选择性波峰焊技术选型-电子网

摘要

选择性波峰焊技术选型，选择性波峰焊技术不是一项新工艺，它已经在汽车和医疗产品行业通孔元件的应用上有30年的历史了。如今，越来越多的制造业正努力使SMD技术微型化以便降低PCB板的复杂性及平衡电路板元件密度，从而保证良好的组装工艺。说到这里，有人要问，为什么选择性波峰焊技术一直沿用至今？难道是因为元件可靠性，独特性和复杂性才不得不用此技术么？先记住这个疑问，下一个问题就讨论哪种平台*适合此产品。

本文介绍选择性波峰焊技术的评估过程。本文将低成本平台和高成本平台分别归为平台A和平台B。通过对比分析和模拟，本文目的是放大两种平台的本质差异。两种平台建立的原理相同，但不同的性能会对生产率有所影响。了解选择性波峰焊技术非常重要，能够在生产过程中，避免质量成本的花费及产量缺陷。

研究表明，在焊接工艺中，零件和其功能会影响焊接的可焊性。本文将对助焊剂喷涂，预热，锡槽和喷嘴材料间分析进行实际模拟操作，做出评估。另外，每种平台的投资成本也将考虑在内。本文旨在为选择焊接平台提供信息，同时也可为有相同工艺和应用需求的制造商提供参考。

关键词：选择性焊接，混合技术，平台，制造，指南

简介

选择性波峰焊技术不是一项新工艺，自1980年以来，在有限规模的生产中，已经使用此技术进行通孔元件的应用。客户总是要求在不损害产品质量的情况下降低产品价格，因此，对制造商来说，为特定的产品选择合适的平台是一个不小的挑战。根据我们的经验，需要考虑三个主要的因素：产量，周期时间和质量。

*好是有一个良好的周期时间，但是许多因素会影响这个周期时间，比如传送带设计，参数设置和焊接焊点的数量。*后也相当重要的是质量方面的影响。有几个方面影响着产品质量，如材料，设计，工艺参数，处理方式和设备本身引起的错误。

实验材料

I. 助焊剂，Alpha Metal SLS65

II. 焊锡条，通过无铅认证的SAC 305

III.PCB板，280×200mm×1.6mm+/-0.2mm包括焊料标签，4层铜，2层墨

IV. PCB夹具（金属）

焊接概念
本文将工艺平台概念分为如下几类：

图1 机器基本概念

图1 列出了两种平台在选择性焊接过程中简单的工艺流程。平台A进行焊接时，通过顶部预热简化其工艺，这样，平台A的占地尺寸比平台B小得多。如图1，平台B使用正常的焊接工艺，由此占地尺寸比A长的多。彻底了解此工艺过程及设备如何才能满足用户需要，是用户和设备制造商达成协同合作的关键因素。

PCBA 装载（PCB+焊料治具）

锡槽不同，PCB装载也不同。装载看似简单，却真正影响着整个工艺。图2所示，PCB装载的方向与平台A长度方向平行, 这种情况下，PCB没有发生弯曲；而PCB装载的方向与平台B宽度方向平行，这种情况下，PCB发生了弯曲。

图2 PCB装载和喷嘴方向

喷嘴方向影响PCB为双喷嘴配置的装载。图2所示喷嘴方向如何影响PCB的装载。

图3 固定

图3所示PCBA线路板装载的方向与平台B宽度方向平行，用固定装置支撑板子，防止焊接时PCB弯曲。

助焊

本文中的平台都集成可编程、**的助焊剂喷涂系统，通过自动喷涂精度控制对已选择的焊点和路线进行助焊剂喷涂。

描述	Platform A	Platform B
助焊器喷涂速度	50 dots/sec	80 dots/sec
助焊器喷涂类型	4.0--6.0 mm	3.0--8.0 mm

图4 助焊剂喷凃规格

助焊剂喷凃头将准量的助焊剂非常准确地喷涂在极小的PCB区。

图5 助焊剂喷涂

助焊剂喷涂方式是根据焊点数量和元件排列来决定的。有效的周期时间取决于焊接元件的排列方式。研究表明，平台A和平台B的助焊剂喷涂没有太大区别。（见图5）两者都在大批量生产测试中表现良好。没有遇到阻塞或错位问题。

预热

根据助焊剂所需的焊接温度和PCBA线路板密集程度选择预热工艺及其预热参数。由于内部层数越来越多，元件越来越重，规格越来越多样化，预热系统必须非常灵活。*重要的是温度曲线梯度和焊接温度阻力必须匹配元件规格。特别是那种不属于SMD分类的元件。

