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选择性焊接工艺的优化

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-12-29  浏览次数:616
核心提示:市场全球化导致了基于成本压力上的激烈竞争。 因此,在保证产品一贯高品质的基础上,电子 产品制造企业必须想方设法降低生产成本
 市场全球化导致了基于成本压力上的激烈竞争。 因此,在保证产品一贯高品质的基础上,电子 产品制造企业必须想方设法降低生产成本。基 于对品质和制造流程再现性的要求,人工焊接方式因其费 钱费时和成本敏感性强,已不再具有优势。

另外,高密度多层板及小型化和高引脚数的细间距器 件很难实现高质量/高效率的维修。因此,诸如生产率、操 作培训和错误装配所造成的“隐形成本”也必须在总成本 中加以考虑。还要特别关注的是,无铅工艺应用中人工返 修焊接过程将导致极大的热应力损伤问题。

因此,目标是要建立一个零缺陷的的形状和它们之间的间距如果采用了合理的设计,就会大大降低短路缺陷发生的可能性。焊盘和邻近不 被润湿的焊盘之间的距离设计,也需要遵循一定的规则。 引脚之间的距离和引脚的长度,也同样需要加以考虑。

此外,选择合适的焊接喷嘴,可以避免在自动选择 性焊接工艺中发生焊接缺陷。

在这里,一个合理的印制板设计是非常重要的。例 如,焊盘的形状或尺寸以及所采用的技术(比如润湿性和非润湿性焊接喷嘴)的设计 也是重要的考虑因素。新增的创新功能,比如“去桥接 刀”(debridging Knives),可以有效降低桥接缺陷的形成,特别是在浸焊(dip)工艺中。

不同的焊接工艺 

在焊点和邻近器件之间没有空隙的条件下很难实施焊 接, 这是在选择性焊接工艺中最普遍的问题, 通常是因为焊 接过程中容易将SMD器件冲洗掉或焊接喷嘴容易刮擦和损 坏有引脚器件的封装外壳。

在其他许多情况下,主要的缺陷是焊接短路和填充不 良;此外,锡珠也会导致缺陷。形成良好的焊点基于多种 因素,而选择性焊接工艺可提供可靠的焊接结果。 通常,不同的选择性波峰焊工艺有不同的焊接模式。

如果采用单“迷你波”(Miniwave)焊接工艺(图1),可 选择拖焊(drag)或浸焊模式进行操作,并允许以一定的角 度进行焊接。这种系统柔性更强,而且对板子的设计约束 也较少。但是, 根据焊点的数量,采用单“迷你波”工艺所 需要的操作周期相对较长, 从1分钟到10分钟不等。另一方面,多喷嘴浸焊工艺(图2)使用特定的焊接喷 嘴工具,在一定程度限制了柔性。不过,所有焊点在装配 过程中是同时被焊接的,多喷嘴浸焊工艺可以提供更短的 操作周期,大约20到30秒。这类设备大多数是不能设定焊接角度的。

部分这类工艺对设计有着不同的要求。 

印制板设计规范 

为避免在选择性焊接工艺中发生问题,相关印制板设计规范主要集中在对焊点周围间隙的设定上。可采取一 些措施来改善孔填充效率,比如正确的器件引脚长度, 引脚直径和通孔之间的正确比例,热解耦效应(thermal decoupling)等。为了降低桥接缺陷产生的风险,必须考虑 器件引脚及其长度的范围;但是,采用特殊设计的焊接喷 嘴也可以帮助减少桥接缺陷。此外,通过合理的印制板设 计或采用特殊的焊接喷嘴设计,也可以降低锡珠缺陷的产 生。 

焊点周围的间隙

为了获得可靠的焊接工艺效果,单“迷你波”焊接工 艺的喷嘴内径一般为3mm,外径则在4mm左右。如果采用 多喷嘴浸焊工艺,则外部尺寸至少为5mm×8mm。 为避免由边界间隙导致的焊接困难, 在多喷嘴 浸焊工艺过程中, 需要焊接的焊点与周边器件或不需 要焊接的焊点之间必须至少保持2 mm 的间距。一个 最小为5 mm × 8 mm 的喷嘴至少需要在焊点周围留出 9mm×12mm的空间(图3)。

根据特殊的工艺条件,很小间距的焊接也能实现;当 然,这需要做彻底的检查。它主要根据周围器件的型号以 及可能需要采取特殊地措施,例如使用有定位脚的夹子或 润湿型焊接喷嘴等。对于“迷你波”焊接工艺,板子设计 者需要在引脚或引脚排的三边留出2mm的空间,并在器件 离开波峰的一边留出5mm的空间,以便正确进行焊接脱离(图4)。

让波峰保持一定的角度或者采用润湿型焊接喷嘴 将有利于解决有时根本不可能留出的5 mm空间的问题(图5)。

当设计者难于在焊点三边留出至少2mm间隙时,周边 的SMD器件应该进行内部对齐(图6)。这种设计的好处在 于,如果这些回流焊接器件必须在选择性焊接工艺中进行浸润,它们不会被立即冲洗掉。

使用在拖焊中的单“迷你波”焊接还需要考虑焊点及 其附近高度超过10mm器件之间的距离。当以一定角度进行焊接时,高于10mm的器件可能碰到焊接喷嘴或气体罩。根据经验,对于这类特殊器件的设计,要求必须保证焊点与器件之间的距离等于或大于器件的高度。

