无铅波峰焊工艺研究

无铅波峰焊工艺研究

全球电子电气工业膨勃发展，锡铅焊接逐步向无铅焊接转化，波峰焊接越来越多的向回流焊接发展，但新的“无铅波峰焊接技术”仍是业界研究的一个焦点。在美国由几家公司组成的社团收集了很多无铅波峰焊接过程中的相关资料，幷对这些资料进行分析，研究，试图找到适用于无铅波峰焊接的工艺参数。但是对于高可靠性的电子产品，如网络设备，到目前为止还达不到实际所需的高可靠性要求，需通过大量工艺优化来实现无铅波峰焊接的高可靠性。研究工作使用了可以承受无铅焊接温度的新型PCB 材质，厚度为0.125 英寸，该PCB为18 层板，其中8 层为接地层，10 层为信号层，PCB 焊盘镀层分别为浸银（1mm-Ag）和高温防氧化有机涂层（OSP）二种，焊接材料选用SnPb 和SAC305，PCB 为典型的通讯用线路板，布线设计复杂程度高，特制的波峰焊接夹具可以使该PCB 在无铅波峰焊炉上实施选择性波峰焊接，焊后2D X-RAY 和3D X-RAY 检测系统观察焊点可靠性，焊点形状及焊接缺陷。一套可靠的，具有破坏性的试验分析工具（DPA）用来评估焊点质量，幷与共晶焊料Sn/Pb 装配结果做质量对比分析，与此同时，详细记录焊接温度，使用的元器件，以及对应的焊点质量。与共晶Sn/Pb 焊料焊接结果相比，首先发现镀通孔润湿性差，通孔内焊锡量不足，桥接增多，焊点内有大量空洞。无铅波峰焊接工艺窗口变窄，要想获得理想的焊锡量，就要不断优化焊接曲线。试验结果发现，浸银的PCB 在镀通孔填充率和可焊性方面均优于OSP PCB。

EU 的环境立法，如ROHS《关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》，WEEE《关于报废电子电气设备指令》，明确指明要将铅从电子产品中去除，但Sn/Pb焊料在电子领域中引导潮流几十年，根深蒂固的影响很难从人们的生活中剔除。对于复杂的线路板装配（PBAS），特别是那些厚的，使用夹具过波峰焊接完成通孔器件焊接的模式在Sn/Pb 焊接中被广泛应用，夹具的使用，可以依照设计者的思路在波峰焊接炉上实现选择性波峰焊接，而这种板型在无铅波峰焊接中实施选择性波峰焊接的确对工艺人员提出了挑战。

要想获得良好的焊点质量和高可靠性焊接结果，在波峰焊接参数设置时，必须考虑以下几个问题： 1. 波峰焊接环境 2. 焊料合金成分

3. 助焊剂，施加助焊剂的方式 4. 预热 5. 导轨速度 6. 波峰特性 7. 锡缸污染度

以上几个因素在Sn/Pb 波峰焊接中已有完整的记录，不只是对无铅焊接要求。其中的几个因素是关于无铅波峰焊接工艺的优化，即本次研究的主要内容。 试验要求与范围：

试验范围-----厚的多层PCB 板，无铅波峰焊接工艺（SMT 装配不在研究范围之内）。

试验板介绍：

测试板由Brocade 和FoxConn 公司设计制作，PCB 上需要安装一系列SMT 器

件和通孔器件，是具有代表性的工业电子产品，PCB 焊盘镀层为Sn/Pb 和Pb-Free 二种，目的是通过对非功能性器件的研究优化无铅波峰焊接工艺。板材采用高Tg（175℃）FR4 材料，与无铅工艺相容的层压方式制作的PCB，尺寸为18inch*12 inch，厚度为0.125 inch，18 层板（其中8 层接地层，10 层信号层），如图1（Topside 装配面）

图1 无铅测试板测试板共36 块，二种PCB 镀层，其中18 块为浸银板，18 块为OSP 处理的测试板，每块板子上面都有相应的编号，新型OSP 处理的PCB 裸板可承受6 次无铅波峰焊接温度冲击，试验中选用了4 种通孔元器件（每一个元器件上也有相应的编号），它们是： 1. 钽电容

