波峰焊接常見焊接缺陷及其改善研究

楊廣輝 王大波 施清清

（廣東珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

波峰焊接是焊接金屬表面、熔融焊料和空氣等之間相互作用的復雜過程[1]，已經在電子制造行業得到了廣泛的普及。波峰焊接質量與PCB設計、元器件及輔料狀態、波峰焊工藝參數、工裝工具以及波峰焊設備保養等多方面有關。焊接工藝的參數選擇出現問題，就會出現短路、通孔等現象，造成焊接質量嚴重下降。因此，解決波峰焊接過程中常見的問題，保證焊接質量，提高生產效率具有十分重要意義[2]。本文對工業生產過程中常見的波峰焊接缺陷進行了機理分析，通過對元器件、印制電路板、波峰焊參數設置、工裝設備等的調整優化，達到提高控制器生產效率及可靠性的目的。

1 控制器生產波峰焊接常見缺陷

在控制器生產過程中，波峰焊接設備將不同的電子元器件通過焊錫與PCB板焊盤進行連接，對實際生產過程中的焊接缺陷進行統計，波峰焊接主要的焊接缺陷為無引腳、短路、通孔三個類別。

1.1 無引腳

元器件的引腳未與PCB印制電路板的插件孔有接觸，元件引腳與印制電路板中的線路未實現連接，無法實現其電路性能，見圖1。

1.2 短路

短路是指元器件相鄰引腳、焊盤之間以及焊盤與附近的VIA孔等電氣上不應該被連接的部位兒被焊料連接在一起，見圖2。

1.3 氣孔

在插件孔內比較大的焊接空洞或焊點表面比較大的針孔稱為氣孔，見圖3。

2 波峰焊接無引腳、短路、氣孔三大缺陷的原因分析

2.1 無引腳原因分析

1）手工插裝角度不對，引腳沒有垂直進入插件孔，導致引腳脫出。

手插元器件的原理非常簡單，即將元器件引腳手工插入到PCB板上對應的孔位中去，確保引腳全部插入。控制器板上電子元器件的引腳在0.8 ～ 2.4 mm之間，按照設計標準，插件孔徑大多在1.0 ～ 3.0 mm之間。員工在手工插裝的過程中由于操作不規范，無法保證每次引腳百分百對準小孔，就會造成引腳無法插入到插件孔內部，從而焊接的時候引腳無法接觸到錫面，最終造成無引腳缺陷。

2）繼電器、電容等元器件的高度較高，在周轉過程中比較容易受到外力的撞擊從而發生傾斜，引腳脫出，造成無引腳異常，見圖4。

2.2 焊接短路原因分析

1）PCB設計方面相鄰焊盤之間的距離過小，元器件的引腳脫離錫爐時，薄層區較小的曲率半徑會造成錫爐焊錫內部較大的壓強，此時焊錫流向引腳之間形成短路的概率更大。

2）電子元件的傳輸方向，部分器件的長軸平行于鏈條運轉的方向，則錫爐錫面較平穩，連錫短路的概率較少；若其長軸與運轉方向垂直，則爐中焊錫較紊亂，連錫短路的概率較大。

3）引腳長度偏長，由于前面引腳脫離錫爐錫面時，與短引腳相比剝離薄層區體積變大，會導致此區域內的焊錫變增多造成引腳連錫短路。

圖1 焊接無引腳

圖2 焊接短路

圖3 焊接氣孔

圖4 無引腳原因分析

4）過錫載具結構設計的影響：貼片及手插件交叉的夾具開窗區周邊區域有落差、開孔區和屏蔽區加強筋的運行方向不平行、開孔邊緣距離波峰焊盤的距離過近都會形成遮蔽效應，影響焊錫的流動性造成短路。

5）波峰焊各項參數設置不合理；波峰焊鏈速決定了錫爐與焊接元件引腳的接觸時間，焊接時間不合理直接影響到引腳與焊錫的分離導致引腳連錫短路，鏈速應小于1.3 m/min。

助焊劑流量的影響：噴涂助焊劑可以達到增加焊錫流動性及降低焊錫表面張力的效果，能夠在一定程度上降低短路的概率；助焊劑流量不是越多越好，原則上保證焊接質量的情況下尋求最少的流量。

