选择性波峰焊技术选型

摘要
选择性波峰焊技术不是一项新工艺，它已经在汽车和 医疗产品行业通孔元件的应用上有30年的历史了。

如 今，越来越多的制造业正努力使SMD技术微型化以便 降低PCB板的复杂性及平衡电路板元件密度，从而保 证良好的组装工艺。

说到这里，有人要问，为什么选 择性波峰焊技术一直沿用至今？难道是因为元件可靠 性，独特性和复杂性才不得不用此技术么？先记住这 个疑问，下一个问题就讨论哪种平台最适合此产品。

本文介绍选择性波峰焊技术的评估过程。

本文将低成 本平台和高成本平台分别归为平台A和平台B。

通过对 比分析和模拟，本文目的是放大两种平台的本质差异。

两种平台建立的原理相同，但不同的性能会对生产率 有所影响。

了解选择性波峰焊技术非常重要，能够在 生产过程中，避免质量成本的花费及产量缺陷。

研究表明，在焊接工艺中，零件和其功能会影响焊接 的可焊性。

本文将对助焊剂喷涂，预热，锡槽和喷嘴 材料间分析进行实际模拟操作，做出评估。

另外，每 种平台的投资成本也将考虑在内。

本文旨在为选择焊接平台提供信息，同时也可为有相 同工艺和应用需求的制造商提供参考。

关键词：选择性焊接，混合技术，平台，制造，指南简介
选择性波峰焊技术不是一项新工艺，自1980年以来， 在有限规模的生产中，已经使用此技术进行通孔元件 的应用。

客户总是要求在不损害产品质量的情况下降低产品价 格，因此，对制造商来说，为特定的产品选择合适的 平台是一个不小的挑战。

根据我们的经验，需要考虑 三个主要的因素：产量，周期时间和质量。

最好是有一个良好的周期时间，但是许多因素会影响 这个周期时间，比如传送带设计，参数设置和焊接焊 点的数量。

最后也相当重要的是质量方面的影响。

有几个方面影 响着产品质量，如材料，设计，工艺参数，处理方式 和设备本身引起的错误。

实验材料
I. 助焊剂，Alpha Metal SLS65
II. 焊锡条，通过无铅认证的SAC 305
III.PCB板，280×200mm×1.6mm+/-0.2mm包括焊 料标签，4层铜，2层墨
IV. PCB夹具（金属）
焊接概念
本文将工艺平台概念分为如下几类：
Concept
Process 1
Process 2 Process 3 Process 4
Platform A Platform B 50 dots/sec 60 dots/sec 4.0 – 6.0 mm
3.0 – 8.0mm
平台A 平台B 装载装载助焊助焊焊接+预热
预热焊接
图1 机器基本概念图1 列出了两种平台在选择性焊接过程中简单的工艺 流程。

平台A进行焊接时，通过顶部预热简化其工艺， 这样，平台A的占地尺寸比平台B小得多。

如图1，平台B使用正常的焊接工艺，由此占地尺寸比 A长的多。

彻底了解此工艺过程及设备如何才能满足用户需要， 是用户和设备制造商达成协同合作的关键因素。

PCBA 装载（PCB+焊料治具）
锡槽不同，PCB装载也不同。

装载看似简单，却真正 影响着整个工艺。

图2所示，PCB装载的方向与平台A长度方向平行, 这 种情况下，PCB没有发生弯曲；而PCB装载的方向与 平台B宽度方向平行，这种情况下，PCB发生了弯曲。

图2 PCB装载和喷嘴方向
喷嘴方向影响PCB为双喷嘴配置的装载。

图2所示喷 嘴方向如何影响PCB的装载。

图3 固定
图3所示PCBA线路板装载的方向与平台B宽度方向平 行，用固定装置支撑板子，防止焊接时PCB弯曲。

助焊
本文中的平台都集成可编程、精确的助焊剂喷涂系统， 通过自动喷涂精度控制对已选择的焊点和路线进行助 焊剂喷涂
描述
助焊剂喷涂速度助焊剂喷凃类型图4 助焊剂喷凃规格
助焊剂喷凃头将准量的助焊剂非常准确地喷涂在极小 的PCB区。

