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上海颐坤自动化控制设备有限公司企业标准
QB/UCAN-10-20-

波峰焊工艺流程说明

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-10-22 发布 -10-27 实施
上海颐坤自动化控制设备有限公司 发布

概述

波峰焊是将熔融的液态焊料, 借助与泵的作用, 在焊料槽液面形成特定形状的焊料波, 插装了元器件的PCB置与传送链上, 经过某一特定的角度以及一定的浸入深度穿过焊料波峰而实现焊点焊接的过程。
波峰焊的原理:
波峰面的表面均被一层氧化皮覆盖, 它在沿焊料波的整个长度方向上几乎都保持静态, 在波峰焊接过程中, PCB接触到锡波的前沿表面, 氧化皮破裂, PCB前面的锡波无皲褶地被推向前进, 这说明整个氧化皮与PCB以同样的速度移动波峰焊机焊点成型: 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。,
配套工具:
静电物料盒、 镊子、 静电手腕带、 标签纸、 波峰焊锡机。
一．工艺方面:
工艺方面主要从助焊剂在波峰焊中的使用方式, 以及波峰焊的锡波形态这两个方面作探讨;
1. 在波峰焊中助焊剂的使用工艺一般来讲有以下几种: 发泡、 喷雾、 喷射等;
A. 如果使用”发泡”工艺, 应该注意的是助焊剂中稀释剂的添加的问题, 因为助焊剂在使用过程中容易挥发, 易造成助焊剂浓度的升高, 如果不能及时添加适量的稀释剂, 将会影响焊接效果及PCB板面的光洁程度;
B. 如果使用”喷雾”工艺, 则不需添加或添加少量的稀释剂, 因为密封的喷雾罐能有效的防止助焊剂的挥发, 只需根据需要调整喷雾量即可, 并要选择固含较低的最好不含松香树脂成份的, 适合喷雾用的助焊剂;
C. 因为”喷射”时容易造成助焊剂的涂布不均匀, 且易造成原材料的浪费等原因, 当前使用喷射工艺的已不多。
2. 锡波形态主要分为单波峰和双波峰两种;
A. 单波峰: 指锡液喷起时只形成一个波峰, 一般在过一次锡或只有插装件的PCB时所用;
B. 双波峰: 如果PCB上既有插装件又有贴片元器件, 这时多用双波峰, 因为两个波峰对焊点的作用较大, 第一个波峰较高, 它的作用是焊接; 第二个波峰相对较平, 它主要是对焊点进行整形;

二．相关参数
波峰焊在使用过程中的常见参数主要有以下几个:
1.预热:
A.”预热温度”一般设定在90-110度, 这里所讲”温度”是指预热后PCB板焊接面的实际受热温度, 而不是”表显”温度; 如果预热温度达不到要求, 则易出现焊后残留多、 易产生锡珠、 拉锡尖等现象;
B、 影响预热温度的有以下几个因素, 即: PCB板的厚度、 走板速度、 预热区长度等;
  B1、 PCB的厚度, 关系到PCB受热时吸热及热传导的这样一系列的问题, 如果PCB较薄时, 则容易受热并使PCB”零件面”较快升温, 如果有不耐热冲击的部件, 则应适当调低预热温度; 如果PCB较厚, ”焊接面”吸热后, 并不会迅速传导给”零件面”, 此类板能经过较高预热温度;
B2、 走板速度: 一般情况下, 建议把走板速度定在1.1-1.2米/分钟这样一个速度, 但这不是绝对值; 如果要改变走板速度, 一般都应以改变预热温度作配合; 比如: 要将走板速度加快, 那么为了保证PCB焊接面的预热温度能够达到预定值, 就应当把预热温度适当提高;
  B3、 预热区长度: 预热区的长度影响预热温度, 在调试不同的波峰焊机时, 应考虑到这一点对预热的影响; 预热区较长时, 温度可调的较接近想要得到的板面实际温度; 如果预热区较短, 则应相应的提高其预定温度。
2、 锡炉温度:
以使用63/37的锡条为例, 一般来讲此时的锡液温度应调在245至255度为合适, 尽量不要在超过260度, 因为新的锡液在260度以上的温度时将会加快其氧化物的产生量, 有图如下表示锡液温度与锡渣产生量的关系:

基于以上参数所定的波峰炉工作曲线图如下:

