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选择焊——实现通孔元器件的零缺陷焊接(一)

【来源:EM asia China电子制造中国】【作者:谢健浩—ERSA】【时间: 2008-3-21 10:05:34】【点击:


在现代电子焊接技术的发展历程中,经历了两次 历史性的变革:第一次是从通孔焊接技术向表面贴装焊接技术的转变;第二次便是我们正在经历的从有铅焊接技术向无铅焊接技术的转变。

焊接技术的演变直接带来了两个结果:一是线路板上所需焊接的通孔元器件越来越少(见图1);二是通孔元器 件(尤其是大热容量或细间距元器件,见图2)的焊接难度越来越大,特别是对无铅和高可靠性要求的产品。

再来看看全球电子组装行业目前所面临的新挑战: ? 全球竞争迫使生产厂商必须在更短时间里将产品推向 市场,以满足客户不断变化的要求 ? 产品需求的季节性变化,要求灵活的生产制造理念 ? 全球竞争迫使生产厂商在提升品质的前提下降低运行 成本 ? 无铅生产已是大势所趋

上述挑战都自然地反映在生产方式和设备的选择上, 这也是为什么选择性波峰焊(以下简称选择焊)在近年来 比其他焊接方式发展得都要快的主要原因;当然,无铅时 代的到来也是推动其发展的另一个重要因素。

通孔焊接技术并未过时

虽然目前表面贴装技术已成为电子产品组装技术的主 流,但是由于以下一些原因,通孔焊接技术在电子组装行 业仍占有一席之地:

  1. 一些元器件,如连接器、传感器、变压器和屏蔽罩 等仍然无法做到完全表贴化;
  2. 由于成本等方面的原因,不少企业在元器件的选择 上仍会考虑通孔元器件;
  3. 在国防、汽车和高端通信等行业,为了追求焊点在 极限条件下的可靠性,通孔元器件仍然是最佳选择(表贴 元器件的焊接是在一个面上完成的,而通孔元器件焊接 中,焊料包裹了整个元器件的引脚,从力学角度衡量可靠 性更佳)。

通孔元器件焊接技术的比较

目前,通孔元器件的焊接主要采用手工焊、波峰焊和 选择焊等几种焊接技术,它们的特点各不相同,下面我们进行一下简单的分析:

手工焊接

手工焊接由于具有历史悠久、成本低、灵活性高等优 势,至今仍被广泛采用。但是,在可靠性要求高、焊接难 度大的一些应用中,由于下述原因受到相当的制约:

  1. 烙铁头的温度难以精确控制,这是一个最根本的问 题。如果烙铁头温度过低,容易造成焊接温度低于工艺窗 口的下限而形成冷焊或虚焊;同时,由于烙铁的热回复性 毕竟有限,非常容易导致金属化通孔内透锡不良。烙铁头 温度过高,容易使焊接温度高于工艺窗口上限而形成过厚 的金属间化合物层,从而导致焊点变脆、强度下降,并可 能导致焊盘脱落使线路板报废;
  2. 焊点质量的好坏往往受到操作者的知识、技能和情 绪的影响,很难进行控制;
  3. 劳动力较机器设备的成本优势正在逐渐丧失。

波峰焊

波峰焊设备发明至今已有50多年的历史了,在通孔 元器件电路板的制造中具有生产效率高和产量大等优点, 因此曾经是电子产品自动化大批量生产中最主要的焊接设 备。但是,在其应用中,也存在有一定的局限性:

1.同一块线路板上的不同焊点因其特性不同(如热容 量、引脚间距、透锡要求等),其所需的焊接参数可能大 相径庭。但是,波峰焊的特点是使整块线路板上的所有焊 点在同一设定参数 下完成焊接,因而 不同焊点间需要彼 此“将就”,这使 得波峰焊较难完全 满足高品质线路板 的焊接要求;

2. 在实际应用 中比较容易出现以 下问题:

