釬焊與電子組裝技術(shù)-6

釬焊與電子組裝技術(shù)

Soldering&ElectronicPackagingTechnology趙興kzhao@目錄1電子組裝分級(jí)2電子組裝材料與元器件3電子組裝的互聯(lián)技術(shù)4金屬連接原理5電子組裝的可靠性3電子組裝的互聯(lián)技術(shù)3.1芯片互聯(lián)技術(shù)3.2器件互聯(lián)技術(shù)3.3板卡互聯(lián)技術(shù)3.2器件互聯(lián)3.2.1印制電路板印制電路板（PCB）是一種在覆銅箔絕緣基板上用印制、蝕刻、鉆孔等手段制造出導(dǎo)體圖形相元器件安裝孔，構(gòu)成電氣互連，并給元器件提供機(jī)械支持的互連基板。60年代以來(lái)，PCB技術(shù)發(fā)展很快，從單面板至多層板（50層），從2.54mm通孔中心距之間走1根線（0.3mm線寬）發(fā)展至走6根線（0.07-0.05mm線寬。40年代中期晶體管發(fā)明之后就出現(xiàn)印制電路板，以平面布線取代分支走線，至今仍然是電子組裝與互連的主要基板。80年代以后，表面安裝技術(shù)（SMT）興起，正在逐漸取代常規(guī)的穿孔插入式技術(shù)（THT）。新興的芯片組件技術(shù)（MCM）也離不開(kāi)PCB技術(shù)。（1）

印制電路板的制造工藝PCB制造工藝大致可分為三大類加成法減成法多線法加成法在絕緣基板上用化學(xué)淀積法或真空薄膜淀積法，沉積一層薄范的金屬銅，然后光刻腐蝕出所需的導(dǎo)體圖形。其優(yōu)點(diǎn)是線條精細(xì)，缺點(diǎn)是銅層粘附強(qiáng)度不同，制造成本高。減成法在覆銅絕緣基板上用光到法或絲網(wǎng)癰印法形成正相抗蝕保護(hù)膜，然后蝕刻出所需的導(dǎo)體圖形。雙面PCB的減成法的工藝流程為：CAD布線設(shè)計(jì)→光繪制版→貼膜（或絲?。毓狻鷻z驗(yàn)等；多層PCB的減成法制作工藝流程為：PCB數(shù)控鉆孔→孔金屬化（化學(xué)沉銅）→顯影→腐蝕→印阻焊膜及字符→貼膜→曝光→腐蝕→測(cè)試通斷→多層層壓→貼膜腐蝕→鉆孔→孔金屬化→印阻焊膜及字符→外形加工→檢驗(yàn)等。減成法是當(dāng)前最普遍的PCB制造工藝，適合大量生產(chǎn)，成本低。多線法利用計(jì)算機(jī)控制的專用布線設(shè)備，將絕緣漆包線布在涂有熱塑性塑料的PCB上，帶有超聲加熱的布線頭將漆包線按規(guī)定的x、y坐標(biāo)嵌入塑料內(nèi)，線條可以密排，可以交叉（因?yàn)槭墙^緣的）。布完后待塑料固化，各層導(dǎo)線如需要互連點(diǎn)，按PCB一樣鉆孔和孔內(nèi)金屬化。其優(yōu)點(diǎn)是不需照相制版，生產(chǎn)周期短，適合于多品種小批量生產(chǎn)；缺點(diǎn)是需要昂貴的專用設(shè)備。上世紀(jì)70年代后期推出的一種獨(dú)特的多層PCB工藝。早期用線徑0.10mm-0.15mm漆包線布線，線中心距0.375mm；80年代中后期推出微線法，用直徑0.05mm漆包線，布線中心距為0.20mm-0.125mm，故布線密度高。（1）