3、 链条( 或称输送带) 的倾角:
  A、 这一倾角指的是链条( 或PCB板面) 与锡液平面的角度;
  B、 当PCB板走过锡液平面时, 应保证PCB零件面与锡液平面只有一个切点; 而不能有一个较大的接触面;
  C、 当没有倾角或倾角过小时, 易造成焊点拉尖、 沾锡太多、 连焊多等现象的出现; 当倾角过大时, 很明显易造成焊点的吃锡不良甚至不能上锡等现象。
4、 风刀:
  在波峰炉使用中, ”风刀”的主要作用是吹去PCB板面多余的助焊剂, 并使助焊剂在PCB零件面均匀涂布; 一般情况下, 风刀的倾角应在100左右; 如果”风刀”角度调整的不合理, 会造成PCB表面焊剂过多, 或涂布不均匀, 不但在过预热区时易滴在发热管上, 影响发热管的寿命, 而且会影响焊完后PCB表面光洁度, 甚至可能会造成部分元件的上锡不良等状况的出现。
注:   风刀角度可请设备供应商在调试机器进行定位, 在使用过程中的维修、 保养时不要随意改动。
 5、 锡液中的杂质含量:
  在普通锡铅焊料中, 以锡、 铅为主元素; 其它少量的如: 锑( Sb) 、 铋( Bi) 、 铟( In) 等元素为添加元素以外, 其它元素如: 铜( Cu) 、 铝( Al) 、 砷( As) 等都可视为杂质元素; 在所有杂质元素中, 以”铜”对焊料性能的危害最大, 在焊料使用过程中, 往往会因为过二次锡( 剪脚后过锡) , 而造成锡液中铜杂质或其它微量元素的含量增高, 虽然这部分金属元素的含量不大, 可是在合金中的影响却是不可忽视的, 它会严重地影响到合金的特性, 主要表现在合金中出现不熔物或半熔物、 以及熔点不断升高, 并导至虚焊、 假焊的产生; 另外杂质含量的升高会影响焊后合金晶格的形成, 造成金属晶格的枝状结构, 表现出来的症状有焊点表面发灰无金属光泽、 焊点粗糙等。
因此, 在波峰炉的使用过程中, 应重点注意对波峰炉中铜等杂质含量的控制; 一般情况下, 当锡液中铜杂质的含量超过0.3% 时,建议作清炉处理。
  可是, 这些参数需要专业的检验机构或焊料生产厂商才能检测, 因此, 焊料使用厂商应与焊料供应商沟通, 定期进行锡液中杂质含量的检测, 如半年一次或三个月一次, 这需要根据具体的生产量来定。

