波峰焊接基础技术理三论之四.doc

波峰焊接基础技术理论之四金属化孔填充不良现象的发生及其预防 1 波峰焊接中钎料对金属化孔填充性的基本要求 美国军标MIL-S-45743E规定： 金属化导通孔和带元器件引线的金属化孔等，在PCB元件面，允许钎料凹陷，总的凹陷量不得超过孔深的25%，包括PCB两面焊盘厚度在内，孔的周围浸润性能良好。如图1所示。 IPC-A-610C 2、3级要求 SMT导通孔 优选(1、2、3级要求)：孔内完全充满钎料、顶面连接焊盘润湿好良好，如图2(a)所示。 可接收(1、2、3级要求)：钎料润湿孔壁，如图2(b)所示。 金属化孔引线焊接质量要求的最低可接收条件 IPC-A-610C对金属化孔引线焊接质量的最低可接收条件如图3所示，其具体数据要求见表1。 表1 金属化孔引线焊接的最低可提收条件 建议要求 针对公司情况对焊点透孔性的最低要求建议作如下规定，如图4所示。 导通孔： 基本要求如下：图4(a) 钎料的填充高度(h)应达到孔总深度(H)的75%； 焊接面焊盘应全部润湿； 孔壁应全部润湿； 元件面焊盘润湿面积可以为零。 有引线的金属化孔 基本要求如下：图4(b) 焊接面焊盘和元件引线应充分润湿，焊角呈弯月面； 钎料的填充高度(h)应达到孔总深度(H)的75%； 孔壁和焊接面焊盘应全部润湿； 元件面焊盘润湿面积可以为零； 孔壁和引线之间的填充钎料表面应呈凹面。2 填充性不良所表现的主要形式2.1 常见的安装孔填充不良现象2.1.1 可焊性不良导致的透孔不良 现象A 焊盘润湿良好、引线可焊性不良所导致的透孔不良现象的特征是：钎料对焊盘及孔壁润湿角很小，而对引线的润湿角很大，孔隙内钎料液面成倒“八”字形，如图5(a)所示。 现象B 引线润湿良好、焊盘及孔壁可焊性不良所导致的透孔不良现象的特征是：钎料对引线润湿角很小，而对焊盘及孔壁的润湿角很大，孔隙内钎料液面成正“八”字形，如图5(b)所示。 现象C 引线、焊盘及孔壁可焊性均不良所导致的透孔不良现象的特征是：钎料对引线、焊盘及孔壁的润湿角均很大，焊角及孔隙内钎料液面均成凸面形，如图5(C)所示。以 2.1.2 工艺参数选择不当导致的透孔不良现象 现象D 由于波峰焊接过程中热量供给不足 ( 夹送速度过快、钎料槽温度偏低 )或助焊剂在喷雾中未透入到孔中所 造成的透孔不良，其特征是：孔隙中液面呈凸月形，如图6所示。 现象E 波峰焊接中热量供给合适，但由于PCB浸入钎料波峰大浅造成透孔不良，如图7所示。3 透孔不良物理过程的数学描述拉普拉斯方程3.1 影响透孔不良的因素 在“虚焊现象的发生及其预防”中我们己经讨论了毛细现象的的发生机理，而在波峰焊接中金属化孔的透孔性的好坏与毛细作用有很大的关系。液态钎料在孔中的穿透高度究竟受哪些因素支配呢？ 图8示出了在波峰焊接中金属化孔内液态钎料所受毛细作用过程。 由于液态钎料表面张力产生的表面能，而导致孔缝隙内的液面呈弯月状曲面，该曲面存在着压力差，其值可以用拉普拉斯方程描述如下： P = () ( 1 ) ' ( 0 180 0 ) 式中： R2 孔内径( 半径 )； R3 弯月面曲率半径； P 界面压力； 界面能。 从物理形态上看PCB金属化孔内壁和引线表面之间的缝隙是一圆筒形结构，由于缝隙的厚度与孔圆周长度相比，是非常小的。所以液态钎料在孔和引线之间的缝隙中的润湿过程，可以和一单纯无限长的平板的润湿过程相等效。即： R2，0 由图8可得： Sin ( 900 ) 上式中： R1 引线半径； R2 金属化安装孔内径； R3 弯曲面曲率半径。 