電子廠全面DIP波峰焊工藝流程及波峰焊接的缺陷不良原因分析 !

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電子廠全面DIP波峰焊工藝流程及波峰焊接的缺陷不良原因分析 !

電子廠DIP波峰焊錫機（波峰焊）主要用于傳統THT通孔插裝印制電路板電裝焊接工藝，以及表面組裝與通孔插裝元器件的混裝工藝，波峰焊其高溫液態錫保持一個斜面,并由特殊裝置使液態錫形成一道道類似波浪的現象,所以叫“波峰焊”; 適用于波峰焊工藝的表面組裝元器件有矩形和圓柱形片式元件、SOT以及較小的SOP等器件。

DIP波峰焊錫機工作原理 :

電子廠用于DIP及SMT紅膠工藝的波峰焊錫機一般都是雙波峰或電磁泵波峰焊機。

下面以雙波峰焊機的工藝流程為例，來說明波峰焊的工作原理 :

DIP插件波峰焊錫機整機工作原理流程圖

電子廠DIP插件焊接發展及優點 :

隨著電子產品的大批量生產，手工采用烙鐵工具逐點焊接PCB板上引腳焊點的方法，再也不能適應市場要求、生產效率與產品質量。于是就逐步發明了半自動／全自動群焊(Mass Soldering)設備與全自動焊接機。全自動焊接機早出現在日本，作為黑白／彩色電視機的主要生產設備。八十年代起引進，先后有浸焊機、單波峰焊機等。八十年代中期起貼插混裝的SMT技術迅速發展，又出現了雙波峰焊錫機。

波峰焊是指將熔化的軟釬焊料（鉛錫合金），經電動泵或電磁泵噴流成設計要求的焊料波峰,亦可通過向焊料池注入氮氣來形成，使預先裝有元器件的印制板通過焊料波峰，實現元器件焊端或引腳與印制板焊盤之間機械與電氣連接的軟釬焊。根據機器所使用不同幾何形狀的波峰，波峰焊系統可分許多種。

與手工焊接技術相比，全自動流動焊接技術明顯的擁有以下優點：節省電能，節省人力，提高效率，降低成本，提高了外觀質量與可靠性，克服人為影響因素，可以完成手工無法完成的工作。

常用DIP波峰焊流程：將元件插入相應的元件孔中 →預涂助焊劑 → 預熱 → 過波峰焊錫爐 → 冷卻 → 切除多余插件腳 → AOI檢測。

當完成點膠(或印刷)、貼裝、膠固化、插裝通孔元器件的PCB線路板從波峰焊機的入口端隨傳送帶向前運行，通過焊劑發泡(或噴霧)槽時，印制板下表面的焊盤、所有元器件端頭和引腳表面被均勻地涂覆上一層薄薄的焊劑。

助焊劑的作用原理 :

熔融的焊料之所以能承擔焊接作用，是由于金屬原子距離接近后產生相互擴散、溶解、浸潤等作用的結果。此時，阻礙原子之間相互作用的是金屬表面存在的氧化膜和污染物，也是妨礙浸潤的有害物質。

為此，一方面要采取措施防止在金屬表面產生氧化物，另一方面必須采取去除污染的各種措施和處理方法。但是由于在PCBA生產的各種前端過程乃至于元器件生產的過程中，完全避免這些氧化和污染是很困難的。因此，必須在焊接操作之前采取某些方法把氧化膜和污染清除掉。采用熔劑去除氧化膜具備不損傷母材、效率高等特點，因此能被廣泛的用于PCBA的制程中。

隨著波峰焊噴助焊劑工序完成, PCB板經波峰鈦爪傳送進入預熱區，焊劑中的溶劑被揮發掉，焊劑中松香和活性劑開始分解和活性化，印制板焊盤、元器件端頭和引腳表面的氧化膜以及其它污染物被清除；同時，印制板和元器件得到充分預熱。

PCB線路印制板繼續向前運行，印制板的底面首先通過個熔融的焊料波。個焊料波是亂波(振動波或紊流波)，將焊料打到印制板的底面所有的焊盤、元器件焊端和引腳上；熔融的焊料在經過焊劑凈化的金屬表面上進行浸潤和擴散。之后，印制板的底面通過第二個熔融的焊料波，第二個焊料波是平滑波，平滑波將引腳及焊端之間的連橋分開，并去除拉尖(冰柱)等焊接缺陷。

