波峰焊接時間測量方法研究

李孟龍 龍小軍

（廣州華凌制冷設(shè)備有限公司 廣州 511455）

引言

波峰焊自80年代引入我國已經(jīng)幾十年，設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)置范圍等均已有成熟的參考，工藝參數(shù)基本大同小異。但因PCB板材、器件物料、助焊劑、波峰焊設(shè)備等影響因素較多，如何提升焊接直通率和保證焊接強(qiáng)度至今仍是電子制程品質(zhì)繞不開的話題。目前，采用測溫儀器過爐測試爐溫曲線是檢查預(yù)熱和錫爐溫度最常用的方法，但對PCB浸錫時間存在一定的局限性。

1 波峰焊接原理

按照設(shè)備結(jié)構(gòu)區(qū)域，一臺波峰焊機(jī)主要分為助焊劑噴霧區(qū)、預(yù)熱區(qū)、焊接區(qū)。PCB在波峰焊設(shè)備內(nèi)的主要工藝過程是：

1）首先進(jìn)入噴霧區(qū)，助焊劑經(jīng)過噴霧裝置在一定壓力下被均勻噴淋到PCB焊接面，去除附在銅箔表面的OSP膜（針對OSP板）及油污，并降低高溫錫料的表面張力，促進(jìn)焊接時錫液的漫流，以達(dá)到良好的焊接效果。

2）其次經(jīng)過預(yù)熱區(qū)域，避免PCB在過高溫錫爐時急劇受熱，并使助焊劑中的有機(jī)溶劑充分揮發(fā)，激活助焊劑中的活性成分。

3）預(yù)熱之后進(jìn)入錫爐焊接區(qū)，PCB焊接面的銅與高溫液態(tài)錫發(fā)生反應(yīng)，形成銅錫合金，達(dá)到焊接目的。

錫爐焊接是一個復(fù)雜的物理和化學(xué)綜合反應(yīng)的過程。高溫熔化的焊錫Sn與銅Cu金屬焊盤，在熱量（溫度×?xí)r間）足夠的情況下，錫原子和銅原子相互結(jié)合、滲入，形成銅錫合金，稱為介面合金化合物。英文Inter-metallic Compound，簡稱IMC。如圖1、2所示，正常焊接后，將焊點金相研磨切片，通過顯微鏡可以觀察到合金層，其主要成分是Cu6Sn5。

銅錫合金的生成主要有溫度和時間兩個影響因素，溫度越大、焊接時間越長，那么形成合金的厚度越大，焊接強(qiáng)度也就越高。如圖3，合金厚度與焊接時間大約形成拋物線的關(guān)系。當(dāng)然，也不是無限制增加焊接強(qiáng)度，還需要考慮電子器件和PCB在高溫下的承受能力。

2 浸錫時間不合格的影響

波峰焊錫爐內(nèi)有兩個波峰，擾波和寬平波。正常生產(chǎn)時寬平波必須開啟，而擾波沖擊力較大，主要針對板底有SMD元件的PCB，要開啟擾波提高上錫效果防止陰影效應(yīng)以及空焊，而板底只有DIP插件器件時可以關(guān)閉；一般情況下，焊點浸錫單波要求（2.5～3.5）s，雙波（2.5～3.5）s。如果浸錫太短，Cu和Sn沒有足夠的反應(yīng)時間，就很難形成合金或焊接強(qiáng)度差，導(dǎo)致虛焊不良影響焊接可靠性；而如果浸錫太久，一方面電子器件在持續(xù)高溫下影響可靠性、甚至出現(xiàn)熱失效，另一方面容易造成PCB板變形以及板層之間絕緣性能下降。因此，在焊接溫度固定的情況下，浸錫時間是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一。

3 影響焊接時間的因素分析

影響焊接時間的因素是多方面的，主要有運輸鏈速，高溫液態(tài)錫流動效果以及傾角設(shè)置等。目前電子行業(yè)針對設(shè)備參數(shù)設(shè)置上有成熟的參考設(shè)置，但根據(jù)不同的產(chǎn)品如何優(yōu)化、匹配以達(dá)到最佳的焊接效果，是需要進(jìn)一步研究的。

3.1 運輸鏈速

波峰焊運輸鏈速不但影響浸錫時間，同時也關(guān)系到噴霧效果、預(yù)熱是否滿足。根據(jù)不同的PCB類型，設(shè)置合理的鏈速是非常重要的。以空調(diào)主板為例，一般雙面沉銅板推薦設(shè)置1.3 m/min；內(nèi)機(jī)單面板推薦設(shè)置1.4 m/min，帶載具的主板要進(jìn)一步降低鏈速至1.2 m/min以提高焊接效果。

3.2 擋板部件影響

如圖4、5所示，因保養(yǎng)不及時、擋板部件老化等，造成氧化物堵孔、或局部漏錫，出現(xiàn)液態(tài)錫沒有正常形成波峰，PCB個別焊點位置無法接觸焊錫或接觸時間不夠?qū)е潞附硬涣肌＿@種情況在生產(chǎn)過程中是常見的一種問題，特別是帶載具的機(jī)型，更容易出現(xiàn)空焊，需要定期保養(yǎng)并按時檢查波峰狀態(tài)，以便馬上應(yīng)對。