焊接軌道傾角：當傾角過小時，SMT器件形成的陰影效應更加嚴重，更容易形成短路；過大的焊接焊接傾角雖有利于短路的消除，但焊點的吃錫量減少，虛焊數量會增加。軌道傾角應在5°～ 8°之間。

焊接溫度：當錫爐溫度較低時，錫液的粘度以及流動性會受到影響，PCB經過波峰時不能提供足夠的熱量用于焊接，產生橋連短路。當錫爐溫度較高時，錫液的表面的氧化現象加劇，易形成一層氧化膜，流動性變差，同樣易產生橋連短路[3]。無鉛錫爐實測溫度265 ± 5 ℃，設置溫度應取中間值265 ℃；無鉛倒扣產品、帶過錫載具產品，波峰焊錫爐實測溫度270 ± 5 ℃。

錫爐成分的影響：當前的無鉛波峰焊大多使用OSP裸銅板材，在焊接過程中銅元素會不斷的滲透到錫爐中，一但超過0.5～0.9 %，焊錫熔點高、焊錫流動性差、呈現脆性，短路現象會急劇增多，因其它元素的接觸源較少，含量穩定，所以需重點關注銅的含量。

6） 員工操作方式的影響：三防膠是空調控制器上常見的一種用于防潮防腐的溶劑，涂覆在控制器的焊點面，用刷子手工涂覆三防膠極易將板面上的錫渣錫珠帶到密腳器件的引腳之間，形成錫渣錫珠短路，見圖5。

2.3 焊接空洞的原因分析

焊接空洞的失效原因主要為以下幾個方面：

1）PCB板通孔鍍層、元件引腳表面氧化或沾染外部有機物，造成可焊性差，焊接時焊錫爬升困難。

2）PCB板受潮導致在過波峰焊接時，在高溫作用下有氣體溢出產生氣孔或未及時溢出產生填充空洞[4]。

3）纖料表面氧化物、殘渣、污染嚴重。

4）助焊劑噴涂量過多，經高溫作用產生氣體在焊接時造成空洞。

5）預熱溫度低及焊接時間太短會導致焊接時助焊劑中的溶劑不能及時溢出造成填充空洞或者在與錫面接觸時溢出造成氣孔。

6）平基底元件插裝后底部與PCB板貼合在一起，波峰焊接時插件孔內產生的氣體只能從主板底部溢出造成氣孔。

7）波峰焊通孔孔徑與引腳孔徑不匹配，過小的間隙會使導致焊料難以穿透金屬化孔在元件面焊盤形成潤濕；過大的會減弱焊料在焊盤孔內的毛絲作用，影響焊料在孔內的填充。

3 針對焊接缺陷的整改措施

3.1 無引腳整改措施

1）插件段壓件崗位員工插裝器件較多，導致壓件時間不足，容易造成器件插裝不到位，規定壓件崗位員工至多插裝3個元器件。

2）波峰焊軌道鏈爪不平整過板時鏈條有抖動情況，導致器件浮高無引腳，生產時要嚴格落實點檢要求，每班一次保證鏈條平整過板。

3）插件段接駁臺軌道過板時鏈條抖動過大會使器件左右搖晃，同樣會導致器件浮高，生產班組定期保養、檢修、點檢。

圖5 錫渣短路

4）使用自動光學檢測技術簡稱AOI，對焊接生產中遇見的常見缺陷進行檢測，當自動檢測時，設備通過攝像頭自動掃描PCB，采集圖像，并與實現建立在數據庫中的圖像進行對比，設備自動將缺陷位置圖片找出便于補焊員工維修，見圖6。

針對無引腳問題，我們從三個方面進行改善。首先通過降低壓件崗位的工作量，使其有較多的時間檢查焊接前是否有插裝不到位的問題；其次通過加強工裝保養與維護，保證在插裝到位的情況下降低其傳送過程中造成歪斜的概率；最后通過引進光學AOI檢測設備增大無引腳缺陷的檢出率。

3.2 焊接短路整改措施

1）驗證多種間距的焊盤過波峰焊驗證短路情況，隨著兩元件焊盤間距的增加，短路數量呈明顯下降趨勢，繼續試驗后發現當焊盤間距增大到0.8 mm時，焊接短路幾乎消失，所以0.8 mm焊盤間距是最佳的焊盤間距方案。

