选择性波峰焊技术选型

来源:收集 点击数:48 更新时间:2018/11/8 9:58:04

选择性波峰焊技术选型
 摘要


    选择性波峰焊技术不是一项新工艺,它已经在汽车和医疗产品行业通孔元件的应用上有30年的历史了。如今,越来越多的制造业正努力使SMD技术微型化以便降低PCB板的复杂性及平衡电路板元件密度,从而保证良好的组装工艺。说到这里,有人要问,为什么选择性波峰焊技术一直沿用至今?难道是因为元件可靠性,独特性和复杂性才不得不用此技术么?先记住这个疑问,下一个问题就讨论哪种平台最适合此产品。

    本文介绍选择性波峰焊技术的评估过程。本文将低成本平台和高成本平台分别归为平台A和平台B。通过对比分析和模拟,本文目的是放大两种平台的本质差异。两种平台建立的原理相同,但不同的性能会对生产率有所影响。了解选择性波峰焊技术非常重要,能够在生产过程中,避免质量成本的花费及产量缺陷。

    研究表明,在焊接工艺中,零件和其功能会影响焊接的可焊性。本文将对助焊剂喷涂,预热,锡槽和喷嘴材料间分析进行实际模拟操作,做出评估。另外,每种平台的投资成本也将考虑在内。本文旨在为选择焊接平台提供信息,同时也可为有相同工艺和应用需求的制造商提供参考。

关键词:选择性焊接,混合技术,平台,制造,指南

简介


     选择性波峰焊技术不是一项新工艺,自1980年以来,在有限规模的生产中,已经使用此技术进行通孔元件的应用。客户总是要求在不损害产品质量的情况下降低产品价格,因此,对制造商来说,为特定的产品选择合适的平台是一个不小的挑战。根据我们的经验,需要考虑三个主要的因素:产量,周期时间和质量。


    最好是有一个良好的周期时间,但是许多因素会影响这个周期时间,比如传送带设计,参数设置和焊接焊点的数量。最后也相当重要的是质量方面的影响。有几个方面影响着产品质量,如材料,设计,工艺参数,处理方式和设备本身引起的错误。

实验材料

I.  助焊剂,Alpha Metal SLS65

II. 焊锡条,通过无铅认证的SAC 305

III.PCB板,280×200mm×1.6mm+/-0.2mm包括焊料标签,4层铜,2层墨

IV. PCB夹具(金属)

焊接概念
本文将工艺平台概念分为如下几类:



图1 机器基本概念

     图1 列出了两种平台在选择性焊接过程中简单的工艺流程。平台A进行焊接时,通过顶部预热简化其工艺,这样,平台A的占地尺寸比平台B小得多。如图1,平台B使用正常的焊接工艺,由此占地尺寸比A长的多。彻底了解此工艺过程及设备如何才能满足用户需要,是用户和设备制造商达成协同合作的关键因素。



PCBA 装载(PCB+焊料治具)

    锡槽不同,PCB装载也不同。装载看似简单,却真正影响着整个工艺。图2所示,PCB装载的方向与平台A长度方向平行, 这种情况下,PCB没有发生弯曲;而PCB装载的方向与平台B宽度方向平行,这种情况下,PCB发生了弯曲。


图2 PCB装载和喷嘴方向


   喷嘴方向影响PCB为双喷嘴配置的装载。图2所示喷嘴方向如何影响PCB的装载。

                                 图3 固定
 

     图3所示PCBA线路板装载的方向与平台B宽度方向平行,用固定装置支撑板子,防止焊接时PCB弯曲。

助焊

   本文中的平台都集成可编程、精确的助焊剂喷涂系统,通过自动喷涂精度控制对已选择的焊点和路线进行助焊剂喷涂。
 

描述 Platform A Platform B
助焊器喷涂速度 50 dots/sec 80 dots/sec
助焊器喷涂类型 4.0--6.0 mm 3.0--8.0 mm

