波峰焊接常見焊接缺陷及其改善研究

楊廣輝 王大波 施清清

（廣東珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

波峰焊接是焊接金屬表面、熔融焊料和空氣等之間相互作用的復(fù)雜過程[1]，已經(jīng)在電子制造行業(yè)得到了廣泛的普及。波峰焊接質(zhì)量與PCB設(shè)計(jì)、元器件及輔料狀態(tài)、波峰焊工藝參數(shù)、工裝工具以及波峰焊設(shè)備保養(yǎng)等多方面有關(guān)。焊接工藝的參數(shù)選擇出現(xiàn)問題，就會(huì)出現(xiàn)短路、通孔等現(xiàn)象，造成焊接質(zhì)量嚴(yán)重下降。因此，解決波峰焊接過程中常見的問題，保證焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率具有十分重要意義[2]。本文對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的波峰焊接缺陷進(jìn)行了機(jī)理分析，通過對(duì)元器件、印制電路板、波峰焊參數(shù)設(shè)置、工裝設(shè)備等的調(diào)整優(yōu)化，達(dá)到提高控制器生產(chǎn)效率及可靠性的目的。

1 控制器生產(chǎn)波峰焊接常見缺陷

在控制器生產(chǎn)過程中，波峰焊接設(shè)備將不同的電子元器件通過焊錫與PCB板焊盤進(jìn)行連接，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程中的焊接缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，波峰焊接主要的焊接缺陷為無引腳、短路、通孔三個(gè)類別。

1.1 無引腳

元器件的引腳未與PCB印制電路板的插件孔有接觸，元件引腳與印制電路板中的線路未實(shí)現(xiàn)連接，無法實(shí)現(xiàn)其電路性能，見圖1。

1.2 短路

短路是指元器件相鄰引腳、焊盤之間以及焊盤與附近的VIA孔等電氣上不應(yīng)該被連接的部位兒被焊料連接在一起，見圖2。

1.3 氣孔

在插件孔內(nèi)比較大的焊接空洞或焊點(diǎn)表面比較大的針孔稱為氣孔，見圖3。

2 波峰焊接無引腳、短路、氣孔三大缺陷的原因分析

2.1 無引腳原因分析

1）手工插裝角度不對(duì)，引腳沒有垂直進(jìn)入插件孔，導(dǎo)致引腳脫出。

手插元器件的原理非常簡(jiǎn)單，即將元器件引腳手工插入到PCB板上對(duì)應(yīng)的孔位中去，確保引腳全部插入。控制器板上電子元器件的引腳在0.8 ～ 2.4 mm之間，按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，插件孔徑大多在1.0 ～ 3.0 mm之間。員工在手工插裝的過程中由于操作不規(guī)范，無法保證每次引腳百分百對(duì)準(zhǔn)小孔，就會(huì)造成引腳無法插入到插件孔內(nèi)部，從而焊接的時(shí)候引腳無法接觸到錫面，最終造成無引腳缺陷。

2）繼電器、電容等元器件的高度較高，在周轉(zhuǎn)過程中比較容易受到外力的撞擊從而發(fā)生傾斜，引腳脫出，造成無引腳異常，見圖4。

2.2 焊接短路原因分析

1）PCB設(shè)計(jì)方面相鄰焊盤之間的距離過小，元器件的引腳脫離錫爐時(shí)，薄層區(qū)較小的曲率半徑會(huì)造成錫爐焊錫內(nèi)部較大的壓強(qiáng)，此時(shí)焊錫流向引腳之間形成短路的概率更大。

2）電子元件的傳輸方向，部分器件的長(zhǎng)軸平行于鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)的方向，則錫爐錫面較平穩(wěn)，連錫短路的概率較少；若其長(zhǎng)軸與運(yùn)轉(zhuǎn)方向垂直，則爐中焊錫較紊亂，連錫短路的概率較大。

3）引腳長(zhǎng)度偏長(zhǎng)，由于前面引腳脫離錫爐錫面時(shí)，與短引腳相比剝離薄層區(qū)體積變大，會(huì)導(dǎo)致此區(qū)域內(nèi)的焊錫變?cè)龆嘣斐梢_連錫短路。

