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SMT實用工藝基礎-回流焊接質量分析

作者：博維科技時間：2018-08-11 15:01

SMT回流焊接質量分析
回流焊是SMT關鍵工藝之一，表面組裝的質量直接體現在回流焊結果中。但回流焊中出現的焊接質量問題不完全是回流焊工藝造成的，因為回流焊接質量除了與焊接溫度(溫度曲線)有直接關系以外，還與生產線設備條件、PCB焊盤和可生產性設計、元器件可焊性、焊膏質量、印制電路板的加工質量，以及SMT每道工序的工藝參數，甚至與操作人員的操作都有密切的關系。
下面對影響回流焊質量的因素作簡要分析：
15.1PCB焊盤設計
SMT的組裝質量與PCB焊盤設計有著直接和十分重要的關系。如果PCB焊盤設計正確，貼裝時少量的歪斜可以在回流焊時，由于熔融焊錫表面張力的作用而得到糾正(稱為自定位或自校正效應)。相反，如果PCB焊盤設計不正確，即使貼裝位置十分準確，回流焊后反而會出現元件位置偏移、吊橋等焊接缺陷。
1.PCB焊盤設計應掌握的關鍵要素
根據各種元器件焊點結構分析(見圖15—1)，為了滿足焊點的可靠性要求，PCB焊盤設計應掌握以下關鍵要素：

圖15-1 各種元器件焊點結構示意圖
(1)對稱，隆——兩端焊盤必須對稱，才能保證熔融焊錫表面張力平衡。
(2)焊盤間足L—確保元件端頭或引腳與焊盤哈當的搭接尺寸。焊盤間距過大或過小都會引起焊接缺陷；(見圖15—1)。
(3)焊盤剩余尺寸——元件端頭或引腳與焊盤搭接后的剩余尺寸必須保證焊點能夠形成彎月面(見圖15-2)。

圖15-2 矩形片式元件焊盤結構示意圖
(4)焊盤寬度——應與元件端頭或引腳的寬度基本—致(見圖15-2)。
2.回流焊過程易產生的缺陷
如果違反了設計要求，回流焊時就會產生焊接缺陷而且PCB焊盤設計的問題在生產工藝中是很難甚至是無法解決的。以矩形片式元件為例：
(1)當焊盤間距G過大或過小時，回流焊時由于元件焊端不能與焊盤搭接交疊，會產生吊橋、移位(見15-3)。

