SMT焊接工艺及其可靠性(毕业设计).doc
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1、毕业设计报告(论文) 报告(论文)题目:SMT 焊接工艺及其可靠性 作者所在系部: 电子工程系 作者所在专业: 电子工艺与管理 作者所在班级: 10251 作 者 姓 名 : 辛春明 作 者 学 号 : 20103025108 指导教师姓名: 曹白杨 完 成 时 间 : 2013 年 6 月 5 日 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院电子工程系 毕业设计(论文)任务书 姓姓 名:名: 辛春明 专专 业业: : 电子工艺与管 理 班班 级级: : 10251 学号:学号: 20103025108 指指导导教教师师: : 曹白杨 职职 称:称: 教授 完成完成时间时间: : 2013 年
2、6 月 5 日 毕业设计毕业设计( (论论文)文)题题目:目: SMT 焊接工艺及其可靠性 设计设计目目标标: : 分析 波峰焊、再流焊炉等生产设备,掌握波峰焊、再流焊生产工艺流程,评价焊点质量,分析其 可靠性。 技技术术要求:要求: 1波峰焊、再流焊、AOI 自动检测仪及返修工作站等 SMT 设备的使用。熟练操作流程及注意生 产事项。 2完成高可靠性工艺流程设计。 所需所需仪仪器器设备设备: : 计算机一台,SMT 设备一套 成果成果验验收形式:收形式:论文 参考文献:参考文献:表面组装工艺基础、 实用表面组装技术、 电子组装工艺与设备 15 周-6 周立题论证 3 9 周-13 周撰写论文
3、 时间时间 安排安排 27 周-8 周收集资料 4 14 周-16 周成果验收 指指导导教教师师: 教研室主任教研室主任: 系主任系主任: 北华航天工业学院毕业论文 I 摘 要 本论文的研究工作是在“SMT 焊接工艺及其可靠性”的课题背景下展开的,详细介 绍了两种 SMT 焊接工艺流程以及进行可靠性分析。 良好而坚固的工艺,意味着高成品率、高质量、高效率。追求良好而坚固的工艺, 不仅是产品质量的要求,也是高密度组装的客观需要。组装的质量最终表现为焊接的质 量。焊接的质量取决于所用的焊接方法、焊接材料、焊接工艺技术和焊接设备。目前用 于 SMT 焊接的方法有多种,既有传统波峰焊,又有适应超细元件
4、和多引脚器件焊接而发 展起来的红外再流焊、汽相焊、激光焊,并研究出与之相适应的各种再流焊炉(包括热 板式、红外式、热风红外式再流焊炉) ,汽相焊炉(井式与再线式) ,激光焊机。不管是 哪种方法、用哪种设备,其焊接的过程均是在一定时间内将焊料与焊区(元器件引脚和 PCB 焊盘)升高到一定的温度,以致焊料融化并润湿焊接区,随着温度的下降,焊料凝 固并形成令人满意的焊点。 本文深入分析 SMT 焊接工艺,注重提高焊接质量以及进行质量检测,这些内容可以归 纳为三个方面:SMT 焊接工艺、焊接质量、可靠性。 关键词关键词 SMT 波峰焊 再流焊 质量检测 可靠性 北华航天工业学院毕业论文 II 目 录
5、第 1 章 绪论1 1.1 课题背景及国内外发展概况1 1.2 SMT 焊接工艺 2 1.3 SMT 焊接特点 2 1.4 课题的建立以及本文完成的主要工作2 第 2 章 波峰焊 3 2.1 波峰焊的概念3 2.2 波峰焊机3 2.3 波峰焊工作原理3 2.4 生产工艺过程4 2.5 波峰焊工艺对元器件和印制电路板的基本要求5 2.6 焊料和助焊剂6 2.7 波峰焊工艺曲线解析6 第 3 章 再流焊 8 3.1 再流焊的概念8 3.2 再流焊炉的主要技术指标及基本结构8 3.3 再流焊原理9 3.4 再流焊工艺特点(与波峰焊技术相比).10 3.5 再流焊工艺要求.10 3.6 再流焊的分类.
