1.1 夾送速度

  圖 1-7 PCB通過(guò)焊料波峰示意圖

  焊接時(shí)間往往可以用夾送速度反映出來(lái)，被焊表面浸入和退出熔化焊料波峰的速度，對(duì)潤(rùn)濕質(zhì)量，焊料層的均勻性和厚度影響很大。每一對(duì)基體金屬和助焊劑都有自己特有的理想浸入速度，該速度是助焊劑活性和基體金屬傳熱能力的函數(shù)。對(duì)于導(dǎo)熱性較好的材料來(lái)說(shuō)，在采用活性松香助焊劑時(shí)可采用較高的浸入速度，而沉積于工作表面釬料的均勻性和厚度，在很大程度上取決于工件從熔化焊料波峰中退出時(shí)的速度及退出速度的均勻性，標(biāo)準(zhǔn)做法是取退出速度相等。在退出過(guò)程中，振動(dòng)將使釬料表面產(chǎn)生波紋狀，抖動(dòng)將使焊點(diǎn)表面呈粗糙狀。

  剖析PCB板在焊料波峰中的波峰焊接過(guò)程可以劃分為三個(gè)作用區(qū)(以下簡(jiǎn)稱波區(qū))如圖1-7所示：

  (1) 圖中A點(diǎn)是進(jìn)入波峰的點(diǎn)，因PCB與焊料運(yùn)動(dòng)方向相反，所以該點(diǎn)的速度差最大。因此，在該點(diǎn)處湍流的沖洗作用最大，這有利于從基體金屬表面除掉預(yù)熱后的助焊劑－銹膜殘?jiān)�混合物，以使融熔焊料與基體金屬直接接觸。當(dāng)達(dá)到潤(rùn)濕溫度時(shí)，立即產(chǎn)生潤(rùn)濕現(xiàn)象。

  (2) 圖中的A-B段是熱交換區(qū)，印制板通過(guò)釬料波區(qū)時(shí)在波峰中的時(shí)間必須足夠長(zhǎng)，以使在潤(rùn)濕溫度下的表面能量能夠把溶化的釬料吸附到印制板的表面上，從而形成填充良好的焊縫，另外在接合界面上形成所需要的合金層也需要時(shí)間。

  (3) 圖中B點(diǎn)是從焊料波峰中退出的點(diǎn)，在該點(diǎn)上，以潤(rùn)濕形式表現(xiàn)出來(lái)的表面能量，將使焊料保留在焊縫中，而重力(焊料的質(zhì)量)將勢(shì)必把焊料向下拉，這些作用力之間的平衡點(diǎn)必須選擇在位于焊料波峰速度零點(diǎn)附近脫離。

  PCB在焊料波峰中的浸漬寬度取決于焊料波峰的闊度，當(dāng)焊料槽中焊料的溫度控制在250℃時(shí)。

  井上喜久雄還給出了波峰闊度，夾送速度和浸漬時(shí)間(印制板浸入焊料波峰的時(shí)間)的關(guān)系曲線，如圖1-8所示。

  設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)確保夾送速度能在0.5～2.0m/min范圍內(nèi)無(wú)級(jí)變速，而波峰焊接中最適宜夾送速度的確定，要根據(jù)具體的生產(chǎn)效率、PCB基板的元器件的熱容量、浸漬時(shí)間及預(yù)熱溫度等綜合因素，通過(guò)工藝試驗(yàn)確定，根據(jù)大量工業(yè)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用中為獲得較好的波峰焊接效果，通常一個(gè)焊點(diǎn)在波峰釬料中浸漬的時(shí)間應(yīng)控制在2～4秒之間(我國(guó)電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/t10534-94規(guī)定為3～4秒)。超過(guò)4秒時(shí)橋連和熱沖擊變大，易過(guò)熱而損害元器件和PCB基板。低于2秒則因熱量不足，將導(dǎo)致焊接性能變劣并成為虛焊、拉尖、橋連等焊接缺陷的原因。因此，圖1-8中2秒線和4秒線之間所夾的區(qū)間，才是夾送速度適當(dāng)?shù)倪x用范圍。例如：針對(duì)某機(jī)型釬料波峰的熱交換區(qū)的寬度為50mm，浸漬時(shí)間若3秒，則可求得夾送速度應(yīng)為1m/min，浸漬時(shí)間若取2秒，則夾送速度將提高到1.5m/min。

