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SMT實(shí)用工藝基礎(chǔ)-回流焊接質(zhì)量分析

作者：博維科技 時(shí)間：2018-08-11 15:01
SMT回流焊接質(zhì)量分析
回流焊是SMT關(guān)鍵工藝之一，表面組裝的質(zhì)量直接體現(xiàn)在回流焊結(jié)果中。但回流焊中出現(xiàn)的焊接質(zhì)量問題不完全是回流焊工藝造成的，因?yàn)榛亓骱附淤|(zhì)量除了與焊接溫度(溫度曲線)有直接關(guān)系以外，還與生產(chǎn)線設(shè)備條件、PCB焊盤和可生產(chǎn)性設(shè)計(jì)、元器件可焊性、焊膏質(zhì)量、印制電路板的加工質(zhì)量，以及SMT每道工序的工藝參數(shù)，甚至與操作人員的操作都有密切的關(guān)系。
下面對影響回流焊質(zhì)量的因素作簡要分析：
15.1PCB焊盤設(shè)計(jì)
SMT的組裝質(zhì)量與PCB焊盤設(shè)計(jì)有著直接和十分重要的關(guān)系。如果PCB焊盤設(shè)計(jì)正確，貼裝時(shí)少量的歪斜可以在回流焊時(shí)，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(yīng))。相反，如果PCB焊盤設(shè)計(jì)不正確，即使貼裝位置十分準(zhǔn)確，回流焊后反而會(huì)出現(xiàn)元件位置偏移、吊橋等焊接缺陷。
1.PCB焊盤設(shè)計(jì)應(yīng)掌握的關(guān)鍵要素
根據(jù)各種元器件焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析(見圖15—1)，為了滿足焊點(diǎn)的可靠性要求，PCB焊盤設(shè)計(jì)應(yīng)掌握以下關(guān)鍵要素：
 
 
圖15-1  各種元器件焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)拇罱映叽纭：副P間距過大或過小都會(huì)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(diǎn)能夠形成彎月面(見圖15-2)。
 
圖15-2  矩形片式元件焊盤結(jié)構(gòu)示意圖
(4)焊盤寬度——應(yīng)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(chǎn)生的缺陷
如果違反了設(shè)計(jì)要求，回流焊時(shí)就會(huì)產(chǎn)生焊接缺陷而且PCB焊盤設(shè)計(jì)的問題在生產(chǎn)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(dāng)焊盤間距G過大或過小時(shí)，回流焊時(shí)由于元件焊端不能與焊盤搭接交疊，會(huì)產(chǎn)生吊橋、移位(見15-3)。
 
圖15-5   導(dǎo)通孔示意圖
15.2焊膏質(zhì)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(shí)金屬微粉隨著溶劑、氣體蒸發(fā)而飛濺；如金屬粉末的含氧量高，還會(huì)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(huì)塌陷，甚至造成粘連，回流焊時(shí)也會(huì)形成錫珠、橋接等焊接缺陷。
    焊膏使用不當(dāng)，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(chǎn)生水汽凝結(jié)，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(huì)產(chǎn)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(dāng)印制板受潮等情況下，回流焊時(shí)會(huì)產(chǎn)生潤濕不良、虛焊、錫珠、空洞等焊接缺陷。
15.3焊膏印刷質(zhì)量
    據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在PCB設(shè)計(jì)正確、元器件和印制板質(zhì)量有保證的前提下，表面組裝質(zhì)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(zhì)量。    
    影響印刷質(zhì)量的主要因素：    