三、 波峰炉使用过程中常见问题的对策
  波峰炉在使用过程中, 往往会出现各种各样的问题, 如焊点不饱满、 短路、 PCB板面残留脏、 PCB板面有锡渣残留、 虚焊、 假焊、 焊后漏电等各种问题; 这些问题的出现严重地影响了产品质量与焊接效果; 为了解决这些问题, 应该从以下几个方面着手:
  第一, 检查锡液的工作温度。因为锡炉的仪表显示温度总会与实际工作温度有一定的误差, 因此在解决此类问题时, 应该掌握锡液的实际温度, 而不应过分依赖”表显温度”; 一般状况下, 使用63/37比例的锡铅焊料时, 建议波峰炉的工作温度在245-255度之间即可, 但这不是绝对不变的一个数值, 遇到特殊状况时还是要区别对待;
  第二, 检查PCB板在浸锡前的预热温度。一般状况下, 我们建议预热温度应在90-110度之间, 如果PCB上有高精密的不能受热冲击的元件, 可对相关参数作适当调整; 这里要求的也是PCB焊接面的实际受热温度, 而不是”表显温度”;
  第三、 检查助焊剂的涂布是否有问题。无论其涂布方式是怎样的, 关键要求PCB在经过助焊剂的涂布区域后, 整个板面的助焊剂要均匀, 如果出现部分零件管脚有未浸润助焊剂的状况, 则应对助焊剂的涂布量、 风刀角度等方面进行调整了。  
  第四, 检查助焊剂活性是否适当。如果助焊剂活性过强, 就可能会对焊接完后的PCB造成腐蚀;如果助焊剂的活性不够, PCB板面的焊点则会有吃锡不满等状况; 如果锡脚间连锡太多或出现短路,则表明助焊剂的载体方面有问题,即润湿性不够,不能使锡液有较好的流动;出现以上问题时, 应该与助焊剂供货厂商寻求解决方案, 对助焊剂的活性及润湿性方面作适当调整;
  第五, 检查锡炉输送链条的工作状态。这其中包括链条的角度与速度两个问题, 一般建议把链条角度定在5-6度之间, 送板速度定在每分钟1.1-1.2米之间; 就链条角度而言, 用经验值来判断时, 把PCB上板面比锡波最高处高出1/3左右, 使PCB过锡时能够推动锡液向前走, 这样能够保证焊点的可靠性; 在不提高预热温度及锡液工作温度的状况下, 如果提高PCB的输送速度, 会影响焊点的焊接效果;
  就以上所有指标参数而言, 绝不是一成不变的数据, 她们之间是相辅相承、 互相影响与制约的关系; 比如要提高生产量, 就要提高链条的输送速度, 速度提高以后, 相应的预热温度一定要提高, 否则就会使PCB板过锡时因温差过大而产生各种问题, 严重时会造成锡液的飞溅拉尖等; 另外, 我们还要提高锡液的工作温度, 因为输送速度快了, PCB板面与锡液的接触时间就短了, 同时锡液的”热补偿”也达不到平衡状态, 严重时会影响焊接效果, 因此提高锡液的温度是必要的。
  第六、 检验锡液中的杂质含量是否超标。
第七, 为了保证焊接质量, 选择适当的助焊剂也是很关键的问题。
  首先确定PCB是否是”预涂覆板”( 单面或双面的PCB板面预涂覆了助焊剂以防止其氧化的我们称之为”预涂覆板”) , 此类PCB板在使用一般的免清洗低固含量的助焊剂焊接时, PCB板表面就有可能会出现”泛白”现象: 轻微时PCB板面会有水渍纹一样的斑痕, 严重时PCB板面会出现白色结晶残留; 这种状况的出现严重地影响了PCB的安全性能与整洁程度。如果您所用的PCB是预覆涂板, 则建议您选用松香树脂型助焊剂, 如果要求板面清洁, 可在焊接后进行清洗; 或选择与所焊PCB上的预涂助焊剂中松香相匹配的免清洗助焊剂。
  如果是经热风整平的双层板或多层板, 因其板面较清洁, 可选用活性适当的免清洗助焊剂, 避免选择活性较强的免洗助焊剂或树脂型助焊剂; 如果有强活性的助焊剂进入PCB板的”贯穿孔”, 其残留物将很有可能会对产品本身造成致命的伤害。
  第八、 如果PCB板面上总是有少部分零件脚吃锡不良。这时可检查PCB板的过锡方向及锡面高度, 并辅助调整输送PCB的速度来调节; 如果仍解决不了此问题, 能够检查是否因为部分零件脚已经氧化所致。
  第九、 在保证上述使用条件都在合理范围内, 如果仍出现PCB不间断有虚焊、 假焊或其它的焊接不良状况。可检查PCB否有氧化现象, 板孔与管脚是否成比例等, 以及PCB板的设计、 制造、 保存是否合理、 得当等。

SMA类型               元器件          预热温度
单面板组件            通孔器件与混裝        90~100
双面板组件            通孔器件             100~110
双面板组件            混裝                100~110
多层板                通孔器件           115~125
多层板               混裝                115~125

准备工作:
a． 检查波峰焊机配用的通风设备是否良好;
b． 检查波峰焊机定时开关是否良好;
c． 检查锡槽温度指示器是否正常。
方法: 进行温度指示器上下调节, 然后用温度计测量锡槽液面下10—15 mm处的温度, 判断温度是否随其变化:
 d． 检查预热器系统是否正常。
方法: 打开预热器开关, 检查其是否升温且温度是否正常;
e．检查切脚刀的工作情况。
方法: 根据印制板的厚度与所留元件引线的长度调整刀片的高低, 然后将刀片架拧紧且平稳, 开机目测刀片的旋转情况, 最后检查保险装置有无失灵;
 f． 检查助焊剂容器压缩空气的供给是否正常;
方法: 倒入助焊剂, 调好进气阀, 开机后助焊剂发泡, 使用试样印制板将泡沫调到板厚的1／2处, 再镇紧眼压阀, 待正式操作时不再动此阀, 只开进气开关即可;  
g. 待以上程序全部正常后, 方可将所需的各种工艺参数预置到设备的有关位置上。

操作规则
a．波峰焊机要选派1～2名经过培训的专职工作人员进行操作管理, 并能进行一般性的维修保养;
b．开机前, 操作人员需配戴粗纱手套拿棉纱将设备擦干净, 并向注油孔内注入适量润滑油;
c．操作人员需配戴橡胶防腐手套清除锡槽及焊剂槽周围的废物和污物;
d, 操作间内设备周围不得存放汽油、 酒精、 棉纱等易燃物品;
e．焊机运行时, 操作人员要配戴防毒口罩, 同时要配戴耐热耐燃手套进行操作;
f．非工作人员不得随便进入波峰焊操作间;
g．工作场所不允许吸烟吃食物;
h．进行插装工作时要穿戴工作帽、 鞋及工作服

