波峰焊接生產過程中的常見缺陷及最佳應對方法
Brain Morrison
Vexos公司工程副總裁，直接負責工藝流程、測試和研發等業務，重點關注新客戶和新產品導入
多年來，隨著環境的變化和公司面臨的需求與挑戰的變化，最佳應對方法也在不斷發展，對於某個公司的最佳方法卻不一定適用於另一個公司。與表面貼裝相比，常被人們忽視的生產工藝是波峰焊接，如果對波峰焊接工藝管控不當，需要進行大量的修補和返工。
以下建議以經驗和最佳應對方法為基礎，但無意要求將其作為快速穩定的準則，可作為操作指南——至於哪一種方法對你的公司是最有效的，要視具體情況而定。
本文將主要介紹常見的波峰缺陷和最佳應對方法，從而預測並解決這些問題，並積極預防這些問題反覆出現。本文從元件選擇/考慮因素、設計、治具和工藝流程等要素方面詳細討論了解決缺陷的最佳應對方法。
到目前為止最常見的波峰焊缺陷是橋接，即導體之間出現了不必要的焊料。導致這一缺陷的因素包括元器件、設計、治具和工藝流程。
圖 1：表面貼裝元件底部的高度需要托盤更厚， 並進一步影響焊料流入和流出的能力
焊料橋接
元器件考慮因素
引線長度：在焊接過程中，設計中元件引線長度和PCB厚度規範規定了引線在焊料中突出部分的長度。確保引線長度既不要過短（也就是焊料無法接觸到引腳以發揮一定作用）也不要過長（即為相鄰引腳提供網狀通路），從而可能造成組件橋接。
指定元件引線長度的最佳方法是確保引線足夠長，長到可以為芯吸效應提供必要的熱傳遞以形成足夠的孔填充，同時又不會超過IPC-A-610所規定的最大突出值。一個很好的經驗法則是引線長度不能超過2個相鄰孔環之間的距離。做到這一點，網狀連接的可能性就會大幅降低，因為表面張力會讓焊料流到最近的銅區域。如果引線過長，建議通過元器件製備和引線修剪來獲得理想長度。
其他與元器件自身有關的考慮因素有PCB污染、元器件污染、氧化或阻焊層問題。
設計考慮因素
元器件朝向：特別是與具有至少兩行或兩行以上的較多引腳數的連接器有關，如果連接器的朝向與波峰平行，則會導致大量的橋接現象出現。
最佳應對方法就是要確保具有較多引腳數連接器的朝向與波峰垂直，從而最大程度地減少連接器尾端暴露的引腳數量，因為這個位置最有可能出現橋接。這種方法對於細間距尤為重要。如果無法調整連接器的朝向，那麼還可以採用在電路板內或選擇性波峰焊托盤上設計拖錫焊盤（在器件尾部邊緣放置非功能性焊盤或銅特徵，可將焊料有效地拖離最後一個引線以防止橋接出現）的方法來最大程度地減少橋接的出現。
治具考慮因素
選擇性焊料托盤設計的最佳方法包括在選擇性波峰焊托盤中恰當放置PCB。建議將電路板的角度放置在15°~30°之間，通過保證尾部只有幾個引腳來減少橋接現象出現。當具有較多引腳的連接器與波方向平行時，這種方法尤其有效。
波峰焊托盤底部有足夠大的波峰開口和焊料流動通道可以讓足夠多的焊料流動和實現助焊劑塗覆，防止焊料聚集形成橋接。一般情況下，像孔環外部邊緣到表面貼裝焊盤的最小間隙這樣的限制因素決定了開口的尺寸。為了設計適當，這個間隙建議為0.100」。
底部表面貼裝元件的高度會導致對托盤的厚度要求更高，從而會進一步影響焊料流入和流出容器的能力。縱橫比與焊料開口長度/寬度和焊料到達PCB底部所需的垂直行程有關。對於有鉛焊料而言，最小比例是1∶1，對於無鉛焊料而言是1∶3。也就是說，如果長度/寬度是0.150」，那麼有鉛焊料的最大垂直尺寸是0.150」。如果不按照這個縱橫比設計，就可能會妨礙焊料流動、增加波峰焊缺陷出現的機率。