图4 助焊剂喷凃规格
 

   助焊剂喷凃头将准量的助焊剂非常准确地喷涂在极小的PCB区。


图5 助焊剂喷涂

   助焊剂喷涂方式是根据焊点数量和元件排列来决定的。有效的周期时间取决于焊接元件的排列方式。研究表明,平台A和平台B的助焊剂喷涂没有太大区别。(见图5)两者都在大批量生产测试中表现良好。没有遇到阻塞或错位问题。

预热

     根据助焊剂所需的焊接温度和PCBA线路板密集程度选择预热工艺及其预热参数。由于内部层数越来越多,元件越来越重,规格越来越多样化,预热系统必须非常灵活。最重要的是温度曲线梯度和焊接温度阻力必须匹配元件规格。特别是那种不属于SMD分类的元件。


    焊接工艺需要先预热再焊接。加热是必须的,因为:I. 助焊剂溶剂部分需在焊接开始前蒸发;否则,在焊接过程中会发生喷溅,产生锡球并导致焊接质量下降。II.在热焊组装工艺中,如果板子太凉,焊料的温度就会传到组装阶段,而不是传到焊点。通孔透锡质量会下降。III.在组装过程中使用更均匀的温度,以减少热应力。

图6. 顶部预热                                                 图7. 底部预热

     研究表明,底部预热比顶部预热有更多优势,因为从底部预热很容易干燥助焊剂,并且在电路板进入焊接阶段之前,加热元件引脚部分。图7所示是底部预热实际照片。只进行顶部预热(图6)不能保证板子下方助焊剂完全干燥,而且还有可能在焊接完成后留有助焊剂残留物。助焊剂残留物只能通过刷洗方法祛除,而刷洗过程是一项额外工序,直接影响制造成本。尽管应用过程根据产品的复杂性有所不同,但仍推荐先评估助焊剂材料,为您的产品选择最佳助焊剂。   




图8. 元件浮动

    在某些情况下,需要覆盖零件,来防止零件倾斜或浮动,如图8,在元件顶部放些砝码,这时,就不需要顶部加热。


焊接模块

    良好的锡槽能提供良好的性能,可靠并易于维护。如图9所示,两个平台都使用双喷嘴焊接模块。研究表明,良好的锡槽设计能防止零件从锡槽移除时损坏或破裂。图10所示的是设计不佳的泵浦在维护过程中被轻易损毁。

图9.焊接模块


图10.损毁的泵浦(平台A)

    如图9所示,平台A和平台B在焊接过程中都使用双喷嘴。 平台A是单泵单槽,但使用双喷嘴,平台B有两个锡槽和两个独立的泵浦。泵浦的配置非常重要,它可以提供所需的功率,确保熔化的焊料从喷嘴尖头中流出。


大量生产


   设计不佳直接影响焊接质量。平台的设计理念也许大体相似,但在选择选择性焊接技术时,其可靠性将是巨大的挑战。


喷嘴 

   在这项研究中,两个平台都使用润湿性喷嘴。平台A采用纯铁,平台B采用薄涂层材料。在大规模生产测试中,平台A的喷嘴寿命约是3周,平台B是8周,22.5小时×6.5天。


              图11A 所示在这项研究中使用的喷嘴尺寸和几何图形。

                               图11A 喷嘴类型
喷嘴热模拟

    两个喷嘴都能把经度和纬度的温度扩大到290℃。图11是两个喷嘴热变形对比图。喷嘴A在经度和纬度方向变形的幅度相同,而喷嘴B纬度变形幅度非常小。喷嘴上的最大位移发生在喷嘴尖头上,喷嘴尖头先在焊接过程中有所损坏,但其变形程度并不影响焊接进程。

图11B 尖头热应力


图11C 底部热应力(平台A)


图11D 底部热应力(平台B)

