SMT贴片加工浅析无铅波峰焊有哪些工艺流程

2023-09-30 15:38:06 作者：SMT贴片加工

大家好，我是小编SMT贴片加工，今天给大家讲下关于无铅波峰焊工艺流程：

无铅波峰焊的焊料波表面覆盖着一层均匀的氧化层。在整个焊料波的长度方向上，它基本上是保持静止的。在波峰焊接过程中，PCB接触到焊料波的前沿表面时，氧化层会破裂。PCB前面的焊料波会顺利地向前推进，这表明整个氧化层与PCB以相同的速率移动。

当PCB进入波峰焊前端时，基板和引脚会被加热，并在离开波峰焊前端之前，整个PCB会完全浸泡在焊料中，与焊料形成桥联。但在离开波峰焊尾部的瞬间，少量焊料会因为润湿力的作用，附着在焊层上，并因为表面张力的原因，焊料会紧收缩在导线周围，达到最小状态。这样，焊料与焊层之间的润湿力会大于两个焊层之间的焊料的粘结力。因此，焊点会形成饱满、圆整的样子，而多余的焊料则会因为重力的作用回落到焊锡锅中。

无铅焊料的还原性

无铅焊料在焊接过程中的还原性能非常重要。还原性是指焊料在高温下的还原性能，即焊料能否还原氧化物、水和其他无机物质。良好的还原性能可以确保焊接过程中的有效熔化和合金化，提高焊缝的质量和可靠性。

为了提高无铅焊料的还原性，一方面可以通过合理设计和选择焊料成分来增强其还原能力。另一方面，控制焊接过程中的气氛和温度也是至关重要的。使用惰性气体（例如氮气）作为保护气体可以减少氧气的接触，防止还原剂在焊接过程中被氧化。此外，合理控制焊接温度和加热速度，以避免焊料被过多的氧化物所包围。

综上所述，无铅焊料的还原性是影响焊接质量和效果的重要因素，通过改进焊料成分和控制焊接过程条件，可以提高焊接的质量和可靠性。

与Sn-Pb合金焊料相比，高含量Sn的无铅焊料在高温焊接中更容易氧化。这会导致在锡炉液位上形成氧化物残留物(SnO2)，影响焊接质量，并造成浪费。典型的锡渣结构是90%的可用金属位于中心位置，而外部包含10%的氧化物构成[6]。产生锡渣的原因有：

1）焊接材料的质量水平；

2）焊接的温度；

3）山峰的高度；

4）峰值的干扰程度。

随着温度的增加，无铅焊料的还原性会提高。在高温下，锡炉表面的氧化物厚度如下所示：

这里有一个公式：k=k0exp(-B/T)

m=质量（公斤）

A=面积（平方米）

k是生长系数。

B是一个常数。

T=绝对温度（K）

在相同的条件下，纯锡的导热系数是Sn-Pb合金的两倍，并且无铅焊料的焊接温度要比Sn-Pb合金更高，因此无铅焊料具有更强的氧化速率。为了避免无铅焊料的氧化问题，我们可以改进锡炉的喷口，最好的解决方法是使用氮气进行保护。

改进锡炉喷嘴的结构主要是控制波峰的高度和扰动，以降低无铅焊料的氧化情况。而氮气保护则通过减少氧气浓度，从根本上减少无铅焊料的氧化，其效果十分显著。随着氧气浓度的降低，无铅焊料的氧化量明显减少。当氮气保护中氧气含量达到50ppm或以下时，无铅焊料基本上不再发生氧化。而当氮气流量为16m3/h时，可以视为降低氧气含量的临界点。

锡炉的腐蚀性很高。

当在PCB上安装电子元件时，使用无铅波峰焊接技术。与使用含铅的焊料相比，使用无铅焊料需要更高的焊接温度，大约高出30-50℃。同时，无铅焊料的锡含量大大增加，一般在95%以上。这就导致了无铅焊料对锡炉和喷口腐蚀性的增强。国内通常选择SUS304和SUS316型不锈钢作为锡炉材料。实验证明，在高温环境下，高锡含量无铅焊料对不锈钢板材的腐蚀明显。受腐蚀影响最大的部分是与焊料接触的部位，例如泵的叶轮、输送管和喷口。

