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制造中的最佳实践: 波峰焊
录入时间:2019/6/25 14:24:20

多年来,电子组装的最佳实践不断变化,而且它将随着制造环境的改变、公司的需要和面临的挑战继续变化,适合某一家公司的东西,对另一家公司来说可能未必是最好的。有时候,相对于表面贴装,波峰焊是个经常被忽视的领域,如果管理不当,往往会带来相当多的缺陷和返工。

以下的建议来自经验和最佳实践,并不是不可变更的规则,而是指导方针——你要根据自己实际情况来决定哪些最佳实践对你的公司最有效。

本文重点关注的是常见的波峰焊缺陷和最佳实践,解决、预测和主动预防这些问题再次发生。讨论诸如元件选择/注意事项、设计、工具和工艺这些引起缺陷的因素。

到目前为止,最常见的波峰焊缺陷是桥接短路,这是导体之间最不希望出现的焊接缺陷。造成这种缺陷的因素包括元件、设计、工具和工艺。

焊锡桥接短路

元件的注意事项

 引线长度:在设计中要注意元件引线长度的规格和对应的PCB厚度,使引线在波峰焊工艺中能够插入焊锡的两个突出点。要保证引线长度既不能太短(这会导致焊锡无法到达引脚,不能形成焊锡连接),也不能太长(这会使焊锡两个相邻引脚形成网格状通路),可能在组件中产生桥接短路。

在指定元件引线的长度时,最好的做法是保证引线的长度足够长,可以提供正确的芯吸所需要的热量传输,提供充足的焊锡填充,而不会超出IPA-A-610规定的最大突出点。好的做法是,引线长度不长于两个相邻环形圈之间的距离。只要做到这一点,表面张力把焊锡吸引到最近的有铜区域时,引线和引脚之间出现焊锡网格的概率会明显降低。引线太长时,建议在元件准备时修剪引线,使引线长度达到所需要的长度。

另一个需要注意的是与元件自身有关的问题,可能包括PCB污染、元件污染、氧化或阻焊膜等问题。


 

图1:表面贴装元件的底部高度可能需要更厚的托盘,进一步影响焊锡流入和流出通孔。

 设计的注意事项

 元件的方向:特别是与管脚数量比较多的连接器有关,至少有两行或更多的管脚,连接器的方向和焊锡波平行,这可能会引起相当多的桥接短路。

最佳实践是确保管脚数量比较多的连接器的方向和焊锡波方向垂直,使连接器管脚末端尽可能少地暴露在焊锡波下,这个位置是最可能出现桥接短路的地方。这种情况在微间距元件上特别容易出现。在不能改变元件方向的情况下,其他的方法,例如移走焊锡(把实际上不起任何作用的焊盘或铜焊盘放在管脚末端边缘,把焊锡从最后的引线上拉走,防止桥接短路),可以把这种方法设计到电路板上或者选择波峰焊的托盘上,最大限度减少桥接短路。

工具的注意事项

 一些关于选择焊接托盘设计的最佳实践包括在选择PCB在波峰焊托盘中的正确方向。建议焊锡波方向和电路板方向的角度在15-30度之间,确保少数几个管脚最终作为拖尾管脚,这可以减少桥接短路。引脚数量比较多的连接器设计成和焊锡波方向平行,这个方法特别有效。

波峰焊托盘底部的焊锡波开口和焊锡流动的通道要足够大,提供充足的焊锡流和足够的助焊剂,防止焊锡在池化或在淤积的区域产生桥接。一般说来,从环形孔的外缘到表面贴装焊盘的最小间隙的限制决定了开口的大小。建议按0.100英寸这个距离设计合适的开口尺寸。

表面贴装元件底面的高度可能需要更厚的托盘,这会进一步影响焊锡进入和离开通孔(pocket)的能力。长宽比与焊锡开口的长度/宽度和需要垂直流入到达PCB底部的焊锡流动距离有关。含铅焊锡的最小长宽比为1:1,而无铅焊锡的长宽比要增加到1:3。这就是说,如果长度/宽度是0.150英寸,那么含铅焊锡流动的最大垂直尺寸是0.150英寸。违反这个长宽比会影响焊锡的正常流动,增加出现和焊锡波有关的缺陷的机会。