波峰焊隨著人們對環境保護意識的增強有了新的焊接工藝。以前的是采用錫鉛合金，但是鉛是重金屬對人體有很大的傷害。于是現在有了無鉛工藝的產生。它采用了*錫銀銅合金*和特殊的助焊劑且焊接接溫度的要求更高更高的預熱溫度還要說一點在PCB板過焊接區后要設立一個冷卻區工作站。

傳統的錫鉛焊料在電子裝聯中已經應用了近一個世紀。共晶焊料的導電性、穩定性、抗蝕性、抗拉和抗疲勞、機械強度、工藝性都是非常的，而且資源豐富，價格便宜。是一種極為理想的電子焊接材料。但由于鉛污染人類的生活環境。據統計，某些地區地下水的含鉛量已超標30倍，由于Pb是一種有毒的金屬，對人體有害，并且對自然環境有很大的破壞性，所以引進了無鉛焊絲。

無鉛焊接的特點和對策 :

(1) 無鉛焊接的主要特點：

(A) 高溫、熔點比傳統有鉛共晶焊料高34℃左右。

(B) 表面張力大、潤濕性差。

(2) 無鉛焊點的特點：

(A) 浸潤性差，擴展性差。

(B) 無鉛焊點外觀粗糙。傳統的檢驗標準與AOI需要升級。

(D) 缺陷多－由于浸潤性差，使自定位效應減弱。

無鉛焊點外觀粗糙、氣孔多、潤濕角大、沒有半月形，由于無鉛焊點外觀與有鉛焊點有較明顯的不同，如果有原來有鉛的檢驗標準衡量，甚至可以認為是不合格的，隨著無鉛技術的深入和發展，由于助焊劑的改進以及工藝的進步，無鉛焊點的粗糙外觀已經有了一些改觀。

波峰焊在使用過程中的常見參數主要有以下幾個：

1.預熱：

A.“預熱溫度“一般設定在90-110度，這里所講“溫度”是指預熱后PCB板焊接面的實際受熱溫度，而不是“表顯”溫度；如果預熱溫度達不到要求，則易出現焊后殘留多、易產生錫珠、拉錫尖等現象；

SMA類型元器件預熱溫度

單面板組件通孔器件與混裝 90~100

雙面板組件通孔器件 100~110

雙面板組件混裝 100~110

多層板通孔器件 115~125

多層板混裝 115~125

B、影響預熱溫度的有以下幾個因素，即：PCB板的厚度、走板速度、預熱區長度等；

B1.PCB的厚度，關系到PCB受熱時吸熱及熱傳導的這樣一系列的問題，如果PCB較薄時，則容易受熱并使PCB“零件面”較快升溫，如果有不耐熱沖擊的部件，則應適當調低預熱溫度；如果PCB較厚，“焊接面”吸熱后，并不會迅速傳導給“零件面”，此類板能經過較高預熱溫度；

B2.走板速度：一般情況下，建議把走板速度定在1.1-1.2米/分鐘這樣一個速度，但這不是值；如果要改變走板速度，通常都應以改變預熱溫度作配合；比如：要將走板速度加快，那么為了保證PCB焊接面的預熱溫度能夠達到預定值，就應當把預熱溫度適當提高；

B3.預熱區長度：預熱區的長度影響預熱溫度，在調試不同的波峰焊機時，應考慮到這一點對預熱的影響；預熱區較長時，溫度可調的較接近想要得到的板面實際溫度；如果預熱區較短，則應相應的提高其預定溫度。

2、錫爐溫度：

以使用63/37的錫條為例，一般來講此時的錫液溫度應調在245至255度為合適，盡量不要在超過260度，因為新的錫液在260度以上的溫度時將會加快其氧化物的產生量.

