接触时间对铅波峰焊的影响

来源:收集 点击数:33 更新时间:2019/6/12 9:49:33

摘要

  接触时间对铅波峰焊的影响,如今无铅焊料使用越来越频繁,因此人们专为波峰焊设备引入了一套全新的工艺参数,以达到高效焊接。要实现可靠的工艺焊接,保证足够的透锡性,确定波峰的流动特性至关重要。波峰焊工艺以各种形式出现在工业中,每种形式使用无铅焊接都有各自的优缺点。要保证足够的透锡性,方法之一是增加和片状波峰的接触时间。


  最新成果为接触时间的增加上取得革命性进展,从而透锡性得以加强,本文将重点讨论此方法。包括氮气对透锡性的影响。除了实验性工作,本文还对许多波峰焊种类进行对比和讨论,包括:“A”型波,层波,双波,惰性气体波,隧道波,非惰性气体波等。本文将为提高旧版波峰焊设备利用率和改进新设备以优化无铅焊接提供技术信息。

介绍


  许多厂商正在从传统焊接转换无铅焊接的过程中。由于终端产品变得更加“绿色”,工艺工程师面临的组装越来越复杂,因此更加需要使用无铅焊料。如果想知道SMT组装线实际的工作流程,我们可以参照图1,焊点。电路板基板,元件,连接器等通常可以在任何地方制造。大多数电路板组装公司花费数百万美元在检测设备,贴片机,印刷机,以及在线监测设备,但唯独对真正只进行制造的机器投资甚少。


           图1:焊点
  除了无铅波峰焊工艺变得复杂,电路板设计也变得复杂化。无论是无铅焊接还是有铅焊接,大型多层服务器电路 板对波峰焊工艺的要求越来越高。如果以传统的方式进行焊接,电路板产量就会降低,生产速度会变慢,返工率 会变高,这样大大增加了失败的风险。在焊接工艺中,最主要的问题是透锡性。厚重的基板,大型元件占用了形 成焊点所需的热量。如今,可通过长时间接触焊料喷嘴来提高产量,增加焊接速度,为复杂的焊接生产增加透锡性。


焊料喷嘴种类

   波峰焊制造商为不同种类和配置的喷嘴提供一系列的零配件,并为波峰焊工艺提供一系列卓越的焊接技术。想象 一下,如果我们的基板和元件都没有问题,那么形成良好的焊点所需的条件是什么呢?答案是在电路板离开波峰时,要有大量的热能,长久的接触时间,足够的助焊剂,良好的焊接表面及焊料流动特性,才能形成良好焊点。因此,焊接工艺出现问题时,只要把这几点牢记心中,问题就能很快地迎刃而解。如果这些基本的要求没有达 到,再完美的喷嘴无法形成可被接受的焊点。


   在最简单的分类中,波峰焊可分为单波工艺或双波工艺。单波系统包括一些层流平滑波。双波系统在平滑波之 前有一个额外波,而双波的平滑波经常是不稳定的。平滑波有两种基本类型。一种是"A"波,它有两个方向,可 进行高速双向流动。另一种是层流波或λ波,其特点是在低速流动的波的主面高速流动,沿着喷嘴的轨迹,与传 送带速度相匹配。扰流波应用在双波系统中,一般比较窄。这些波提供额外的接触时间,少元件遮蔽效应,并 产生额外的锡渣。由于无铅焊料价格越来越高,如果不是必须,大可以不用。下图2是波峰焊供应商提供的基本波形。

   
                       图2-波峰焊喷嘴曲线图


   如今一种技术可以延长双波峰系统接触时间,称为最大停留时间,即扰流宽波结合延长接触时间的平滑波。对于 高度复杂的厚基板来说,此设置越来越受欢迎,详见下图3.