焊接工艺需要先预热再焊接。加热是必须的，因为:I. 助焊剂溶剂部分需在焊接开始前蒸发；否则，在焊接过程中会发生喷溅，产生锡球并导致焊接质量下降。II.在热焊组装工艺中，如果板子太凉，焊料的温度就会传到组装阶段，而不是传到焊点。通孔透锡质量会下降。III.在组装过程中使用更均匀的温度，以减少热应力。

图6. 顶部预热图7. 底部预热

研究表明，底部预热比顶部预热有更多优势，因为从底部预热很容易干燥助焊剂，并且在电路板进入焊接阶段之前，加热元件引脚部分。图7所示是底部预热实际照片。只进行顶部预热（图6）不能保证板子下方助焊剂完全干燥，而且还有可能在焊接完成后留有助焊剂残留物。助焊剂残留物只能通过刷洗方法祛除，而刷洗过程是一项额外工序，直接影响制造成本。尽管应用过程根据产品的复杂性有所不同，但仍推荐先评估助焊剂材料，为您的产品选择*佳助焊剂。

图8. 元件浮动

在某些情况下，需要覆盖零件，来防止零件倾斜或浮动，如图8，在元件顶部放些砝码，这时，就不需要顶部加热。

焊接模块

良好的锡槽能提供良好的性能，可靠并易于维护。如图9所示，两个平台都使用双喷嘴焊接模块。研究表明，良好的锡槽设计能防止零件从锡槽移除时损坏或破裂。图10所示的是设计不佳的泵浦在维护过程中被轻易损毁。

图9.焊接模块

图10.损毁的泵浦（平台A）

如图9所示，平台A和平台B在焊接过程中都使用双喷嘴。平台A是单泵单槽，但使用双喷嘴，平台B有两个锡槽和两个独立的泵浦。泵浦的配置非常重要，它可以提供所需的功率，确保熔化的焊料从喷嘴尖头中流出。

大量生产

设计不佳直接影响焊接质量。平台的设计理念也许大体相似，但在选择选择性焊接技术时，其可靠性将是巨大的挑战。

喷嘴

在这项研究中，两个平台都使用润湿性喷嘴。平台A采用纯铁，平台B采用薄涂层材料。在大规模生产测试中，平台A的喷嘴寿命约是3周，平台B是8周，22.5小时×6.5天。

图11A 所示在这项研究中使用的喷嘴尺寸和几何图形。

图11A 喷嘴类型
喷嘴热模拟

两个喷嘴都能把经度和纬度的温度扩大到290℃。图11是两个喷嘴热变形对比图。喷嘴A在经度和纬度方向变形的幅度相同，而喷嘴B纬度变形幅度非常小。喷嘴上的*大位移发生在喷嘴尖头上，喷嘴尖头先在焊接过程中有所损坏，但其变形程度并不影响焊接进程。

图11B 尖头热应力

图11C 底部热应力（平台A）

图11D 底部热应力（平台B)

两个喷嘴都固定在底部。图11C所示的是吸嘴A的压力。吸嘴A*大压力在螺纹区，其压力比喷嘴B大的多（如图11D所示）。这就能解释这种现象：在替换或维护过程中，喷嘴A很难从螺纹组件中移除，而平台B的喷嘴由于基座部分压力小，很容易移除和替换。

氮气

在选择性焊接工艺中，必须要使用氮气，还应评估操作成本。氮气直接在元件焊接区扩散以提供良好的焊点。氮气可以减少锡渣的形成，并使焊料从喷嘴中流出得更稳定顺畅。

图12 氮气供给（平台A）

图12所示的是氮气供给槽嵌在锡槽里，槽盖或扩散器一旦损坏，焊料就很容易堵塞氮气通道。

图13 氮气供给（平台B)

图13所示的是平台B的氮气供给。氮气直接从锡槽顶部出来，锡槽上覆盖着密封金属盖，这样可以隔绝氮气和空气的接触，从而有效减少锡渣的产生。

PCB设计

PCB设计规则主要与焊点周围间距范围有关。研究发现，由于PCB设计欠缺，导致元件清洗遇到困难。

图14 间距问题

图14所示的是由于焊点间距设计不佳，而不得不使用高温胶带。并且SMD元件之间距离太窄（＜1.2mm）。

图15 锡桥问题

图15所示，引脚或Pad之间的焊料形成锡桥造成短路。如果焊料固化前不能从两个或更多的引脚上分离，就会形成锡桥。为了防止锡桥生成，应当使用正确的设计方法：Pin脚间使用较短的元件引脚和较小的pad。运用强力助焊剂。如果有可能使用除锡桥工具。

