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选择性波峰焊缺陷及预防
材料来源:精益诺自动化微信           录入时间:2016/8/1 13:39:44

(本文摘自“精益诺自动化公众微信号”)选择性波峰焊缺陷及预防,当前影响焊接工艺的主要问题在于有铅向无铅焊接转换和微型化趋势。微型焊接指的是一个印刷电路板上有更多的SMD元件。加工焊点的焊接技术包括更多的回流应用。组装的通孔元件应当被自动焊接才能保证最佳质量。元件和电子板的连接方式取决于焊点的数量,但对大多数产品来说,选择性焊接是替代托盘方式波峰焊焊接或手动焊接的最佳方式。

焊接技术如今已相当纯熟,但仍具有典型缺陷。只能本地提供的无铅焊料熔点高,需要较高的操作温度,这就增加了某些特定缺陷发生的风险,包括以下各项:

 ·  焊点剥离
        ·  拖尾
        ·  锡桥
        ·  锡球                                        
        ·  铜垫溶解

高温给助焊剂带来不小的挑战。助焊剂太少可能造成虚焊等焊接缺陷,太多又会因残余的助焊剂导致电子迁移。本篇论文将讨论这些典型的缺陷,并介绍如何优化工艺参数来预防缺陷。

焊点剥离
     Pad剥离、焊点剥离和焊点撕裂是由于PCB的基材如环氧树脂/玻璃FR-4层压材料和PCB上铜孔铜线之间的热膨胀系数有差异造成。在接触焊料过程中,电路板Z方向上的热膨胀会相对比较大。这种膨胀导致pad变成圆锥形。这是因为环氧树脂的热膨胀系数比铜通孔和线大得多。即使焊点已通过选择焊波峰或浸入到喷嘴的焊料里,电路板仍继续膨胀,因为大部分的固化热量已传到相邻的板材。

    电路板离开焊料后,焊料装置到连接件上的热迁移停止,连接件冷却到室温。在此阶段,固化热量扩散到焊点区(参见图1),促使焊点上以及附近所有零件温度增加。当所有的固化能量完全释放,焊点温度渐渐降到室温。接着焊点开始固化,电路板冷却,并恢复其原有的平面形状。这一运动过程给焊点表面带来相当大的压力,而焊点在此阶段仍不牢固。因此,这种压力可能会导致焊垫浮离。另外,如果焊垫和电路板之间的粘附性比焊料与电子板的粘附性强,就会导致焊料表面破裂,这称为焊脚撕裂。

焊点剥离在IPC-A-610D5.2.10中有具体描述。可接受焊料底部从电镀通孔连接件主面(焊接面)顶部的脱离。总的来说,很难消除这些缺陷。但可以通过选择更小的Z轴膨胀系数这样合适的电路板材料,缩小电镀通孔辅面的焊垫尺寸或者在焊垫上印刷阻焊剂来改善。

图1:在此阶段,固化热量扩散到焊点区(参见图1),促使焊点上以及附近所有零件温度增加。

拖尾
    下一个缺陷问题主要讨论通过减少拖尾来优化多峰焊工艺。架线指的是仅在喷嘴区外的焊料残留物,它的轮廓与喷嘴边缘有关。这些残留物一般是由于焊料熔塌造成的。这些架线包含不同形状的焊料微粒,比如不同尺寸的氧化焊料薄网和锡球,但这些微粒大多是非常小的。使用适量的助焊剂将喷嘴区域完全覆盖可以清除多峰喷嘴旁的拖尾。在无助焊剂的情况下,焊料上的阻焊剂也会造成拖尾。

图2:参数对拖尾的影响。只有焊接温度(越低越好)和助焊剂量(越多越好)对拖尾有明显的影响。

      进行大规模的Taguchi实验(L16对照9组不同的参数)找出影响拖尾的参数。实验表明,只有焊料温度和助焊剂量这两种参数对拖尾有显著影响。因此当出现拖尾情况,应该尝试调节助焊剂用量。此外,在喷嘴外缘涂抹更多的助焊剂有助于降低焊料温度。使用SnPB,焊料温度可以降到260℃。降后温度足以完成通孔填充。

图3:拖尾;焊料残留物仅在喷嘴区周围

锡桥
     锡桥在选择性焊接(拖焊)和多波焊接(双列直插式封装)工艺中表现出不同的现象。在拖焊工艺中,稳定的焊锡流至关重要。焊料从组装的反方向流出。当焊料开始流向背面(沿着电路板方向),就出现了锡桥。热氮气刮刀迫使焊料反向流动并消除锡桥。