6、10 3.7 温度曲线.12 3.7.1 再流焊的温度曲线组成 .12 3.7.2 测试温度曲线的注意事项 .13 3.7.3 温度曲线的测试方法 .14 3.7.4 温度曲线制作的简单估算 .16 3.7.5 温度曲线的调整 .16 3.8 无铅再流焊.17 第 4 章 焊点质量及可靠性 19 北华航天工业学院毕业论文 III 4.1 焊点的外观评价.19 4.2 焊点寿命周期内焊点的失效形式.19 4.3 焊接工艺引起的焊点失效机理.20 4.3.1 热应力与热冲击 .20 4.3.2 金属的溶解 .20 4.3.3 基板和元件的过热 .21 4.3.4 超声清洗的损害 .21 4.4 装
7、卸和移动造成的焊点失效.21 4.5 环境老化.22 4.5.1 腐蚀 .22 4.5.2 基板材料老化 .23 4.5.3 合金层 .23 4.5.4 蠕变断裂 .23 4.5.5 焊接疲劳 .24 4.6 结论.24 4.7 焊接质量检测方法.25 4.7.1 目视检测 .25 4.7.2 AOI 检测 .25 4.8 返修工作站.27 第 5 章 结论 28 致 谢 .29 参考文献 30 北华航天工业学院毕业论文 1 焊接工艺及其可靠性 第 1 章 绪论 1. .1 课题背景及国内外发展概况 表面组装技术(SMT)是电子先进制造技术的重要组成部分,SMT 的迅速发展和普及, 变革了传统
8、电子电路组装的概念,为电子产品的微型化、轻量化创造了基础条件,对于 推动当代信息产业发展起到了独特的作用,成为制造现代电子产品的必不可少的技术之 一。目前,SMT 已经广泛应用于各行各业的电子产品组件和器件的组装中。而且,随着 半导体元器件技术、材料技术、电子与信息技术等相关技术的飞速进步,SMT 的应用还 在不断扩大,其技术也在不断完善和深化发展之中。近年来,与 SMT 的这种发展现状与 趋势相应,与信息产业和电子产品的飞速发展带来的对 SMT 的技术需求相应。SMT 总的 发展趋势是:元器件越来越小、组装密度越来越高、组装难度也越来越大。最近几年 SMT 又进入一个新的发展高潮。为了进一步
9、适应电子设备向短、小、轻、薄方向发展, 出现了 0210(0.6mm0.3mm)的 CHIP 元件、BGA、CSP、FLIP、CHIP、复合化片式元件 等新型封装元器件。由于 BGA 等元器件技术的发展,非 ODS 清洗和无铅焊料的出现,引 起了 SMT 设备、焊接材料、贴装和焊接工艺的变化,推动电子组装技术向更高阶段发展。 SMT 发展速度之快,的确令人惊讶,可以说,每年、每月、每天都有变化。 业界知名国际组织 IPC 为实现优良的电子组装焊接技术,制定了一系列相关标准。 最直接的就是 IPCA610 与 IPC/JSTD001 两大标准。我国颁布了电子行业标准 SJ/T10666表面组装件
10、的焊点质量评定 ,对表面组装件的焊点质量评定作了具体的规 定和要求。IPC 标准将电子产品分为: 1)1 级:通用类电子产品 2)2 级:专用服务类电子产品 3)3 级:高性能电子产品 目前用于 SMT 焊接的方法有多种,既有传统波峰焊,又有适应超细元件和多引脚器 件焊接而发展起来的红外再流焊、汽相焊、激光焊,并研究出与之相适应的各种再流焊 炉(包括热板式、红外式、热风红外式再流焊炉) ,汽相焊炉(井式与再线式) ,激光焊 机。 北华航天工业学院毕业论文 2 本论文主要是针对 SMT 生产中的焊接环节,详述焊接工艺流程。在深入分析 SMT 焊 接工艺的基础上,着重讨论波峰焊、再流焊的焊接原理及