生产率

产量是*能说明问题的。低成本平台在进行大规模生产中，得到的产品质量是*差的。在相同条件下，高成本平台得到的产品质量是*高的。

图16 生产率

收集一个月的产量数据。如图16所示，在同等情况下，平台B每天生产的电路板比平台A多。平台A不合格率较多且出现的问题会直接影响生产率。

影响生产率问题

研究中出现的大多数问题都来自平台A，而平台B在大规模生产测试中，总是表现良好的可焊性。

图17 喷嘴变形

如图17所示，由于热膨胀和腐蚀的影响，导致喷嘴变形，继而导致锡流失衡，影响其焊接性能。

图18 正时皮带磨损

如图18所示，使用平台A几个月后，正时皮带磨损情况。我们脑海里首先想到的是设计问题“设计的同步带也许不适合在高温条件下应用”。研究发现，我们的想法是对的，此正时皮带的确不适合在高温条件下使用。但我们马上又会想到它的泵机组设计细节：泵浦组的冷却系统可以维持低温，这样正时皮带就可以承受小于75℃的温度，但这只在少数情况下。当机器停工时，泵浦和正时皮带都会暴露在接近200℃的高温下，因为一旦没有电源，就马上没有空气。

图19 丝杠缺陷

如图19所示，丝杠缺陷只出现在平台A。在大规模生产测试中，平台A在焊接过程中出现不一致性，且产量下降。对此，无法推荐更好的方法，只能换一个新的丝杠然后重新校准。

图20 氮气保护盖损坏

图20所示的是由于氮气保护盖损坏，焊料堵塞氮气系统，焊料被氧化。

影响质量问题

选择性波峰焊工艺参数至关重要。无论平台成本高还是低，都会有缺陷和问题产生。关键的区别在于焊接的稳定性和一致性。

图21 焊料不足

如图21所示，由于喷嘴磨损导致焊料不足。喷嘴磨损造成其**焊接半月板不平衡，而半月板在焊接过程中至关重要。为了避免此问题，应当进行适当的维护，并使用性能良好的助焊剂。

图22 透锡性不足

如图22所示, 当焊料不能到达电镀通孔顶部，并覆盖板子顶部的pad，透锡性就会不足。通过提高焊料温度，使用活性较强的助焊剂或检查喷嘴状况可以避免此问题。

图23 LCD褪色

如图23所示，当LCD元件暴露在高于100℃预热温度的条件下，LCD就会褪色。使用底部预热或在LCD顶部覆盖夹具以避免其暴露于高温，可以避免此问题。

图24 锡球

如图24所示，锡球是在元件周围形成的微小球体。在无铅焊接中，由于焊接温度升高，阻焊层上的锡球也会增加。通过改变阻焊层，优化焊接温度，使用合适的助焊剂可以避免此问题。

环境对产品可靠性的影响

合格测试的目的是验证两个平台上终端产品的可靠性。JEDEC作为热循环测试的标准（JESD22-A104-B）。图25是热循环标准，图26是热循环条件。

图25：热循环标准

图26：热循环条件

两种平台的环境试验结果如下所示

1.热循环后，焊点表面无明显变化

2.平台A和平台B上薄板透锡性无明显区别

3.两个平台都通过热循环试验

透锡性

使用X-射线检查透锡性。检查选定的通孔，如图28和29所示，图29所示的是一个插头连接器。由于测试载体采用的是薄板，因此，两个平台都能穿

透焊点上的焊料。测试结果用0和1表示。0表示焊点透锡率在75％以下，1表示焊点透锡率在75％以上。

图27 X射线概率图

图27所示是测试板取样数据。如图所示，在焊接过程中，平台A不能像平台B那样始终保持良好的透锡性。

图28 平台A上焊料的X-射线

图29 平台A上焊料的X-射线

如图28所示，Pin脚1透锡性＜75％，其余＞75％。而图29所示的全部Pin脚透锡性都符合标准。

截面分析

截面显示两个平台焊料透锡性都表现良好。如图30和31所示，虽然有空洞，但都没超过3-4微米，这样的空洞都可接受。空洞是焊点上的孔，会降低互连路径的电导率和热导率，造成传热失败。通过提高电路板质量，清洁元件表面，预热电路板，增加预热时间或使用氮气来避免此问题。

总结

在为产品或应用选择合适的平台时，务必要考虑平台的设计和使用的材料。平台的设计决定了平台根据产品需要能达到的*佳参数。焊接在两个平台上的样品都表现出了可靠性，这表明，两个平台可焊性都是良好的。大规模生产测试数据表明，平台B的产量*多，因为与平台A相比，平台B的焊接性能更持续更稳定，而平台A在评估过程中经常出现停工现象。

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