不锈钢具有耐腐蚀性的原因是由于合金成分Cr的作用。对于大部分材料，包括普通的Sn-Pb焊料合金，不锈钢都具有良好的耐腐蚀性能。但是对于高Sn无铅焊料来说，在高温下它能够更好地铺展在不锈钢表面，容易产生浸润现象，从而导致不锈钢的浸润腐蚀。此外，在波峰焊过程中，液体合金焊料会不断流动，并冲刷与之接触的表面，导致冲刷腐蚀。这就是为什么泵的叶轮、输送管和喷口处的腐蚀更加严重的原因。为了检测无铅焊料对不锈钢腐蚀的情况，我们可以使用X射线化学分析仪进行截面成分检测。

无铅焊料可以完全湿润不锈钢表面，并与不锈钢基材发生相互渗透。这种渗透最终导致不锈钢锡炉和内部结构的腐蚀。

为了防止高Sn无铅焊料对波峰焊设备造成腐蚀，延长设备的使用寿命，无铅波峰焊设备通常选择以下材料来制作锡炉的叶轮、输送管和喷嘴：

1）钛及其合金的结构；

2）不锈钢进行表面渗氮处理；

3）将不锈钢表面喷涂上陶瓷。

在制造锡炉时，常常使用的材料有：

1）钛和其合金；

2）铸铁；

3）将不锈钢表面喷涂陶瓷。

4）进行氮渗透处理的不锈钢表面。

锡炉温度

无铅波峰焊接的温度不等同于锡炉的温度。在线测试结果表明，一般焊接温度要比锡炉温度低约5℃，也就是说，250℃的浸湿性能参数大致相当于255℃的锡炉温度。

研究表明，对于一般无铅焊料合金而言，最适宜的锡炉温度为271℃。在这种温度下，Sn/Ag、Sn/Cu、Sn/Ag/Cu合金通常具有最短的潮湿时间和最大的潮湿力。当选择不同的助焊剂时，无铅焊料的润湿性能在最佳锡炉温度上有所差异，但差距并不大。对于选择低固含量的免清洗助焊剂进行波峰焊接过程而言。

无铅波峰焊锡炉的温度对焊接质量有很大的影响。如果温度偏低，焊锡波峰的流动性将下降，表面张力变大。这会容易导致焊接缺陷，如虚焊和拉尖，丧失波峰焊接的优势。而如果温度较高，元器件可能会遭受高温损坏。同时，高温也会加速无铅焊料的表面氧化。

波峰高度

波峰的高低直接影响到波峰的稳定性以及焊锡在波峰表面的流动情况。适当的波峰高度可以确保PCB板上有足够的锡液压力，使得焊点与焊锡能够充分接触。稳定的波峰可以保证整个PCB板在焊接过程中得到均匀的焊接效果。当波峰高度较高时，说明泵内液体焊料的流速增加。

当雷诺数增大时，液体流体会变得湍流，并可能引起波峰不稳定，从而损坏PCB上的电子元件。然而，增加波峰对于填充焊缝是有帮助的。但是，这也容易引起焊接缺陷，例如拉尖和桥连。当波峰较低时，泵内液体钎料流速较慢，呈层流状态，因此波峰较稳定。但是，这也会使焊锡的流动性变差，可能导致锡点不饱满等问题。一般来说，波峰的高度应保持在PCB板厚度的1/2至2/3，以确保焊点的外观和可靠性达到最佳水平。

浸锡时间

无铅波峰焊的浸入和撤出熔化焊料波峰的速度对浸湿质量、焊点的均匀度和薄厚影响很大。焊料会被吸收到PCB焊层的埋孔内，然后立即发生热交换。当印制板离开波峰时，潜热会被释放，焊料从液相变成固相。在锡炉温度在250℃-260℃左右、焊接温度在245℃左右的情况下，焊接时间应为3-5秒左右。换句话说，PCB某一导线脚与波峰的接触时间为3-5秒，但由于室内温度的变化，助焊剂的性能和焊料的温度也会不同，因此接触时间会有所不同。