圖1 焊接無引腳

圖2 焊接短路

圖3 焊接氣孔

圖4 無引腳原因分析

4）過錫載具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響：貼片及手插件交叉的夾具開窗區(qū)周邊區(qū)域有落差、開孔區(qū)和屏蔽區(qū)加強(qiáng)筋的運(yùn)行方向不平行、開孔邊緣距離波峰焊盤的距離過近都會(huì)形成遮蔽效應(yīng)，影響焊錫的流動(dòng)性造成短路。

5）波峰焊各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置不合理；波峰焊鏈速?zèng)Q定了錫爐與焊接元件引腳的接觸時(shí)間，焊接時(shí)間不合理直接影響到引腳與焊錫的分離導(dǎo)致引腳連錫短路，鏈速應(yīng)小于1.3 m/min。

助焊劑流量的影響：噴涂助焊劑可以達(dá)到增加焊錫流動(dòng)性及降低焊錫表面張力的效果，能夠在一定程度上降低短路的概率；助焊劑流量不是越多越好，原則上保證焊接質(zhì)量的情況下尋求最少的流量。

焊接軌道傾角：當(dāng)傾角過小時(shí)，SMT器件形成的陰影效應(yīng)更加嚴(yán)重，更容易形成短路；過大的焊接焊接傾角雖有利于短路的消除，但焊點(diǎn)的吃錫量減少，虛焊數(shù)量會(huì)增加。軌道傾角應(yīng)在5°～ 8°之間。

焊接溫度：當(dāng)錫爐溫度較低時(shí)，錫液的粘度以及流動(dòng)性會(huì)受到影響，PCB經(jīng)過波峰時(shí)不能提供足夠的熱量用于焊接，產(chǎn)生橋連短路。當(dāng)錫爐溫度較高時(shí)，錫液的表面的氧化現(xiàn)象加劇，易形成一層氧化膜，流動(dòng)性變差，同樣易產(chǎn)生橋連短路[3]。無鉛錫爐實(shí)測(cè)溫度265 ± 5 ℃，設(shè)置溫度應(yīng)取中間值265 ℃；無鉛倒扣產(chǎn)品、帶過錫載具產(chǎn)品，波峰焊錫爐實(shí)測(cè)溫度270 ± 5 ℃。

錫爐成分的影響：當(dāng)前的無鉛波峰焊大多使用OSP裸銅板材，在焊接過程中銅元素會(huì)不斷的滲透到錫爐中，一但超過0.5～0.9 %，焊錫熔點(diǎn)高、焊錫流動(dòng)性差、呈現(xiàn)脆性，短路現(xiàn)象會(huì)急劇增多，因其它元素的接觸源較少，含量穩(wěn)定，所以需重點(diǎn)關(guān)注銅的含量。

6） 員工操作方式的影響：三防膠是空調(diào)控制器上常見的一種用于防潮防腐的溶劑，涂覆在控制器的焊點(diǎn)面，用刷子手工涂覆三防膠極易將板面上的錫渣錫珠帶到密腳器件的引腳之間，形成錫渣錫珠短路，見圖5。

2.3 焊接空洞的原因分析

焊接空洞的失效原因主要為以下幾個(gè)方面：

1）PCB板通孔鍍層、元件引腳表面氧化或沾染外部有機(jī)物，造成可焊性差，焊接時(shí)焊錫爬升困難。

2）PCB板受潮導(dǎo)致在過波峰焊接時(shí)，在高溫作用下有氣體溢出產(chǎn)生氣孔或未及時(shí)溢出產(chǎn)生填充空洞[4]。

3）纖料表面氧化物、殘?jiān)⑽廴緡?yán)重。

4）助焊劑噴涂量過多，經(jīng)高溫作用產(chǎn)生氣體在焊接時(shí)造成空洞。

5）預(yù)熱溫度低及焊接時(shí)間太短會(huì)導(dǎo)致焊接時(shí)助焊劑中的溶劑不能及時(shí)溢出造成填充空洞或者在與錫面接觸時(shí)溢出造成氣孔。

6）平基底元件插裝后底部與PCB板貼合在一起，波峰焊接時(shí)插件孔內(nèi)產(chǎn)生的氣體只能從主板底部溢出造成氣孔。

7）波峰焊通孔孔徑與引腳孔徑不匹配，過小的間隙會(huì)使導(dǎo)致焊料難以穿透金屬化孔在元件面焊盤形成潤濕；過大的會(huì)減弱焊料在焊盤孔內(nèi)的毛絲作用，影響焊料在孔內(nèi)的填充。