 
                图3-波峰最大停留时间  

 

 


   每种类型和配置的喷嘴都有特定的焊料接触/停留时间及传送速度。通常来讲,单A型波接触时间最短,双延长接 触波时间最长。下表1列出了常见类型的喷嘴接触时间。  
                                                  表1-接触时间


喷嘴类型

传送带速度

0.8 m/min

1.4 m/min

单A型波

3.6 seconds

2.0 seconds

单平滑波

4.9 seconds

2.8 seconds

双A型波

4.3 seconds

2.4 seconds

双平滑波

5.7 seconds

3.2 seconds

延长接触双波

10.5 seconds

6.0 seconds



波峰焊环境
    由于可选的喷嘴类型非常广泛,因此既可以在自然环境下焊接,也可以在惰性氮气环境下焊接。各种各样的零配件也为惰性环境下焊接提供便利条件,但无论哪种惰性气体环境下焊接,归结起来只有两种类型:局部充气和整体充气。


     整体充气系统提供一个包围着焊接区的封闭区。在此区域下的气体完全是惰性气体,当基板通过其中时,产品和锡槽也都在惰性气体环境内。早期的隧道系统贯穿整个焊接工艺,包括预热部分。随着时间的推移,当需要惰性焊接时,隧道系统仅变成了首选系统。边界层系统只惰化电路板下面,并利用电路板本身提供惰性环境。隧道系统产生的锡渣较少,但维护成本,氮气消耗和成本支出较高。具备充气系统产生的锡渣较多,设备成本低,只惰化波峰区。


喷嘴选择
   在所有的选项中,哪种无铅应用是最好的?不幸的是,没有一种系统可以满足所有需求。每道工艺,操作员都要检查装配线上要生产的产品,选择最能满足他们要求的系统类型。下表2列出了常见复杂的电路板,并可作为选择喷嘴的经验法则。

                                                                 表2-复杂电路板类型

Cat.

特性

工艺因素

喷嘴类型

1

- 小于等于0.062”

- 低热量挑战

- 元件密度低

- 尺寸小于10”×12”

- 预热灵活

- 接触时间<5秒

- 喷嘴孔温度250℃到265℃

- 工具简单,返修少

A型单波

单平滑波 双波(如有需要)

2

- 厚度0.093”

- 热量挑战增加

- 元件密度有所不同

- 尺寸不尽相同,但往往偏大

- 各个生产线上工艺窗口变窄

- 接触时间通常为5 - 7秒

- 喷嘴孔温度增加到265℃+

- 返修困难,但可返修

平滑动荡波 延长接触双波

3

厚度超过0.093,为3/16” 显著的热稳定性和设计问题 板大,价值高敏感的混合技术设计

选择性波峰焊治具通常大厚且重 接触时间超过7秒 返修易造成报废

工艺对长期可靠性的影响成为一个重要因素

延长接触双波

   鉴于本文的重点是研究接触时间对无铅波峰焊的影响,文章将继续讨论多层服务器厚板类型,并解决使用无铅焊接时透锡难题。

大于0.093”电路板的穿孔
    在延长接触双波系统出现之前,工艺工程师仅局限于通过减慢传送带速度来增加接触时间以达到更高收益。不幸的是,这样做会降低生产率,加大产品热降解。为解决此问题,减慢A型波和平滑波喷嘴系统的速度,可以实现最后一个预热器和第一个波之间温度进一步降低同时也可以降低双波系统中两个波之间的温度。另外,各个波之间焊点的固化也会加大残余助焊剂的降解。解决的办法是当电路板从两波之间经过,为它提供更多的接触时间,并尽量减少温度下降。这可以通过大幅度增加初始扰流波的宽度和减小扰流波和平滑的波之间的间隙来实现。图4显示焊点热曲线图,可作为A型波,平滑波,延长接触双波系统的参考。
                    图4-焊点热曲线图


工艺测试
    对延长接触双波和平滑双波作了DOE(Design of Experiment)比较测试。为QFP,通孔元件和Pin脚记录透锡,少锡,多锡(结块)现象。使用的测试板厚度为0.093”,内层铜为2oz.外侧涂层为OSP,所有的测试都使用一种助焊剂和一种焊料合金(SAC 305)。初期筛选测试为了确定助焊剂低端沉积速度,此沉积的助焊剂用在整个测试中。测试分别在空气和氮气整体充气环境下进行,并设定了传送带速度,它们和平滑波接触时间分别为3秒和6秒。使用的测试载体见图5.