11、主要特点,给出焊接缺陷分析 及解决办法。通过本课题的研究来提升工业生产中 SMT 焊接工艺的可靠性。 1.2 SMT 焊接工艺 SMT 包含表面组装元件、电路基板、组装材料、组装技术、组装工艺、组装设备、 组装质量检测和测试、组装系统控制与管理等多项技术,是一门新型的先进制造技术和 综合型工程科学技术。 而在一系列的 SMT 工艺中,焊接是表面组装工艺技术中的主要工艺技术。在 SMT 中 采用软钎焊技术主要有波峰焊和再流焊。一般情况,波峰焊用于混合组装方式,再流焊 用于全表面组装方式。波峰焊是通孔插装技术中使用的传统焊接工艺技术,根据波峰的 形状不同有单波峰焊、双波峰焊、三波峰、复合波峰等形式
12、之分。根据提供热源的方式 不同,再流焊有传导、对流、红外、激光、气相等方式。 波峰焊与再流焊之间的基础区别在于热源与钎料的供给方式不同。在波峰焊中,钎 料波峰有两个作用:一是供热,二是供钎料。再流焊中,热是由再流焊炉自身的加热机 理决定的,焊膏首先是由专用的的设备加以确定的量涂覆的。 波峰焊技术与再流焊技术是印制电路板上进行大批量焊接元器件的主要方式。就目 前而言,再流焊技术与设备是 SMT 组装厂商组装 SMD/SMC 的主选技术与设备,但波峰焊 任然是一种高效自动化、高产量、可在生产线上串联的焊接技术。因此,在今后相当长 的一段时间内,波峰焊技术与再流焊技术仍然是电子组装的首选技术。 1.
13、3 SMT 焊接特点 1)元器件本身受热冲击大; 2)要求形成微细化的焊接连接; 3)由于表面组装元器件的电极或引线的形状、结构和材料种类繁多,因此要求能对 各种类型的电极或引线都能进行焊接; 4)要求表面组装元器件与 PCB 上焊盘图形的接合强度和可靠性高。 1.4 课题的建立以及本文完成的主要工作 本文主要包括以下内容: 1)主要介绍波峰焊、再流焊、焊点可靠性研究。 2)以焊接为核心,考虑 SMT 生产中的焊接工艺流程;优化程序结构提高焊点可靠性。 北华航天工业学院毕业论文 3 3)根据生产要求,完成焊接的标准化流程。 第 2 章 波峰焊 2.1 波峰焊的概念 波峰焊是指将熔化的软钎焊料(
14、锡铅合金) ,经电动泵或电磁泵喷流形成设计要求的 焊料波峰,亦可通过向焊料池注入氮气来形成,使预先装有元器件的印制板通过焊料波峰, 实现元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。按波型个数又分成 单波峰、双波峰、三波峰和复合波峰 4 种。 2.2 波峰焊机 波峰焊机能产生焊锡波峰并能自动完成印制板组件焊接工艺过程的工艺设备。 图 2-1 波峰焊机 波峰焊设备发明至今已有 50 多年的历史了,在通孔元件电路板的焊接中具有生产效 率高,自动化程度高等优点,因此曾经是电子产品自动化大批量生产中最主要的焊接设 备。包括视觉对中系统、擦板系统、二维、三维测量系统等。 北华航天工业学院毕业论
15、文 4 2.3 波峰焊工作原理 用于表面贴装元器件的波峰焊设备一般都是双波峰或电磁泵波峰焊机,下面以双波 峰焊机为例来说明波峰焊原理。 当完成点(或印刷)胶、贴装、胶固化、插装通孔元器件的印制电路板从波峰焊机的 入口端随传送带向前运行,通过助焊剂发泡(或喷雾)槽时,使印制电路板的下表面和所 有的元器件端头和引脚表面均匀地涂敷一层薄薄的助焊剂;随传送带运行印制电路板进 入预热区(预热温度在 90130)。使助焊剂中的溶剂被挥发掉,这样可以减少焊接时 产生气体;助焊剂中松香和活性剂开始分解和活性化,可以去除印制电路板焊盘、元器 件端头和引脚表面的氧化膜以及其他污染物,同时起到保护金属表面防止发生再
