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波峰炉的工艺参数及常见问题的对策

关键字: SMT 波峰炉
一、工艺方面:
  工艺方面主要从助焊剂在波峰炉中的使用方式,以及波峰炉的锡波形态这两个方面作探讨;
  1、在波峰炉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、当使用“发泡”工艺时,应该注意的是助焊剂中稀释剂添加的问题,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板面光洁程度;
  B、如果使用“喷雾”工艺,则不需添加或添加很少量的稀释剂,因为密封的喷雾罐能够有效地防止助焊剂的挥发,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,目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,它的主要作用是焊接;第二个波峰相对较平,它主要是对焊点进行整形;如下图所示:
晶英双波峰示意图


二、相关参数:
  波峰炉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;(关于零件面和焊接面的定义请参考以下示意图)
图二

(零件面温度在预热区最大80度)
    B2、走板速度:一般情况下,我们建议客户把走板速度定在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,通常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,这是较易理解的一个问题,我们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,仅供参考:
图三

  基于以上参数所定的波峰炉工作曲线图如下:
图四

  注:以上曲线为我公司焊料产品的实验监测图,考虑到所有客户的工艺、设备、PCB板材等各种状况的差异,使用时请审慎参考!
  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。参考下图:
喷雾波峰焊机风刀效果图

一,喷雾式波峰焊机的风刀工作状态示意图

发泡波峰焊机风刀效果图

二,发泡式波峰焊机的风刀工作状态示意图

  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;其他少量的如:锑(Sb)、铋(Bi)、铟(In)等元素为添加元素以外,其他元素如: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,但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。
  所以,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,我们建议客户作清炉处理。
  但是,这些参数需要专业的检验机构或焊料生产厂商才能检测,所以,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,我们建议客户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,所以在解决此类问题时,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。通常状况下,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,通常建议客户把链条角度定在5-6度之间(见本文第二节第3点之论述),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,我们可以把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,这样可以保证焊点的可靠性;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,他们之间是相辅相承、互相影响与制约的关系;比如我们要提高生产量,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,所以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。(关于此点内容请参照本文第二节第5点相关论述)
  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,可以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、假焊或其他的焊接不良状况。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。
 
  习惯上,当出现焊接不良的状况时,大多数的客户第一反应就是“焊料有问题”,其实这种观念是不完全正确的。经过以上的分析可以看出,造成焊接不良的原因有很多,不仅有“焊料”、“助焊剂”的问题,很多时候与客户自身工艺、设备、生产工作环境、PCB板材、元器件等各多种因素有关。
出现了焊接不良的状况,焊料使用厂商应从多个角度去分析,并及时通知供应商进行协查;大多数的客户在遇到焊接问题时,第一时间内会通知焊料供应商,这也反映了客户对焊料供应商的信任;建议客户对供应商的分析意见予以客观、全面的听取,避免持对立或怀疑情绪;这也要求客户在选择供应商时,应选择技术支持能力强、售后服务较好的供应商配合。

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