    两个喷嘴都固定在底部。图11C所示的是吸嘴A的压力。吸嘴A最大压力在螺纹区,其压力比喷嘴B大的多(如图11D所示)。这就能解释这种现象:在替换或维护过程中,喷嘴A很难从螺纹组件中移除,而平台B的喷嘴由于基座部分压力小,很容易移除和替换。


氮气

    在选择性焊接工艺中,必须要使用氮气,还应评估操作成本。氮气直接在元件焊接区扩散以提供良好的焊点。氮气可以减少锡渣的形成,并使焊料从喷嘴中流出得更稳定顺畅。

图12 氮气供给(平台A)

    图12所示的是氮气供给槽嵌在锡槽里,槽盖或扩散器一旦损坏,焊料就很容易堵塞氮气通道。

图13 氮气供给(平台B)

   图13所示的是平台B的氮气供给。氮气直接从锡槽顶部出来,锡槽上覆盖着密封金属盖,这样可以隔绝氮气和空气的接触,从而有效减少锡渣的产生。



PCB设计

    PCB设计规则主要与焊点周围间距范围有关。研究发现,由于PCB设计欠缺,导致元件清洗遇到困难。


图14 间距问题

    图14所示的是由于焊点间距设计不佳,而不得不使用高温胶带。并且SMD元件之间距离太窄(<1.2mm)。



图15 锡桥问题

    图15所示,引脚或Pad之间的焊料形成锡桥造成短路。如果焊料固化前不能从两个或更多的引脚上分离,就会形成锡桥。为了防止锡桥生成,应当使用正确的设计方法:Pin脚间使用较短的元件引脚和较小的pad。运用强力助焊剂。如果有可能使用除锡桥工具。

生产率

    产量是最能说明问题的。低成本平台在进行大规模生产中,得到的产品质量是最差的。在相同条件下,高成本平台得到的产品质量是最高的。



图16 生产率

   收集一个月的产量数据。如图16所示,在同等情况下,平台B每天生产的电路板比平台A多。平台A不合格率较多且出现的问题会直接影响生产率。


影响生产率问题

   研究中出现的大多数问题都来自平台A,而平台B在大规模生产测试中,总是表现良好的可焊性。


图17 喷嘴变形

   如图17所示,由于热膨胀和腐蚀的影响,导致喷嘴变形,继而导致锡流失衡,影响其焊接性能。


 图18 正时皮带磨损

    如图18所示,使用平台A几个月后,正时皮带磨损情况。我们脑海里首先想到的是设计问题“设计的同步带也许不适合在高温条件下应用”。研究发现,我们的想法是对的,此正时皮带的确不适合在高温条件下使用。但我们马上又会想到它的泵机组设计细节:泵浦组的冷却系统可以维持低温,这样正时皮带就可以承受小于75℃的温度,但这只在少数情况下。当机器停工时,泵浦和正时皮带都会暴露在接近200℃的高温下,因为一旦没有电源,就马上没有空气。



图19 丝杠缺陷

   如图19所示,丝杠缺陷只出现在平台A。在大规模生产测试中,平台A在焊接过程中出现不一致性,且产量下降。对此,无法推荐更好的方法,只能换一个新的丝杠然后重新校准。




图20 氮气保护盖损坏

  图20所示的是由于氮气保护盖损坏,焊料堵塞氮气系统,焊料被氧化。



影响质量问题


   选择性波峰焊工艺参数至关重要。无论平台成本高还是低,都会有缺陷和问题产生。关键的区别在于焊接的稳定性和一致性。



图21  焊料不足

    如图21所示,由于喷嘴磨损导致焊料不足。喷嘴磨损造成其尖端焊接半月板不平衡,而半月板在焊接过程中至关重要。为了避免此问题,应当进行适当的维护,并使用性能良好的助焊剂。