单机式波峰焊工艺流程
  a． 元器件引线成型一印制板贴阻焊胶带(视需要)——插装元器件——印制板装入焊机夹具——涂覆助焊剂——预热——波峰焊——冷却——取下印制板——撕掉阻焊胶带——检验——补焊——清洗——检验——放入专用运输箱;
  b．印制板贴阻焊胶带——装入模板——插装元器件——吸塑——切脚——从模板上取下印制板——印制板装焊机夹具———涂覆助焊剂——预热——波峰焊——冷却——取下印制板——撕掉吸塑薄膜和阻焊胶带——检验———补焊——清洗——检验——放入专用运输箱。

联机式波峰焊工艺流程
将印制板装在焊机的夹具上——人工插装元器件——涂覆助焊剂——预热——浸焊——冷却——切脚——刷切脚屑——喷涂助焊剂——预热——波峰焊——冷却——清洗——印制板脱离焊机—一检验——补焊——清洗——检验——放入专用运输箱。

操作过程
A．     接通电源;
B．     接通焊锡槽加热器;
C．     打开发泡喷涂器的进气开关;
D．     焊料温度达到规定数据时, 检查锡液面, 若锡液面太低要及时添加焊料;
E．     开启波峰焊气泵开关, 用装有印制板的专用夹具来调整压锡深度;
F．     清除锡面残余氧化物, 在锡面干净后添加防氧化剂:
G．     检查助焊剂, 如果液面过低需加适量助焊剂;
H．     检查调整助焊剂密度符合要求;
I．     检查助焊剂发泡层是否良好;
J．     打开预热器温度开关, 调到所需温度位置;
K．     调节传动导轨的角度;
L. 插件工人按要求配戴细纱手套。(若有静电敏感器件要配戴导电腕带)插件工应坚持在工位前等设备运行
M. 根据实际情况调整运送速度, 使其与焊接速度相匹配;
N. 开通冷却风机;
O. 开通切脚机
P. 将夹具放在导轨上, 将其调至所需焊接印制板的尺寸;
Q. 焊接运行前, 由专人将倾斜的元件扶正, 并验证所扶正的元件正误;
R. 高大元器件一定在焊前采取加固措施, 将其固定在印制板上
S. 待程序全部完成后, 则可打开波峰焊机行程开关和焊接运行开关进行插装和焊接。

焊后操作
a．     关闭气源;
b．     关闭预热器开关;
c．     关闭切脚机开关; 关闭清洗机开关;
d．     调整运送速度为零, 关闭传送开关;
e．     关闭总电源开关;
f．     将冷却后的助焊剂取出, 经过滤后达到指标仍可继续使用, 将容器及喷涂口擦洗干净;
g．     将波峰焊机及夹具清洗干净。

焊接过程中的管理
a．     操作人必须坚守岗位, 随时检查设备的运转情况;
b．     操作人要检查焊板的质量情况, 如焊点出现导常情况, 如一块板虚焊点超过百分之二应立即停机检查;
c．     及时准确做好设备运转的原始记录及焊点质量的具体数据记录;
焊完的印制板要分别插入专用运输箱内, 相互不得碰压, 更不允许堆放(如有静电敏感元件一定要使用防静电运输箱).

作业要求:
1. 所有元件不可漏插/错插。
2. 有极性元件不可反向, 浮高高度不可超过标准( 按照DIP工艺标准) 。
3. 所有元件印刷标识字体清晰。
4. 所有元件不可有烫伤/破裂现象。
5. 焊锡面不可有虚焊/空焊/连焊/不良焊点。
6. 元件脚长不可超过2.5。
7. 后焊元件不可反向、 漏焊、 浮高及其它现象。
8. 芯片底部无锡渣。
9. 插件流水操作时易震动, 小心移动板子, 注意板子上小元件的抖落。

焊点标准:
1. 具有良好的导电性及强度: 即焊锡与被焊金属物面相互扩散形成合金层, 条件是有足够的焊接时间( 1～2S, 焊点越大时间越长) 及合适的湿度。
2. 焊锡量要适当, 过少则机械强度低, 易造成虚焊及脱焊, 过多则浪费, 易造成推焊或包焊。
3. 焊点表面应有良好的光泽, 表面光滑, 清洁、 无毛刺及拉尖、 无缝隙、 无气泡及针眼( 引脚有虚焊) 、 无焦块及污垢。