波峰焊接技术设计与研究毕业论文.docx

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波峰焊接技术设计与研究毕业论文

波峰焊接技术设计与研究毕业论文

1引言·····························································5

2波峰焊接设备及工艺·················································5

2.1波峰焊的分类···················································6

2.2波峰焊接的结构组成及功能····································7

2.2.1治具安装··················································7

2.2.2助焊剂系统················································7

2.2.3预热系统··················································8

2.2.4焊接系统··················································9

2.2.5冷却·····················································10

2.2.6控制系统·················································10

2.3惰性焊接···············································10

2.4波峰焊接方法的选择········································11

3波峰焊质量分析···············································11

3.1提高波峰焊接的质量与措施····································11

3.1.1焊接前对印制板质量及元件的控制···························11

3.1.2生产工艺材料的质量控制···································12

3.1.3焊接过程中的工艺参数控制·································13

3.2波峰焊接缺陷分析·········································14

总结······························································15

致谢······························································16

参考文献···························································16

1引言

自从无线电发明的那天起，电子组装技术就相伴诞生了。

但在电子管时代，人们仅用手工烙铁焊接电子产品。

20世纪40年代随着印制电路板研制成功，开始将晶体管以及瞳孔直接焊接在印制板上，使电子产品结构紧凑、体积开始缩小，到了50年代，英国研制世界上第一台波峰焊机，由此电子大规模工业化时代开始到来，它对世界电子工业生产技术发展的贡献是无法估量的。

随着表面贴装技术的发展，波峰焊技术正逐渐失去它的重要性，但在电子行业的某些主要技术方面，由于受到电子元器件体积等方面的限制，波峰焊技术仍是不可缺少的主要技术之一。

波峰焊设备发展至今的50多年中，在通孔元器件的焊接中具有生产效率高，自动化程度高等优点，因此曾经是电子产品自动化大批量生产中最主要的焊接设备。

虽然表面组装技术的发展在某些程度上取代了波峰焊技术，但在一些高端电子产品以及不能通过表面组装技术实现的技术中，仍是主要的。

2波峰焊接设备及工艺

波峰焊是将熔化的焊料，经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰，使预先装有电子元器件的印制板通过焊料波峰，实现元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。

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前面的锡波无皱褶地被推向前进，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。