图5 助焊剂喷涂
助焊剂喷涂方式是根据焊点数量和元件排列来决定的。

有效的周期时间取决于焊接元件的排列方式。

LED misaligned during soldering
研究表明，平台A和平台B的助焊剂喷涂没有太大区 别。

（见图5）两者都在大批量生产测试中表现良好。

没有遇到阻塞或错位问题。

预热
根据助焊剂所需的焊接温度和PCBA线路板密集程度 选择预热工艺及其预热参数。

由于内部层数越来越 多，元件越来越重，规格越来越多样化，预热系统 必须非常灵活。

最重要的是温度曲线梯度和焊接温度阻力必须匹配元 件规格。

特别是那种不属于SMD分类的元件。

焊接工艺需要先预热再焊接。

加热是必须的，因为:
I. 助焊剂溶剂部分需在焊接开始前蒸发；否则，在焊 接过程中会发生喷溅，产生锡球并导致焊接质量下降。

II.在热焊组装工艺中，如果板子太凉，焊料的温度就 会传到组装阶段，而不是传到焊点。

通孔透锡质量会 下降。

III.在组装过程中使用更均匀的温度，以减少热应力。

图6. 顶部预热
图7. 底部预热研究表明，底部预热比顶部预热有更多优势，因为从 底部预热很容易干燥助焊剂，并且在电路板进入焊接 阶段之前，加热元件引脚部分。

图7所示是底部预热 实际照片。

只进行顶部预热（图6）不能保证板子下方助焊剂完 全干燥，而且还有可能在焊接完成后留有助焊剂残留 物。

助焊剂残留物只能通过刷洗方法祛除，而刷洗过 程是一项额外工序，直接影响制造成本。

尽管应用过程根据产品的复杂性有所不同，但仍推荐 先评估助焊剂材料，为您的产品选择最佳助焊剂。

图8. 元件浮动在某些情况下，需要覆盖零件，来防止零件倾斜或浮 动，如图8，在元件顶部放些砝码，这时，就不需要 顶部加热。

焊接模块
良好的锡槽能提供良好的性能，可靠并易于维护。

如 图9所示，两个平台都使用双喷嘴焊接模块。

研究表明，良好的锡槽设计能防止零件从锡槽移除时 损坏或破裂。

图10所示的是设计不佳的泵浦在维护过 程中被轻易损毁。

图9.焊接模块
Platform B
Platform A
如图9所示，平台A和平台B在焊接过程中都使用双喷 嘴。

平台A是单泵单槽，但使用双喷嘴，平台B有两 个锡槽和两个独立的泵浦。

泵浦的配置非常重要，它 可以提供所需的功率，确保熔化的焊料从喷嘴尖头中 流出。

大量生产
设计不佳直接影响焊接质量。

平台的设计理念也许大 体相似，但在选择选择性焊接技术时，其可靠性将是 巨大的挑战。

喷嘴
在这项研究中，两个平台都使用润湿性喷嘴。

平台A 采用纯铁，平台B采用薄涂层材料。

在大规模生产测 试中，平台A的喷嘴寿命约是3周，平台B是8周，22 .5小时×6.5天。

图11A 所示在这项研究中使用的喷嘴尺寸和几何图形。

图11A 喷嘴类型
喷嘴热模拟
两个喷嘴都能把经度和纬度的温度扩大到290℃。

图11是两个喷嘴热变形对比图。

喷嘴A在经度和纬度方 向变形的幅度相同，而喷嘴B纬度变形幅度非常小。

喷嘴上的最大位移发生在喷嘴尖头上，喷嘴尖头先在焊 接过程中有所损坏，但其变形程度并不影响焊接进程。

图11B 尖头热应力
图11C 底部热应力（平台A）
图11D 底部热应力（平台B)
两个喷嘴都固定在底部。

图11C所示的是吸嘴A的压力。

吸嘴A最大压力在螺纹区，其压力比喷嘴B大的多（如图 11D所示）。

这就能解释这种现象：在替换或维护过程 中，喷嘴A很难从螺纹组件中移除，而平台B的喷嘴由于 基座部分压力小，很容易移除和替换。

Figure 14.
氮气
在选择性焊接工艺中，必须要使用氮气，还应评估操 作成本。

氮气直接在元件焊接区扩散以提供良好的焊 点。

氮气可以减少锡渣的形成，并使焊料从喷嘴中流 出得更稳定顺畅。

图12所示的是氮气供给槽嵌在锡槽里，槽盖或扩散器 一旦损坏，焊料就很容易堵塞氮气通道。

图13 氮气供给（平台B)
图13所示的是平台B的氮气供给。

氮气直接从锡槽顶 部出来，锡槽上覆盖着密封金属盖，这样可以隔绝氮 气和空气的接触，从而有效减少锡渣的产生。

PCB设计
PCB设计规则主要与焊点周围间距范围有关。

研究发 现，由于PCB设计欠缺，导致元件清洗遇到困难。

图14 间距问题
图14所示的是由于焊点间距设计不佳，而不得不使用 高温胶带。

并且SMD元件之间距离太窄（＜1.2mm）。

图15 锡桥问题
图15所示，引脚或Pad之间的焊料形成锡桥造成短路。

如果焊料固化前不能从两个或更多的引脚上分离，就 会形成锡桥。

为了防止锡桥生成，应当使用正确的设计方法：Pin 脚间使用较短的元件引脚和较小的pad。

运用强力助 焊剂。

如果有可能使用除锡桥工具。

生产率
产量是最能说明问题的。

低成本平台在进行大规模生 产中，得到的产品质量是最差的。

在相同条件下，高 成本平台得到的产品质量是最高的。

收集一个月的产量数据。

如图16所示，在同等情况下，
平台B每天生产的电路板比平台A多。

平台A不合格率