圖15-5   導通孔示意圖
15.2焊膏質量及焊膏的正確使用
焊膏中的金屬微粉含量、金屬粉末的含氧量、粘度、觸變性都有一定要求。
    如果焊膏金屬微粉含量高，回流焊升溫時金屬微粉隨著溶劑、氣體蒸發而飛濺；如金屬粉末的含氧量高，還會加劇飛濺，形成錫珠。另外，如果焊膏粘度過低或焊膏的保形性(觸變性)不好，印刷后焊膏圖形會塌陷，甚至造成粘連，回流焊時也會形成錫珠、橋接等焊接缺陷。
    焊膏使用不當，例如從低溫柜取出焊膏直接使用，由于焊膏的溫度比室溫低，產生水汽凝結，即焊膏吸收空氣中的水分，攪拌后使水汽混在焊膏中，回流焊金屬粉末氧化，飛濺形成錫珠，還會產生潤濕不良等問題。
    在元器件焊端和引腳、印制電路基板的焊盤氧化或被污染，以及當印制板受潮等情況下，回流焊時會產生潤濕不良、虛焊、錫珠、空洞等焊接缺陷。
15.3焊膏印刷質量
    據資料統計，在PCB設計正確、元器件和印制板質量有保證的前提下，表面組裝質量問題中有70％出在印刷工藝上。印刷位置正確與否(印刷精度)、焊膏量的多少、焊膏量是否均勻、焊膏圖形是否清晰／有無粘連、印制板表面是否被焊膏粘污等都直接影響表面組裝板的焊接質量。
    影響印刷質量的主要因素：
    1.首先是模板質量——模板印刷是接觸印刷，因此模板厚度與開口尺寸確定了焊膏的印刷量。焊膏量過多會產生橋接，焊膏量過少會產生焊錫不足或虛焊。模板開口形狀以及開口是否光滑也會影響脫模質量。模板開口一定要喇叭口向下，否則脫模時會從喇叭口倒角處帶出焊膏。
    2.焊膏質量——焊膏的粘度、印刷性(滾動性、轉移性)、觸變陛、常溫下的使用壽命等都會影響印刷質量。如果焊膏的印刷性不好，嚴重時焊膏只是在模板上滑動，這種情況下是根本印不上焊膏的。
    3.印刷工藝參數——焊膏是觸變流體，具有粘性。當刮刀以一定速度和角度向前移動時，推動焊膏在刮板前滾動，產生將焊膏注入網孔或漏孔所需的壓力，焊膏的粘性摩擦力使焊膏在刮板與網板交接處產生切變，切變力使焊膏的粘性下降，有利于焊膏順利地注入網孔或漏孔。刮刀速度、刮刀壓力、刮刀與網板的角度以及焊膏的粘度之間都存在一定的制約關系，因此只有正確控制這些參數，才能保證焊膏的印刷質量。例如刮刀壓力過大、印刷時會造成焊膏圖形粘連：印刷速度過快容易造成焊膏量不足；如沒有及時將模板底部的殘留焊膏檫干凈，印刷時使焊膏粘污焊盤以外的地方等等。這些因素都會引起橋接、虛焊、錫珠等焊接缺陷。
    4.設備精度方面——在印刷高密度窄間距產品時，印刷機的印刷精度和重復印刷精度也會起一定的作用。如果印刷機沒有配置視覺對中系統，即使人工圖形對準時很精細，PCB的焊盤圖形與模板漏孔圖形完全重合，但對于PCB的加工誤差還是無法解決的。
    5.對回收焊膏的使用與管理環境溫度、濕度、以及環境衛生，對焊點質量都有影響。回收的焊膏與新焊膏要分別存放，環境溫度過高會降低焊膏粘度，濕度過大時焊膏會吸收空氣中的水分，濕度過小時會加速焊膏中溶劑的揮發，環境中灰塵混入焊膏中也會使焊點產生針孔。
15.4貼裝元器件    .
    貼裝質量的三要素是：元件正確、位置準確、壓力(貼片高度)合適。
    1.元件正確——要求各裝配位號元器件的類型、型號、標稱值和極性等特征標記要符合產品的裝配圖和明細表要求，不能貼錯位置。
    2.位置準確——元器件的端頭或引腳均和焊盤圖形要盡量3寸齊、居中。
    元器件貼裝位置要滿足工藝要求。因為兩個端頭Chip元件自定位效應的作用比較大，貼裝時元件長度方向兩個端頭只要搭接到相應的焊盤上，寬度方向有1／2搭接在焊盤上，回流焊時能夠自定位，但如果其中一個端頭沒有搭接到焊盤上，回流焊時就會產生移位或吊橋。對于SOP、SOJ、QFP、PLCC等器件的自定位作用比較小，貼裝偏移是不能通過回流焊糾正的；因此，貼裝時必須保證引腳寬度的3／4處于焊盤上，引腳的趾部和跟部也應在焊盤上。如果貼裝位置超出允許偏差范圍，必須進行人工撥正后再進入回流焊爐焊接；否則，回流焊后必須返修，會造成工時、材料浪費，甚至會影響產品可靠性。生產過程中發現貼裝位置超出允許偏差范圍時應及時正貼裝坐標。