3 針對(duì)焊接缺陷的整改措施

3.1 無引腳整改措施

1）插件段壓件崗位員工插裝器件較多，導(dǎo)致壓件時(shí)間不足，容易造成器件插裝不到位，規(guī)定壓件崗位員工至多插裝3個(gè)元器件。

2）波峰焊軌道鏈爪不平整過板時(shí)鏈條有抖動(dòng)情況，導(dǎo)致器件浮高無引腳，生產(chǎn)時(shí)要嚴(yán)格落實(shí)點(diǎn)檢要求，每班一次保證鏈條平整過板。

3）插件段接駁臺(tái)軌道過板時(shí)鏈條抖動(dòng)過大會(huì)使器件左右搖晃，同樣會(huì)導(dǎo)致器件浮高，生產(chǎn)班組定期保養(yǎng)、檢修、點(diǎn)檢。

圖5 錫渣短路

4）使用自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)稱AOI，對(duì)焊接生產(chǎn)中遇見的常見缺陷進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)自動(dòng)檢測(cè)時(shí)，設(shè)備通過攝像頭自動(dòng)掃描PCB，采集圖像，并與實(shí)現(xiàn)建立在數(shù)據(jù)庫中的圖像進(jìn)行對(duì)比，設(shè)備自動(dòng)將缺陷位置圖片找出便于補(bǔ)焊員工維修，見圖6。

針對(duì)無引腳問題，我們從三個(gè)方面進(jìn)行改善。首先通過降低壓件崗位的工作量，使其有較多的時(shí)間檢查焊接前是否有插裝不到位的問題；其次通過加強(qiáng)工裝保養(yǎng)與維護(hù)，保證在插裝到位的情況下降低其傳送過程中造成歪斜的概率；最后通過引進(jìn)光學(xué)AOI檢測(cè)設(shè)備增大無引腳缺陷的檢出率。

3.2 焊接短路整改措施

1）驗(yàn)證多種間距的焊盤過波峰焊驗(yàn)證短路情況，隨著兩元件焊盤間距的增加，短路數(shù)量呈明顯下降趨勢(shì)，繼續(xù)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊盤間距增大到0.8 mm時(shí)，焊接短路幾乎消失，所以0.8 mm焊盤間距是最佳的焊盤間距方案。

2）結(jié)合前面分析元器件傳送方向?qū)附佣搪返挠绊懀x取針座進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，波峰傳送與元器件長(zhǎng)軸方向平行為最佳傳送方案，見圖7。

3）為了找到最佳引腳長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估。使用專用實(shí)驗(yàn)板，且波峰傳送方向與長(zhǎng)軸平行，選取不同引腳長(zhǎng)度進(jìn)行驗(yàn)證，露出引腳長(zhǎng)度與不良率呈現(xiàn)正比關(guān)系，露出引腳越長(zhǎng)，短路不良率越高。繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)器件引腳長(zhǎng)度≤0.7 mm時(shí)，密腳元器件短路的幾率會(huì)大大減少，甚至消失。確認(rèn)露出0.7 mm長(zhǎng)度的引腳為最佳方案。

3.3 過錫載具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

首先，對(duì)貼片及手插器件的夾具開窗區(qū)域要進(jìn)行下沉處理，或順波峰方向設(shè)計(jì)導(dǎo)流槽，緩解高度落差造成的遮蔽效應(yīng)；其次，波峰焊載具的開孔區(qū)和屏蔽區(qū)之間的加強(qiáng)筋盡量和波峰運(yùn)行方向平行，開孔區(qū)域要盡量規(guī)則，拐角和開孔區(qū)域邊緣進(jìn)行倒角處理，緩解陰影效應(yīng)，保證良好的焊錫流動(dòng)性；最后，波峰焊載具開孔區(qū)域邊緣距離焊盤要大于1.0 mm，保證良好的焊錫流動(dòng)性。