16、氧化的 作用;印制电路板和元器件充分预热,避免焊接时急剧升温产生热应力损坏印制电路板 和元器件。 印制电路板继续向前运行,印制电路板的底面首先通过第一个熔融的焊料波,第一 个焊料波是乱波(即振动波或紊流波,也称 波),使焊料打到印制电路板的底面所有的 焊盘、元器件焊端和引脚上,熔融的焊料在经过助焊剂净化的金属表面上进行浸润和扩 散。然后印制电路板的底面通过第二个熔融的焊料波,第二个焊料波是平滑波(也称 波),平滑波将引脚及焊端之间的连桥分开,并将去除拉尖等焊接缺陷。当印制电路板继 续向前运行离开第二个焊料波后,自然降温冷却形成焊点,即完成焊接。 北华航天工业学院毕业论文 5 2.4 生产工艺过
17、程 图 2-2 工艺流程 如图 2-2 线路板通过传送带进入波峰焊机以后,会经过某个形式的助焊剂涂敷装置, 在这里助焊剂通过发泡或喷射的方法涂敷到线路板上。由于大多数助焊剂在焊接时必须 要达到并保持一个活化温度来保证焊点的完全浸润,因此线路板在进入波峰槽前要先经 过一个预热区。助焊剂涂敷之后的预热可以逐渐提升 PCB 的温度并使助焊剂活化,这个 过程还能减小组装件进入波峰时产生的热冲击。它还可以用来蒸发掉所有可能吸收的潮 气或稀释助焊剂的载体溶剂,如果这些东西不被去除的话,它们会在过波峰时沸腾并造 成焊锡溅射,或者产生蒸汽留在焊锡里面形成中空的焊点或砂眼。波峰焊机预热段的长 度由产量和传送带速
18、度来决定,产量越高,为使板子达到所需的浸润温度就需要更长的 预热区。另外,由于双面板和多层板的热容量较大,因此它们比单面板需要更高的预热 温度。 锡炉焊接 北华航天工业学院毕业论文 6 图 2-3 波峰焊机内部结构 PCB 在锡波中分为三个重在区段: 进入区:管脚吃锡产生的地方。焊锡在进入区时,焊锡的流动特性受到器件管脚的 阻挡,当焊锡性不良好的本体或管脚浸入熔锡中,熔锡就会变成弧形,改变方向,形成 相对应的阴影区域。使部分管脚接触不到焊锡。 脱离区:电路板离开锡波的时刻,焊锡与电路板脱离。在传热区焊接,电路板因焊锡 完全短路,因此必須在脱锡区将多余的锡拉回锡槽內。 中间区:介于进入区与脱离区
19、之间,功能上又称传热区。此时电路板与焊锡直接接 触,形成 100%短路.吃锡作用起自于进入区而完成于脱离区,一個介于焊接区零件端接触 点的有效金属接合赖以完成虽然零件与融锡接触仅 0.1 秒之内即可达到焊锡温度,但是为 了求得更确切的吃锡性,则需要更长的时间。 2.5 波峰焊工艺对元器件和印制电路板的基本要求 1)应选择三层端头结构的表面贴装元器件,元器件体和焊端能经受两次以上 260 波峰焊的温度冲击,焊接后元器件体不损坏或变形,片式元件端头无脱帽现象; 2)如采用短插一次焊工艺,焊接面元件引脚露出印制电路板表面 0.83mm; 3)基板应能经受 260和 50s 的耐热性,铜箔抗剥强度好,
20、阻焊膜在高温下仍有足 够的粘附力,焊接后阻焊膜不起皱; 4)印制电路板翘曲度小于 0.81.0; 5)对于贴装元器件采用波峰焊工艺的印制电路板必须按照贴装元器件的特点进行设 计,元器件布局和排布方向应遵循较小的元件在前和尽量避免互相遮挡的原则。 2.6 焊料和助焊剂 目前一般采用 Sn63Pb37 棒状共晶焊料,熔点 183。 助焊剂中的松香树脂和活性剂在一定温度下产生活性化反应,能去除焊接金属表面 氧化膜,同时松香树脂又能保护金属表面在高温下不再氧化;助焊剂能降低熔融焊料的 表面张力,有利于焊料的润湿和扩散。 北华航天工业学院毕业论文 7 2.7 波峰焊工艺曲线解析 图 2-4 波峰焊工艺曲