3.3 其他影響因素

其他影響的因素還有液面高度和導(dǎo)軌傾角。隨著生產(chǎn)消耗以及錫的氧化，錫爐內(nèi)的焊料不斷減少，需要及時補(bǔ)充錫條。每次加入錫條后，高溫液態(tài)錫的高度會出現(xiàn)明顯變化，就要通過變更波峰焊的馬達(dá)頻率調(diào)整液面，這樣會影響PCB浸錫時間。另外，波峰焊運輸導(dǎo)軌傾角通常要求設(shè)置5～7 °，便于液態(tài)錫脫離焊點，減少連焊發(fā)生，傾角大小也是影響PCB接觸的一個因素。所以，以上參數(shù)發(fā)生變化，以及錫爐清理錫渣、或進(jìn)行大保養(yǎng)重新加錫后，均應(yīng)測試浸錫時間，確保符合工藝參數(shù)范圍。

4 浸錫時間測量方法

針對常用的爐溫曲線測試方法，需要提前準(zhǔn)備和待生產(chǎn)PCB板材及厚度相同的主板成品制作專用測溫板，在主板上布置一定數(shù)量（一般不小于3個）的熱電偶，分別在小器件（如阻容）布局密度較高的位置，大熱容量器件位置（如電源模塊，接地層等），關(guān)鍵器件和密間距器件（如QFN散熱焊盤、BGA中央焊球上）位置，使用高溫膠帶或紅膠固定在板面，利用爐溫測試儀器連接熱電偶并過波峰焊。完成后將爐溫測試儀連接電腦，通過專用軟件讀取預(yù)熱+錫爐的爐溫曲線參數(shù)，并在界面呈現(xiàn)出來。

波峰焊爐溫曲線是檢驗溫度（尤其是預(yù)熱曲線）符合性的日常測試項目，通過圖6曲線參數(shù)查看預(yù)熱溫度趨勢是否合格，但因3條曲線重合度高、根據(jù)界面顯示人工讀取時存在誤差，無法對每條曲線都能夠準(zhǔn)確判斷溫度數(shù)值是否符合，下面介紹另外2種檢查浸錫時間的方法。

4.1 玻璃板刻度計算法

使用最小刻度圍為1 mm的透明石英玻璃平板過爐，在錫爐液面上方時停止運輸，讀取液面在刻度的寬度。以1.4 mm/min鏈速為例，單波寬平波浸錫時間范圍要求（2.5～3.5）s，那么液面寬度范圍：

最小寬度（時間×鏈速）=2.5×1.4/60≈58.3 cm；

最大寬度（時間×鏈速）=3.5×1.4/60≈81.6 cm；

這個方法能夠快速觀察平整度狀態(tài)，并根據(jù)寬度判斷是否合格范圍內(nèi)（圖7）。缺點是不能準(zhǔn)確量化計算，不適合在生產(chǎn)效率要求較高的場景下應(yīng)用。

4.2 短路計時測量法

液態(tài)錫和錫槽是一個大的導(dǎo)體，相互導(dǎo)通無阻值。采用工業(yè)計時器，在PCB過爐時通過焊點與錫槽短路計時來測試。工業(yè)計時器的原理非常簡單，將單片機(jī)（如STC90C5RC）和LCD再輔助以最小系統(tǒng)即可實現(xiàn)，兩極端子短路開始計時，開路時暫停，再次短路則繼續(xù)計時，按復(fù)位鍵可歸零，類似體育短跑項目常用的計時表。計時器價格便宜才幾十塊錢，在網(wǎng)商平臺上均可以購買到。

如圖8所示，計時器的兩端分別接PCB單個線路的焊點和錫爐金屬本體，當(dāng)焊點過液態(tài)錫面時，計時器兩端短路，計時器開始從零計時，當(dāng)焊點離開高溫錫料時開路，則停止計時；這樣就可以準(zhǔn)確讀取浸錫時間，精度可以達(dá)到0.01 s。

以上介紹的幾種測量方法可以在不同場景下選擇使用。不同測量方法效果對比見表1。綜合角度來看，采用工業(yè)計時器測量是準(zhǔn)確度高、測試難度較低，更適用于準(zhǔn)確判斷浸錫時間的符合性。

表1 不同測量方法效果對比

5 小結(jié)

PCB過爐的浸錫時間是影響焊接品質(zhì)的重要因素，嚴(yán)格來說每次設(shè)備剛開啟、鏈速改變、中途添加錫料、或調(diào)整波峰高度等均要測試判斷是否符合工藝要求，以確保焊接品質(zhì)。3種測試方法尤其使用工業(yè)計時器并不耗費太多精力，實際生產(chǎn)中針對波峰焊的管控，應(yīng)將PCB焊接時間項納入日常管理，以預(yù)防焊接不良發(fā)生。