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SMT貼片加工淺析無(wú)鉛波峰焊有哪些工藝流程

2023-09-30 15:38:06 作者：SMT貼片加工

大家好，我是小編SMT貼片加工，今天給大家講下關(guān)于無(wú)鉛波峰焊工藝流程：

無(wú)鉛波峰焊的焊料波表面覆蓋著一層均勻的氧化層。在整個(gè)焊料波的長(zhǎng)度方向上，它基本上是保持靜止的。在波峰焊接過(guò)程中，PCB接觸到焊料波的前沿表面時(shí)，氧化層會(huì)破裂。PCB前面的焊料波會(huì)順利地向前推進(jìn)，這表明整個(gè)氧化層與PCB以相同的速率移動(dòng)。

當(dāng)PCB進(jìn)入波峰焊前端時(shí)，基板和引腳會(huì)被加熱，并在離開(kāi)波峰焊前端之前，整個(gè)PCB會(huì)完全浸泡在焊料中，與焊料形成橋聯(lián)。但在離開(kāi)波峰焊尾部的瞬間，少量焊料會(huì)因?yàn)闈?rùn)濕力的作用，附著在焊層上，并因?yàn)楸砻鎻埩Φ脑?，焊料?huì)緊收縮在導(dǎo)線周圍，達(dá)到最小狀態(tài)。這樣，焊料與焊層之間的潤(rùn)濕力會(huì)大于兩個(gè)焊層之間的焊料的粘結(jié)力。因此，焊點(diǎn)會(huì)形成飽滿、圓整的樣子，而多余的焊料則會(huì)因?yàn)橹亓Φ淖饔没芈涞胶稿a鍋中。

無(wú)鉛焊料的還原性

無(wú)鉛焊料在焊接過(guò)程中的還原性能非常重要。還原性是指焊料在高溫下的還原性能，即焊料能否還原氧化物、水和其他無(wú)機(jī)物質(zhì)。良好的還原性能可以確保焊接過(guò)程中的有效熔化和合金化，提高焊縫的質(zhì)量和可靠性。

為了提高無(wú)鉛焊料的還原性，一方面可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)和選擇焊料成分來(lái)增強(qiáng)其還原能力。另一方面，控制焊接過(guò)程中的氣氛和溫度也是至關(guān)重要的。使用惰性氣體（例如氮?dú)猓┳鳛楸Ｗo(hù)氣體可以減少氧氣的接觸，防止還原劑在焊接過(guò)程中被氧化。此外，合理控制焊接溫度和加熱速度，以避免焊料被過(guò)多的氧化物所包圍。

綜上所述，無(wú)鉛焊料的還原性是影響焊接質(zhì)量和效果的重要因素，通過(guò)改進(jìn)焊料成分和控制焊接過(guò)程條件，可以提高焊接的質(zhì)量和可靠性。

與Sn-Pb合金焊料相比，高含量Sn的無(wú)鉛焊料在高溫焊接中更容易氧化。這會(huì)導(dǎo)致在錫爐液位上形成氧化物殘留物(SnO2)，影響焊接質(zhì)量，并造成浪費(fèi)。典型的錫渣結(jié)構(gòu)是90%的可用金屬位于中心位置，而外部包含10%的氧化物構(gòu)成[6]。產(chǎn)生錫渣的原因有：

1）焊接材料的質(zhì)量水平；

2）焊接的溫度；

3）山峰的高度；

4）峰值的干擾程度。

隨著溫度的增加，無(wú)鉛焊料的還原性會(huì)提高。在高溫下，錫爐表面的氧化物厚度如下所示：

這里有一個(gè)公式：k=k0exp(-B/T)

m=質(zhì)量（公斤）

A=面積（平方米）

k是生長(zhǎng)系數(shù)。

B是一個(gè)常數(shù)。

T=絕對(duì)溫度（K）

在相同的條件下，純錫的導(dǎo)熱系數(shù)是Sn-Pb合金的兩倍，并且無(wú)鉛焊料的焊接溫度要比Sn-Pb合金更高，因此無(wú)鉛焊料具有更強(qiáng)的氧化速率。為了避免無(wú)鉛焊料的氧化問(wèn)題，我們可以改進(jìn)錫爐的噴口，最好的解決方法是使用氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)。

改進(jìn)錫爐噴嘴的結(jié)構(gòu)主要是控制波峰的高度和擾動(dòng)，以降低無(wú)鉛焊料的氧化情況。而氮?dú)獗Ｗo(hù)則通過(guò)減少氧氣濃度，從根本上減少無(wú)鉛焊料的氧化，其效果十分顯著。隨著氧氣濃度的降低，無(wú)鉛焊料的氧化量明顯減少。當(dāng)?shù)獨(dú)獗Ｗo(hù)中氧氣含量達(dá)到50ppm或以下時(shí)，無(wú)鉛焊料基本上不再發(fā)生氧化。而當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁繛?6m3/h時(shí)，可以視為降低氧氣含量的臨界點(diǎn)。

錫爐的腐蝕性很高。

當(dāng)在PCB上安裝電子元件時(shí)，使用無(wú)鉛波峰焊接技術(shù)。與使用含鉛的焊料相比，使用無(wú)鉛焊料需要更高的焊接溫度，大約高出30-50℃。同時(shí)，無(wú)鉛焊料的錫含量大大增加，一般在95%以上。這就導(dǎo)致了無(wú)鉛焊料對(duì)錫爐和噴口腐蝕性的增強(qiáng)。國(guó)內(nèi)通常選擇SUS304和SUS316型不銹鋼作為錫爐材料。實(shí)驗(yàn)證明，在高溫環(huán)境下，高錫含量無(wú)鉛焊料對(duì)不銹鋼板材的腐蝕明顯。受腐蝕影響最大的部分是與焊料接觸的部位，例如泵的葉輪、輸送管和噴口。