    1.首先是模板質(zhì)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(huì)產(chǎn)生橋接，焊膏量過少會(huì)產(chǎn)生焊錫不足或虛焊。模板開口形狀以及開口是否光滑也會(huì)影響脫模質(zhì)量。模板開口一定要喇叭口向下，否則脫模時(shí)會(huì)從喇叭口倒角處帶出焊膏。    
    2.焊膏質(zhì)量——焊膏的粘度、印刷性(滾動(dòng)性、轉(zhuǎn)移性)、觸變陛、常溫下的使用壽命等都會(huì)影響印刷質(zhì)量。如果焊膏的印刷性不好，嚴(yán)重時(shí)焊膏只是在模板上滑動(dòng)，這種情況下是根本印不上焊膏的。    
    3.印刷工藝參數(shù)——焊膏是觸變流體，具有粘性。當(dāng)刮刀以一定速度和角度向前移動(dòng)時(shí)，推動(dòng)焊膏在刮板前滾動(dòng)，產(chǎn)生將焊膏注入網(wǎng)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(wǎng)板交接處產(chǎn)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(wǎng)孔或漏孔。刮刀速度、刮刀壓力、刮刀與網(wǎng)板的角度以及焊膏的粘度之間都存在一定的制約關(guān)系，因此只有正確控制這些參數(shù)，才能保證焊膏的印刷質(zhì)量。例如刮刀壓力過大、印刷時(shí)會(huì)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(shí)將模板底部的殘留焊膏檫干凈，印刷時(shí)使焊膏粘污焊盤以外的地方等等。這些因素都會(huì)引起橋接、虛焊、錫珠等焊接缺陷。
    4.設(shè)備精度方面——在印刷高密度窄間距產(chǎn)品時(shí)，印刷機(jī)的印刷精度和重復(fù)印刷精度也會(huì)起一定的作用。如果印刷機(jī)沒有配置視覺對中系統(tǒng)，即使人工圖形對準(zhǔn)時(shí)很精細(xì)，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(huán)境溫度、濕度、以及環(huán)境衛(wèi)生，對焊點(diǎn)質(zhì)量都有影響?；厥盏暮父嗯c新焊膏要分別存放，環(huán)境溫度過高會(huì)降低焊膏粘度，濕度過大時(shí)焊膏會(huì)吸收空氣中的水分，濕度過小時(shí)會(huì)加速焊膏中溶劑的揮發(fā)，環(huán)境中灰塵混入焊膏中也會(huì)使焊點(diǎn)產(chǎn)生針孔。
15.4貼裝元器件    .
    貼裝質(zhì)量的三要素是：元件正確、位置準(zhǔn)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(biāo)稱值和極性等特征標(biāo)記要符合產(chǎn)品的裝配圖和明細(xì)表要求，不能貼錯(cuò)位置。
    2.位置準(zhǔn)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?yàn)閮蓚€(gè)端頭Chip元件自定位效應(yīng)的作用比較大，貼裝時(shí)元件長度方向兩個(gè)端頭只要搭接到相應(yīng)的焊盤上，寬度方向有1／2搭接在焊盤上，回流焊時(shí)能夠自定位，但如果其中一個(gè)端頭沒有搭接到焊盤上，回流焊時(shí)就會(huì)產(chǎn)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(shí)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(yīng)在焊盤上。如果貼裝位置超出允許偏差范圍，必須進(jìn)行人工撥正后再進(jìn)入回流焊爐焊接；否則，回流焊后必須返修，會(huì)造成工時(shí)、材料浪費(fèi)，甚至?xí)绊懏a(chǎn)品可靠性。生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)貼裝位置超出允許偏差范圍時(shí)應(yīng)及時(shí)正貼裝坐標(biāo)。
    手工貼裝時(shí)要求貼裝位置準(zhǔn)確，引腳與焊盤對齊、居中，切勿貼放不準(zhǔn)，在焊膏上拖動(dòng)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(dāng)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(shí)的焊膏擠出量(長度)應(yīng)小于0.2mm，對于窄間距元器件貼片時(shí)的焊膏擠出量(長度)應(yīng)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(shí)容易產(chǎn)生位置移動(dòng)；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(shí)容易產(chǎn)生橋接，嚴(yán)重日姬會(huì)損壞元器件。
