波峰焊接基礎(chǔ)技術(shù)理論之二

1、波峰焊接基礎(chǔ)技術(shù)理論之波峰焊接基礎(chǔ)技術(shù)理論之二PCB焊點(diǎn)接頭結(jié)構(gòu)對(duì)焊點(diǎn)工作可靠性的影響1PCB 焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展和演變1.1無金屬化孔的單面 PCB 的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)1.1.1焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型早期的電子設(shè)備中所用 PCB 都是無金屬化孔的單面PCB，焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式大致如圖 1 所示圖1無金屬化孔的單面板的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)在圖 1 所示的結(jié)構(gòu)模式中，焊點(diǎn)只存在外露部分，而不存在孔內(nèi)部分。因此，焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度只處決于焊盤銅 箔和基板材料之間的粘合力，以及釬料浸潤高度 （h）和藍(lán)色線 表示的合金層。顯然無金屬化孔的單面 PCB 不論是機(jī)械強(qiáng) 度還是電氣性能都不是很理想的。因此，在無金屬化孔的單 面 PCB 上安裝元

2、器件時(shí)必須采取必要的補(bǔ)強(qiáng)措施，以提高焊 點(diǎn)的可靠性。1.1.2 對(duì)焊點(diǎn)的補(bǔ)強(qiáng)措施 米用補(bǔ)強(qiáng)安裝結(jié)構(gòu)焊盤銅箔和基板的膠合面不能因安裝了元器件而增 加額外的應(yīng)力。這種應(yīng)力主要受元器件本身的質(zhì)量和外力作 用的結(jié)果，因此，在安裝結(jié)構(gòu)上通常采取如圖2 所示的形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)圖 2 所示的安裝形式中，元器件本身的重量（Fg ）或 者所受的外力（F ）都不會(huì)直接作用在焊盤銅箔上，從而避免了 焊盤銅箔受力作用而導(dǎo)致焊盤銅箔從基板的膠合面上剝離現(xiàn) 象的發(fā)生。 控制引線伸出焊盤的高度和浸潤高度日本學(xué)者綱島瑛一就圖 1 所示的焊點(diǎn)接頭結(jié)構(gòu) （無金 屬化孔的單面板），試驗(yàn)確定當(dāng)引線伸出高度 H = 3.18mm（1

3、/ 8”）時(shí)焊點(diǎn)的強(qiáng)度最高，如圖 3 所示。圖2補(bǔ)強(qiáng)安裝形式（a）禿件俸貼石牛團(tuán)中：F-外力；F曠5Ef牛重_J（焊點(diǎn)的圓錐高度增大）,通常把它作為提升無金屬化孔的單 面PCB 焊點(diǎn)可靠性的一個(gè)有效手段。釬料的浸潤高度與抗拉 強(qiáng)度，之間的關(guān)系，如圖 4 所示。美國波音公司對(duì)無金屬化孔的單面板要求伸出高度（H） 最小為焊盤半徑，最大為焊盤直徑，浸潤高度h= H2/3，如圖 5所示。美國軍標(biāo) MIL-S-45743E規(guī)定基本與波音公司相圖？無金厲化孔的單面板引銭伸出高度丿釬料浸潤高度的增加，意味著焊點(diǎn)的接觸面積加大抗擔(dān)斷強(qiáng)度湎ck圖4波峰焊焊點(diǎn)浸潤高度和扌立同。IPC-A-610C 規(guī)定“對(duì)于單面

4、板，無論是哪一級(jí)要 求，弓I 線或?qū)Ь€的伸出高度 H 至少為 0.5mm”如圖 6 所示。焊盤釬科HDHMQX=DH亦=D/2h =H2/3圖刁波音公司對(duì)無金屬化孔的單面板的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)要衣圖6 IPC幺610C對(duì)無金屬化孔的岸面板的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)更卞 一1.2有金屬化孔的雙面 PCB 的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)1.2.1 焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型無金屬化孔的單面 PCB不論是機(jī)械強(qiáng)度還是電氣性 能都不是很理想的，因此在現(xiàn)代有可靠性要求的電子產(chǎn)品中 應(yīng)用愈來愈少。而孔金屬化的雙面 PCB，正以優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng) 度、電氣性能及導(dǎo)熱性能在電子工業(yè)中迅速取代無金屬化孔 的單面 PCB。分析孔金屬化的雙面 PCB 的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)， 如圖 7 所示

5、。對(duì)孔金屬化的雙面 PCB 安裝元器件焊接后， 典型的 焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)特征是存在著孔內(nèi)部分和孔外部分（即外露部分）。 孑 L 內(nèi)部分孔內(nèi)完全充滿釬料，并在與釬料相接觸的界面處形 成銅錫合金層。只要間隙合適，波峰焊接的工藝參數(shù)選擇合 理。那么在孔壁和引線之間就完全為機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)電性能 好，導(dǎo)熱能力強(qiáng)的銅錫合金層所充填。中間將不再夾有機(jī)、 電、熱等性能相對(duì)都差的純釬料層，如圖 8 所示。因而此時(shí) 的接頭狀態(tài)不論是機(jī)械強(qiáng)度還是導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性都將達(dá)到最 佳。圖7孑L金屬化的雙面PCB焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖8孔金屬化的雙面PCB焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的孔內(nèi)部分1.2.2 外露部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求孔金屬化雙面 PCB 安裝元器件后焊點(diǎn)結(jié)