波峰焊用于印制板装联已有20多年的历史，现在已成为一种非常成熟的电子装联工艺技术，目前主要用于通孔插装组件和采用混合组装方式的表面组件的焊接。

图1是典型波峰焊外观图，图2是波峰焊中典型的双波峰系统示意图。

图1典型的波峰焊外观图图2波峰焊中典型的双波峰系统示意图

2.1波峰焊机的分类

根据价格和产量，波峰焊机大致可以分为三类：

40,000到55,000美元可以买到一台入门级、低或中等产量的立式机器。

虽然还有更便宜的台式机型，但这些只适合于用在研究开发或制作样机的场合，因为对于要适应制造商对增长的需求而言，它们都不够经用。

典型的这类机器其传送带输出速度约为0.8米/分钟到1米/分钟，采用发泡式或喷雾式助焊剂涂敷设备。

可能没有对流式预热装置，但是大多数供应商会提供兼有单波和双波性能的机器。

48,000到80,000美元可以买到一台中等产量的机器，预热区约为1.22米到1.83米，生产速度约为1.2米/分钟到1.5米/分钟。

除了将双波峰作为标准配置外，同时还提供有更多先进的配置，比如惰性气体环境等。

在高端市场，用95,000到190,000美元可以买到高产量的机器，能每天运行24小时并只需很少的人工干预。

一般采用1.83米到2.44米的预热长度，可以得到2米/分钟或更高的产量。

它同时还包括很多先进的特性，比如统计过程控制和远距离监测装置，以及在同一机器内既有喷雾式、发泡式又有波峰式助焊剂涂敷系统，另外可能还有三波峰性能。

2.2波峰焊接的结构组成功能

波峰焊有单波峰焊和双波峰焊之分。

单波峰焊用于SMT时，由于焊料的“遮蔽效应”容易出现较严重的质量问题，如漏焊、桥接和焊缝不充实等缺陷。

而双波峰则较好地克服了这个问题，大大减少漏焊、桥接和焊缝不充实等缺陷，因此目前在表面组装中广泛采用双波峰焊工艺和设备。

双波峰焊的结构组成见图3。

图3双波峰焊结构组成

2.2.1治具安装

治具安装是指给待焊接的PCB板安装夹持的治具，可以限制基板受热变形的程度，防止冒锡现象的发生，从而确保浸锡效果的稳定。

2.2.2助焊剂系统

助焊剂系统是保证焊接质量的第一个环节，其主要作用是均匀地

涂覆助焊剂，除去PCB和元器件焊接表面的氧化层和防止焊接过程中再氧化。

助焊剂用量少，润湿效果差；用量大，会引起锡珠，且留下过量的助焊剂残留，会导致污染甚至腐蚀产品，引起产品的性能问题。

因此，助焊剂的涂覆一定要均匀，尽量不产生堆积。

助焊剂系统有多种，包括喷雾式、喷流式和发泡式。

目前一般使用喷雾式助焊系统，如图4所示。

采用免清洗助焊剂，这是因为免清洗助焊剂中固体含量极少，不挥发无含量只有1/5～1/20。

所以必须采用喷雾式助焊系统涂覆助焊剂，同时在焊接系统中加防氧化系统，保证在PCB上得到一层均匀细密很薄的助焊剂涂层，这样才不会因第一个波的擦洗作用和助焊剂的挥发，造成助焊剂量不足，而导致焊料桥接和拉尖。

图4喷雾式助焊剂系统

喷雾式有两种方式：

一是采用超声波击打助焊剂，使其颗粒变小，再喷涂到PCB板上。

二是采用微细喷嘴在一定空气压力下喷雾助焊剂。

这种喷涂均匀、粒度小、易于控制，喷雾高度/宽度可自动调节，是今后发展的主流。

2.2.3预热系统

1、预热系统的作用

●助焊剂中的溶剂成份在通过预热器时，将会受热挥发。

从而避免溶剂成份在经过液面时高温气化造成炸裂的现象发生，最终防止产生锡粒的品质隐患。

●待浸锡产品搭载的部品在通过预热器时的缓慢升温，可避免过波峰时因骤热产生的物理作用造成部品损伤的情况发生。

●预热后的部品或端子在经过波峰时不会因自身温度较低的因素大幅度降低焊点的焊接温度，从而确保焊接在规定的时间内达到温度要求。

2、预热方法

波峰焊几种常见的预热方法有空气对流加热、红外加器加热、用热空气和辐射相结合加热。

例如，德国Sohe公司生产的隧道式1200、7000系列波峰焊机的预热方法就是采用红外管状石英灯加热，有节约能耗、升温速度快的优点。

空气对流的形成是依靠装在波峰焊上的排风系统来实现的，只要达到一定的排风量，就有良好的对流效果。

3、预热温度与时间

一般预热温度为130～150℃，预热时间为1～3min。

预热温度控制得好，可防止虚焊、拉尖和桥接，减小焊料波峰对基板的热冲击，有效地解决焊接过程中PCB板翘曲、分层、变形问题。

2.2.4焊接系统

焊接系统一般采用双波峰。

在波峰焊接时，PCB板先接触第一个波峰，然后第二个波峰。

第一个波峰是由窄喷嘴喷流出的"湍流"波峰，流速快，对组件有较高的垂直压力，使焊料对尺寸小，贴装密度高的表面组装元器件的焊端有较好的渗透性；通过湍流的熔融焊料在所有方向擦洗组件表面，从而提高了焊料的润湿性，并克服了由于元器件的复杂形状和取向带来的问题；同时也克服了焊料的"遮蔽效应"湍流波向上的喷射力足以使焊剂气体排出。

因此，即使印制板上不设置排气孔也不存在焊剂气体的影响，从而大大减小了漏焊、桥接和焊缝不充实等焊接缺陷，提高了焊接可靠性。

经过第一个波峰的产品，因浸锡时间短以及部品自身的散热等因素，浸锡后存在着很多的短路，锡多，焊点光洁度不正常以及焊接强度不足等不良内容。

因此，紧接着必须进行浸锡不良的修正，这个动作由喷流面较平较宽阔，波峰较稳定的二级喷流进行。

这是一个"平滑"的波峰，流动速度慢，有利于形成充实的焊缝，同时也可有效地去除焊端上过量的焊料，并使所有焊接面上焊料润湿良好，修正了焊接面，消除了可能的拉尖和桥接。