  • 热冲击过大时容易造成整块线路板变形,从而使线路 板顶部的元器件焊点开路(见图3)
  • 双面混装电路板上焊好的表贴器件可能出现二次熔化
  • 焊好的热敏器件(电容,LED等)容易因温度过高而 损坏
  • 为防止上述情况的发生而使用的工装夹具容易形成 焊接阴影进而造成冷焊

3. 运行成本较高。 在波峰焊的实际应用中, 助焊剂的全板喷涂和锡渣 的产生都带来了较高的运 行成本;尤其是无铅焊接 时,因为无铅焊料的价格 是有铅焊料的3倍以上, 锡渣产生所带来的运行成 本增加是很惊人的。此 外,无铅焊料不断熔解焊 盘上的铜,时间一长便会使锡缸中的焊料成分发生变化, 这需要定期添加纯锡和昂贵的银来加以解决(见图4);

4.维护与保养麻烦。生产中残余的助焊剂会留在波峰 焊的传送系统中,而且产生的锡渣需要定期清除,这些都 给使用者带来较为繁复的设备维护与保养工作;

5. 线路板设计不良给生产带来一定的困难。有些线路 板在焊接时,由于设计者没有考虑到生产实际情况,无论 我们设定什么样的波峰焊参数和采用各种夹具,焊接效果 总是难以让人完全满意(例如,某些关键部位总是存在透 锡不良或桥连等缺陷)。波峰焊后不得不进行补焊,从而 降低了产品的长期可靠性。

选择焊

选择焊是为了满足通孔元器件焊接发展要求而发明的一 种特殊形式的波峰焊。选择焊一般由助焊剂喷涂、预热和焊 接三个模块构成。通过设备编程装置,助焊剂喷涂模块可对 每个焊点依次完成助焊剂选择性喷涂,经预热模块预热后, 再由焊接模块对每个焊点逐点完成焊接。

由于使用选择焊进行焊接时,每一个焊点的焊接参数都 可以“度身定制”,我们不必再“将就”。工程师有足够的 工艺调整空间把每个焊点的焊接参数(助焊剂的喷涂量、焊 接时间、焊接波峰高度等)调至最佳,缺陷率由此降低,我 们甚至有可能做到通孔元器件的零缺陷焊接(见图5)。

选择焊只是针对所需要焊接的点进行助焊剂的选择性 喷涂,线路板的清洁度因此大大提高,同时离子污染量大 大降低。助焊剂中的NA+ 离子和CL-离子如果残留在线路板 上,时间一长会与空气中的水分子结合形成盐从而腐蚀线 路板和焊点,最终造成焊点开路。因此,传统的生产方式 往往需要对焊接完的线路板进行清洗,而选择焊则从根本 上解决了这一问题(见图6)。

焊接中的升温和降温过程都会给线路板带来热冲击, 其强度在无铅焊接中尤为突出。

无铅波峰焊的波峰温度一般为260℃左右,比有铅波峰 焊高10~15℃。在焊接时,整块线路板的温度经历了从室 温到260℃,再冷却到室温的过程,这一升一降的两个温度 变化过程所带来的热冲击会使线路板上不同材质的物体因 为热胀冷缩系数不同而形成剪切应力,比如说BGA器件(见 图7),在承受热冲击时便会在焊球的顶部与底部形成剪切应力,当这个剪切应力大到一定程度时便会使BGA形成分层 和微裂缝(见图8)。这样的缺陷很难检测(即使借助X光 机和AOI),而且焊点在物理连接上仍然导通(也无法通过 功能测试检测),但是当产品在实际使用中该焊点受到震 动等外来因素影响时,很容易形成开路。

选择焊只是针对特定点的焊接,无论是在点焊和拖焊 时都不会对整块线路板造成热冲击,因此也不会在BGA等 表面贴装器件上形成明显的剪切应力,从而避免了热冲击 所带来的各类缺陷。

无铅焊接所需温度高,焊料可焊性和流动性差,焊料 的熔铜性强。ERSA早在1995年就预见到了这些趋势并发明 了全世界第一台选择焊设备。最新的ERSA Versaflow系列 选择焊更是完全满足了无铅需求,提供给用户全系列的选 择焊设备,以宽泛满足所有产品对选择焊的需求。

 


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