15.5回流焊溫度曲線
    溫度曲線是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，實(shí)時(shí)溫度曲線和焊膏溫度曲線的升溫斜率和峰值溫度應(yīng)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(fā)速度太快，容易濺出金屬成份，產(chǎn)生錫珠。峰值溫度一般設(shè)定在比焊膏金屬熔點(diǎn)高30-40℃左右(例如63Sn／37Pb焊膏的熔點(diǎn)為183℃，峰值溫度應(yīng)設(shè)置在215℃左右)，回流時(shí)間為30~60s。峰值溫度低或回流時(shí)間短，會(huì)使焊接不充分，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成焊膏不熔。峰值溫度過高或回流時(shí)間過長，容易造成金屬粉末氧化，影響焊接質(zhì)量；甚至?xí)p壞元器件和印制板。
    設(shè)置回流焊溫度曲線的依據(jù)：
    1.根據(jù)使用焊膏的溫度曲線進(jìn)行設(shè)置。不同金屬含量的焊膏有不同的溫度曲線，應(yīng)按照焊膏供應(yīng)商提供的溫度曲線進(jìn)行具體產(chǎn)品的回流焊溫度曲線設(shè)置。
    2.根據(jù)PCB板的材料、厚度、是否多層板、尺寸大小進(jìn)行設(shè)置。
    3.根據(jù)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(jìn)行設(shè)置。
    4.此外，根據(jù)設(shè)備的具體隋況，例如加熱區(qū)的長度、加熱源的材料、回流焊爐的構(gòu)造和熱傳導(dǎo)方式等因素進(jìn)行設(shè)置。
    熱風(fēng)(回流)爐和紅外(回流)爐有很大區(qū)別，紅外爐主要是輻射傳導(dǎo)，其優(yōu)點(diǎn)是熱效率高，溫度陡度大，易控制溫度曲線；雙面焊時(shí)，PCB上、下溫度易控制；其缺點(diǎn)是溫度不均勻。在同一塊PCB上由于器件線的要求。
    5.根據(jù)溫度傳感器的實(shí)際位置確定各溫區(qū)的設(shè)置溫度，若溫度傳感器位置在發(fā)熱體內(nèi)部，設(shè)置溫度比實(shí)際溫度高30℃左右。
    6.根據(jù)排風(fēng)量的大小進(jìn)行設(shè)置。一般回流焊爐對排風(fēng)量都有具體要求，但實(shí)際排風(fēng)量因各種原因有時(shí)會(huì)有所變化，確定一個(gè)產(chǎn)品的溫度曲線時(shí)，因考慮排風(fēng)量，并定時(shí)測量。
15.6回流焊設(shè)備的質(zhì)量
    回流焊質(zhì)量與設(shè)備有著十分密切的關(guān)系，影響回流焊質(zhì)量的有以下主要參數(shù)：
    1.溫度控制精度應(yīng)達(dá)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(zhì)量。
    3.傳送帶寬度要滿足最大PCB尺寸要求。
    4.加熱區(qū)長度越長、加熱區(qū)數(shù)量越多，越容易調(diào)整和控制溫度曲線。一般中小批量生產(chǎn)選擇4-5個(gè)溫區(qū)，加熱區(qū)長度1.8m左右的回流爐即能滿足要求。另外，上、下加熱器應(yīng)獨(dú)立控溫，以便調(diào)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(yīng)選擇350℃以上。
    6.傳送帶運(yùn)行要平穩(wěn)，傳送帶震動(dòng)會(huì)造成移位、吊橋、冷焊等焊接缺陷。
    7.應(yīng)具備溫度曲線測試功能，如果設(shè)備無此配置，應(yīng)外購溫度曲線采集器。    
      從以上分析可以看出，PCB設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量、元器件和焊膏質(zhì)量是保證回流焊質(zhì)量的基礎(chǔ)，因?yàn)檫@些問題在生產(chǎn)工藝中是很難甚至是無法解決的。 同時(shí)也可以看出，只要PCB設(shè)計(jì)正確，PCB、元器件和焊膏的質(zhì)量都是合格的，回流焊質(zhì)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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