Cos R3 ( 2 ) 将式( 2 )代入式( 1 )得： P (0) P ( 3 ) 而对应液柱高度（h）所产生的压力是与式( 3 )所表述的界面压力是等效的，即： Pgh ( 4 )式中： g 重力加速度； h 液柱高度； 液体密度。 由式( 3 )、( 4 )可以求得高度h为：h( 5 )由式(5)可得出钎料在孔隙中的透入深度(h)与下列因素有关： 与界面能()成正比 由于液体有缩小表面积的自发趋势，因此要想增大液体表面积，即要把一部分液体原子从液体内部转移到表面来，需要作一定的功以克服内部原子对它的吸引，这部分功转变成了新转移到表面来的这部分原子的能量。我们把增大液体单位表面积所作的功以表示，称作液体表面自由能，其单位是尔格 / cm2 。我们又常把表面自由能具体看作是沿液体表面的切面方向作用于液体表面单位长度上的要缩小表面的力。增大液体表面积所作的功，也可以看作是为克服液体表面单位长度上缩小的力，因此又称作表面张力，其单位是达因 / cm。所以，表面张力小意味着原子由内部走向表面所克服的阻力小；表面张力大即原子由内部走向表面所克服的阻力大。 但是，液体与固体接触时，它并不只是单纯地受着与固体界面上的表面张力的作用。实际上它是处在三相的共同作下，例如：在软钎接过程中，液态助焊剂复盖着液态钎料和基体金属铜，形成了液体助焊剂、液态钎料和固体的基体金属三相共同作用。在三相界面上（图8中的A点）的液态钎料原子同时受到三个表面张力的作用，即： 液态钎料在固体的基体金属上的表面张力LS； 液态钎料和液态助焊剂界面上的表面张力LF； 固态基体金属和液态助焊剂界面上的表面张力SF 。 上述各力的各自作用的方向如图8所示，它们的合力决定了液态钎料在孔隙内的润湿情况。当SFLS 时，孔隙里的液态钎料在(SFLS )合力( )的作用下不断地沿孔隙内壁爬升和润湿，直到平衡时为止，如式( 6 ) ( Young公式)所描述的。 LS LF Cos( 6 )而液体的表面张力与温度T有如下关系： 2 / 3 K ( T0 T ) ( 7 )式中： 液体的密度 ； K 常数、等于2.12 ； T0 表面张力为零时的临界温度 ； 常数、约为( 69 ) 。 由式( 7 )可以看出，随着温度的升高，液体的表面张力不断减小。图9是锡铅钎料表面张力与温度的关系曲线。温度升高，钎料的表面张力降低，这有助于提高钎料的润湿性。为了改善钎料的透孔性，选择合适的钎接温度是非常重要的。 与润湿系数( Cos)成正比 由Young公式可得润湿系数(Cos)为 Cos ( 8 )显然润湿系数Cos所描叙的正是三相界面上各表面张力作用的综合。因此，液态钎料在孔隙内透孔性的好坏不是液态钎料单方面的行为，而应当是液态钎料、基体金属和助焊剂三元系统的综合行动。液态Sn和Sn63 / Pb37在铜上润湿时的润湿角如表1所示。 表1 液态Sn和Sn63 / Pb37在铜上润湿时的润湿角 因此，波峰焊接时只有在液态钎料能充分润湿基体金属的条件下，钎料才能填满孔隙。 与钎料的密度()成反比 钎料的密度( )愈大，则钎料 在孔隙内爬升时所受的阻力愈大。因此，爬升高度将受到限制。 与缝隙( R2 R1 )的大小成反比。 随着间隙的减小，液态钎料在孔隙内的上升高度增大。图10示出了两块铜板之间液态钎料上升高度与间隙大小的关系。 从钎料上升高度( h )看，是以小间隙为佳。因此，波峰焊接时为使钎料能填满孔隙，必须在接头和安装设计时保证有较小的间隙。 与助焊剂的有无及活性的强弱有关 助焊剂的有无直接影响着界面能，而界面能SF的大小还受助焊剂活性的强弱所左右。