6、構(gòu)外露部 分，實(shí)際上指的就是在焊接面的孔外部分。描述此部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)仍然是：引線伸出焊盤面的高度和釬料的浸潤高度。 但就影響焊點(diǎn)可靠性的主要因素而言，起主導(dǎo)作用的是孔內(nèi) 部分，孑L 外部分對(duì)焊點(diǎn)綜合性能的影響與孔內(nèi)部分相比，巳 經(jīng)是微乎其微。因此目前在世界電子產(chǎn)品安裝結(jié)構(gòu)中，為了 改善裝聯(lián)中波峰焊接的工藝性以及提高焊點(diǎn)在惡劣環(huán)境中的 工作能力，國外各工業(yè)部門都作出了修正。 美國軍標(biāo)：MIL-S-45743E 規(guī)定：“引線應(yīng)穿過印制板，伸出長度為 0.030 英寸 (0.76mm )，最大為 0.060 英寸 (1.5mm)?！?如圖 9 所示。圖9美國軍標(biāo)：MIL-S-45743E對(duì)夕卜露部分

7、的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求 美國波音公司（從事飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星生產(chǎn)）“電子工 藝標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)” 規(guī)定不彎曲也不與電路勾合的元件引線應(yīng)妥善洗凈并剪 斷，剪到引線能伸出焊盤 1/32 英寸（0.79mm）的長度，如圖 10 所示。I.翌!o美國彼音飛機(jī)公司工藝標(biāo)準(zhǔn)對(duì)外露部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求 美國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IPC-A-610C 規(guī)定：元器件引腳伸出焊盤的部分不能導(dǎo)致出現(xiàn)以下情 況： 減小電氣間陳、由于引腳的偏移而產(chǎn)生焊接缺陷、或日 后使用、操作環(huán)境中發(fā)生的靜電防護(hù)封裝被穿透的可能。高 頻情況時(shí)要對(duì)元器件引腳的長度有更加明確的要求以免影響 產(chǎn)品的功能。圖 11 所示注： 對(duì)于厚度超過 2.3mm 的通孔板， 弓 I 腳長

8、度己確 定的元器件，如 DIP、插座等，引腳突出允許不可辨識(shí)。IPC-A-610C 3 級(jí)（高性能電子產(chǎn)品）具體要求如圖11 IPC-A-610C 3要求的外露部分的結(jié)構(gòu)通過上述討論可知：在孔金屬化的雙面 PCB 的焊 點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，元器件引腳像釘子一樣被釘住在金屬化孔內(nèi)，顯 然此時(shí)的機(jī)、 電性能及傳熱能力等均是無金屬化孔的單面 PCB 焊點(diǎn)結(jié)構(gòu) （圖1）所無法比擬的。在圖 7 所示的結(jié)構(gòu)中，影響焊點(diǎn)機(jī)、電性能的主要 因素是孔內(nèi)部分孔和引線之間的間隙和位於間隙內(nèi)釬料的合 金化程度。相比之下，而受焊點(diǎn)外露部分結(jié)構(gòu)參數(shù) （引腳伸出 高度 H）的影響巳極為有限。2 金屬化孔雙面 PCB 焊點(diǎn)外露部分結(jié)構(gòu)

9、參數(shù)對(duì)工作狀態(tài)的 影響前面己經(jīng)討論到有金屬化孔的雙面 PCB 焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)外 露部分，對(duì)焊點(diǎn)的機(jī)、電、熱性能所起的作用是非常微弱的。 在此前提下減小焊點(diǎn)引腳的突出高度， 還可以獲得下列好處： 改善了波峰焊接的工藝性引腳突出焊盤高度的增大， PCB 經(jīng)過波峰時(shí)對(duì)液態(tài) 釬料的流態(tài)干擾愈大，附面層厚度增加，形成大量紊流和漩 渦，導(dǎo)致焊接缺陷 （如橋連、 錫珠、 鼓泡等） 頻頻發(fā)生。 當(dāng)突出 高度小 v 1mm以后，引腳突出部分在經(jīng)過釬料波峰時(shí)對(duì)液態(tài) 釬料流態(tài)的干擾就很小，故焊接缺陷就少，特別是對(duì)密集型 焊點(diǎn)陣列（如 DIP、插座等）更為明顯。有利于電路工作的穩(wěn)定性過長的引腳在 PCB 板面上不同電位點(diǎn)之

