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当前可选择的焊接技术
  2020-08-04      138

作者:Ray Prasad, RAY PRASAD 咨询集团公司

焊接的方法有很多,例如手工焊、波峰焊、回流焊(即汽相回流焊和对流回流焊)和选择性焊接。在这些焊接工艺中,一些已经用了很多年,一些则是刚引进没多久。所有这些焊接工有各自的优缺点与相关应用。就拿用波峰焊通孔电路板组件来讲,其他焊接工艺在经济效益上是无法与之相提并论的。同样地,如果电路板只包含表面贴装元件,主要的焊接工艺选择是对流回流焊。

如果你必须处理同时具有表面贴装和通孔元件的混合组装电路板——今天超过95%的电子产品是这种情况,特别是如果你要在同一块电路板上同时使用锡元件和无铅元件的情况下,选择合适的焊工艺就会更复杂。

可选择的焊接技术

汽相焊接(VPS),也被称为冷凝焊接,这种技术曾经很受欢迎。但在上世纪80年代,人们就很少使用这种工艺,究其原因有两个:汽相焊接工艺自身的问题和对流回流工艺在不断改进。汽相焊接的问题主要集中在缺陷率高,比如在J型引线零件中的大多数灯芯效应和芯片元件中的元件碑立缺陷。

不过,由于现在J型引线元件已经用得很少了,因此在汽相焊接中基本不会出现灯芯缺陷。大部分的J型引线器件已经被BTC器件和鸥翼型器件所取代。目前大多数汽相焊接都内置了预热系统,因此汽相焊接也有所改进。尽管有这些改进,但是你仍然很难找到大量使用汽相焊接的用户。鉴于对流系统能够提供高效且均匀的加热,又没有汽相焊接自身固有的问题,因此对流回流焊成为最常见的焊接工艺。

向后兼容的焊接选项

随着无铅焊接的广泛使用,各家公司必须重新考虑自己的焊接选项,特别是在处理向后兼容性和向前兼容性的问题的时候。在向后兼容的情况下,大多数元件使用锡铅焊锡,部分元件使用无铅焊锡。向前兼容的情况则相反,大多数元件使用无铅焊锡,部分元件使用锡铅焊锡。向前兼容性很少成为问题,是因为这种情况很少出现,而向后兼容性则非常常见。

鉴于这个行业还没有完全采用无铅材料,向后兼容在军工和航天等领域中是个主要问题,但是他们也不得不使用无铅元件,这是因为元件供应商认为同时销售锡铅元件和无铅元件没有经济效益。除了无铅BGA之外,所有的无铅元件都可以用锡铅焊膏和锡铅回流温度曲线来焊接。有些公司以相当高的代价将无铅BGA的焊锡球替换成锡铅焊锡球,并且使用锡铅工艺焊接重整焊锡球的BGA。与此同时,其他公司则采用峰值温度比无铅温度曲线低,但比锡铅温度曲线峰值温度高的温度曲线,从本质上讲,这种温度曲线是锡铅温度曲线和无铅温度曲线之间折衷的结果。

在这两种情况下,都存在焊接时无铅元件与锡铅元件的热输入需求不同的问题,因此需要慎重地做出权衡与取舍。因为在锡铅元件中大多数元件都有可能因此而被损坏,所以你不能用比较高的温度来回流少数几个无铅BGA。你也不能只用锡铅温度曲线,因为无铅BGA的焊锡球不会完全熔融,焊锡球不会塌陷,而这正是提高BGA焊点可靠性的关键。我将在后续的专栏文章中详细介绍这个复杂的课题。

针对混合组件的选择性焊接选项

混合组装的电路板,这些包含表面贴装技术(SMT)和通孔元件的电路板代表我们行业的大多数产品。在把SMT元件和通孔元件混合组装到同一块电路板上时,你应该怎么做?以下是可以考虑的一些常用的选择性焊接选项。

1、在一块混合组装的电路板上使用非金属固定装置是有选择地焊接通孔元件的常见方法。但是,这种方法只在正确设计电路板时才有效。否则,固定装置需要经过多次迭代才能达到最终的固定目标,这会暴露通孔零件并且会把表面贴装元件完全隐藏在电路板的底侧。这个方法可能会非常昂贵,这取决于你必须处理的产品混合方式,而且需要相当多的存储空间来存放固定装置。

2、另一种方法通常指的是焊锡喷泉装置,它使用一种覆盖焊料槽的金属夹具。焊锡在指定的位置在通孔下面像喷泉一样涌向通孔。这些固定夹具可能也非常昂贵,需要花费相当多的时间和工作来设计和制造。焊锡的缺陷水平可能会很高,这是因为焊锡喷泉装置改变了焊锡波的流体力学。这不是一种很常见的工艺。

3、定点焊锡波或“跳舞波”,在喷出这种焊锡波时,机械手载体移动焊锡喷泉装置,随着电路板上的通孔元件数量的逐年减少,这是最常见的一种方法。如果电路板上只有几个通孔元件,这是个完美的工艺。在这种方法中,电路板保持固定状态,但焊锡喷泉装置移动到伸出引线的位置。焊锡喷泉的焊锡分别焊接各条引线或各排引线。这些定点焊接机都拥有内置的助焊剂涂敷器、预热器和焊锡喷泉装置,这种焊接往往模拟标准的波峰焊工艺。这种机器很灵活,不使用固定夹具,而且使用完全不同的焊接温度曲线,包括比标准的波峰焊工艺的焊锡波温度高出很多的焊锡喷泉温度(例如,选择性焊接的焊锡波温度是290-300℃,而波峰焊的是255-265℃)。对于锡铅焊锡和无铅焊锡来说,你需要一台能够把两种不同的焊锡分开的机器,或分开两种焊锡波的焊锡槽。

4、考虑到成本和技术方面的原因,在各种独特的应用中,还有多种其他的选择性焊接方法,诸如手动焊接、聚光焊接和二极管激光焊接。举个例子,二极管激光焊接是一种比较新的技术,但并不是每个人对前沿技术都熟练掌握。                                                                                            

5、选择性焊接或返工也使用焊锡槽。不过,如果焊接持续时间或在返工时把引线从通孔中抽出来的时间比较长(接近60秒,这要比在波峰焊中的约五秒的焊接时间要长得多),焊锡槽中的无铅焊锡也会浸出或侵蚀掉电镀通孔中大部分的铜。因此,在使用焊锡槽时,特别是在返工通孔元件(移除和更换)时,需要关注铜的腐蚀情况。

结论

总而言之,哪种焊接方法最好,特别是如何选择焊接技术?这取决于具体应用和资金预算。要想为具体应用选择正确的焊接方法,首先,检查产品的数量、结构、混合情况和复杂度;然后,反复考虑技术和业务问题,才能为你的产品选出正确的焊接方法。你必须至少有两种不同的焊接方法来处理混合组装产品中的SMT元件和通孔元件。

作者简介:Ray PrasadRay Prasad咨询集团公司的主席,同时也是《表面安装技术:原则与实践》一书的作者。Prasad还入选IPC名人堂,这是电子行业的最高荣誉,他从事SMT数十载,深谙SMT行业的所有领域,他曾在波音公司和英特尔公司任职,全面负责SMT推广工作,帮助遍布全球的OEM和EMS客户建立强大的、内部的、自主的SMT架构;除此之外,他还提供现场的深度SMT课程教学,他的电子邮件:smtsolver@rayprasasd.com,最新的SMT培训班开课时间是2020年4月20-22日和2020年7月20-22日。更多信息,请访问网址:www.rayprasad.com。要阅读过往期刊的专栏内容或联系Prasad,请点击这里。

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