另外,当波峰焊托盘上的电路板的方向和焊锡波方向的角度选择15度时,有助于把桥接减少到只会出现在几个管脚上。通常情况下,由上述几种技术组合起来的混合方案是最佳方案。

 

图2:在焊接中,电镀通孔直接连接到起散热作用的大面积铜平面上。最佳实践能够向这些区域提供热风焊盘,在焊接中保证适合的焊锡流。

工艺的注意事项

 选择正确的助焊剂和合适的温度曲线对形成焊锡桥接的影响相当大,根据热质量和加热温度曲线选择合适的助焊剂可能会对整体成品率产生重大影响。

一般地说,固体含量比较大的助焊剂能在比较高的温度下表现得更好,而水基助焊剂在比较高的温度下的表现不佳,比较适合温度曲线比较低的电路板。要保证你的电路板的预热温度和高温驻留时间符合你的助焊剂的要求,这将决定焊接结果的好坏。在进入波峰焊之前就烧掉助焊剂可能会导致桥接。

元件浮起

 另一个常见的缺陷是波峰焊后的元件浮起,这种情况主要出现在比较小的元件上,例如轴向元件或径向元件,但在连接器和其他元件上也经常出现——这些元件在接触焊锡波的过程中会浮起,并焊接在它们所放置的位置上。解决这个问题最常见的方法是通过元件引线预成形和/或固定托盘。

 元件的注意事项

 确保预先正确地准备好像轴向元件和径向元件这类元件,基本上可以避免出现元件浮起情况。引线成形或把几条引线钳紧,用机械的方法将元件固定在它的位置上,是目前最常见的做法。和常见的桥接一样,引线太长也会造成浮起加大,它会成为一个杠杆,把元件推离它原来的位置。

 工具的注意事项

 其他元件,例如连接器,不容易保持在它的正确位置上,需要其他的固定措施,包括用胶水或者很长的夹具,作为选择焊的一部分。

在考虑使用很长的夹具来固定元件时,需要在温度曲线中考虑这些夹具带来的额外的热质量,有可能需要使用另一种助焊剂以得到更好的焊接性能。

 

图3:可以用助焊剂测量器来保证助焊剂总量适量而且渗透性达到最佳效果。

 工艺的注意事项

 焊锡波高和lambda与层流的使用也会导致更多的元件浮起。要保持焊锡波的高度不超过PCB厚度的50%,这里的厚度指的是相对于托盘的厚度,并且要尽量减少使用湍流。

其他考虑的因素包括传送带的震动、角度,等等。

Insufficient Solder

焊锡不足

 另一种最常见的波峰焊缺陷是焊锡不足,这种缺陷可以分为两类,一类是焊锡没有完全填充通孔,另一类是通孔周围没有被完全润湿。

和这些缺陷有关的因素,通常都和焊锡、电路板或元件受到污染有关,达到半润湿或不润湿润的状态。针对这个审核的目的,我们假定元件在处理之前的状态是好的。防止产生这些类型缺陷的最佳实践包括成熟的与焊锡浸渍测试结合的进料检查工艺,按照IPC-TM-650的要求检查受到污染或发生氧化的可疑元件。

 

图4:Vexos公司的生产线。

设计的注意事项

 常见的设计注意事项是把电镀通孔和大的铜平面直接相连,铜平面在波峰焊中起到散热片的作用。为了解决这个问题,最佳实践要求在这些区域提供散热片,这样在焊接过程中可以让适当的热量流出。隔热条提供热隔离,可以显著提高得到好焊点的概率。

要考虑的其他因素包括:元件引线直径与电镀通孔直径的比例失配。和引线相比,电镀通孔不是太大就是太小,一样会造成焊锡不足的结果。推荐的电镀通孔比例通常是0.6,比元件引线的大一些,将得到好的结果。

 工艺的注意事项

 总的说来,这归结于热传递不够快或助焊剂不够多,因为两者对焊锡填充都有显著的影响。由于温度曲线造成过热致使助焊剂渗透不足,是出现这种情况最根本的原因。

Fluxometer这样的产品,使用酸性纸和专门设计的电镀通孔间隔均匀的PCB,可以确保使用的助焊剂数量和渗透适当,达到最佳效果。

定期检查或者按月检查,包括Levchecks或Wave riders,可以提供焊锡波的均匀度、温度曲线和波峰焊炉整体性能,建议用这种检查来保证与设备相关的工艺漂移不会带来缺陷。