2. DIMM 插座连接器 3. 电源连接器 4. LED

为更好的模拟实际生产，器件引脚要焊接到不同的PCB 层面上。

波峰焊接工艺：

助焊剂在焊接过程中对于良好焊点的形成，足够的镀通孔填充率起着至关重要的作用，因无铅焊料的润湿性较Sn/Pb 焊料要差，相对Sn/Pb 焊料焊接，应增加助焊剂的活性，使助焊剂能迅速润湿镀通孔，增大镀通孔填充率，减少焊接缺陷。水溶性无VOC 助焊剂广泛用于无铅波峰焊接，助焊剂采用喷涂方式能起到更好的助焊效果，SS316 可编程的On/Off 时间控制能让助焊剂渗透到镀通孔表面，留下薄薄一层助焊剂，使用PCB 跟踪器，记录使用单向/双向喷雾﹑喷涂到PCB 通孔中的助焊剂量。

试验用波峰焊接炉有三个预热区，在线连接、全自动，满足无铅波峰焊接锡缸温度要求。

试验时将PCB 安装在焊接夹具上，经助焊剂喷涂进入预热区，预热区总厂为1.8 米，三个预热区预热模式为底部预热，前二个预热区加热方式为强制热风对流加热，第三个区加热方法为红外辐射加热，底部预热为PCB 进入波峰区实施焊接做好温度准备，该波峰焊接设备没有顶部加热装置，顶部加热对厚的PCB，特别是板上有大的吸热器件时很有帮助。 接下来PCB 匀速进入波峰区，实施焊接。使用不同的波峰形状达到最好的焊接效果，因无铅焊接镀通孔的填充率对波形提出更高的要求，只有波形控制严格，才能有好的通孔填充。试验用无铅焊接材料：锡银铜（SAC305）无铅焊料，是业界推荐使用的焊料组合成分，在无铅波峰焊接材料中SAC305 具有一定的代表性。 装配工艺：

首先在36 块测试板上贴装SMT 器件，其中第一组为10PCS PCB，所用SMT 器件镀层为Sn/Pb 器件，焊接材料为Sn/Pb 焊膏，采用锡铅回流焊接工艺进行焊接，这10PCS 板用于后面基础对比分析时使用。第二组有4PCS PCB，SMT 器件为无铅器件，采用锡铅焊接工艺；第三组22PCS PCB，SMT 器件为无铅器件，采用无铅回流焊接工艺，回流过程完成后，36PCS PCB 进入波峰焊接步骤。第一组的10PCS PCB 仍然采用锡铅波峰焊接，这10 块板主要用于分析比较材料的可焊性及镀通孔焊锡填充量，第二组的4 块板仍采用锡铅波峰焊接工艺，锡缸温度设置为260℃，第三组无铅波峰焊接时，锡缸温度设置为285℃，幷在

氮气保护环境下实施焊接。 观察：

下列三个因素是焊接工艺中需重点考虑优化的因素： 1. 传输速度 2. 锡缸温度 3. 波峰形状

试验是按PCB 镀层分类进行的，根据不同的PCB 镀层，不同的工艺条件，分类，分组地进行观察。

OSP 处理的PCB 分三组，分别按 工艺参数实施焊接：Run 1 中，锡缸设置温度为265℃，传输速度为66cm/min，OSP 处理的PCB 经焊接后，目检焊接缺陷。目检结果：PCB 的TOP 面焊锡量不足，润湿性差，用3D X-Ray 进一步观察镀通孔填充量（按IPC Ⅱ，Ⅲ 级标准，镀通孔填充率必须>50%），大多数的焊点，镀通孔填充量小于50%，

RUN 2 中，锡缸温度设置为285℃，传输速度为78cm/min，接下来的5PCS PCB，焊接参数设置时主波峰锡波速度增加10rnp,达到315 rnp 的柔和波峰，观察焊接结果，锡缸温度达到285℃时，按IPC 标准判别，缺陷率明显减少。 RUN3

LEDS：

LED 安装在PCB 边缘处，表3 是LED 引脚连接在PCB 的层面位置，与PCB上多层面相连的LED 引脚焊点，焊锡填充量小于引脚与较少层面相连的LED 焊点填充量。

DIMM 插座接插件：

试验中，每块板上只用了一个DIMM 连接器，但DIMM 连接器四排引脚连接到PCB不同层面。

试验结果：

钽电容：安装在PCB 中间部位的电容焊点填充量不足，在PCB 边缘的电容填充量不足的相对少一些，很显然，PCB 设计对焊接结果有一定的影响，LEDS：只有一个LED 显示焊料填充量不足，LED 在浸银板焊接中，润湿性，焊点填充均有很好的表现。

DIMM 插座接插件：3D X-RAY 观察，只有少量引脚焊锡量不足(<50%)填充，大 …… 此处隐藏：4183字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……