不銹鋼具有耐腐蝕性的原因是由于合金成分Cr的作用。對(duì)于大部分材料，包括普通的Sn-Pb焊料合金，不銹鋼都具有良好的耐腐蝕性能。但是對(duì)于高Sn無(wú)鉛焊料來(lái)說(shuō)，在高溫下它能夠更好地鋪展在不銹鋼表面，容易產(chǎn)生浸潤(rùn)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致不銹鋼的浸潤(rùn)腐蝕。此外，在波峰焊過(guò)程中，液體合金焊料會(huì)不斷流動(dòng)，并沖刷與之接觸的表面，導(dǎo)致沖刷腐蝕。這就是為什么泵的葉輪、輸送管和噴口處的腐蝕更加嚴(yán)重的原因。為了檢測(cè)無(wú)鉛焊料對(duì)不銹鋼腐蝕的情況，我們可以使用X射線化學(xué)分析儀進(jìn)行截面成分檢測(cè)。

無(wú)鉛焊料可以完全濕潤(rùn)不銹鋼表面，并與不銹鋼基材發(fā)生相互滲透。這種滲透最終導(dǎo)致不銹鋼錫爐和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的腐蝕。

為了防止高Sn無(wú)鉛焊料對(duì)波峰焊設(shè)備造成腐蝕，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，無(wú)鉛波峰焊設(shè)備通常選擇以下材料來(lái)制作錫爐的葉輪、輸送管和噴嘴：

1）鈦及其合金的結(jié)構(gòu)；

2）不銹鋼進(jìn)行表面滲氮處理；

3）將不銹鋼表面噴涂上陶瓷。

在制造錫爐時(shí)，常常使用的材料有：

1）鈦和其合金；

2）鑄鐵；

3）將不銹鋼表面噴涂陶瓷。

4）進(jìn)行氮滲透處理的不銹鋼表面。

錫爐溫度

無(wú)鉛波峰焊接的溫度不等同于錫爐的溫度。在線測(cè)試結(jié)果表明，一般焊接溫度要比錫爐溫度低約5℃，也就是說(shuō)，250℃的浸濕性能參數(shù)大致相當(dāng)于255℃的錫爐溫度。

研究表明，對(duì)于一般無(wú)鉛焊料合金而言，最適宜的錫爐溫度為271℃。在這種溫度下，Sn/Ag、Sn/Cu、Sn/Ag/Cu合金通常具有最短的潮濕時(shí)間和最大的潮濕力。當(dāng)選擇不同的助焊劑時(shí)，無(wú)鉛焊料的潤(rùn)濕性能在最佳錫爐溫度上有所差異，但差距并不大。對(duì)于選擇低固含量的免清洗助焊劑進(jìn)行波峰焊接過(guò)程而言。

無(wú)鉛波峰焊錫爐的溫度對(duì)焊接質(zhì)量有很大的影響。如果溫度偏低，焊錫波峰的流動(dòng)性將下降，表面張力變大。這會(huì)容易導(dǎo)致焊接缺陷，如虛焊和拉尖，喪失波峰焊接的優(yōu)勢(shì)。而如果溫度較高，元器件可能會(huì)遭受高溫?fù)p壞。同時(shí)，高溫也會(huì)加速無(wú)鉛焊料的表面氧化。

波峰高度

波峰的高低直接影響到波峰的穩(wěn)定性以及焊錫在波峰表面的流動(dòng)情況。適當(dāng)?shù)牟ǚ甯叨瓤梢源_保PCB板上有足夠的錫液壓力，使得焊點(diǎn)與焊錫能夠充分接觸。穩(wěn)定的波峰可以保證整個(gè)PCB板在焊接過(guò)程中得到均勻的焊接效果。當(dāng)波峰高度較高時(shí)，說(shuō)明泵內(nèi)液體焊料的流速增加。

當(dāng)雷諾數(shù)增大時(shí)，液體流體會(huì)變得湍流，并可能引起波峰不穩(wěn)定，從而損壞PCB上的電子元件。然而，增加波峰對(duì)于填充焊縫是有幫助的。但是，這也容易引起焊接缺陷，例如拉尖和橋連。當(dāng)波峰較低時(shí)，泵內(nèi)液體釬料流速較慢，呈層流狀態(tài)，因此波峰較穩(wěn)定。但是，這也會(huì)使焊錫的流動(dòng)性變差，可能導(dǎo)致錫點(diǎn)不飽滿等問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，波峰的高度應(yīng)保持在PCB板厚度的1/2至2/3，以確保焊點(diǎn)的外觀和可靠性達(dá)到最佳水平。

浸錫時(shí)間

無(wú)鉛波峰焊的浸入和撤出熔化焊料波峰的速度對(duì)浸濕質(zhì)量、焊點(diǎn)的均勻度和薄厚影響很大。焊料會(huì)被吸收到PCB焊層的埋孔內(nèi)，然后立即發(fā)生熱交換。當(dāng)印制板離開(kāi)波峰時(shí)，潛熱會(huì)被釋放，焊料從液相變成固相。在錫爐溫度在250℃-260℃左右、焊接溫度在245℃左右的情況下，焊接時(shí)間應(yīng)為3-5秒左右。換句話說(shuō)，PCB某一導(dǎo)線腳與波峰的接觸時(shí)間為3-5秒，但由于室內(nèi)溫度的變化，助焊劑的性能和焊料的溫度也會(huì)不同，因此接觸時(shí)間會(huì)有所不同。