焊接技术的发展
在现代电子焊接技术的发展历程中,经历了两次历史性的变革:第一次是从通孔焊接技术向表面贴装焊接技术的转变;第二次便是我们正在经历的从有铅焊接技术向无铅焊接技术的转变。焊接技术的演变直接带来了两个结果:一是线路板上所需焊接的通孔元器件越来越少;二是通孔元器件(尤其是大热容量或细间距元器件)的焊接难度越来越大,特别是对无铅和高可靠性要求的产品。再来看看全球电子组装行业目前所面临的新挑战:全球竞争迫使生产厂商必须在更短时间里将产品推向市场,以满足客户不断变化的要求;产品需求的季节性变化,要求灵活的生产制造理念;全球竞争迫使生产厂商在提升品质的前提下降低运行成本;无铅生产已是大势所趋。上述挑战都自然地反映在生产方式和设备的选择上,这也是为什么选择性波峰焊(以下简称选择焊)在近年来比其他焊接方式发展得都要快的主要原因;当然,无铅时代的到来也是推动其发展的另一个重要因素。
通孔元器件的焊接主要采用手工焊、波峰焊和选择焊等几种焊接技术,它们的特点各不相同,下面我们进行一下简单的介绍: 手工焊接
手工焊接由于具有历史悠久、成本低、灵活性高等优势,至今仍被广泛采用。但是,在可靠性要求高、焊接难度大的一些应用中,由于下述原因受到相当的制约:
1、烙铁头的温度难以精确控制,这是一个最根本的问题。如果烙铁头温度过低,容易造成焊接温度低于工艺窗口的下限而形成冷焊或虚焊;同时,由于烙铁的热回复性毕竟有限,非常容易导致金属化通孔内透锡不良。烙铁头温度过高,容易使焊接温度高于工艺窗口上限而形成过厚的金属间化合物层,从而导致焊点变脆、强度下降,并可能导致焊盘脱落使线路板报废;
2、焊点质量的好坏往往受到操作者的知识、技能和情绪的影响,很难进行控制;
3、劳动力较机器设备的成本优势正在逐渐丧失。
虽然有上述的局限性但在实际的生产过程中由于种种的原因,手工焊接还是必不可少的。 波峰焊
普通波峰焊的焊接方式:熔化的焊料(铅锡合金),经电动泵形成单波(λ波)或双波(扰流波和λ波),插件在预热之后,整个插件板经过单波(λ波)或双波(扰流波和λ波),以达到焊接目的。
波峰焊的焊接流程:插件通过传送带进入波峰焊机以后,助焊剂通过喷雾的形式(或其他形式)涂敷到整个插件上(助焊剂主要是为了达到去除氧化物与降低被焊接材质表面张力),经过喷涂助焊剂后的插件到达预热区(预热区主要有三个目的:①使助焊剂达到并保持一个活化温度来保证焊点的完全浸润,②蒸发掉所有可能吸收的潮气或稀释助焊剂的载体溶剂,如果这些东西不
被去除的话,它们会在过波峰时沸腾并造成焊锡溅射,或者产生蒸汽留在焊锡里面形成中空的焊点。③减小插件进入焊接波峰时产生的热冲击。)经过预热后板子到达焊接区,焊接区的温度通常设定在240度到250度之间,每个焊接的焊接时间大概也就在1-2秒就完成焊接了。当线路板进入波峰时,焊锡流动的方向和板子的行进方向相反,可在元件引脚周围产生涡流。这就像是一种洗刷,将上面所有助焊剂和氧化膜的残余物去除,在焊点到达浸润温度时形成一个良好的焊点。
波峰焊设备发明至今已有50多年的历史了,在通孔元器件电路板的制造中具有生产效率高和产量大等优点,因此曾经是电子产品自动化大批量生产中最主要的焊接设备。但是,在其应用中也存在有一定的局限性:
1、无法满足同一块线路板上各种元件焊接参数。
同一块线路板上的不同焊点因其特性不同(如热容量、引脚间距、透锡要求等),其所需的焊接参数可能大相径庭。但是,波峰焊的特点是使整块线路板上的所有焊点在同一设定参数下完成焊接,因而不同焊点间需要彼此“将就”,这使得波峰焊较难完全满足高品质线路板的焊接要求; 2、在实际应用中比较容易出现问题。
为了满足某种元件或某个部分的焊接参数会调整各种参数,入调升温度、调整焊接速度、助焊剂的量等,如果调升温度时热
冲击就会过大,这样容易造成整块线路板变形,从而使线路板顶部的元器件焊点开路 ;而双面插装的电路板生产工艺流程比较复杂,插件上焊好的表贴器件可能在经过波峰焊的时候出现二次熔化形成漏焊;焊好的热敏器件容易因温度过高而损坏;在生产过程中使用到很多的工装夹具和阻焊用品。为防止上述情况的发生而使用的工装夹具容易形成焊接阴影进而造成冷焊 。 3、运行成本较高。
在波峰焊的实际应用中,助焊剂的全板喷涂和锡渣的产生都带来了较高的运行成本;尤其是无铅焊接时,因为无铅焊料的价格是有铅焊料的3倍以上,锡渣产生所带来的运行成本增加是很惊人的。此外,无铅焊料不断熔解焊盘上的铜,时间一长便会使锡缸中的焊料成分发生变化,这需要定期添加纯锡和昂贵的银来加以解决;
4、维护与保养麻烦。
生产中残余的助焊剂会留在波峰焊的传送系统中,而且产生的锡渣需要定期清除,这些都给使用者带来较为繁复的设备维护与保养工作;
5、线路板设计不良给生产带来一定的困难。
有些线路板在焊接时,由于设计者没有考虑到生产实际情况,无论我们设定什么样的波峰焊参数和采用各种夹具,焊接效果总是难以让人完全满意(例如,某些关键部位总是存在透锡不良或
桥连等缺陷)。波峰焊后不得不进行补焊,从而降低了产品的长期可靠性。 选择性波峰焊
选择性波峰焊的焊接方式:熔化的焊料(铅锡合金),经过电磁泵形成焊锡柱,插件在经过预热后,通过焊锡柱移动到每个需要焊接元件的下部进行单点或线的焊接。
选择性波峰焊的焊接流程:插件通过传送带进入波峰焊机以后,助焊剂通过氮气压力喷射出一条细线的形式涂敷到需要焊接的元件引脚和焊盘上,在喷涂过程中对于元件引脚比较密集的区域我们可以选择喷涂一条线,来增加工作效率。对于不密集的区域来讲我们可以喷涂单个的点,这样可以节约助焊剂;经过喷涂助焊剂后的插件到达预热区,选择性波峰焊采用的是短波预热的形式,通常预热温度在110度左右,预热30秒左右,这是PCB的板子上的温度并没有达到110度,但如果板材太厚或者接地铜皮太大的话要酌情增加预热温度和时间;经过预热后板子到达焊接区,由电磁泵形成的锡柱在插件下方根据程序设定的位置,移动到每个需要焊接的位置通过点或线的方式将焊点上所有助焊剂和氧化膜的残余物去除,并形成良好的焊点。
由于使用选择焊进行焊接时,每一个焊点的焊接参数都可以“度身定制”,我们不必再“将就”。工程师有足够的工艺调整空间把每个焊点的焊接参数(助焊剂的喷涂量、焊接时间、焊接