的虛焊現象。

          波峰偏低時,泵內液態焊料液體流速低并為層液態,因而波峰跳動小、平穩,但對PCB板的壓力也小了,上于焊縫的填充。

          日本井上 喜久雄針對FSO-300波峰焊接機給出了波峰高度、波峰焊料流速以及波峰焊料壓力之間的函數關系,如圖1-9所示。例如,當波峰高度為4.78mmHg,焊料流速為266mm/sec,而當波峰高度為8mm時,噴流壓力下降為3.4mmHg,焊料流速為190mm/sec。

          一般波峰焊接機波峰高度可在0~10mm之間調節,最適宜焊接的波峰高度范圍為6~8mm,我國電子行業標準SJ/T 10534-94規定“最佳波峰高度宜控制在7~8mm”。

          

          1.4. 壓波深度

          壓波深度通常也稱為壓錫深度,它是指PCB板經過波峰時浸入波峰的深度,如圖1-10所示,浸入深度過大不僅波峰釬料易溢到PCB的上表面造成事故,而且還易產生橋連現象。浸入深度太淺,易發生局部漏焊現象,在工業應用中,PCB經過波峰時壓波深度通常取PCB板厚的1/2~3/4之間。

          

          2.0 波峰焊焊料的污染及其控制

          2.1.污染的來源

          波峰焊接所使用的焊料規定要使用錫鉛共晶合金(Sn63/Pb37)。焊料槽中的雜質主要是從浸入焊料槽中的被焊零部件引線及PCB焊盤上溶入的,在印制板波峰焊接中,這意味著只有有限的幾種元素(銅、銀和金)能夠溶于釬料槽的焊料中。

          2.2. 污染的危害

          金屬雜質對波峰焊接效果影響極大,雜質超標時對焊點性能的主要影響如下:

          銅:銅與錫可生成Cu3Sn、Cu6Sn5兩種金屬間化合物,使液態焊料呈砂性且流動性變差,焊點變黑。

          銀:銀與錫可生成AgSn、Ag3Sn兩種金屬間化合物,使焊料呈砂性被焊表面且出現疙瘩,焊點失去自然光澤,并出現白色顆粒狀物。

          金:金與鉛可生成Au2Pb、AuPb2金屬間化合物,而與錫生成Au6Sn、AuSn、Au6Sn3和AuSn4等金屬間化合物。很快使浮點變脆,并形成暗色的顆粒狀輪廓線。

          金和銅起復合作用會很快破壞整個焊料槽中的焊料性能。

          對軟焊料合金有害的污染物還有、鋁、鎂、錫和鋅等,特別是鋅,它是一種最有害的污染物,即使含量少到0.005%也會引起砂礫狀、缺少附著力,甚至使焊點完全破壞,導致整槽釬料的報廢。

          我國電子行業標準SL/T10534-94規定波峰焊焊料槽中焊料雜質金屬的最高容限如表1-5所示。

          

          2.3 防污染的對策

          (1) 焊料槽中的焊料合金純度對焊點質量和一致性影響極大。因此,為了獲得好的質量和經濟性,第一次向釬料槽中加注釬料時應選用純度最高的釬料。美國工業部門根據多年的生產經驗和工業生產中遇到的特殊問題,針對波峰焊接焊料的污染水平規定了一個粗略的指導原則,如表1-6所示:

          

          (1) 盡可能縮短焊接時間或降低焊接溫度;

          (2) 遮蔽不要求焊接的金屬表面(如使用阻焊膜);

          (3) 用高純度的焊料補充焊料槽中焊料的耗費;

           (4)禁用焊料的邊角余數和滴落焊料(Drip Pings)重新加入焊料槽內(因從工件上滴落下的焊料中金屬雜質含量高);

          (5) 若已證明焊料污染是產生質量問題的主要原因時,必須整槽釬料完全更新,在更新過程中應用軟毛刷槽清除粘于焊料槽壁上的任何非金屬浮渣和原有的焊料,且不得用硬金屬絲制成的刷子,以避免新的污染;

          (6) 銅錫化合物凝固溫度比軟焊料的熔點約高5℃~10℃,可把溫度降到銅錫合金凝固點,再用特制的工具把銅錫結晶生成物舀出加以清除,此法雖不能把全部的雜質銅除掉,但作為一種權宜之計也是可以利用的。銀也可采用上述清除雜質銅的方法將它清除掉。

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