    手工貼裝時要求貼裝位置準確，引腳與焊盤對齊、居中，切勿貼放不準，在焊膏上拖動找正，以免焊膏圖形粘連，造成橋接。
    3.壓力(貼片高度)合適。
    貼片壓力(高度)要恰當合適，元器件焊端或引腳不小于1／2厚度要浸入焊膏。對于一般元器件貼片時的焊膏擠出量(長度)應小于0.2mm，對于窄間距元器件貼片時的焊膏擠出量(長度)應小于0.1mm。貼片壓力過小，元器件焊端或引腳浮在焊膏表面，焊膏粘不住元器件，在傳遞和回流焊時容易產生位置移動；貼片壓力過大，焊膏擠出量過多，容易造成焊膏粘連，回流焊時容易產生橋接，嚴重日姬會損壞元器件。
15.5回流焊溫度曲線
    溫度曲線是保證焊接質量的關鍵，實時溫度曲線和焊膏溫度曲線的升溫斜率和峰值溫度應基本一致。160℃前的升溫速度控制在1—2℃／s。如果升溫斜率速度太快，一方面使元器件及PCB受熱太決，易損壞元器件和造成PCB變形。另一方面，焊膏中的熔劑揮發速度太快，容易濺出金屬成份，產生錫珠。峰值溫度一般設定在比焊膏金屬熔點高30-40℃左右(例如63Sn／37Pb焊膏的熔點為183℃，峰值溫度應設置在215℃左右)，回流時間為30~60s。峰值溫度低或回流時間短，會使焊接不充分，嚴重時會造成焊膏不熔。峰值溫度過高或回流時間過長，容易造成金屬粉末氧化，影響焊接質量；甚至會損壞元器件和印制板。
    設置回流焊溫度曲線的依據：
    1.根據使用焊膏的溫度曲線進行設置。不同金屬含量的焊膏有不同的溫度曲線，應按照焊膏供應商提供的溫度曲線進行具體產品的回流焊溫度曲線設置。
    2.根據PCB板的材料、厚度、是否多層板、尺寸大小進行設置。
    3.根據表面組裝板搭載元器件的密度、元器件的大小以及有無BGA、CSP等特殊元器件進行設置。
    4.此外，根據設備的具體隋況，例如加熱區的長度、加熱源的材料、回流焊爐的構造和熱傳導方式等因素進行設置。
    熱風(回流)爐和紅外(回流)爐有很大區別，紅外爐主要是輻射傳導，其優點是熱效率高，溫度陡度大，易控制溫度曲線；雙面焊時，PCB上、下溫度易控制；其缺點是溫度不均勻。在同一塊PCB上由于器件線的要求。
    5.根據溫度傳感器的實際位置確定各溫區的設置溫度，若溫度傳感器位置在發熱體內部，設置溫度比實際溫度高30℃左右。
    6.根據排風量的大小進行設置。一般回流焊爐對排風量都有具體要求，但實際排風量因各種原因有時會有所變化，確定一個產品的溫度曲線時，因考慮排風量，并定時測量。
15.6回流焊設備的質量
    回流焊質量與設備有著十分密切的關系，影響回流焊質量的有以下主要參數：
    1.溫度控制精度應達到土0.1～0.2℃；(溫度傳感器的靈敏度要滿足要求)。
    2.傳輸帶橫向溫差要求土5℃以下，否則很難保證焊接質量。
    3.傳送帶寬度要滿足最大PCB尺寸要求。
    4.加熱區長度越長、加熱區數量越多，越容易調整和控制溫度曲線。一般中小批量生產選擇4-5個溫區，加熱區長度1.8m左右的回流爐即能滿足要求。另外，上、下加熱器應獨立控溫，以便調整和控制溫度曲線。
    5.最高加熱溫度一般為300~350℃+，如果考慮無鉛焊料或金屬基板，應選擇350℃以上。
    6.傳送帶運行要平穩，傳送帶震動會造成移位、吊橋、冷焊等焊接缺陷。
    7.應具備溫度曲線測試功能，如果設備無此配置，應外購溫度曲線采集器。
      從以上分析可以看出，PCB設計和加工質量、元器件和焊膏質量是保證回流焊質量的基礎，因為這些問題在生產工藝中是很難甚至是無法解決的。同時也可以看出，只要PCB設計正確，PCB、元器件和焊膏的質量都是合格的，回流焊質量是可以通過印刷、貼裝、回流焊每道工序的工藝來控制的。

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