2）結合前面分析元器件傳送方向對焊接短路的影響，選取針座進行試驗驗證，根據驗證結果，波峰傳送與元器件長軸方向平行為最佳傳送方案，見圖7。

3）為了找到最佳引腳長度，設計實驗進行驗證和評估。使用專用實驗板，且波峰傳送方向與長軸平行，選取不同引腳長度進行驗證，露出引腳長度與不良率呈現正比關系，露出引腳越長，短路不良率越高。繼續進行試驗，發現當器件引腳長度≤0.7 mm時，密腳元器件短路的幾率會大大減少，甚至消失。確認露出0.7 mm長度的引腳為最佳方案。

3.3 過錫載具結構設計優化方案

首先，對貼片及手插器件的夾具開窗區域要進行下沉處理，或順波峰方向設計導流槽，緩解高度落差造成的遮蔽效應；其次，波峰焊載具的開孔區和屏蔽區之間的加強筋盡量和波峰運行方向平行，開孔區域要盡量規則，拐角和開孔區域邊緣進行倒角處理，緩解陰影效應，保證良好的焊錫流動性；最后，波峰焊載具開孔區域邊緣距離焊盤要大于1.0 mm，保證良好的焊錫流動性。

3.4 手工刷膠造成短路優化方案

為了實現空調控制器的長期運行，必須涂覆三防膠。避免手工涂覆三防膠造成錫渣錫珠短路的現象，開發出自動噴膠機設備，生產時根據PCB型號調取事先編輯好的噴膠程序進行涂覆三防膠，見圖8。

針對短路問題，我們從主板設計、工裝載具及刷膠設備入手，一方面通過實驗驗證得出最佳的引腳長度、焊盤間距、元件布局方向以及載具開孔規則，另一方面可以引入自動噴膠設備降低錫渣短路的問題，此類措施可以很好的改善短路問題。

3.5 焊接空洞整改措施

1）PCB、元件等焊材要先到先用。按時清查廠內庫存，對超期放置的板要進行去潮處理。

圖6 AOI檢測

圖7 波峰焊過板

圖8 自動噴膠機

圖9 平基底元件改善對比

2）波峰焊爐錫渣要求定期回收，原則上要求6 h/次，錫渣堆積高度不應超過15 mm。

3）要保證助焊劑涂覆的均勻性，通過調節找到滿足質量要求的最低流量，保證噴霧痕跡均勻且全部噴到，并且無明顯的黑色斑點、黑色條紋等。

4）根據實驗驗證，對于預熱及焊接溫度的要求如下，普通器件焊點達到110 ℃以上，大電容、大電感等大型器件達到85 ℃以上。測溫曲線要求預熱溫度大于100 ℃時間不小于20 s，大電容、大電感等大型器件位置不作此要求；所有溫度測試曲線測試起始預熱溫度需在25±3 ℃，但所有預熱峰值溫度不允許超過125 ℃。浸錫時間要保證在3.5～5 s。

5）對于大的平基底元件，如扼流圈及電感，可以增加底部凸臺或環氧墊板，改善氣體只能從焊點面溢出的情況，見圖9。

6）手插件的引腳直徑與孔徑的匹配必須合理，通過實驗驗證，對于引腳直徑小于2.5 mm的器件，建議的安裝孔孔徑應增加0.3 mm。對于引腳直徑大于2.5 mm以及自插件的器件，安裝孔直徑應增加0.4 mm。

針對氣孔問題，我們從物料存儲、波峰焊操作以及元件設計方面制定了措施，首先通過設定合理的存儲條件保證物料的狀態，其次通過規范爐溫參數及助焊劑流量，最后通過優化元件結構和插件孔孔徑降低氣孔的產生，此類措施在實際生產中有很好的改善效果。

4 結語

綜合上述分析可得，我們可以改善控制器生產過程中波峰焊接常見的焊接缺陷（無引腳、短路、氣孔）必須從PCB設計、元器件及輔料檢驗規范、波峰焊工藝參數、工裝工具以及波峰焊設備保養多方面入手，設計方面可以將焊盤間距、引腳長度、插件孔孔徑、元件布局以及工裝載具固化在設計標準中；波峰焊各項參數及元器件和輔料檢驗同樣可以形成作業指導書對操作工加以引導；自動化設備的引入在改善及檢出焊接缺陷方面同樣至關重要。在控制器的實際生產制造過程中，我們清楚了以上焊接缺陷的失效點并制定了相應的規避措施，達到提高控制器生產效率及其可靠性的目的。