波峰焊2波的作用(无铅波峰焊特点和焊接质量影响因素)

Posted 2023-05-31

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波峰焊2波的作用(无铅波峰焊特点和焊接质量影响因素)

相对于传统的Sn-Pb焊料,无铅焊料需要较高的波峰焊接温度,而且润湿性差,另外免清洗助焊剂和水溶性助焊剂的固体含量低,活性温度高和活性区间窄。无铅波峰焊料和助焊剂的特性决定了无铅波峰焊设备在结构和材料选用上有很大不同。广晟德波峰焊下面来为大家分享一下无铅波峰焊特点和焊接影响因素。

无铅波峰焊

一、无铅波峰焊的特点

1. 高的焊接温度

主要的无铅钎料Sn0.7Cu熔点(227oC)较传统SnPb(183oC)高44oC，设备的可加热最高温度也应相应提高至少44oC，所以设备材料及结构设计必须具有良好的耐热性，在高温下不变形。另外无铅波峰焊的焊接温度较高(一般设定为260oC)，为减少印刷电路板组装件与波峰接触时的热冲击，需要增加预热时间。最好的解决方法是增加设备的预热区长度，其长度由产量和传送速度来决定。无铅化后预热区的长度由以前的90～100㎝变为120～150㎝，增加了预热时间。对于加热方式来说，基本采用热辐射方式进行预热，最常用的波峰焊预热方法由强制热风对流，电热板对流、电热棒加热和红外线加热等。

无铅波峰焊温度曲线

2.长的预热时间

预热阶段主要是蒸发多余溶剂和PCB制造过程中夹带的水分，增加粘性，并起到活化助焊剂的作用。如果粘度太低，助焊剂会被熔融钎料过早的排挤出，造成表面润湿不良。对于不同的助焊剂的活性参数要求，需要的预热区长度可能有所变化，但差别不是很大。预热阶段干燥助焊剂也可加强其表面活性，加快焊接过程。并且基板和元器件在预热阶段加热到100℃以上，可以降低热冲击，较少基板翘曲的可能。另外预热阶段可以加快PCB板及元器件上挥发物质的蒸发，避免在波峰上引起焊锡飞溅和PCB上的锡球。不足的预热时间和温度会造成焊后残留，或许活性不足，造成润湿性差。预热低可能导致焊接时水蒸气、液体助焊剂等气体排放造成焊料球，这种情况在低挥发性有机化合物（VOC）的水基助焊剂上特别明显。过高则会导致助焊剂在到达波峰之前就已经失去作用，导致焊锡表面张力增大，造成桥连或冰柱。

3.大量助焊剂的使用

由于可能要使用较大量的助焊剂，所以设备必须配备优良的抽风过滤系统，以最小化助焊剂中挥发物质的污染。

4.喷雾式助焊剂涂覆方式

常用助焊剂用CFC等清洗剂清洗，其中含有的ODS（臭氧耗竭物质）破坏生态环境，严重威胁人类安全。免清洗助焊剂和水溶性助焊剂解决了不使用CFC类清洗剂减少环境污染方面和解决因细间隙、高密度元器件组装带来的清洗困难问题，它们的使用已经同无铅焊料一样，成为一种必然的趋势。表1所示为三种不同助焊剂的物理参数的比较，分别代表传统的松香基助焊剂、免清洗助焊剂和水溶性助焊剂。

5.高的腐蚀性

高Sn含量（95％以上）的无铅焊料在焊接温度升高（30～50℃）的情况下，对锡炉采用的材料SUS304和SUS316型不锈钢具有明显腐蚀（图1），一般为6个月，而且最容易受到腐蚀的是与流动焊料接触的部位，如泵的叶轮、输送管和喷口。

6.更多氧化渣

焊料波的表面被一层均匀的氧化皮覆盖，它在沿焊料波的整个长度方向上几乎都保持静态，在波峰焊过程中，PCB接触到焊料波的前沿表面，氧化皮破裂，PCB前面的焊料皮无褶皱的向前推进，整个氧化皮与PCB以同样的速度移动。与Sn-Pb焊料相比，无铅焊料将产生更多的锡渣(dross)，影响焊接质量，同时也造成浪费。典型的锡渣结构都是90％的可用金属在中心，外面包含10％的氧化物。这是因为不同温度下SnO2和PbO的标准生成自由能不同，前者生成自由能低，容易产生，而后者不易。对于无铅波峰焊设备最好配有自动刮除锡渣装置和焊锡液面高度自动监测装置。

