焊接工艺技术

一、焊接的含义

    焊接就是利用比被焊金属熔点低的焊料，与被焊金属一同加热，在被焊金属不熔化的条件下，熔融焊料润湿金属表面，并在接触面形成合金层，从而达到牢固连接的过程。   一个焊点的形成要经过三个阶段的变化；

1 、熔融焊料在被焊金属表面的润湿阶段
2 、熔融焊料在被焊金属表面的扩展阶段
3 、熔融焊料通过毛细管作用渗透焊缝，于被焊金属在接触面上形成合金。其中，润湿是最重要的阶段，没有润湿，焊接就无法进行。

焊点成型：当 PCB 进入波峰面前端时，基板与引脚被加热，并在未离开波峰面之前，整个 PCB 浸在焊料中，即被焊料所桥联，但在离开波峰尾端的瞬间，少量的焊料由于润湿力的作用，粘附在焊盘上，并由于表面张力的原因，会出现以引线为中心收缩至最小状态，此时焊料与焊盘之间的润湿力大于两焊盘之间的焊料的内聚力。因此会形成饱满，圆整的焊点，离开波峰尾部的多余焊料，由于重力的原因，回落到锡锅中。

二、 焊接的润焊作用 ：

    任何液体和固体接触时，都会有不同程度的润湿现象。焊接时，熔融焊料（液体状）会程度不同地粘附在各种金属表面，并能进行程度不同的扩展，这种粘附就是润湿；润湿的越牢扩展面越大，则润湿性越好。为什么会产生润湿程度的差异？其原因是液体分子（熔融焊料）与固体分子（被焊金属）之间的相互引力（粘贴力）大于或小于液体分子之间的相互引力（表面张力）决定的。

    焊接时降低熔融焊料的表面张力，可以提高焊料对被焊金属的润湿能力；而降低焊料表面张力最有效的手段就是，焊接时使用助焊剂。

三、助焊剂的作用与特性

助焊剂的作用：

1 、焊接的瞬间，可以让熔融壮的焊料取代，顺利完成焊接，也就是我们常说的助焊作用；
2 、清除焊接金属表面的氧化物；
3 、在焊接物表面形成一液态的保护膜，隔绝高温时四周的空气，防止金属表面再氧化；
4 、降低焊锡的表面张力，增加其扩散能力。

    助焊剂本身在各种涂布焊接工程学上，还有润焊湿润性、扩散率、热稳定性、化学活性等。助焊剂的密度应小于液态焊料的密度，这样助焊剂才能均匀地在被焊金属表面铺展，呈薄膜状覆盖在焊料和被焊金属表面，有效地隔绝空气，促进焊料对母材的润湿。

    助焊剂的残留物不应有腐蚀性且容易清洗；不应析出有毒、有害气体；要有符合电子工业规定的水溶性电阻和绝缘电阻；不吸潮，不产生霉菌；化学性能稳定，易于贮藏。

扩散率：助焊剂在焊接过程中应有帮助焊锡扩散的能力，扩散与润湿都是帮助焊点的角度改变，通常扩散率可用来作助焊剂强弱的指标。

热稳定性：当助焊剂在去除氧化物反映的同时，必须还要形成一种保护膜，防止被焊物表面再度氧化，直到接触焊锡为止；所以助焊剂必须能承受高温，在焊锡作业的温度下不会被分解或蒸发。

化学活性：要达到一个好的焊点，被焊物必须要有一个完全无氧化层的表面；但金属一旦暴露于空气中就会生成氧化层，这种氧化层无法用传统溶剂清洗，此时必须依赖助焊剂与氧化层起化学作用，当助焊剂消除氧化层后，干净的被焊物表面才会更好地与焊锡结合。

四、预热的作用

1 ：减少热冲击，避免 PCB 板再过炉时出现变形或分层现象。
2 ：减少波峰焊的热能消耗。
3 ：减少温差，避免元器件的损失。
4 ：蒸发助焊剂，避免焊球飞溅到 PCB 板面。

五、焊接基本条件的要求

1 、助焊剂：能迅速清除ＰＣＢ板表面的氧化物并防止二次氧化，降低焊料表面张力， 提高焊接性能。
2 、焊料：波峰焊机采用的焊料必须要求较高的纯度。
3 、印制电路板：选用印制板材料时，应当考虑材料的转化温度、热膨胀系数、热传导性、表面电阻率、吸湿性等因素。翘曲度不能过大，翘曲度必须控制在小 0.5mm ，不然压锡深度则不能保证一致，导致焊点的均匀度差。
4 、焊盘：焊盘设计时应考虑热传导性的影响。
5 、阻焊剂膜：在涂敷阻焊剂的工艺过程中，应考虑阻焊剂的涂敷精度，焊盘的边缘应当光滑，该暴露的部位不可粘附阻焊剂。
6 、储存：应当使用塑料袋抽真空包装，预防焊盘二次氧化和其他的污染。
7 、元器件的要求：可焊性好、耐温能力、对于无耐温能力的元器件应剔除。

六、技术条件要求

    上述的保障条件，只是具备了焊接基础，要焊接出高质量的印制板，重要的是技术参数的设置，以及怎样使这些技术参数达到最佳值，使焊点不出现漏焊、虚焊、桥连、针孔、气泡、裂纹、挂锡、拉尖等现象，设置参数应通过试验和分析对比，从中找出一组最佳参数并记录在案。以后再遇到类似的输入条件时就可以直接按那组成熟的参数设置而不必再去进行试验。