雙波峰焊理論溫度曲線

3、鏈條（或稱輸送帶）的傾角：

A、這一傾角指的是鏈條（或PCB板面）與錫液平面的角度；
B、當PCB板走過錫液平面時，應保證PCB零件面與錫液平面只有一個切點；而不能有一個較大的接觸面；
C、當沒有傾角或傾角過小時，易造成焊點拉尖、沾錫太多、連焊多等現象的出現；當傾角過大時，很明顯易造成焊點的吃錫不良甚至不能上錫等現象。

4、風刀：

在波峰爐使用中，“風刀”的主要作用是吹去PCB板面多余的助焊劑，并使助焊劑在PCB零件面均勻涂布；一般情況下，風刀的傾角應在100左右；如果“風刀”角度調整的不合理，會造成PCB表面焊劑過多，或涂布不均勻，不但在過預熱區時易滴在發熱管上，影響發熱管的壽命，而且會影響焊完后PCB表面光潔度，甚至可能會造成部分元件的上錫不良等狀況的出現。
注：風刀角度可請設備供應商在調試機器進行定位，在使用過程中的維修、保養時不要隨意改動。

DIP波峰焊的生產管理指導說明書 :

①預熱溫度：峰值溫度 100～130℃（焊接面焊盤上的溫度）

②錫槽溫度：２５０～２６０℃

③搬送鏈速：0.8～1.4ｍ／分（根據基板種類，有所不同）

④焊接時間：1次：2～3秒 2次：2～3秒合計4～6秒（大10sec）

⑤焊錫浸漬狀態：錫槽高度、根據噴流高度進行調整

⑥錫槽內焊錫成份管理（成份分析）

?分析頻率：１～３次／半年（導入初期：１～４次／月)

?成分管理：銅濃度 0.5～1.0% 鉛濃度 0.1%以下

波峰焊接的缺陷不良原因分析

關系波峰焊品質的特定因素 :

一、沾錫不良POOR WETTING

這種情況是不可接受的缺點，在焊點上只有部分沾錫。分析其原因及改善方式如下：

1、外界的污染物如油、脂、臘等，此類污染物通常可用溶劑清洗，油污有時是在印刷防焊劑時沾上的；
2、SILICONOIL通常用于脫模及潤滑之用，通常會在基板及零件腳上發現，而SILICON OIL不易清理，因之使用它要非常小心尤其是當它做抗氧化油常會發生問題，因它會蒸發沾在基板上而造成沾錫不良。
3、常因貯存狀況不良或基板制程上的問題發生氧化，而助焊劑無法去除時會造成沾錫不良，過二次錫或可解決此問題。
4、沾助焊劑方式不正確，造成原因為發泡氣壓不穩定或不足，致使泡沫高度不穩或不均勻而使基板部分沒有沾到助焊劑。
5、吃錫時間不足或錫溫不足會造成沾錫不良，因為熔錫需要足夠的溫度及時間WETTING，通常焊錫溫度應高于熔點溫度50℃至80℃之間，沾錫總時間約3秒。調整錫膏粘度。

二、局部沾錫不良：

此一情形與沾錫不良相似，不同的是局部沾錫不良不會露出銅箔面，只有薄薄的一層錫無法形成飽滿的焊點。

三、冷焊或焊點不亮：

焊點看似碎裂，不平，大部分原因是零件在焊錫正要冷卻形成焊點時振動而造成，注意錫爐輸送是否有異常振動。

四、焊點破裂：

此一情形通常是焊錫，基板，導通孔，及零件腳之間膨脹系數，未配合而造成，應在基板材質，零件材料及設計上去改善。

五、焊點錫量太大：

通常在*定一個焊點，希望能又大又圓又胖的焊點，但事實上過大的焊點對導電性及抗拉強度未必有所幫助。

1、錫爐輸送角度不正確會造成焊點過大，傾斜角度由1到7度依基板設計方式？#123;整，一般角度約3.5度角，角度越大沾錫越薄角度越小沾錫越厚。
2、提高錫槽溫度，加長焊錫時間，使多余的錫再回流到錫槽。
3、提高預熱溫度，可減少基板沾錫所需熱量，曾加助焊效果。
4、改變助焊劑比重，略為降低助焊劑比重，通常比重越高吃錫越厚也越易短路，比重越低吃錫越薄但越易造成錫橋，錫尖。