                        图5-测试载体


   通过数据的测试和统计分析,结果表明,无论是在空气还是在氮气环境下,延长接触双波要优于平滑波。图6-7显示此次测试的重要结果。参照测试数据,DOE总结如下:        

1. -空气环境下延长接触双波       

2. - 空气环境下双平滑波      

3. - 氮气环境下双平滑波       

4. - 氮气环境下延长接触双波

                         

 图6总测试结果

 图7总测试结果


接触时间和铜耗
    增加接触时间需要考虑由于焊料溶解和腐蚀,而造成铜pad和电镀穿孔(PTH)降解问题,尤其在使用含锡量较高的无铅焊料时。因此,额外增加了一项DOE测试来分析焊料腐蚀的影响。DOE测试四个因素:合金类型,传送带速度,波的形态及电路板供应商。电路板供应商只作为一个变量来稳定数据,否则有可能使用一个供应商的一个板子,只得到一组数据。使用来自2个供应商的2个板子能确定结果会是多种多样的。影响因素还包括填充电镀穿孔焊料的铜的厚度,使用的合金是SAC305还是锡铜镍合金无铅焊料。

传送带速度为1.5,3.0,及 4.5 ft/min,由两个电路板供应商提供基板。下图8中列明了厚度改变前后的测定方法。

                  图8-测试方法说明
    应当指出的是,铜在电路板中的变化是很明显的,内板达到50微米高。当前后效果进行比较时,就要考虑这些变化。下图9显示了测试样品的典型剖面。

    图9 -  SPTH(波形 - 芯片+主板,SAC 305,传送带速度1.5FPM,电路板供应商 - A)
    这四个因素中,波形对铜的腐蚀影响最大。这三个波形分别是:单宽扰流波,单平滑波及两种双波。

图10显示了使用三种传送速度时,两种合金间铜的损耗。
                 铜的损耗及SAC305和Sn-Cu-Ni
图10-铜传送时损耗                          

传送带速度

测试总结如下:
1.铜会随着接触时间增加而有所消耗。2.像在其他工作中预测的那样,锡铜镍合金会损耗较少材料。3.没有迹象显示腐蚀比溶解明显。4.使用不同电路板和供应商的调查结果是非常有必要的,不仅因为孔到孔的范围不一样,也因为应该使用不同的方法对由于使用合金造成铜的损耗      做出严格的测定。5.任何合金长时间接触焊料都会有影响,因此在工艺设计中,这也是一个要考虑的因素。不巧的是进行微观截面分析所需数据资料非常少,并且单      独电路板和电路板之间变量很少,同时不同电路板供应商是完全不可控变量。


实践经验
    使用延长接触双波一直受到用户的好评。在某一现场,不合格率降低47%,合格率从25dpm增加到47dpm。该产品是大型服务器厚板。透锡质量得到提升,焊料空洞完全消除。此外,锡渣从1.4公斤/小时减少到30 克/小时,除渣维护间隔从8小时增加到72小时。图11显示在空气系统中(右),局部惰性气体系统中(中)及整体惰性气体系统中(左)锡渣产生的视觉对比。
图11-锡渣对比


总结
    在波峰焊喷嘴设计中,存在许多变量,每种变量都有各自的优缺点。这些系统中,波接触时间也有所差异,并且接触时间是能否提供高质量焊点的关键因素。工艺工程师应当根据焊接的产品选择最合适的喷嘴系统。无铅焊料在波峰焊系统中继续创造全新的工艺挑战。使用当前传统标准的喷嘴来焊接厚重复杂的电路板非常困难。不过,使用延长接触双波就可以克服这些困难,并提高产量,降低运营成本,创造更可靠的产品。由于长时间接触焊料喷嘴,铜的溶解和腐蚀对任何一种焊料喷嘴来说都是一个问题。因此应该先理解这些再进行设置。长期的工作经验表明,如果长时间接触一些LF合金,它们能彻底溶解一个环孔。电路板设计者在研制需长久接触的厚重电路板时,应该把这些因素也考虑进去。无论是无铅焊接还是传统的锡/铅焊接,在整体充惰气环境下长时间接触波,可以使焊接工艺更加灵活,成本更加低廉。

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