助焊剂流量控制：调节助焊剂的流量，雾化颗粒及喷雾均匀度可用一张白纸进行试验，目测助焊剂 喷涂在白纸上的分布情况，进行调试；

倾斜角的控制：倾斜角是波峰顶水平面与传送到波峰处的 PCB 板之间的夹角。这个角度的夹角对于焊点质量致关重要。由于地球的引力，焊锡从锡槽向外流动起始速度与流出的锡槽后的自由落体速度不一致。如果夹角调节不当会导致印制板与焊锡的接触和分离的时间不同，焊锡对印制板的浸入力度也不同。为避免这些问题，调节范围严格近控制在 4~7 ° 之间。

传送速度控制：控制传送速度在设置参数时应考虑以下诸方面的因素：

助焊剂喷涂厚度：因为助焊剂的流量设定后，基本上是一个固定的参数。传送速度的变化会使喷涂在印制板上的助焊剂厚度发生相应的变化。

预热效果：ＰＣＢ板从进入预热区到第一波峰这段时间里，ＰＣＢ底面的温度要求能够达到设定的工艺温度。传送速度的快慢会影响预热效果。

板材的厚度：传送速度与板材的厚薄具有相应的关系，厚板的传送速度应比薄 板稍慢 一点。

单面板和双面板：单面板和双面板的热 传导性不同，所要求的预热温度也相应不同。

元件的分布密度：由于热传导的作用，印制板上元件的分布密度及元器件体积的大小，也应作为设置传送速度的重要因素之一。

冷却对焊点的影响：冷却对焊点质量有着至关重要的作用，在 PCB 过炉后，如达不到焊点所要求的冷却温度（特别是无铅焊接，最佳的效果为 10 秒内冷却到 150 ℃ ），会影响到焊点的品质，会出现裂缝等现象。

经实际操作，总结的传送速度参数调节范围见表；

ＰＣＢ板类别 传送速度调节范围 （ m/min ）

单面板 1.2~1.7

双面板 1.0~1.2

温度控制

预热温度： PCB 板在焊接前，必须达到设定的工艺温度。

焊接温度：波峰焊接温度取决于焊点形成最佳状态所需要的温度，这里是指焊料熔液的温度，往往实际温度与设置的温度有些偏差，焊接之前，必须进行实际测量；用校准的温度测量工具测量锡槽各点温度，按实际温度值修改设置的参数，当达到设定温度时，空载运行 4 分钟，使温度分布均匀后，再进行焊接。

环境温度对波峰焊接的影响：当环境温度发生较大的变化时， PCB 预热的工艺温度随之上下浮动，焊接效果立即会发生变化。如果变化量太大以至于 预热 的工艺温度超过极限值，会造成焊点无法形成、虚焊，焊层太厚或太薄、桥连等不良现象。

波峰高度和压锡深度对焊接的影响：压锡深度是指被焊板浸入焊锡的深度，一般压锡深度为板厚的 1/2~3/4 。压锡太深容易使焊锡溅上元件面；压锡太浅时，焊锡涂履力度不够，则会造成 PCB 虚焊或漏焊。

七、提高焊接质量的对策：

    电子产品的焊接过程是一项复杂的物理化学变化过程，焊点的形成是综合力的结果；要想提高焊接质量，我们要做到；

1 、必须保持有一个清洁的 PCB 板和元器件接触表面
2 、要想办法降低焊料的表面张力
3 、保持一定的焊接温度和焊接时间
4 、要了解被焊金属的表面特性
5 、焊接前对 PCB 质量的控制：

焊盘设计

在设计插件元件焊盘时，焊盘大小尺寸设计应合适。焊盘太大，焊料铺展面积较大，形成的焊点不饱满，而较小的焊盘铜箔表面张力太小，形成的焊点为不浸润焊点。孔径与元件引线的配合间隙太大，容易虚焊，当孔径比引线宽 0.05 – 0.2mm ，焊盘直径为孔径的 2 – 2.5 倍时，是焊接比较理想的条件。

在设计贴片元件焊盘时，应考虑以下几点：

为了尽量去除 “ 阴影效应 ”， SMD 的焊端或引脚应正对着锡流的方向，以利于与锡流的接触，减少虚焊和漏焊；较小的元件不应排在较大元件后，以免较大元件妨碍锡流与较小元件的焊盘接触造成漏焊。

八、波峰焊錫作业中问题概论

当问题发生时，首先检查的是制造过程中的基本条件， 可以将它归纳为三大因素：

1 、材料问题；这些包括焊锡的化学材料，像锡及助焊剂，清洁材料，还有的包覆材料
2 、焊元器件锡性的不良；这涉及到所有的焊锡表面，像元器件（包括表面粘着的 SMT 元器件）， PCB 及电镀贯穿孔，都必须被列入考虑
3 、生产设备的偏差；包括机器设备和维修的偏差及外来的因素，温度、输送带的速度和角度，还有浸锡的深度等，是和机械有直接关系的变数，除此之外，通风、气压降低和电压的变化等外来因素也都要被列入分析的范围之内。

每个问题都分别有它的不同之处，不能一概而论，我们可以分步骤的检查问题的来源：

1 、焊锡过程中，变数最小的应属机械设备，因此第一个检查的就是它们；为达到正确性，可用电子仪器辅助，从实际的作业找出最适宜的操作条件
2 、接下来检查所有的焊锡材料，助焊剂的比重，锡合金的纯度等
3 、 PCB 元器件的焊锡不良问题，是造成焊锡问题最大的因素，研究 PCB 的焊锡问题，必须先把其它可能发生的定数固定或隔离
4 、检查贯穿孔的品质，可以用放大镜来看贯穿孔表面是否平整、干净或有其它杂质、断裂等

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