具体如图5所示：

图5双波峰焊接原理

2.2.5冷却

浸锡后适当的冷却有助于增强焊点接合强度的功能，同时，冷却后的产品更利于炉后操作人员的作业，因此，浸锡后产品需进行冷却处理。

2.2.6控制系统

对于整个焊接过程，其控制系统有如下特点：

（1）PLC内置时钟芯片,可设定时间自动打开锡炉加热。

（2）波峰频率控制模式提供2种控制方式供选择：

①电脑通讯控制

②操作面板控制

（3）波峰运行模式提供2种控制方式供选择：

①波峰一直打开

②有板时自动打开波峰（经济模式）

在选择第2项时用户可以根据自己的需要设定打开波峰的范围,这样大大的减少了材料的损耗。

（4）三种喷雾方式可供选择：

①步进喷雾

②伺服喷雾

③气缸喷雾

（5）自动/手动宽窄调节功能。

PLC内置时钟芯片,可设定时间自动打开锡炉加热。

2.3惰性焊接

氮气焊接可以减少锡渣节省成本，但是用户必须要承担氮气的费用以及输送系统的先期投资。

通常需要折衷考虑上述两个方面的因素，因此必须确定减少维护以及由于焊点浸润更好因而缺陷率降低所节省下来的成本。

另外也可以采用低残余物工艺，此时会有一些助焊剂残余物留在板子上，而根据产品或客户的要求这些残余物是可以接受的。

像合约制造商这样的用户对于所焊接的产品设计不会有一个总的控制，因此他们要寻求更宽的工艺范围，这可以通过采用有腐蚀性的助焊剂然后进行清洗的方法来达到。

虽然会有一个初始设备投资，但在大多数情况下这是一个成本最低的方法，因为从生产线下来的都是高质量而又无需返工的产品。

2.4波峰焊接方法的选择

波峰焊方法或工艺的采用取决与产品的复杂程度以及产量，如果做复杂的产品以及产量很高，可以考虑氮气工艺比如CoN2Tour波峰来减少锡渣并提高焊点的浸润性。

如果使用一台中型的机器，其工艺可以分为氮气工艺和空气工艺，用户仍然可以在空气环境下处理复杂的板子，在这种情况下，可根据用户的要求使用腐蚀性助焊剂，在焊接后再进行清洗，或者使用低固态助焊剂。