六、錫尖（冰柱）

此一問題通常發生在DIP或WIVE的焊接制程上，在零件腳頂端或焊點上發現有冰尖般的錫。

1、基板的可焊性差，此一問題通常伴隨著沾錫不良，此問題應由基板可焊性去探討，可試由提升助焊劑比重來改善。
2、基板上金道（PAD）面積過大，可用綠（防焊）漆線將金道分隔來改善，原則上用綠（防焊）漆線在大金道面分隔成5mm乘10mm區塊。
3、錫槽溫度不足沾錫時間太短，可用提高錫槽溫度加長焊錫時間，使多余的錫再回流到錫槽來改善。
4、出波峰后之冷卻風流角度不對，不可朝錫槽方向吹，會造成錫點急速，多余焊錫無法受重力與內聚力拉回錫槽。
5、手焊時產生錫尖，通常為烙鐵溫度太低，致焊錫溫度不足無法立即因內聚力回縮形成焊點，改用較大瓦特數烙鐵，加長烙鐵在被焊對象的預熱時間。

七、防焊綠漆上留有殘錫

1、基板制作時殘留有某些與助焊劑不能兼容的物質，在過熱之，后餪化產生黏性黏著焊錫形成錫絲，可用丙酮（*已被蒙特婁公約禁用之化學溶劑），氯化烯類等溶劑來清洗，若清洗后還是無法改善，則有基板層材CURING不正確的可能，本項事故應及時回饋基板供貨商。
2、不正確的基板CURING會造成此一現象，可在插件前先行烘烤120℃二小時，本項事故應及時回饋基板供貨商。
3、錫渣被PUMP打入錫槽內再噴流出來而造成基板面沾上錫渣，此一問題較為單純良好的錫爐維護，錫槽正確的錫面高度（一般正常狀況當錫槽不噴流靜止時錫面離錫槽邊緣10mm高度）。

八、白色殘留物：

在焊接或溶劑清洗過后發現有白色殘留物在基板上，通常是松香的殘留物，這類物質不會影響表面電阻質，但客戶不接受。

1、助焊劑通常是此問題主要原因，有時改用另一種助焊劑即可改善，松香類助焊劑常在清洗時產生白班，此時的方式是尋求助焊劑供貨商的協助，產品是他們供應他們較專業。
2、基板制作過程中殘留雜質，在長期儲存下亦會產生白斑，可用助焊劑或溶劑清洗即可。
3、不正確的CURING亦會造成白班，通常是某一批量單獨產生，應及時回饋基板供貨商并使用助焊劑或溶劑清洗即可。
4、廠內使用之助焊劑與基板氧化保護層不兼容，均發生在新的基板供貨商，或更改助焊劑廠牌時發生，應請供貨商協助。
5、因基板制程中所使用之溶劑使基板材質變化，尤其是在鍍鎳過程中的溶液常會造成此問題，建議儲存時間越短越好。
6、助焊劑使用過久老化，暴露在空氣中吸收水氣劣化，建議更新助焊劑（通常發泡式助焊劑應每周更新，浸泡式助焊劑每兩周更新，噴霧式每月更新即可）。
7、使用松香型助焊劑，過完焊錫爐候停放時間太九才清洗，導致引起白班，盡量縮短焊錫與清洗的時間即可改善。
8、清洗基板的溶劑水分含量過高，降低清洗能力并產生白班。應更新溶劑。

九、深色殘余物及浸蝕痕跡：

通常黑色殘余物均發生在焊點的底部或頂端，此問題通常是不正確的使用助焊劑或清洗造成。

1、松香型助焊劑焊接后未立即清洗，留下黑褐色殘留物，盡量提前清洗即可。
2、酸性助焊劑留在焊點上造成黑色腐蝕顏色，且無法清洗，此現象在手焊中常發現，改用較弱之助焊劑并盡快清洗。
3、有機類助焊劑在較高溫度下燒焦而產生黑班，確認錫槽溫度，改用較可耐高溫的助焊劑即可。

十、綠色殘留物：

綠色通常是腐蝕造成，特別是電子產品但是并非完全如此，因為很難分辨到底是綠銹或是其它化學產品，但通常來說發現綠色物質應為警訊，必須立刻查明原因，尤其是此種綠色物質會越來越大，應非常注意，通常可用清洗來改善。

1、腐蝕的問題：通常發生在裸銅面或含銅合金上，使用非松香性助焊劑，這種腐蝕物質內含銅離子因此呈綠色，當發現此綠色腐蝕物，即可證明是在使用非松香助焊劑后未正確清洗。
2、COPPERABIETATES是氧化銅與ABIETIC ACID （松香主要成分）的化合物，此一物質是綠色但絕不是腐蝕物且具有高絕緣性，不影影響品質但客戶不會同意應清洗。
3、PRESULFATE的殘余物或基板制作上類似殘余物，在焊錫后會產生綠色殘余物，應要求基板制作廠在基板制作清洗后再做清潔度測試，以確保基板清潔度的品質。