波峰焊的原理波峰焊是將已裝好元件的PCB，由機(jī)械傳送機(jī)構(gòu)，先浸入焊劑槽，再通過(guò)經(jīng)電動(dòng)泵或電磁泵噴流成設(shè)計(jì)要求的熔融焊料波峰，使全部焊點(diǎn)依次全部焊好，實(shí)現(xiàn)元器件焊端或引腳與PCB焊盤之間機(jī)械與電氣連接的軟釬焊群焊技術(shù)。根據(jù)機(jī)器所使用不同幾何形狀的波峰，波峰焊系統(tǒng)可分許多種，如單波峰焊、雙波峰焊等。3.2.2波峰焊技術(shù)對(duì)通孔元件來(lái)講，單個(gè)波峰就足夠了。PCB板進(jìn)入波峰時(shí)，焊錫流動(dòng)的方向和PCB板的行進(jìn)方向相反，可在元件引腳周圍產(chǎn)生渦流，如同洗刷，將上面所有助焊劑和氧化膜的殘余物去除，在焊點(diǎn)到達(dá)浸潤(rùn)溫度時(shí)形成浸潤(rùn)。對(duì)于混裝元件有時(shí)需要雙波峰焊接。兩個(gè)波峰分別是湍流波和平滑（或?qū)恿鳎┎?。湍流波的湍流部分防止漏焊，它保證穿過(guò)電路板的焊料分布適當(dāng)。焊料以較高速通過(guò)狹縫滲入，從而透人窄小間隙。噴射方向與電路板進(jìn)行方向相同。單個(gè)湍流波不能很好地焊接，它會(huì)在焊點(diǎn)上留下不平整和過(guò)剩的焊料，需要第二層流波或平滑波予以消除。層流波實(shí)際上與傳統(tǒng)的通孔插裝組件使用的波一樣。因此，當(dāng)傳統(tǒng)組件在一臺(tái)機(jī)器上焊接時(shí)，就可以把湍流波關(guān)掉，僅用層流波對(duì)傳統(tǒng)組件進(jìn)行焊接。波峰焊的基本流程為：將元件插入相應(yīng)的元件孔中→預(yù)涂助焊劑→預(yù)烘（溫度90-1000C，長(zhǎng)度1-1.2m）→波峰焊（220-2400C）→切除多余插件腳→檢查。（2）波峰焊工藝流程波峰高度傳送傾角熱風(fēng)刀焊料助焊劑預(yù)熱工藝參數(shù)的協(xié)調(diào)（3）波峰焊的主要工藝參數(shù)波峰高度波峰高度是指波峰焊接中的PCB吃錫高度。其數(shù)值通?？刂圃赑CB板厚度的1/2~2/3，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致熔融的焊料流到PCB的表面，形成橋連。傳送傾角波峰焊機(jī)在安裝時(shí)除了使機(jī)器水平外，還應(yīng)調(diào)節(jié)傳送裝置的傾角，通過(guò)傾角的調(diào)節(jié)，可以調(diào)控PCB與波峰面的焊接時(shí)間，適當(dāng)?shù)膬A角，會(huì)有助于焊料液與PCB更快的剝離，使之返回錫鍋內(nèi)。熱風(fēng)刀所謂熱風(fēng)刀是PCB剛離開(kāi)焊接波峰后，在PCB的下方放置一個(gè)窄長(zhǎng)的帶開(kāi)口的“腔體”，窄長(zhǎng)的腔體能吹出熱氣流，尤如刀狀，故稱“熱風(fēng)刀”。焊料焊料的雜質(zhì)主要是來(lái)源于PCB上焊盤的銅浸析，過(guò)量的銅會(huì)導(dǎo)致焊接缺陷增多。助焊劑助焊劑涂敷之后的預(yù)熱可以逐漸提升電路板的溫度，并使助焊劑活化，減小組件進(jìn)入波峰時(shí)產(chǎn)生的熱沖擊。還可以用來(lái)蒸發(fā)掉所有可能吸收的潮氣，或稀釋助焊劑的載體溶劑，以避免在過(guò)波峰時(shí)沸騰并造成焊錫濺射，或者產(chǎn)生蒸汽留在焊錫里面，形成中空的焊點(diǎn)或砂眼。