较多且出现的问题会直接影响生产率。

影响生产率问题
研究中出现的大多数问题都来自平台A，而平台B在大
规模生产测试中，总是表现良好的可焊性。

图17 喷嘴变形
如图17所示，由于热膨胀和腐蚀的影响，导致喷嘴变
形，继而导致锡流失衡，影响其焊接性能。

图18 正时皮带磨损
如图18所示，使用平台A几个月后，正时皮带磨损情
况。

我们脑海里首先想到的是设计问题“设计的同步
带也许不适合在高温条件下应用”。

研究发现，我们的想法是对的，此正时皮带的确不适
合在高温条件下使用。

但我们马上又会想到它的泵机
组设计细节：泵浦组的冷却系统可以维持低温，这样
正时皮带就可以承受小于75℃的温度，但这只在少数
情况下。

当机器停工时，泵浦和正时皮带都会暴露在
接近200℃的高温下，因为一旦没有电源，就马上没
有空气。

图19 丝杠缺陷
如图19所示，丝杠缺陷只出现在平台A。

在大规模生
产测试中，平台A在焊接过程中出现不一致性，且产
量下降。

对此，无法推荐更好的方法，只能换一个新
的丝杠然后重新校准。

图20 氮气保护盖损坏
图20所示的是由于氮气保护盖损坏，焊料堵塞氮气系
统，焊料被氧化。

影响质量问题
选择性波峰焊工艺参数至关重要。

无论平台成本高还
是低，都会有缺陷和问题产生。

关键的区别在于焊接
的稳定性和一致性。

24 , 65%RH 4 PCBA (80 ± 2) (-40 ± 3) (5 ± 1) /min 15 min
200 cycles
图21 焊料不足
如图21所示，由于喷嘴磨损导致焊料不足。

喷嘴磨损 造成其尖端焊接半月板不平衡，而半月板在焊接过程
中至关重要。

为了避免此问题，应当进行适当的维护，
并使用性能良好的助焊剂。

图22 透锡性不足
如图22所示, 当焊料不能到达电镀通孔顶部，并覆盖 板子顶部的pad，透锡性就会不足。

通过提高焊料温 度，使用活性较强的助焊剂或检查喷嘴状况可以避免 此问题。

图23 LCD褪色
如图23所示，当LCD元件暴露在高于100℃预热温度 的条件下，LCD就会褪色。

使用底部预热或在LCD顶 部覆盖夹具以避免其暴露于高温，可以避免此问题。

图24 锡球如图24所示，锡球是在元件周围形成的微小球体。

在 无铅焊接中，由于焊接温度升高，阻焊层上的锡球也 会增加。

通过改变阻焊层，优化焊接温度，使用合适 的助焊剂可以避免此问题。

环境对产品可靠性的影响
合格测试的目的是验证两个平台上终端产品的可靠性。

JEDEC作为热循环测试的标准（JESD22-A104-B）。

图25是热循环标准，图26是热循环条件。

环境条件样品数量：以下是测试标准高温TB 低温TA 温度坡度停留时间t1周期
图25：热循环标准
Data
P e r c e n t
2.0
1.51.00.5
0.099
959080
7060
50403020105
1
Mean <0.005
**32*
StDev N
AD P 0.90630.29613210.591Variable Platform A Platform B
Probability Plot of Platform A, Platform B
Normal - 95% CI
图26：热循环条件
两种平台的环境试验结果如下所示 1.热循环后，焊点表面无明显变化
2.平台A和平台B上薄板透锡性无明显区别
3.两个平台都通过热循环试验
透锡性
使用X-射线检查透锡性。

检查选定的通孔，如图28和 29所示，图29所示的是一个插头连接器。

由于测试载体采用的是薄板，因此，两个平台都能穿 透焊点上的焊料。

测试结果用0和1表示。

0表示焊点 透锡率在75％以下，1表示焊点透锡率在75％以上。

图27所示是测试板取样数据。

如图所示，在焊接过程 中，平台A不能像平台B那样始终保持良好的透锡性。

图28 平台A上焊料的X-射线
图29 平台A上焊料的X-射线
如图28所示，Pin脚1透锡性＜75％，其余＞75％。

而 图29所示的全部Pin脚透锡性都符合标准。

截面分析
截面显示两个平台焊料透锡性都表现良好。

如图30和31所示，虽然有空洞，但都没超过3-4微米， 这样的空洞都可接受。

空洞是焊点上的孔，会降低互 连路径的电导率和热导率，造成传热失败。

通过提高 电路板质量，清洁元件表面，预热电路板，增加预热 时间或使用氮气来避免此问题。

图30 平台A的产品截面
图31 平台B的产品截面
商业比较
图32所示的是平台A和平台B之间资本投资的差异. 此 图只作为一种参考，具体应根据实际的产品需要选择 合适的平台。

总结
在为产品或应用选择合适的平台时，务必要考虑平台 的设计和使用的材料。

平台的设计决定了平台根据产 品需要能达到的最佳参数。

焊接在两个平台上的样品 都表现出了可靠性，这表明，两个平台可焊性都是良 好的。

大规模生产测试数据表明，平台B的产量最多，因为 与平台A相比，平台B的焊接性能更持续更稳定，而 平台A在评估过程中经常出现停工现象。