21、线 1) 润湿时间 指焊点与焊料相接触后润湿开始的时间。 2)停留时间(浸锡时间) PCB 上某一个焊点从接触波峰面到离开波峰面的时间停留/焊接时间的计算方式是 停留/焊接时间=波峰宽/速度。 3)预热温度:预热温度是指 PCB 与波峰面接触前达到的温度。 4) 焊接温度 焊接温度是非常重要的焊接参数通常高于焊料熔点(183C )50C60C 大 多数情况是指焊锡炉的温度实际运行时所焊接的 PCB 焊点温度要低于炉温这是因为 PCB 吸热的结果。 为 DIP 焊点或焊接面温度曲线,体现焊接面器件的受热与焊接过程。 为 TOP 面/元件面的温度曲线,体现器件本体以及 TOP 面 SMT 器件的受
22、热过程。 针对于此,其最高温度焊锡熔点-10。 北华航天工业学院毕业论文 8 第 3 章 再流焊 3.1 再流焊的概念 再流焊又称回流焊,通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏状软钎焊料,实现 表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。 北华航天工业学院毕业论文 9 3.2 再流焊炉的主要技术指标及基本结构 图 3-1 再流焊炉 1.技术指标 1) 温度控制精度:应达到0.10.2; 2) 传输带横向温差:要求5以下; 3) 温度曲线测试功能:如果设备无此配置,应外购温度曲线采集器; 4) 最高加热温度:一般为 300350,如果考虑无铅焊料或金属基板,应选择 350以上
23、; 5) 加热区数量和长度:加热区数量越多、加热区长度长,越容易调整和控制温度曲 线。一般中小批量生产选择 45 个温区,加热区长度 1.8m 左右即能满足要求; 6) 传送带宽度:应根据最大 PCB 尺寸确定。 2.基本结构 再流焊炉主要由炉体、上下加热源、PCB 传输装置、空气循环装置、冷却装置、排 风装置、温度控制装置,以及计算机控制系统组成。 再流焊炉是焊接表面组装元器件的设备。再流焊机主要由以下几大部分组成:加热 系统、热风对流系统、传动系统、顶盖升起系统、冷却系统、氮气装备、助焊剂回收系 统、控制系统等。 再流焊机的结构主体是一个热源受控的隧道式炉膛,沿传送系统的运动方向,设有 若
24、干独立控温的温区,通常设定为不同的温度,全热风对流再流焊炉一般采用上、下两 层的双加热装置。电路板随传动机构直线匀速进入炉膛,顺序通过各个温区,完成焊点 的焊接。整个再流焊过程一般需经过预热、保温干燥、再流、冷却温度不同的四个阶段。 电路板由入口进入再流焊炉膛,到出口传出完成焊接,整个再流焊过程一般需经过 北华航天工业学院毕业论文 10 预热、保温干燥、回流、冷却温度不同的四个阶段。要合理设置各温区的温度,使炉膛 内的焊接对象在传输过程中所经历的温度按合理的曲线规律变化,这是保证再流焊质量 的关键。 3.3 再流焊原理 图 3-2 温度曲线 如图 3-2 分析再流焊的原理:当 PCB 进入升温
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