預(yù)熱線路板通過(guò)傳送帶進(jìn)入波峰焊機(jī)以后，經(jīng)過(guò)助焊劑涂敷裝置，利用波峰、發(fā)泡或噴射的方法涂敷到PCB板上。由于大多數(shù)助焊劑在焊接時(shí)必須要達(dá)到并保持一個(gè)活化溫度，保證焊點(diǎn)完全浸潤(rùn)，因此線路板在進(jìn)入波峰槽前要先經(jīng)過(guò)一個(gè)預(yù)熱區(qū)。波峰焊機(jī)預(yù)熱段的長(zhǎng)度由產(chǎn)量和傳送帶速度來(lái)決定。產(chǎn)量越高，PCB板需要的預(yù)熱區(qū)越長(zhǎng)，以滿足浸潤(rùn)溫度的需要。另外，由于雙面板和多層板的熱容量較大，因此它們比單向板需要更高的預(yù)熱溫度。工藝參數(shù)的協(xié)調(diào)波峰焊機(jī)的工藝參數(shù)帶速，預(yù)熱時(shí)間，焊接時(shí)間和傾角之間需要互相協(xié)調(diào)，反復(fù)調(diào)整。（4）波峰焊主要焊接缺陷及及預(yù)防措施波峰焊廣泛運(yùn)用于傳統(tǒng)通孔插裝印制電路板電裝工藝以及表面組裝與通孔插裝元器件的混裝工藝。隨著元器件變得越來(lái)越小，PCB組裝密度越來(lái)越密，另外由于免清洗助焊劑不含鹵化物，固體含量不能超過(guò)2%，因此去氧化和助焊作用大大減小，使波峰焊工藝的難度越來(lái)越大。良好的焊點(diǎn)應(yīng)該是外形飽滿、內(nèi)部致密。焊料不足焊料不足是指焊點(diǎn)干癟，焊點(diǎn)不完整，不飽滿。插裝孔及導(dǎo)通孔中焊料填充高度不足75%，大多是半潤(rùn)濕引起的。預(yù)防措施：預(yù)熱溫度控制在90～130℃，復(fù)雜板取上限；錫波溫度控制在（250±5）℃，焊接時(shí)間3～5s；插裝孔的孔徑比引腳直徑大0.15～0.4mm（細(xì)引線取下限，粗引線取上限）；波峰高度一般控制在PCB厚度的2/3處；PCB爬坡角度為3～7°。漏焊、虛焊是指元器件焊端、引腳或PCB焊盤不沾錫或局部不沾錫。大多由于潤(rùn)濕不良造成。漏焊、虛焊預(yù)防措施：元器件先到先用，不要存放在潮濕環(huán)境中，不要超過(guò)規(guī)定的使用日期。對(duì)PCB進(jìn)行清洗和去潮處理；波峰焊應(yīng)選擇三層端頭結(jié)構(gòu)的表面貼裝元器件，元器件體和焊端能經(jīng)受兩次以上260℃波峰焊的溫度沖擊；SMD布局應(yīng)遵循較小的元件在前和盡量避免互相遮擋的原則。適當(dāng)延長(zhǎng)搭接后剩余焊盤長(zhǎng)度；印制電路板翹曲度小于0.8%～1.0%；調(diào)整波峰焊機(jī)及導(dǎo)軌或PCB傳輸架的橫向水平；大板采用導(dǎo)軌支撐或加工專用工裝；PCB設(shè)計(jì)時(shí)大小元件盡量均勻布局；清理波峰噴嘴；使用合適的助焊劑。焊料過(guò)多焊料過(guò)多是指元件焊端和引腳周圍被過(guò)多的焊料包圍，或焊點(diǎn)中間裹有氣泡，不能形成標(biāo)準(zhǔn)的彎月面焊點(diǎn)。預(yù)防措施：根據(jù)PCB尺寸、是否多層板、元器件多少、有無(wú)貼裝元器件等設(shè)置預(yù)熱溫度。