  工業(yè)應(yīng)用中夾送速度通常要由生產(chǎn)效率來(lái)確定。例如：根據(jù)日產(chǎn)量需要，確定了夾送速度為1.5m/min，為確保良好的焊接效果取浸漬時(shí)間為3秒。因此，波峰焊接設(shè)備中釬料波峰必須能提供闊度為75mm的熱交換區(qū)才行。

  不同的波峰焊機(jī)能提供的熱交換區(qū)的寬度也是不同的，要獲得所用機(jī)型的交換區(qū)長(zhǎng)度的具體尺寸，通常采用帶刻度的石英玻璃平板，模擬PCB夾送時(shí)浸入波峰的深度(通常稱壓錫深度)在波峰上實(shí)際測(cè)得。

  日本深山先生針對(duì)傳送速度及焊料槽溫度與焊接缺陷的關(guān)系的試驗(yàn)分析情況，匯總示于表1-4中。

  1.2. 夾送傾角

  從圖1-7的分析中可知，當(dāng)夾送傾角較大，PCB板對(duì)焊料波峰的進(jìn)入點(diǎn)(A)向前下方移，PCB板在焊料流體的高速點(diǎn)開始受力并與波峰釬料接觸，由于速度差的增大。在切入點(diǎn)的湍流和擦洗作用更加明顯。這對(duì)進(jìn)一步減少釬料薄層的大小、拉尖和橋連等均大有好處。Clogdef .Coombs指出焊料的靡擦特性約為30，因此把夾送裝置傾斜40～90，有助于焊料更快地剝離使之返回波峰，目前公認(rèn)的比較佳的傾角范圍為60～80。

  1.3 波峰高度

  波峰焊接中，波峰高度的選擇對(duì)波峰焊接效果也有一定的影響，波峰偏高時(shí)，表明泵內(nèi)液態(tài)焊料的流速增大，雷諾數(shù)增大將使液態(tài)流體流速可能進(jìn)湍流(紊流)狀態(tài)，導(dǎo)致波峰不易穩(wěn)定，釬料氧化明顯加劇，基至溢流到PCB的上表面(元器件面)造成被焊件損壞，從焊點(diǎn)的潤(rùn)濕理論來(lái)分析，過(guò)高的波峰還可能會(huì)掩蓋一些局部潤(rùn)濕不良所形成的焊接缺陷。我們知道良好的潤(rùn)濕和焊縫的填充性，取決于焊料的表面能和焊縫的毛細(xì)吸附現(xiàn)象來(lái)完成接合部的冶金過(guò)程，無(wú)論是金屬化的穿孔焊盤或者是表面貼裝的焊縫均必須是這樣的。波峰過(guò)高時(shí)，焊料波峰中液壓過(guò)高。潤(rùn)濕過(guò)程外力作用過(guò)大，干擾了正常的冶金過(guò)程。例如。當(dāng)接合部存在著某些潤(rùn)濕不良現(xiàn)象時(shí)，此時(shí)焊縫的填充可能純粹是靠外部壓力將焊料壓入的，這種焊縫從表面上看雖然也被焊料填充覆蓋了，然而接合部可能未發(fā)生冶金過(guò)程，僅僅是一種機(jī)械粘附而已，這是一種典型的虛焊現(xiàn)象。

  波峰偏低時(shí)，泵內(nèi)液態(tài)焊料液體流速低并為層液態(tài)，因而波峰跳動(dòng)小、平穩(wěn)，但對(duì)PCB板的壓力也小了，上于焊縫的填充。

  日本井上 喜久雄針對(duì)FSO-300波峰焊接機(jī)給出了波峰高度、波峰焊料流速以及波峰焊料壓力之間的函數(shù)關(guān)系，如圖1-9所示。例如，當(dāng)波峰高度為4.78mmHg，焊料流速為266mm/sec，而當(dāng)波峰高度為8mm時(shí)，噴流壓力下降為3.4mmHg，焊料流速為190mm/sec。

  一般波峰焊接機(jī)波峰高度可在0～10mm之間調(diào)節(jié)，最適宜焊接的波峰高度范圍為6～8mm，我國(guó)電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 10534-94規(guī)定“最佳波峰高度宜控制在7～8mm”。