10、間將形成額外的雜散電埸，從而加劇了分布電容對(duì)電路工作穩(wěn)定性的影響，如圖 12 所示。因此在高頻情況時(shí)對(duì)元器件引腳突出的高度有更加 嚴(yán)格的要求，以免影響產(chǎn)品的性能。對(duì)高壓電路和惡劣環(huán)境工作的影響對(duì)在高壓和惡劣環(huán)境中工作的電子電路，還往往因 為過長的引腳引發(fā)尖端放電而導(dǎo)致系統(tǒng)的損壞。六十年代中后期，某海防（岸一艦）導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)在 濕熱和鹽霧環(huán)境試驗(yàn)中出現(xiàn)電泄漏，問題表敘如圖13 所示。圖12高頻電路中長引腳對(duì)電路工作的影響述形成原因當(dāng)時(shí)條件下的解決辦法S13尖端放電造成電泄漏按現(xiàn)在 PCB 所達(dá)到的技術(shù)和質(zhì)量水平，只需要減低 引C C1U （分布電引線伸出過書.癖因防護(hù)漆龍不易堆集達(dá)到要求的訪護(hù)

11、 厚度”的在惡劣環(huán)境條件下產(chǎn)生尖蔽電造焊點(diǎn)用釬料包惠成謾頭伏后避免了尖請(qǐng)，防護(hù) 萃腥復(fù)蓋連續(xù)，消除了尖端線伸出高度就能使焊點(diǎn)獲得所需厚度的三防漆膜，既避免 了電泄漏，又不降低焊點(diǎn)的機(jī)、電、熱性能。而將焊點(diǎn)用釬料人工堆成鏝頭狀不僅浪費(fèi)釬料，而且這種不露筋焊點(diǎn)按現(xiàn) 在的觀點(diǎn)看是屬于不合格的焊點(diǎn)。 增加了產(chǎn)品的質(zhì)量在一些特種電子裝備（如航空、航天電子裝備）中，產(chǎn) 品的質(zhì)量要求特別嚴(yán)格，決不允許過載，過長的引線是增加 產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)要素。例如：160 年代中期我國在首次仿制某殲擊機(jī)用雷達(dá)中，產(chǎn)品仿 制出來后就因?yàn)橹亓砍瑯?biāo)了數(shù)百克被軍方拒收，不得己只好 人工將過長的導(dǎo)線一一減短，湊了一個(gè)來星期才減出這數(shù)

12、百 克的重量；2據(jù)有關(guān)報(bào)告稱，在導(dǎo)彈生產(chǎn)中重量每增加1kg,射程就要損失 2km。當(dāng)然作為通用型電子產(chǎn)品來說，對(duì)產(chǎn)品的重量要求不 是很嚴(yán)格的。但作為一名工藝工程師來說，平時(shí)就應(yīng)養(yǎng)成追 求輕、薄、短、小的良好習(xí)慣。3 金屬化孔插器件一引線頭的修剪IPC-A-610C 規(guī)定：只要剪切時(shí)無物理沖擊， 不破壞 元件和焊點(diǎn)，引線在焊后允許修剪，修整線應(yīng)符合圖11 所示的要求。經(jīng)過修剪的引線應(yīng)該進(jìn)行再次焊接，線頭修剪的再 次焊接是整個(gè)焊接過程的一部分，不能看作是返修。修剪后的焊點(diǎn)由于引腳端面的保護(hù)層被去除， 端面 基體金屬直接暴露在外，在以后的工作過程中極易銹蝕而造成焊點(diǎn)故障，另外在剪切力的作用下，還極易

13、在端部引線和焊點(diǎn)間產(chǎn)生裂縫，如圖14 所示注：H取值范圍應(yīng)符合因11所髓求ffll4引線頭修剪及其缺陷因此，波峰焊接后一般不允許再剪掉，否則就必須對(duì) 剪過腿的焊點(diǎn)重新補(bǔ)焊一次。4 如何利用通用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)窗口來優(yōu)化工藝的可操作性 以IPC-A-610C 為例， 其引腳伸出焊盤面的高度范圍 為 H= （01.5）mm,在該數(shù)據(jù)窗口我們以中值為基準(zhǔn)可以劃分 為上半數(shù)據(jù)窗口和下半數(shù)據(jù)窗口兩部分，如圖15 所示。f、中銭下半數(shù)據(jù)窗口：上半數(shù)據(jù)窗口 :（0.715）00.751.5圖15 IFCA610C引線突出焊盤的數(shù)據(jù)窗口下半數(shù)據(jù)窗口其取值范圍為（00.75）mm，此尺寸范圍特別適合于 密集型焊點(diǎn)群（如 DIP、多芯插座等）。此類器件在安裝和波峰 焊接過程中， 位置的穩(wěn)定性通常都不存在問題， 而影響最大 的問題是引腳伸出長度不合適時(shí)，將嚴(yán)重干擾波峰而導(dǎo)致橋 連缺陷的發(fā)生。為了改善工藝的可操