PCB底面溫度在90～130℃，有較多貼裝元器件時(shí)預(yù)熱溫度取上限；更換焊劑或調(diào)整適當(dāng)?shù)拿芏龋惶岣逷CB加工質(zhì)量，元器件先到先用，不要存放在潮濕環(huán)境中；錫的比例＜61.4%時(shí)，可適量添加一些純錫，雜質(zhì)過(guò)高時(shí)應(yīng)更換焊料；每天結(jié)束工作后應(yīng)清理殘?jiān)?。焊點(diǎn)橋接或短路橋接又稱連橋，是指元件端頭之間、元器件相鄰的焊點(diǎn)之間以及焊點(diǎn)與鄰近的導(dǎo)線、過(guò)孔等電氣上不該連接的部位被焊錫連接在一起。預(yù)防措施：除了對(duì)預(yù)熱溫度、錫波溫度和焊接時(shí)間的控制，PCB設(shè)計(jì)也必須合理，兩個(gè)端頭的長(zhǎng)軸與焊接方向垂直，長(zhǎng)軸應(yīng)與焊接方向平行。將最后一個(gè)引腳的焊盤加寬；插裝元器件引腳應(yīng)根據(jù)PCB的孔距及裝配要求進(jìn)行成形，如采用短插一次焊工藝，焊接面元件引腳露出PCB表面0.8~3mm，插裝時(shí)要求元件體端正；提高助焊劑的活性；去除有害雜質(zhì)，減低焊料的內(nèi)聚力，以利于兩焊點(diǎn)之間的焊料分開(kāi)。目前解決橋接和短路的方法是風(fēng)刀技術(shù)。焊料球又稱焊錫球、焊錫珠，是指散布在焊點(diǎn)附近的直徑為0.2mm～0.4mm的珠狀焊錫，常出現(xiàn)在無(wú)鉛波峰焊的印制電路板表面。焊錫珠不僅影響產(chǎn)品的外觀，同時(shí)由于PCB上元器件引腳間距很小和布線很密，焊錫珠還會(huì)造成短路現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的可靠性。預(yù)防措施：嚴(yán)格來(lái)料檢驗(yàn)，元器件先到先用，不要存放在潮濕環(huán)境中，不要超過(guò)規(guī)定的使用日期。對(duì)PCB進(jìn)行清洗和去潮處理；采用亞光型阻焊膜；設(shè)計(jì)時(shí)盡量使阻焊膜遠(yuǎn)離焊點(diǎn)。氣孔氣孔是指分布在焊點(diǎn)表面或內(nèi)部的氣孔、針孔。在焊點(diǎn)內(nèi)部比較大的吹氣孔也稱空洞。預(yù)防對(duì)策：嚴(yán)格來(lái)料檢驗(yàn)；使用合適的焊料；PCB爬坡角度為3~7°；每天關(guān)機(jī)前清理焊料鍋表面的氧化物等殘?jiān)?。冷焊和焊點(diǎn)擾動(dòng)又稱焊點(diǎn)紋亂，是指焊點(diǎn)表面呈現(xiàn)焊錫紊亂痕跡。預(yù)防措施：檢查電機(jī)是否有故障；檢查電壓是否穩(wěn)定，人工取、放PCB時(shí)要輕拿輕放；錫波溫度為（250±5）℃，焊接時(shí)間3~5s。溫度略低時(shí)，傳送帶速度調(diào)慢一些。板面臟，主要是由于焊劑固體含量高、涂覆量過(guò)多、預(yù)熱溫度過(guò)高或過(guò)低，或由于傳送帶太臟、焊料鍋中氧化物及錫渣過(guò)多等原因造成的；PCB變形，一般發(fā)生在大尺寸PCB，主要由于大尺寸PCB重量大或由于元器件布置不均勻造成重量不平衡所致，這需要PCB設(shè)計(jì)時(shí)盡量使元件分布均勻，在大尺寸PCB中間設(shè)計(jì)支撐帶；掉片現(xiàn)象，其主要原因是貼片膠質(zhì)量差，或由于貼片膠固化溫度不正確，過(guò)低或過(guò)高都會(huì)降低粘接強(qiáng)