波峰焊的原理和设备

1.波峰焊原理

波峰焊是让插装好元件的印制电路板与熔融焊料的波峰相接触,实现焊接的一种方法。波峰焊适合于大批量焊接印制电路板。波峰焊的特点是质量好、速度快、操作方便,如与自动插件器配合,即可实现半自动化生产。

实现波峰焊的设备称为波峰焊机。波峰焊机是在浸焊机的基础上发展起来的自动焊接设备,两者最主要的区别在于设备的焊锡槽。波峰焊是利用焊锡槽内的机械式或电磁式离心泵,将熔融焊料压向喷嘴,从喷嘴中形成一股向上平稳喷涌的焊料波峰,并源源不断地溢出,如图5-19 所示。装有元器件的印制电路板以平面直线匀速运动的方式通过焊料波峰,在焊接面上形成润湿焊点而完成焊接。与浸焊机相比,波峰焊设备具有如下优点:

图5-19　波峰焊机的焊锡槽示意图

(1)熔融焊料的表面漂浮一层抗氧化剂隔离空气,只有焊料波峰暴露在空气中,减少了氧化的机会,可以减少焊料氧化带来的浪费。

(2)电路板接触高温焊料时间短,可以减轻电路板的变形。

(3)浸焊机内的焊料相对静止,焊料中不同密度的金属会产生分层现象。波峰焊机在离心泵的作用下,整槽熔融焊料循环流动,使焊料成分均匀一致。

(4)波峰焊机的焊料充分流动,有利于提高焊点质量。

现在,波峰焊设备已经国产化,波峰焊已成为一种普遍应用的焊接工艺方法。这种方法适宜成批量焊接一面装有分立元件和集成电路的印制电路板。

2.常见波峰焊机

早期的波峰焊在焊接过程中,助焊剂或元器件的粘贴剂受热分解所产生的气泡不易排出,遮蔽在焊点上,可能造成焊料无法接触焊接面而形成漏焊,即产生气泡遮蔽效应;另外,印制电路板在焊料熔液的波峰上通过时,较高的SMT 元器件对它后面或相邻的较矮的SMT 元器件周围的死角产生阻挡,形成阴影区,使焊料无法在焊接面上漫流而导致漏焊或焊接不良,即产生阴影效应。

为了改变老式波峰焊机在焊接时容易造成焊料堆积、焊点短路等现象,解决在利用波峰焊机焊接SMT 电路板时,易产生气泡遮蔽效应和阴影效应,已经研制出许多新型或改进型的波峰焊设备。波峰焊机外形图如图5-20 所示。下面介绍几种新型的波峰焊机。

图5-20　波峰焊机外形图

1)斜坡式波峰焊机(www.xing528.com)

斜坡式波峰焊机是一种单峰波峰焊机,它与一般波峰焊机的区别在于传送导轨是以一定角度的斜坡方式安装的,如图5-21(a)所示。这种波峰焊机的优点是:假如电路板以与一般波峰焊机同样速度通过波峰,等效增加了焊点浸润的时间,增加了电路板焊接面与焊锡波峰接触的长度,从而提高了传送导轨的运行速度和焊接效率,不仅有利于焊点内的助焊剂挥发,避免形成夹气焊点,还能让多余的焊锡流下来。

图5-21　斜坡式波峰焊机和高波峰焊机波峰图

(a)斜坡式波峰焊机波峰;(b)高波峰焊机波峰

2)高波峰焊机

高波峰焊机也是一种单峰波峰焊机,它的焊锡槽及其锡波喷嘴如图5-21(b)所示,适用于THT 元器件“长脚插焊”工艺,其特点是,焊料离心泵的功率比较大,从喷嘴中喷出的锡波高度比较高,并且其高度h 可以调节,保证元器件的引脚从锡波里顺利通过。一般,在高波峰焊机的后面配置剪腿机,用来剪短元器件的引脚。

3)双波峰焊机

为了适应SMT 技术发展,特别是为了适应焊接那些THT 和SMT 混合元器件的电路板,在单峰波峰焊机基础上改进形成了双波峰焊机,即有两个焊料波峰,双波峰焊机的焊料波型有三种:空心波、紊乱波、宽平波。两个焊料波峰的形式是不同的,最常见的波型组合是“紊乱波+宽平波”“空心波+宽平波”。

空心波的特点是在熔融铅锡焊料的喷嘴出口设置了指针形调节杆,让焊料熔液从喷嘴两边对称的窄缝中均匀地喷流出来,使两个波峰的中部形成一个空心的区域,并且两边焊料熔液喷流的方向相反。空心波的波型结构可以从不同方向消除元器件的阴影效应,有极强的填充死角、消除桥接的效果。它能够焊接SMT 元器件和引线元器件混合装配的印制电路板,特别适合焊接极小的元器件,空心波焊料熔液喷流形成的波柱薄、截面积小,使PCB 基板与焊料熔液的接触面减小,不仅有利于助焊剂热分解气体的排放,克服了气体遮蔽效应,还减少了印制电路板吸收的热量,降低了元器件损坏的概率。

形成紊乱波的方法是:在双波峰焊接机中,用一块多孔的平板去替换空心波喷口的指针形调节杆,就可以获得由若干个小子波,看起来像平面涌泉似的紊乱波,也能很好地克服一般波峰焊的遮蔽效应和阴影效应。

形成宽平波的方法是:在焊料的喷嘴出口处安装扩展器,熔融的焊料熔液从倾斜的喷嘴喷流出来,便形成偏向宽平波(也叫片波),逆着印制电路板前进方向的宽平波流速较大,对电路板有很好的擦洗作用;在设置扩展器的一侧,熔液的波面宽而平,流速较小,使焊接对象可以获得较好的后热效应,起到修整焊接面、消除桥接和拉尖、丰满焊点轮廓的效果。

如图5-22 所示是双波峰焊机的焊料波型,使用这种设备焊接印制电路板时,THT 元器件要采用“短脚插焊”工艺。双波峰焊机的焊料溶液的温度、波峰的高度和形状、电路板通过波峰的时间和速度工艺参数,都可以通过控制系统进行调整。

图5-22　双波峰焊机的焊料波型图

4)选择性波峰焊设备

近年来,SMT 元器件的使用率不断上升,在某些混合装配的电子产品里甚至已经占到95%左右,按照以往的思路,对电路板A 面进行再流焊、B 面进行波峰焊的方案已经面临挑战。在以集成电路为主的产品中,很难保证在B 面上只贴装耐受温度的SMC 元件、不贴装SMD,集成电路承受高温的能力较差,可能因波峰焊导致损坏;为此,国外厂商推出了选择性波峰焊设备。这种设备的工作原理是:在由电路板设计文件转换的程序控制下,小型波峰焊锡槽和喷嘴移动到电路板需要补焊的位置,顺序、定量喷涂助焊剂并喷涌焊料波峰,进行局部焊接。