焊锡空洞

 当焊点中有小孔穿过焊锡连接的表面时,会出现焊锡空洞或向外排气(气孔和针孔)。这种小孔通常是由于焊接过程中留在焊点中的湿气向外排气造成的。

工艺的注意事项

 和元件一样,PCB也对水分敏感,不过,它们通常没有像处理潮湿敏感元件的方法来处理。一般来说,所有PCB的潮湿敏感度等级都可以认为是3级(MSL 3),可以按照管理其他潮湿敏感器件的方法来管理。

最好的做法是确保PCB密封,只有在要用的时候才打开。在检查暴露时间时,需要考虑在两次热循环操作之间持续暴露时间,例如表面安装回流操作和波峰焊操作。如果在电路板上一次热循环操作后的72小时内不能够进行焊接,就应当按照J-STD-033的规定,通过烘烤电路板把过多的水分蒸发掉,或者把它放在相对湿度保持在5%以下的干燥柜中,最大限度减少长时间暴露引起的风险。

焊锡球

焊锡球缺陷和焊锡溅落缺陷通常是在波峰焊后有很小的焊锡球粘附在层压板、阻焊膜或导体上。这种缺陷通常有三类:随机的、非随机的和防溅挡板造成的,这些缺陷一般都和工艺有关。

工艺的注意事项

 对于随机焊锡球,这是最容易处理的缺陷,通常是在焊锡波到达之前,助焊剂过多而且锡波高度不一致造成的结果。当电路板接触焊锡波进行焊接时,如果你听到“嘶嘶”声,这是个好的迹象,说明预热温度太低或是助焊剂涂得太多,也可能是焊锡波的温度设得太高。

非随机的焊锡球在同一个位置或有拖尾的管脚中出现,往往是因为助焊剂不足或预热温度过高造成的。

防溅挡板造成焊锡球的最常见原因是焊锡波的高度过高,或者焊锡波中湍流过大。如果设计得当,大约95%的波峰焊应用可以只用层流焊接,建议只用这种方法来避免这种缺陷。

最佳实践是利用像Fluxometer和WaveRIDER等工具来检查平行度和正确优化助焊剂尽可能减少出现这种缺陷。

工具的注意事项

 在波峰焊托盘上滞留焊锡的区域也可能会形成焊锡球。检查托盘设计中的焊锡流,保证在焊接过程中焊锡流有足够的通道或者有可以排气的通风孔,可以最大限度地减少出现焊锡球和焊锡飞溅。

焊锡尖刺、标记和焊锡过多

 PCB通过焊接工艺时,不管是收集过多的焊锡,还是焊点上出现不好的焊锡凸起,就会发生焊锡尖刺和焊锡过多的标记(警报)。造成这种现象最常见的原因是工艺。

工艺的注意事项

 到目前为止,出现这些问题的最常见原因是波峰焊的焊锡罐温度太低,或者焊锡在焊锡罐中的停留时间不够。要形成合适的焊点,最佳实践建议的停留时间是3到5秒。像Ovenrider这样的回流焊测试工具可以指示焊锡罐的温度漂移。一个经常提的建议是,定期测量焊锡罐的温度来确保焊锡的温度适当。波峰焊接机上的焊锡罐温度读数并不总是转换为实际温度的读数,必须监控焊锡罐的实际温度。

最佳实践通过体系化的设计评审和实现围绕关键的波峰焊参数,例如焊锡罐温度、预热、高温停留时间、平行性和助焊剂优化进行工艺控制,通过应用最佳实践预防缺陷是最好的做法。

DFM或DFA这类活动,采用各种设计规则来保证在设计周期中尽早地识别出PCB的设计要求、温度要求、制造兼容性和有关的各种因素,在设计过程中可以用很小的成本进行设计变更,这样可以节约大量的时间。

早期的设计决策可能会影响产品在整个生命周期中的长期生存能力和成本,因此,尽早与战略制造伙伴展开合作,针对设计的各个方面提供相关的设计反馈,这是非常重要的。SMT007

 

作者简介:Brian MorrisonVexos公司工程副总裁,直接负责工艺、测试和开发,他关注的重点是带来新客户和引进新产品。Brian帮助Vexos公司制定技术路线图、系统和工艺、价值工程学、环境管理与制造计算,推动低成本、灵活的解决方案和制造创新。


 

 

 


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