3.4 手工刷膠造成短路優(yōu)化方案

為了實(shí)現(xiàn)空調(diào)控制器的長(zhǎng)期運(yùn)行，必須涂覆三防膠。避免手工涂覆三防膠造成錫渣錫珠短路的現(xiàn)象，開發(fā)出自動(dòng)噴膠機(jī)設(shè)備，生產(chǎn)時(shí)根據(jù)PCB型號(hào)調(diào)取事先編輯好的噴膠程序進(jìn)行涂覆三防膠，見圖8。

針對(duì)短路問題，我們從主板設(shè)計(jì)、工裝載具及刷膠設(shè)備入手，一方面通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出最佳的引腳長(zhǎng)度、焊盤間距、元件布局方向以及載具開孔規(guī)則，另一方面可以引入自動(dòng)噴膠設(shè)備降低錫渣短路的問題，此類措施可以很好的改善短路問題。

3.5 焊接空洞整改措施

1）PCB、元件等焊材要先到先用。按時(shí)清查廠內(nèi)庫存，對(duì)超期放置的板要進(jìn)行去潮處理。

圖6 AOI檢測(cè)

圖7 波峰焊過板

圖8 自動(dòng)噴膠機(jī)

圖9 平基底元件改善對(duì)比

2）波峰焊爐錫渣要求定期回收，原則上要求6 h/次，錫渣堆積高度不應(yīng)超過15 mm。

3）要保證助焊劑涂覆的均勻性，通過調(diào)節(jié)找到滿足質(zhì)量要求的最低流量，保證噴霧痕跡均勻且全部噴到，并且無明顯的黑色斑點(diǎn)、黑色條紋等。

4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于預(yù)熱及焊接溫度的要求如下，普通器件焊點(diǎn)達(dá)到110 ℃以上，大電容、大電感等大型器件達(dá)到85 ℃以上。測(cè)溫曲線要求預(yù)熱溫度大于100 ℃時(shí)間不小于20 s，大電容、大電感等大型器件位置不作此要求；所有溫度測(cè)試曲線測(cè)試起始預(yù)熱溫度需在25±3 ℃，但所有預(yù)熱峰值溫度不允許超過125 ℃。浸錫時(shí)間要保證在3.5～5 s。

5）對(duì)于大的平基底元件，如扼流圈及電感，可以增加底部凸臺(tái)或環(huán)氧墊板，改善氣體只能從焊點(diǎn)面溢出的情況，見圖9。

6）手插件的引腳直徑與孔徑的匹配必須合理，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于引腳直徑小于2.5 mm的器件，建議的安裝孔孔徑應(yīng)增加0.3 mm。對(duì)于引腳直徑大于2.5 mm以及自插件的器件，安裝孔直徑應(yīng)增加0.4 mm。

針對(duì)氣孔問題，我們從物料存儲(chǔ)、波峰焊操作以及元件設(shè)計(jì)方面制定了措施，首先通過設(shè)定合理的存儲(chǔ)條件保證物料的狀態(tài)，其次通過規(guī)范爐溫參數(shù)及助焊劑流量，最后通過優(yōu)化元件結(jié)構(gòu)和插件孔孔徑降低氣孔的產(chǎn)生，此類措施在實(shí)際生產(chǎn)中有很好的改善效果。

4 結(jié)語

綜合上述分析可得，我們可以改善控制器生產(chǎn)過程中波峰焊接常見的焊接缺陷（無引腳、短路、氣孔）必須從PCB設(shè)計(jì)、元器件及輔料檢驗(yàn)規(guī)范、波峰焊工藝參數(shù)、工裝工具以及波峰焊設(shè)備保養(yǎng)多方面入手，設(shè)計(jì)方面可以將焊盤間距、引腳長(zhǎng)度、插件孔孔徑、元件布局以及工裝載具固化在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中；波峰焊各項(xiàng)參數(shù)及元器件和輔料檢驗(yàn)同樣可以形成作業(yè)指導(dǎo)書對(duì)操作工加以引導(dǎo)；自動(dòng)化設(shè)備的引入在改善及檢出焊接缺陷方面同樣至關(guān)重要。在控制器的實(shí)際生產(chǎn)制造過程中，我們清楚了以上焊接缺陷的失效點(diǎn)并制定了相應(yīng)的規(guī)避措施，達(dá)到提高控制器生產(chǎn)效率及其可靠性的目的。