     如果焊料开始沿着引脚流动,如图4所示,PIN脚离开焊料的地方将滑离喷嘴。这时,焊料会冷却,固化,形成锡桥。水平焊接能够降低不稳定焊锡流风险。

图4:不稳定的焊锡流。无铅焊料有偏离喷嘴,沿着引脚流动的趋势。

      在双列直插式封装工艺中,如果设计适当可以避免锡桥。引脚短些,焊垫小些,PIN脚之间的间距宽些可以降低形成锡桥的风险。Taguchi实验显示了机器参数的影响。10 mg/cm²或更多的助焊剂量和较低的焊料温度是防止形成锡桥的最佳组合。此外,实验表明,在电路板热质量不高的情况下,预热温度对选择性焊接几乎没有影响。双列直插式封装时间短,焊料减速缓慢时产量最高。

图5:L9 Taguchi实验结果显示的是多波情况下,不同的参数对锡桥的反应。

锡球

    锡球主要是由于高温和变得更粘的阻焊剂产生的。此外,助焊剂比其它物质更易产生锡球。在双列直插式封装焊接工艺中,锡球通常出现在各个PIN脚之间,例如图6,锡球出现在锡桥周围。

图6:在焊接区中,四个PIN脚之间的锡桥被大量的锡球围绕。

铜垫溶解
    较高的焊接温度,使铜有溶解成焊料的风险。由于无铅焊料含锡量较多,在高温下,电路板上铜的溶解速度急剧加快。在选择焊波峰上,流动的焊料形成焊点,这个过程比双列直插式封装工艺重要得多。接触越频繁(机器人速度1mm/sec或更慢),焊接温度越高(>300 ºC),风险越大。除了为机器设置合适的参数,较厚的铜层也很重要,也正因如此,应当每两个月检查一次焊料含铜量,确保含铜量不能超过1%;否则焊点可靠性将大打折扣。

图7:组装过程中,温度达到320℃时,铜垫上的所有铜都溶解成焊料。

总结
     选择合适的参数,选择性焊接就能成功运用。由于需要高温,其它焊接工艺转变成无铅焊接是一项相当大的挑战。选择性焊接工艺最大优点是其灵活性能够优化每一个元件。如必要的话,可以为每一个浸润有问题的元件涂更多的助焊剂,侵泡更长时间,而不会因为温度过高而损坏周围其它的元件。

选择性波峰焊缺陷

如果清洗不干净,治具中将残留有害物质

选择性波峰焊缺陷,在使用免洗助焊剂情况下,独特的波峰焊治具使得焊料仅附着于铜孔互联部位,这样可以保护在回流焊接中焊接在底部的SMT器件。选择性焊接解决了大元件和连接器的附着问题,  这是SMT封装不能解决的。选择性焊接另一优势是可以对通孔元件旁的小元件起到热保护作用。在其他工艺中,如果较小较低的电容电阻加热到足以使它们回流的温度,它们往往会发生移动。选择焊先于波峰焊,免去了芯片连接器涂胶和固化步骤,并减少了波峰焊过程中部件损失或损坏的数量。 这个被广泛应用的选择焊工艺的优势显而易见,难道就没有缺点吗?答案当然是否定的。当焊料和治具口径隔开,问题就暴露了。通常情况下,免洗液体助焊剂是以喷雾或波的形式施加到电路板底面上。由于IPA或水性助焊剂表面张力小,而且电路板表面和治具口径的毛细作用强度低,所以选择性治具口径周围0.25" 到 1.5"的区域就可以接触到助焊剂,但波峰焊工艺就不能够实现此接触。图1显示了选择焊治具的剖视图。

图1.配有电路板的选择性焊接治具

图2.助焊剂在隔离区细节

图3. 1,3和5区(左)在焊接环内,表明WOA水平较低。
        2,4和6区在焊接环内,表面WOA水平较高。

        图2阐明了助焊剂在治具和电路板表面间的流动情况。助焊剂夹在电路板和治具表面。这两个表面区域受到热保护作用并阻断助焊剂和波峰焊的接触。夹在电路板和治具之间的助焊剂残留物具有导电性和吸潮性。水性免洗助焊剂残留物pH值为2.3(强酸)并能吸潮。助焊剂残留物会导致偏压组装表面电化学迁移和热降解。 除此之外,情况可能更糟。由于助焊剂残留物会污染组件和治具,并且内部通常不设清洗系统,因此治具也会因之前焊接应用中留下的助焊剂残留物给组装表面带来一定污染。

表1.清洗结果。所有值以μg/in2为单位

      图3显示了助焊剂在选择性焊接治具中的扩散效应。环边缘是通过环效应定义的,超过隔离环就很容易看到扩散。1,3和5区(焊接环内)表明WOA水平较低,而且在C3残留物测试中有良好的电气性能(表1,在线)。2,4和6区(焊接环外)表明WOA水平较高,而且在C3残留物测试中电气性能较差。选择性焊接有许多优点,但此焊接治具上的残留物如果不能够彻底清除或进行热激活,就会残留吸潮性和导电/腐蚀性的物质。使用选择性焊接工艺时,通过跟制造商约定,可使用复杂的助焊剂从而产生良性残留物。(SMTC@ACT)


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