十一、白色腐蝕物：

第八項談的是白色殘留物是指基板上白色殘留物，而本項目談的是零件腳及金屬上的白色腐蝕物，尤其是含鉛成分較多的金屬上較易生成此類殘余物，主要是因為氯離子易與鉛形成氯化鉛，再與二氧化碳形成碳酸鉛（白色腐蝕物）。在使用松香類助焊劑時，因松香不溶于水會將含氯活性劑包著不致腐蝕，但如使用不當溶劑，只能清洗松香無法去除含氯離子，如此一來反而加速腐蝕。

十二、針孔及氣孔：

針孔與氣孔之區別，針孔是在焊點上發現一小孔，氣孔則是焊點上較大孔可看到內部，針孔內部通常是空的，氣孔則是內部空氣完全噴出而造成之大孔，其形成原因是焊錫在氣體尚未完全排除即已凝固，而形成此問題。

1、有機污染物：基板與零件腳都可能產生氣體而造成針孔或氣孔，其污染源可能來自自動植件機或儲存狀況不佳造成，此問題較為簡單只要用溶劑清洗即可，但如發現污染物為SILIConOIL因其不容易被溶劑清洗，故在制程中應考慮其它代用品。
2、基板有濕氣：如使用較便宜的基板材質，或使用較粗糙的鉆孔方式，在貫孔處容易吸收濕氣，焊錫過程中受到高熱蒸發出來而造成，解決方法是放在烤箱中120℃烤二小時。
3、電鍍溶液中的光亮劑：使用大量光亮劑電鍍時，光亮劑常與金同時沉積，遇到高溫則揮發而造成，特別是鍍金時，改用含光亮劑較少的電鍍液，當然這要回饋到供貨商。

十三、TRAPPED OIL：

氧化防止油被打入錫槽內經噴流涌出而機污染基板，此問題應為錫槽焊錫液面過低，錫槽內追加焊錫即可改善。

十四、焊點灰暗：

此現象分為二種（1）焊錫過后一段時間，（約半載至一年）焊點顏色轉暗。（2）經制造出來的成品焊點即是灰暗的。

1、焊錫內雜質：必須每三個月定期檢驗焊錫內的金屬成分。
2、助焊劑在熱的表面上亦會產生某種程度的灰暗色，如RA及有機酸類助焊劑留在焊點上過久也會造成輕微的腐蝕而呈灰暗色，在焊接后立刻清洗應可改善。

某些無機酸類的助焊劑會造成ZINCOXYCHLORIDE可用1%的鹽酸清洗再水洗。
3、在焊錫合金中，錫含量低者（如40/60焊錫）焊點亦較灰暗。

十五、焊點表面粗糙：

焊點表面呈砂狀突出表面，而焊點整體形狀不改變。

1、金屬雜質的結晶：必須每三個月定期檢驗焊錫內的金屬成分。
2、錫渣：錫渣被PUMP打入錫槽內經噴流涌出因錫內含有錫渣而使焊點表面有砂狀突出，應為錫槽焊錫液面過低，錫槽內追加焊錫并應清理錫槽及PUMP即可改善。
3、外來物質：如毛邊，絕緣材等藏在零件腳，亦會產生粗糙表面。

十六、焊點：

系因焊錫溫度過高造成，立即查看錫溫及溫控器是否故障。

十七、短路：

過大的焊點造成兩焊點相接。

1、基板吃錫時間不夠，預熱不足調整錫爐即可。
2、助焊劑不良：助焊劑比重不當，劣化等。
3、基板進行方向與錫波配合不良，更改吃錫方向。
4、線路設計不良：線路或接點間太過接近（應有0.6mm以上間距）；如為排列式焊點或IC，則應考慮盜錫焊墊，或使用文字白漆予以區隔，此時之白漆厚度需為2倍焊墊（金道）厚度以上。
5、被污染的錫或積聚過多的氧化物被PUMP帶上造成短路應清理錫爐或更進一步全部更新錫槽內的焊錫。