  1.4. 壓波深度

  壓波深度通常也稱為壓錫深度，它是指PCB板經(jīng)過(guò)波峰時(shí)浸入波峰的深度，如圖1-10所示，浸入深度過(guò)大不僅波峰釬料易溢到PCB的上表面造成事故，而且還易產(chǎn)生橋連現(xiàn)象。浸入深度太淺，易發(fā)生局部漏焊現(xiàn)象，在工業(yè)應(yīng)用中，PCB經(jīng)過(guò)波峰時(shí)壓波深度通常取PCB板厚的1/2～3/4之間。

  2.0 波峰焊焊料的污染及其控制

  2.1.污染的來(lái)源

  波峰焊接所使用的焊料規(guī)定要使用錫鉛共晶合金(Sn63/Pb37)。焊料槽中的雜質(zhì)主要是從浸入焊料槽中的被焊零部件引線及PCB焊盤上溶入的，在印制板波峰焊接中，這意味著只有有限的幾種元素(銅、銀和金)能夠溶于釬料槽的焊料中。

  2.2. 污染的危害

  金屬雜質(zhì)對(duì)波峰焊接效果影響極大，雜質(zhì)超標(biāo)時(shí)對(duì)焊點(diǎn)性能的主要影響如下：

  銅：銅與錫可生成Cu3Sn、Cu6Sn5兩種金屬間化合物，使液態(tài)焊料呈砂性且流動(dòng)性變差，焊點(diǎn)變黑。

  銀：銀與錫可生成AgSn、Ag3Sn兩種金屬間化合物，使焊料呈砂性被焊表面且出現(xiàn)疙瘩，焊點(diǎn)失去自然光澤，并出現(xiàn)白色顆粒狀物。

  金：金與鉛可生成Au2Pb、AuPb2金屬間化合物，而與錫生成Au6Sn、AuSn、Au6Sn3和AuSn4等金屬間化合物。很快使浮點(diǎn)變脆，并形成暗色的顆粒狀輪廓線。

  金和銅起復(fù)合作用會(huì)很快破壞整個(gè)焊料槽中的焊料性能。

  對(duì)軟焊料合金有害的污染物還有、鋁、鎂、錫和鋅等，特別是鋅，它是一種最有害的污染物，即使含量少到0.005％也會(huì)引起砂礫狀、缺少附著力，甚至使焊點(diǎn)完全破壞，導(dǎo)致整槽釬料的報(bào)廢。

  我國(guó)電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL/T10534-94規(guī)定波峰焊焊料槽中焊料雜質(zhì)金屬的最高容限如表1-5所示。

  2.3 防污染的對(duì)策

  (1) 焊料槽中的焊料合金純度對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量和一致性影響極大。因此，為了獲得好的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性，第一次向釬料槽中加注釬料時(shí)應(yīng)選用純度最高的釬料。美國(guó)工業(yè)部門根據(jù)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)中遇到的特殊問(wèn)題，針對(duì)波峰焊接焊料的污染水平規(guī)定了一個(gè)粗略的指導(dǎo)原則，如表1-6所示：

  (1) 盡可能縮短焊接時(shí)間或降低焊接溫度；

  (2) 遮蔽不要求焊接的金屬表面(如使用阻焊膜)；

  (3) 用高純度的焊料補(bǔ)充焊料槽中焊料的耗費(fèi)；

   （4）禁用焊料的邊角余數(shù)和滴落焊料(Drip Pings)重新加入焊料槽內(nèi)(因從工件上滴落下的焊料中金屬雜質(zhì)含量高)；

  (5) 若已證明焊料污染是產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題的主要原因時(shí)，必須整槽釬料完全更新，在更新過(guò)程中應(yīng)用軟毛刷槽清除粘于焊料槽壁上的任何非金屬浮渣和原有的焊料，且不得用硬金屬絲制成的刷子，以避免新的污染；

  (6) 銅錫化合物凝固溫度比軟焊料的熔點(diǎn)約高5℃～10℃，可把溫度降到銅錫合金凝固點(diǎn)，再用特制的工具把銅錫結(jié)晶生成物舀出加以清除，此法雖不能把全部的雜質(zhì)銅除掉，但作為一種權(quán)宜之計(jì)也是可以利用的。銀也可采用上述清除雜質(zhì)銅的方法將它清除掉。