改善孔填充率 

焊点孔填充率不足的现象主要来自于不完全的热传导 率,合理的印制板设计可以改善这一问题。特别在多喷嘴 浸焊工艺中,器件引脚的长度在改善焊点孔填充率不足的 过程中扮演着重要的角色。 

多喷嘴浸焊工艺要求引脚长度超过2.5mm,这与影响 通孔渗透情况的能量传输率是直接相关的。稍长的器件引 脚可以更深地浸入液态焊料中,由此可增加热量的传导并 最终得到较满意的孔填充率。 

另一个影响孔填充率的因素是引脚和通孔直径间的 合理比例。如果比例过大,就不能形成毛细管作用;如果 比例太小,助焊剂无法深入通孔,也无法形成良好的焊 点。根据经验,通孔的直径必须等于引脚直径加上0.2~ 0.4mm。在无铅工艺中,可能要求加上0.5mm。 

如果焊盘尺寸放大到一定的程度或者采用椭圆形焊 盘,热能传导的效果会比较好。如果可能,应避免阻焊膜 过分靠近焊点,这样可以帮助在焊盘上保持一定的热量, 同时也可以帮助防止锡珠的产生。 

热解耦设计也是一个值得注意的因素。考虑了合理热 解耦设计的PCB板,热能就不会完全被引脚带走,而是会在 焊盘上保留更长的一段时间(图7)。

在浸焊工艺中,通常也希望在焊接过程中有连续流动 的焊锡流,这样可以防止焊接过程中发生氧化,而且可以 源源不断地提供正常加温的焊接合金以形成焊点。这样能 够保证即使是在最消耗热能的接触阶段,附雍辖鹨膊换? 冷却。无论是在焊接很多引脚的情况下,还是引脚需要连接 到印制板内层抑或引脚置于组件边缘的情况下,系统都可 以达到显著改善孔填充率的效果。

减少桥接缺陷 

桥接是发生在选择性焊接过程中的主要缺陷,主要是 由于器件引脚间距离过小。所以,多喷嘴浸焊焊接工艺要 求引脚间距大于2.54mm,而单“迷你波”焊接工艺要求相 对较低,引脚间距要求大于1.27mm。满足上述条件后,系统可以设定合适的焊接角度以帮助达成良好的焊接脱离效果,减少桥接风险;或系统可配置润湿型焊接喷嘴,以达到同样的效果。

尽管引脚间距小于2.54mm的焊点排在浸焊工艺中有 较大的桥接缺陷风险,但是,如果考虑板面的基本布局规 则,这些引脚也是可以被良好焊接的。在引脚附近设计 不同形状的引流焊盘,比如小尺寸的焊盘或者椭圆形的 焊盘,可以帮助将多余的液体焊料引离焊点,以减少桥 接缺陷。对多喷嘴焊接工具进行特殊的调整,也可以使 2.0mm引脚间距的焊接应用达到良好的效果。 

器件引脚的长度对桥接缺陷的产生有着相当重要的影 响。多喷嘴浸焊工艺要求引脚长度大于2.5mm(图8)。器 件引脚长可以增加焊接脱离速度,使多余焊料不再堆积在 焊点上,从而降低桥接风险。

在单迷你波焊接工艺中,板子是移动的,并通常设置 一定的焊接角度以改善焊接脱离效果。这时对引脚长度的 要求大约为1mm(图9)。较短的引脚可能造成有缺陷的焊 点形状,例如:较差的半月板焊点和球状焊点。

在浸焊工艺中,有一种特别的焊接喷嘴设计,也可 以减少桥接缺陷。这种设计被称为“去桥接刀”;举例来 说,就是在焊接喷嘴内安装润湿性金属板,在浸焊后用于 从引脚上移除多余的液体焊料(图10)。“去桥接刀”可 用于特殊的焊接应用,例如对不能满足先前所提及的理 想设计标准,引脚长度小于2.5mm,以及引脚间距介于2.0mm 到2.54mm 之间的情况。

减少锡珠缺陷

锡珠现象存在于所有的波峰焊工艺中,在无铅焊接过 程中更易发生,因为无铅的工艺温度较之传统的焊接工艺 有了较大的提高。较高的工艺温度对阻焊膜有不利影响。 取决于质量状况,阻焊膜可能在预热期间就被软化,由此 增加了锡珠粘连的机会。在传统有铅相关或者高质量无铅 阻焊膜的工艺应用中,生成的锡珠会即刻弹散开。所以,在条件许可下,应使阻焊膜远离焊点(图11)。

在多喷嘴浸焊工艺中,特殊设计的喷嘴可以帮助避免 锡珠缺陷的产生。通过采用引流片的方法引导需要产生的 锡流。同时,完整的喷嘴工具上部还覆盖有一层金属板, 图11:阻焊膜应远离焊点 任何在液体焊料回流过程中可能出现的飞溅,都没有机会 接触到印制板上。

结论 

在所有的自动焊接工艺中,选择性焊接也许是要求 最高的工艺,它需要很多经验以及有关于工艺本身和相关 材料的基本知识。不过,最新的选择性焊接系统已经排除 了大多数可能在工艺过程中发生的问题。对比一些基本 的PCB设计规范,耗时和成本敏感型的返修焊接将成为过去,采用选择性焊接将获得良好的焊接效率并保持产品的 高质量水准。

关于作者: 

Reiner Zoch是SEHO公司的产品经理;Christian Ott是SEHO公司的高级销售和产品经理。

 
 
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