图22 透锡性不足

    如图22所示, 当焊料不能到达电镀通孔顶部,并覆盖板子顶部的pad,透锡性就会不足。通过提高焊料温度,使用活性较强的助焊剂或检查喷嘴状况可以避免此问题。


图23 LCD褪色

   如图23所示,当LCD元件暴露在高于100℃预热温度的条件下,LCD就会褪色。使用底部预热或在LCD顶部覆盖夹具以避免其暴露于高温,可以避免此问题。


图24 锡球

    如图24所示,锡球是在元件周围形成的微小球体。在无铅焊接中,由于焊接温度升高,阻焊层上的锡球也会增加。通过改变阻焊层,优化焊接温度,使用合适的助焊剂可以避免此问题。

环境对产品可靠性的影响

   合格测试的目的是验证两个平台上终端产品的可靠性。JEDEC作为热循环测试的标准(JESD22-A104-B)。图25是热循环标准,图26是热循环条件。



图25:热循环标准


图26:热循环条件


两种平台的环境试验结果如下所示

1.热循环后,焊点表面无明显变化

2.平台A和平台B上薄板透锡性无明显区别

3.两个平台都通过热循环试验

透锡性

    使用X-射线检查透锡性。检查选定的通孔,如图28和29所示,图29所示的是一个插头连接器。由于测试载体采用的是薄板,因此,两个平台都能穿


   透焊点上的焊料。测试结果用0和1表示。0表示焊点透锡率在75%以下,1表示焊点透锡率在75%以上。


图27  X射线概率图

    图27所示是测试板取样数据。如图所示,在焊接过程中,平台A不能像平台B那样始终保持良好的透锡性。



图28 平台A上焊料的X-射线


图29 平台A上焊料的X-射线

   如图28所示,Pin脚1透锡性<75%,其余>75%。而图29所示的全部Pin脚透锡性都符合标准。


截面分析


    截面显示两个平台焊料透锡性都表现良好。如图30和31所示,虽然有空洞,但都没超过3-4微米,这样的空洞都可接受。空洞是焊点上的孔,会降低互连路径的电导率和热导率,造成传热失败。通过提高电路板质量,清洁元件表面,预热电路板,增加预热时间或使用氮气来避免此问题。


总结


    在为产品或应用选择合适的平台时,务必要考虑平台的设计和使用的材料。平台的设计决定了平台根据产品需要能达到的最佳参数。焊接在两个平台上的样品都表现出了可靠性,这表明,两个平台可焊性都是良好的。大规模生产测试数据表明,平台B的产量最多,因为与平台A相比,平台B的焊接性能更持续更稳定,而平台A在评估过程中经常出现停工现象。




PCB选择性焊接技术中的若干难点


       当下,越来越多的厂家开始把目光投向选择焊接,而在PCB电子工业焊接工艺中,选择焊接不但可以在同一时间内完成所有的焊点,降低生产成本,同时又克服了回流焊对温度敏感元件造成影响的问题。


  选择性焊接的工艺特点


  可通过与波峰焊的比较来了解选择性焊接的工艺特点。两者间最明显的差异在于波峰焊中PCB的下部完全浸入液态焊料中,而在选择性焊接中,仅有部分特定区域与焊锡波接触。由于PCB本身就是一种不良的热传导介质,因此焊接时它不会加热熔化邻近元器件和PCB区域的焊点。在焊接前也必须预先涂敷助焊剂。与波峰焊相比,助焊剂仅涂覆在PCB下部的待焊接部位,而不是整个PCB。另外选择性焊接仅适用于插装元件的焊接。选择性焊接是一种全新 的方法,彻底了解选择性焊接工艺和设备是成功焊接所必需的。