3波峰焊质量分析

3.1提高波峰焊的质量与措施

分别从焊接前的质量控制、生产工艺材料及工艺参数这三个方面探讨了提高波峰焊质量的方法。

3.1.1焊接前对印制板质量及元件的控制

1、焊盘设计

（1）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。

（2）在设计贴片元件焊盘时，应考虑以下几点：

①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，波峰焊时推荐采用的元件布置方向图如图6所示；

图6波峰焊推荐使用元件布置方向图

②波峰焊接不适合于细间距QFP、PLCC、BGA和小间距SOP器件焊接，就是在波峰焊接的这一面尽量不要布置这类元件；

③较小的元件不应排在较大的元件后，以免较大元件妨碍锡流与较小元件的焊盘接触，造成漏焊。

2、PCB平整度控制

波峰焊接对印制板的平整度要求很高，一般要求翘曲度要小于0.5mm，如果大于0.5mm要做平整处理。

尤其是某些印制板厚度只有1.5mm左右，其翘曲度要求就更高，否则无法保证焊接质量。

3、妥善保存印制板及元件，尽量缩短储存周期

在焊接中，无尘埃、油脂、氧化物的铜箔及元件引线有利于形成合格的焊点，因此印制板及元件应保存在干燥、清洁的环境下，并且尽量缩短储存周期。

对于放置时间较长的印制板，其表面一般要做清洁处理，这样可提高可焊性，减少虚焊和桥接，对表面有一定程度氧化的元件引脚，应先除去其表面氧化层。

3.1.2生产工艺材料的质量控制

在波峰焊接中，使用的生产工艺材料有：

助焊剂和焊料。

1、助焊剂质量控制

助焊剂在焊接质量的控制上举足轻重，其作用是：

（1）除去焊接表面的氧化物；

（2）防止焊接时焊料和焊接表面再氧化；

（3）降低焊料的表面张力；

（4）有助于热量传递到焊接区。

目前波峰焊接所采用的多为免清洗助焊剂。

选择助焊剂时有以下要求：

●熔点比焊料低；

●浸润扩散速度比熔化焊料快；

●粘度和比重比焊料小；

●在常温下贮存稳定。

2、焊料的质量控制

锡铅焊料在高温下（250℃）不断氧化，使锡锅中锡－铅焊料含锡量不断下降，偏离共晶点，导致流动性差，出现连焊、虚焊、焊点

强度不够等质量问题。

可采用以下几个方法来解决这个问题：

（1）添加氧化还原剂，使已氧化的SnO还原为Sn，减小锡渣的产生；

（2）不断除去浮渣；

（3）每次焊接前添加一定量的锡；

（4）采用含抗氧化磷的焊料；

（5）采用氮气保护，让氮气把焊料与空气隔绝开来，取代普通气体，这样就避免了浮渣的产生，这种方法要求对设备改型，并提供氮气。

目前最好的方法是在氮气保护的氛围下使用含磷的焊料，可将浮渣率控制在最低程度，焊接缺陷最少，工艺控制最佳。

3.1.3焊接过程中的工艺参数控制

焊接工艺参数对焊接表面质量的影响比较复杂，并涉及到较多的技术范围。

1、预热温度的控制

预热的作用：

（1）使助焊剂中的溶剂充分发挥，以免印制板通过焊锡时，影响印制板的润湿和焊点的形成；

（2）印制板在焊接前达到一定温度，以免受到热冲击产生翘曲变形。

一般预热温度控制在180～210℃，预热时间1～3min。

2、焊接轨道倾角

轨道倾角对焊接效果的影响较为明显，特别是在焊接高密度SMT器件时更是如此。

当倾角太小时，较易出现桥接，特别是焊接中，SMT器件的"遮蔽区"更易出现桥接；而倾角过大，虽然有利于桥接的消除，但焊点吃锡量太小，容易产生虚焊。

轨道倾角应控制在5°～8°之间。

3、波峰高度

波峰的高度会因焊接工作时间的推移而有一些变化，应在焊接过

程中进行适当的修正，以保证理想高度进行焊接波峰高度，以压锡深度为PCB厚度的1/2～2/3为准。

4、焊接温度

焊接温度是影响焊接质量的一个重要的工艺参数。

焊接温度过低时，焊料的扩展率、润湿性能变差，使焊盘或元器件焊端由于不能充分的润湿，从而产生虚焊、拉尖、桥接等缺陷；焊接温度过高时，则加速了焊盘、元器件引脚及焊料的氧化，易产生虚焊。

焊接温度应控制在250±5℃。

3.2波峰焊接缺陷分析:

影响焊接质量的因素是很多的，表1列出的是一些常见缺陷及排除方法，以供参考。

波峰焊接是一项精细工作，影响焊接质量的因素也很多，还需我们更深一步地研究，以提高波峰焊的焊接质量。

波峰焊接常见缺陷及解决办法

缺陷

产生原因

解决办法

焊锡冲上印制板

1、印制板压锡深度太深

2、降低压锡深度

2、波峰高度太高

2、降低波峰高度

3、印制板翘曲

3、整平或采用框架固定

焊点不全

1、助焊剂喷涂量不足

1、加大助焊剂喷涂量

2、预热不好

2、提高预热温度，延长预热时间

3、传送速度过快

3、降低传送速度

4、波峰不平

4、稳定波峰

5、元件氧化

5、除去元件氧化层或更换元件

6、焊盘氧化

6、更换PCB

7、焊锡有较多浮渣

7、除去浮渣

桥接

1、焊接温度过高

1、降低焊接温度

2、焊接时间过长

2、减少焊接时间

3、轨道倾角太小

3、提高轨道倾角

结论

SMT技术自20世纪60年代问世以来，经过40多年的发展，已经进入完全成熟的阶段，不仅成为当代电路组装技术的主流，而且正继续向纵深发展。

但作为最基本的波峰焊技术，仍是不可或缺的，随着科技的日新月异，元器件的内部组成和外貌发生了天翻地覆的变化，此时出现了技术型更强、更加先进的表面贴装技术，但波峰焊技术在很多电路组装技术领域，仍是不可代替的，因为很多器件仍是表面贴装技术无法完成的。

本文对波峰焊的整个流程以及一些主流波峰焊的结构及各个工位的作用做出详细的解说。

同时，还分别从焊接前的质量控制、生产工艺材料及工艺参数这三个方面探讨了提高波峰焊质量的方法，以及焊接过程中可能出现的缺陷和对应的解决措施。

作为表面组装技术中不可或缺的一项，其作用不言而喻。

焊接质量的好坏直接影响了整个主板的性能，而想要达到理想的焊接质量则需要我们对其工作原理及整个工作流程有一定的了解。

致谢

本论文是在郝秀云老师的悉心指导和大力支持下完成的。

郝老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。

不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。

同时，在此次毕业设计过程中我也学到了许多了关于波峰焊技术方面的知识，实验技能有了很大的提高。

在此，谨向郝老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！

参考文献

1邱成悌.电子组装技术.南京：

东南大学出版1998:

62-64,143-144

2潘长海.无铅焊料研究方向.北京电子学会表面安装技术委员会第二届学会，北京，1999

3樊融融，周永茂.峰焊接中桥连问题的研究.首届全国电子元器件应用技术研讨会，西安，2000

4徐华敏.浅谈静电及静电防护.全国第六届装联学术交流会，武汉，1999