此外，將電路板以15°的角度放置在波峰焊托盤上有助於控制一些引腳之間的橋接。一般而言，綜合使用上述方法能夠得出最佳方案。
工藝考慮因素
為應用選擇正確的助焊劑和適當的溫度曲線對焊料橋接的形成會產生重要影響，而針對熱量和所需的加熱曲線選擇合適的助焊劑對總良率也會產生重要影響。
一般情況下，固體成分含量較高的助焊劑在高溫環境下更加穩定，而水基助焊劑在高溫環境下的表現則稍遜一籌，更適合應用於焊接溫度較低的電路板。確保電路板的預熱溫度和停留時間與你選擇的助焊劑相適配，這是決定產品成敗的關鍵點。在波峰焊之前由於預熱溫度過高耗盡助焊劑可能會導致橋接。
圖 2：電鍍通孔與大面積銅平面的直接連接會在波峰焊期間充當散熱器。最佳做法是在這些區域釋放熱量，以便在焊接過程中保持適當的流動性
元器件浮起
另一種常見的缺陷是波峰焊後元器件浮起，這種缺陷主要出現在較小的元器件（例如軸向或徑向元件）中——但是在連接器和其他元器件上也很常見——也就是在接觸波峰的過程中元器件會浮起並被焊接固定。最常見的應對方法就是元件引線預成型和/或採用托盤固定元器件。
元件考慮因素
大多數浮起問題可以通過適當製備元器件（例如軸向和徑向元器件）來避免。通過引線成型或引線鉚接等機械方式將元器件固定在原來的位置上，這類方法是目前最常用的方法。和橋接一樣，引線過長導致元器件位置浮起也是一種常見的現象，因為引線會像槓桿一樣將元器件推離原來的位置。
治具考慮因素
像連接器這樣的元器件無法輕易固定在原來位置，所以需要通過其他方法來固定元器件，所以可以考慮使用膠水或夾鉗作為選擇性波峰焊的組成部分。
考慮夾臂時，一定要將這些裝置額外引入的熱量考慮在溫度曲線內，可能會需要使用不同的助焊劑來實現更好的性能。
工藝考慮因素
波峰的高度和使用的λ波與層流也會導致元件浮起增加。相對於托盤，確保波峰高度不超過PCB超出托盤厚度的50%，並且最大程度地減少使用紊流。
其他考慮因素還包括傳送帶震動、角度等。
焊料不足
另一種最常見的波峰焊缺陷是焊料不足，可以歸納為孔填充不完全或孔四周潤濕不完全。
這種情況與退潤濕或不潤濕有關，通常與焊料、電路板或元器件污染更有關。為了便於闡述，我們假設元件在加工之前是完好無損的。避免出現這類缺陷的最佳方法包括建立良好的來料檢驗流程，再採用符合IPC-TM-650規範的浸焊測試，檢查是否有可疑的受污染元器件或氧化的元器件。
設計考慮因素
常見的設計考慮因素是將電鍍通孔和較大的銅平面直接連接在一起，銅平面在波峰焊接的過程中成為了散熱片。解決這一問題的最佳辦法是在這些區域提供散熱限制以實現焊接過程中焊料的適當流動。熱輻條可以將這些區域隔離，大大增加了形成良好焊點的機率。
其他需要考慮的因素還包括元件引線直徑與電鍍通孔直徑的比率是否不匹配。電鍍通孔與引線直徑相比過大或是過小都會導致焊料不充足。電鍍通孔直徑與元器件引線直徑比推薦為0.6，這樣通常能獲得比較理想的焊接效果。
工藝考慮因素
一般而言，熱轉移或助焊劑不充分都會對焊料填充產生明顯影響。最常見的根本原因是由於溫度曲線過熱造成缺少助焊劑滲入或沒有助焊劑。
像Fluxometer這樣的產品（使用酸性紙和經過特殊設計且帶有常規間距電鍍通孔的PCB）可以保證助焊劑的用量適當且助焊劑滲入（即壓力）程度可達到最理想效果。