  典型的选择性焊接的工艺流程包括,助焊剂喷涂,PCB预热、浸以及拖焊。


  助焊剂涂布工艺


  在选择性焊接中,助焊剂涂布工序起着重要的作用。焊接加热与焊接结束时,助焊剂应有足够的活性防止桥接的产生并防止PCB产生氧化。助焊剂喷涂由X/Y机械手携带PCB通过助焊剂喷嘴上方,助焊剂喷涂到PCB待焊位置上。助焊剂具有单嘴喷雾式、微孔喷射式、同步式多点/图形喷雾多种方式。回流焊工序后的微波峰选焊,最重要的是焊剂准确喷涂。微孔喷射式绝对不会弄污焊点之外的区域。微点喷涂最小焊剂点图形直径大于2mm,所以喷涂沉 积在PCB上的焊剂位置精度为±0.5mm,才能保证焊剂始终覆盖在被焊部位上面,喷涂焊剂量的公差由供应商提供,技术说明书应规定焊剂使用量,通常建议 100%的安全公差范围。


  预热工艺


  在选择性焊接工艺中的预热主要目的不是减少热应力,而是为了去除溶剂预干燥助焊剂,在进入焊锡波前,使得焊剂有正确的黏度。在焊接时,预热所带的热量对焊接质量的影响不是关键因素,PCB材料厚度、器件封装规格及助焊剂类型决定预热温度的设置。在选择性焊接中,对预热有不同的理论解释:有些工艺工程师认为PCB应在助焊剂喷涂前,进行预热;另一种观点认为不需要预热而直接进行焊接。使用者可根据具体的情况来安排选择性焊接的工艺流程。


  焊接工艺


  选择性焊接工艺有两种不同工艺:拖焊工艺和浸焊工艺。


  选择性拖焊工艺是在单个小焊嘴焊锡波上完成的。拖焊工艺适用于在PCB上非常紧密的空间上进行焊接。例如:个别的焊点或引脚,单排引脚能进行拖焊工艺。PCB以不同的速度及角度在焊嘴的焊锡波上移动达到最佳的焊接质量。为保证焊接工艺的稳定,焊嘴的内径小于6mm。焊锡溶液的流向被 确定后,为不同的焊接需要,焊嘴按不同方向安装并优化。机械手可从不同方向,即0°~12°间不同角度接近焊锡波,于是用户能在电子组件上焊接各种器件, 对大多数器件,建议倾斜角为10°。


  与浸焊工艺相比,拖焊工艺的焊锡溶液及PCB板的运动,使得在进行焊接时的热转换效率就比浸焊工艺好。然而,形成焊缝连接所需要的热量由焊锡波传递,但单焊嘴的焊锡波质量小,只有焊锡波的温度相对高,才能达到拖焊工艺的要求。例:焊锡温度为275℃~300℃,拖拉速度 10mm/s~25mm/s通常是可以接受的。在焊接区域供氮,以防止焊锡波氧化,焊锡波消除了氧化,使得拖焊工艺避免桥接缺陷的产生,这个优点增加了拖焊工艺的稳定性与可靠性。


  机器具有高精度和高灵活性的特性,模块结构设计的系统可以完全按照客户特殊生产要求来定制,并且可升级满足今后生产发展的需求。机械手的运动半径可覆盖助焊剂喷嘴、预热和焊锡嘴,因而同一台设备可完成不同的焊接工艺。机器特有的同步制程可以大大缩短单板制程周期。机械手具备的能力使这种选择焊具有高精度和高质量焊接的特性。首先是机械手高度稳定的精确定位能力(±0.05mm),保证了每块板生产的参数高度重复一致;其次是机械手的 5维运动使得PCB能够以任何优化的角度和方位接触锡面,获得最佳焊接质量。机械手夹板装置上安装的锡波高度测针,由钛合金制成,在程序控制下可定期测量锡波高度,通过调节锡泵转速来控制锡波高度,以保证工艺稳定性。


  当然,单嘴焊锡波拖焊工艺也存在一些不足之处,如焊接时间长的问题。不过我们可以利用多焊嘴设计可最大限度弥补这一不足,从而提高产量。


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