李孟龍 龍小軍

（廣州華凌制冷設備有限公司 廣州 511455）

引言

波峰焊自80年代引入我國已經幾十年，設備系統(tǒng)結構、設置范圍等均已有成熟的參考，工藝參數基本大同小異。但因PCB板材、器件物料、助焊劑、波峰焊設備等影響因素較多，如何提升焊接直通率和保證焊接強度至今仍是電子制程品質繞不開的話題。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

按照設備結構區(qū)域，一臺波峰焊機主要分為助焊劑噴霧區(qū)、預熱區(qū)、焊接區(qū)。PCB在波峰焊設備內的主要工藝過程是：

1）首先進入噴霧區(qū)，助焊劑經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，促進焊接時錫液的漫流，以達到良好的焊接效果。

2）其次經過預熱區(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溶劑充分揮發(fā)，激活助焊劑中的活性成分。

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

錫爐焊接是一個復雜的物理和化學綜合反應的過程。高溫熔化的焊錫Sn與銅Cu金屬焊盤，在熱量（溫度×時間）足夠的情況下，錫原子和銅原子相互結合、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系。當然，也不是無限制增加焊接強度，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

波峰焊錫爐內有兩個波峰，擾波和寬平波。正常生產時寬平波必須開啟，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以及空焊，而板底只有DIP插件器件時可以關閉；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沒有足夠的反應時間，就很難形成合金或焊接強度差，導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量的關鍵參數之一。

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置等。目前電子行業(yè)針對設備參數設置上有成熟的參考設置，但根據不同的產品如何優(yōu)化、匹配以達到最佳的焊接效果，是需要進一步研究的。

3.1 運輸鏈速

波峰焊運輸鏈速不但影響浸錫時間，同時也關系到噴霧效果、預熱是否滿足。根據不同的PCB類型，設置合理的鏈速是非常重要的。以空調主板為例，一般雙面沉銅板推薦設置1.3 m/min；內機單面板推薦設置1.4 m/min，帶載具的主板要進一步降低鏈速至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導致焊接不良。這種情況在生產過程中是常見的一種問題，特別是帶載具的機型，更容易出現空焊，需要定期保養(yǎng)并按時檢查波峰狀態(tài)，以便馬上應對。

3.3 其他影響因素

其他影響的因素還有液面高度和導軌傾角。隨著生產消耗以及錫的氧化，錫爐內的焊料不斷減少，需要及時補充錫條。每次加入錫條后，高溫液態(tài)錫的高度會出現明顯變化，就要通過變更波峰焊的馬達頻率調整液面，這樣會影響PCB浸錫時間。另外，波峰焊運輸導軌傾角通常要求設置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，以上參數發(fā)生變化，以及錫爐清理錫渣、或進行大保養(yǎng)重新加錫后，均應測試浸錫時間，確保符合工藝參數范圍。

4 浸錫時間測量方法

針對常用的爐溫曲線測試方法，需要提前準備和待生產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熱+錫爐的爐溫曲線參數，并在界面呈現出來。

波峰焊爐溫曲線是檢驗溫度（尤其是預熱曲線）符合性的日常測試項目，通過圖6曲線參數查看預熱溫度趨勢是否合格，但因3條曲線重合度高、根據界面顯示人工讀取時存在誤差，無法對每條曲線都能夠準確判斷溫度數值是否符合，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)，并根據寬度判斷是否合格范圍內（圖7）。缺點是不能準確量化計算，不適合在生產效率要求較高的場景下應用。

4.2 短路計時測量法

液態(tài)錫和錫槽是一個大的導體，相互導通無阻值。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（如STC90C5RC）和LCD再輔助以最小系統(tǒng)即可實現，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，當焊點離開高溫錫料時開路，則停止計時；這樣就可以準確讀取浸錫時間，精度可以達到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)計時器測量是準確度高、測試難度較低，更適用于準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

PCB過爐的浸錫時間是影響焊接品質的重要因素，嚴格來說每次設備剛開啟、鏈速改變、中途添加錫料、或調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。3種測試方法尤其使用工業(yè)計時器并不耗費太多精力，實際生產中針對波峰焊的管控，應將PCB焊接時間項納入日常管理，以預防焊接不良發(fā)生。