包括均勻性測試（lev-checks）或Wave RIDER在內的常規檢查或月度檢查可以顯示出波峰均勻性、溫度曲線和波峰焊接爐的整體表現，建議進行這類常規檢查，以確保與設備相關的工藝偏差不會導致缺陷產生。
焊料空洞
當焊點中有小孔可以穿透焊料連接表層的時候，會出現焊料空洞或排氣孔（氣孔和針孔）。通常是因為焊接過程中從焊點排出氣體時截留了水分。
圖 3：Fluxometer 可用於確保適當的助焊劑量和滲透率，以實現最佳使用效果
工藝考慮因素
和元器件一樣，PCB也容易受潮，但是通常不會以處理濕敏元器件的方式處理PCB。一般來說，所有的PCB都應該是MSL 3級，應該像對待其它濕敏元器件一樣對PCB進行管控。
最佳方法是確保PCB密封妥當且只能在使用前開封。檢查PCB暴露在空氣中的時間時，應當將表面貼裝迴流焊和波峰焊這樣的熱循環操作之間的延長時間計算在內。如果在上一個熱循環操作完成後的72小時之內沒有焊接電路板，應該根據J-STD-033的規定烘乾電路板以去除濕氣，或將電路板放入相對濕度
焊料球
焊料球和焊料飛濺缺陷通常出現在波峰焊接之後，指的是小焊料球粘附在層壓板、阻焊膜或導體上。焊料球通常分為三種：隨機、非隨機和焊料飛濺（splash back），都與工藝流程有關。
工藝考慮因素
隨機焊料球最容易解決，通常是在波峰焊之前使用了過多助焊劑或波峰高度不均勻的情況下會出現。如果你在電路板進行波峰焊接的過程中聽到了「滋滋」的聲音，則表明預熱溫度過低、助焊劑用量過多或者是波峰溫度設定過高。
非隨機焊料球在同一位置出現，也可能出現在元器件尾端引腳位置，出現這種情況的最常見原因是助焊劑用量不足或預熱溫度過高。
焊料飛濺（Splash back）最常見原因是波峰過高或波峰中出現過多紊流。如果設計得當，95%的應用都可以只用層流進行焊接，建議使用這種方法來避免焊料球的出現。
最佳應對方法是使用Fluxometer和WaveRIDER 這樣的工具來檢查平行度和助焊劑的適度優化，從而最大程度地避免焊料球出現。
圖 4: Vexos 生產線
治具考慮因素
波峰焊托盤中截留了水分的區域也可能導致焊料球出現。檢查托盤中用於焊料流動的設計，確保有足夠的流動通道或排氣孔讓氣體在焊接過程中可以順利排出，這樣能夠最大程度地避免焊料球和飛濺現象出現。
拉尖、焊旗和焊料過多
焊尖、焊旗（喇叭形）以及過多的焊料是指PCB在焊接過程中累積了過多的焊料，或焊點形成了不理想的焊料突出部分。導致這一問題出現的最普遍原因是工藝。
工藝考慮因素
到目前為止，最常見的原因是波峰焊接槽的溫度過低或是在焊接槽中停留的時間不足。建議最佳應對方法是停留3~5秒形成良好的焊點。像爐溫測試儀這樣的工具就可以有效監測焊料槽的溫度變化。強烈建議定期對焊料槽的溫度進行測量以確保溫度適當。機器上顯示的波峰焊接槽溫度讀數並不一定是實際的溫度，所以一定要監控。
最佳應對方法包括正規的設計審查到圍繞關鍵波峰參數（例如焊料槽溫度、預熱溫度、停留時間、平行程度和助焊劑優化）工藝控制實施，只有採用了最佳應對方法才能確保防止缺陷出現。
像可製造性設計（DFM）或可組裝性設計（DFA）這樣的設計策略在應用設計準則的時候可以節省大量時間，從而確保能夠在設計初期就確定PCB設計考慮因素、熱要求、製造兼容性和相關因素，這期間若做出調整改變只需要較少的成本。
儘早與戰略製造合作方保持一致是非常重要的，這樣才能針對設計的方方面面給出相關反饋，因為早期制定的設計決策會影響到產品在整個壽命周期內的長期可行性和成本。
TAG:電子時代 |