7.采用双波峰系统

双波峰系统前面的湍流波可渗入到所有待焊表面以保证良好润湿后面的双向宽平波流动缓慢且平坦，有利于保证印刷电路板在流动速率最小点处脱离焊料波峰，进而最大限度地抑制桥连(bridge)、毛刺(icicle)等焊接缺陷的产生。

8、对于无铅波峰焊来说容易产生锡渣的堆积。倘若锡槽里有锡渣的堆积，那么锡渣就有可能会进入到波峰中。想要避免锡渣进入波峰中的话可以采用惰性气体。焊容易产生焊料氧化现象，焊料被氧化后，则会在焊接过程中出现黑色氧化物粉末，并且可以与焊锡再混合，从而影响焊接强度，以及焊接质量，因此应避免焊料被氧化。

9、无铅波峰焊相对于有铅波峰焊接容易产生许多焊接不良现象，焊接不良问题需要降低对设备的性能要求很高，且对焊接时间、接触面以及温度等方面，也有要求的，一般板面温度不能超过140℃以上。如果设计不合理，使得板面温度下降，那么就会产生焊接缺陷。

二、无铅波峰焊接的影响因素

波峰焊生产线

1、无铅波峰焊接效果好坏取决于焊接合金。无铅波峰焊接则可能是SAC或Sn-Cu。SAC合金和Sn-Cu合金拥有不同的可靠性性能。

2、无铅波峰焊接效果好坏取决于工艺条件。对于大型复杂电路板，焊接温度通常温度为260度，这可能会给PCB和元器件的可靠性带来负面影响，但它对小型电路板的影响较小。

3、无铅波峰焊接效果好坏取决于PCB层压材料。某些PCB (特别是大型复杂的厚电路板)根据层压材料的属性，可能会由于无铅焊接温度较高，而导致分层、层压破裂、Cu裂缝、CAF (传导阳极丝须)失效等故障率上升。它还取决于PCB表面涂层。例如，经过观察发现，焊接与Ni层(从ENIG涂层)之间的接合要比焊接与Cu (如OSP和浸银)之间的接合更易断裂，特别是在机械撞击下(如跌落测试中)。此外，在跌落测试中，无铅波峰焊接会发生更多的PCB破裂。

4、无铅波峰焊接效果的好坏取决于元器件。某些元器件，如塑料封装的元器件、电解电容器等，受到提高的焊接温度的影响程度要超过其它因素。其次，锡丝是使用寿命长的高端产品中精细间距的元器件更加关注的另一个可靠性问题。此外，SAC合金的高模量也会给元器件带来更大的压力，给低k介电系数的元器件带来问题，这些元器件通常会更加易失效。

5、无铅波峰焊接效果好坏取决于机械负荷条件。SAC合金的高应力率灵敏度要求更加注意无铅波峰焊接界面在机械撞击下的可靠性(如跌落、弯曲等)，在高应力速率下，应力过大会导致焊接互连(和/或PCB)易断裂。

6、无铅波峰焊接的好坏取决于热机械负荷条件。在热循环条件下，蠕变/疲劳交互作用会通过损伤积聚效应而导致焊点失效(即组织粗化/弱化，裂纹出现和扩大)，蠕变应力速率是一个重要因素。蠕变应力速率随着焊点上的热机械载荷幅度变化，从而SAC焊点在“相对温和”的条件下能够比Sn-Pb焊点承受更多的热循环，但在“比较严重”的条件下比Sn-Pb焊点承受更少的热循环。热机械负荷取决于温度范围、元器件尺寸及元器件和基底之间的CTE不匹配程度。

7、无铅波峰焊接效果好坏取决于“加速系数”。这也是一个有趣的、关系非常密切的因素，但这会使整个讨论变得复杂得多，因为不同的合金(如SAC与Sn-Pb)有不同的加速系数。因此，无铅波峰焊接互连的可靠性取决于许多因素。