因此，助焊剂活性愈强，界面能SF也就愈大，润湿性大为改善，故对孔隙的填充能力也就变得很强。 与在波峰中的浸入深度有关 PCB浸入钎料波峰一定的深度而使孔隙内获得一定的向上压力，这对钎料对孔隙的填充过程有利。 钎料波峰面上滞留的氧化物有关 由于波峰面上滞留的氧化物有阻确液态钎料对基体金属润湿的作用，因此，也就防碍了液态钎料对孔隙的填充性，从而构成了钎料对孔隙填充不良的因素。3.2 波峰焊接中液态钎料在孔隙中的流动速度 液态钎料在毛细作用下填充孔隙时的上升速度，由式( 5 )可以求得为： V( 9 )式中： 液态钎料的粘度。 从式( 9 )可以看出： 润湿角()越小，即Cos越大，流动速度愈大。所以，从迅速填满孔隙来看，也以润湿性好为佳。 液态钎料的粘度越大，流动速度越慢，而当钎料合金成分确定的条件下，其粘度是随温度而变化的，如式（10）所示： 0 eE / KT ( 10 )式中： 粘度； 0 室温下的粘度； T 绝对温度（K）； E 活化能量； k 波耳兹曼常数。 液态钎料粘度的变化还与钎料的纯度有关， 当钎料的杂质成分超标时，将致使液态钎料的成份、密度、粘度和熔点等发生变化，从而使毛细填充过程复杂化。甚至出现这样的情况：即在基体金属表面铺展很好的液态钎料竟不能流入孔隙中，这往往就是由于在毛细间隙外时钎料就巳经和基体金属发生了作用，钎料被基体金属( Cu )所饱和而失去流动能力。温度过高时就易导致此现象的发生。 流速( V )与上升高度( h )成反比，即液态钎料在孔隙内刚上升时流动快，以后随高度( h )的增大而逐渐变慢。 流速( V )与界面能( )成正比。液态钎料表面张力( )的大小是随温度的增加而变化的，如式( 7 )所示。 因此，为了使钎料能填满全部孔隙，保证足够的钎料加热时间必要的。4 波峰焊接中孔填充不良现象的预防4.1 透孔不良现象 A、B、C 的预防措施 改善PCB和元器件的可焊性； 必须确保孔隙内有足够的助焊剂； B线上焊接代号为SU2000C组件时，边角上有四个二极管(DP1DP4)出现透孔不良的原因，就是由于此问题造成。切腿后在元件面人工补涂助焊剂后，第二次过波峰时问题消除。 调整助焊剂的活性。 4.2 透孔不良现象 D 的预防措施 提高焊接温度； 增加焊接时间，降低夹送速度。 例如在ERSA公司的设备上焊接ZXA10-AS1-TR1-000101时，由于被焊零件热容量很大，在生产中采用1.2m / min的夹送速度时，因热量供给不足，普遍发现焊盘金属孔全部未填充，如图11所示。 按照目前国内外相关工业标准标定，应均属不合格焊点。造成的原因是：焊点热容量很大，波峰焊接时热量供给不足，液态钎料达不到润湿温度所致。 检查实时运行的工艺参数是： 钎料温度： 250 预热温度： 计算机上标定 450 夹送速度： 120cm / min 显然针对此PCB的具体状况，运用的工艺参数明显不合理，说明相关人员如何根据生产中的具体问题，灵活地调控工艺参数的经验尚存在不足。 由于此PCB上安装的元件品种单一，因此 解决问题的办法很简单，只需将传送速度降低到 100cm / min， 使焊点获得所需要的热量即可。 按上述方案调整夹送速度后再运行的情况是：钎料透孔性很好，金属化孔的填充性和焊点双面敷形均较理想。4.3 透孔不良现象 E 的预防 浸入钎料定深度而产生的向上压力，在孔隙的填充过程中是个推力。浸入的深度应与PCB板的厚度及类型相适应。单面PCB和柔性PCB应浸入板厚的三分之一，而孔金属化的PCB则必须浸入板厚的三分之二，大于六层的多层PCB板应浸入板厚的四分之三。