细间距连接器选择性波峰焊接工艺研究

焊接技术2022-09-28 23:25阅读 23

摘要：

通过对选择性波峰焊接工艺技术的研究，使PCB组件中通孔器件焊点质量达到国军标的要求，采用试验元器件、PCB、焊锡、助焊剂以及焊接辅材组装焊接样件，经过11大量试验对预热时间、预热温度、点焊时间、点焊温度、拖焊速度和拖焊温度等进行研究，焊后按标准进行检查，最终确定了合适的选择性波峰焊接工艺参数及助焊剂。

关键词: 选择性波峰焊接工艺、细间距连接器、助焊剂

随着电子产品不断向着小型化、集成化发展，PCB组件元器件的组装密度越来越大，PCB组件已有通孔和贴片混装的高密度组装方式，且大量选用了新型的微矩形细间距连接器，通孔器件的焊点、引脚间距越来越小，该类连接器特点为多排插针、大量连接器的引脚间距仅1.27mm。传统手工焊及波峰焊工艺常产生连焊，已不能满足微距形细间距连接器的焊接要求。传统波峰焊是所有的器件均采用同一个焊接程序，无法针对器件进行优化，PCB板上所有表贴元件会受到2次不同的热冲击。手工焊接工作量大，工作效率低，焊接质量受人为因素影响极大，且较厚的多层PCB透锡不能达到要求［1-2］。

选择性波峰焊接技术是针对不同的焊点，可以按照指定的路径、方法及特定的工艺参数对电路板上的每一个元器件引脚进行焊接的方式，使每个焊点的焊接效果达到最佳，焊接时不会加热熔化邻近元器件和PCB区域的焊点，可避免表贴器件出现二次熔化，不需要对贴片器件进行点胶。

通过对选择性波峰焊接工艺的研究，可以提高PCB组件的细间距连接器等通孔器件的焊接质量，解决微矩形细间距连接器的连焊、线路板焊接过程中变形、表贴器件二次熔化等难题。

1、试验样件的制作

1.1 器件清单

元器件封装形式主要为细间距连接器封装（引脚间距1.27mm)、双列直插(DIP)类封装、通孔阻容、四方扁平封装(QFP)、球状矩阵排列(BGA）类和片式电阻电容器件封装等。

1.2 试验PCB的选择

PCB材料选常用的FR-4，多层板及双层板，镀涂为热风整平，印制板厚度为2mm。

1.3 助焊剂的选择

助焊剂指标见表1。

表1试验助焊剂指标

1.4 试验辅材

试验辅材有焊膏ALPHAOL107E、焊条ZHLSn63PbA、助焊剂CSF89、IF-2040。

1.5 试验设备

1) 选择性波峰焊接机

2) X-ray检测仪

1.6 样件制作

根据目前PCB组件的主要布局以及焊接方式，设计了以下几种选择性波峰焊接试验样件，见表2。

表2 样件清单

2、选择性波峰焊接工艺参数

2.1 预热时间

根据选择性波峰焊设备以及助焊剂厂家提供的资料，将工艺参数设置为推荐参数的中间值，拖焊温度设定为270℃，拖焊速度设定为4mm/s，预热温度设定为160℃，点焊时间设定为1s，预热时间分别为20s、30s、40s、50s、60s，分析CSF898和IF-2040两种助焊剂在不同预热时间对各样件焊接质量的影响，样件1~4连接器采用拖焊工艺，样件5通孔阻容器件采用点焊工艺，连接器采用拖焊工艺，从而确定焊接样件1~5的最佳预热时间。

试验中，由于连接器的引脚距离自带螺钉较近，最近的仅2mm，拖焊时为了喷嘴避让自带螺钉，出现了拖焊尾端有引脚未焊上，如图1所示，针对该问题，在程序设置拖焊到尾端距离螺钉3mm时以45°角拉出，有效地避让了自带螺钉，且解决了引脚漏焊的问题，如图2所示，所以在以下的自带螺钉连接器样件拖焊试验时，都按该方法进行。

图1 连接器尾端引脚漏焊

图2 避让螺钉拖焊程序及效果

由于细间距连接器J30JG2-160ZKN装配焊接后，器件本体遮挡住引脚安装孔，在以下试验中，该类连接器的透锡率检查都采用X-ray进行。

由于样件4（引脚焊盘大面积散热）、样件5(高密度板）选择性波峰焊接后，透锡率效果不好，试验时采取底部与顶部联合预热。

通过以上对两种助焊剂采用不同预热时间开展的选择性波峰焊接试验，得到不同预热时间的焊点外观及透锡率检查结果，可得出:

当预热时间在40s后，样件1～样件3焊点外观和透锡率都合格，样件4、样件5焊点外观合格，但透锡率不合格，在预热时间在50s后，样件4、样件5的外观和透锡率都合格，结果说明预热时间较短时，预热温度未达到助焊剂的活化温度要求，使得焊接效果较差，随着预热时间的增加，预热温度达到助焊剂活化温度要求后，焊接质量就会达到较好的效果，多层板不同预热时间的焊点外观及透锡情况如图3~图5所示。

图3 多层板预热20s的焊点外观及透锡情况

图4 多层板预热30s的焊点外观及透锡情况

图5 多层板预热40s的焊点外观及透锡情况

根据以上试验过程分析，预热时间为50~60min时，能取得好的焊接效果，达到国军标的要求。

2.2 预热温度

将工艺参数中预热时间设定为50s，拖焊温度设定为270℃，拖焊速度设定为4mm/s，预热温度设定为140℃、150℃、160℃、170℃、180℃，研究助焊剂CSF898、IF-2040在不同预热温度下对各样件选择性波峰焊接质量的影响。

通过以上对助焊剂CSF898、IF-2040采用不同预热温度开展的选择性波峰焊接试验，得到不同预热温度的焊点外观及透锡率检查结果，如图6~图8所示，可得出结论:

图6 预热150℃焊点外观及透锡情况

图7 预热160℃焊点外观及透锡情况

图8 预热170℃焊点外观及透锡情况

1) 当预热温度超过150℃后，样件1~3焊点外观及透锡率都合格，超过160℃后，样件1~5焊点外观及透锡率都合格，但超过170℃后，样件出现焊点外观及透锡率下降，结果说明焊接效果随预热温度的上升而变好，当达到一定的温度后，焊接效果会下降，说明预热温度过低，助焊剂达不到所需的活化温度，助焊剂活化性差，出现焊接缺陷，但随着预热温度升高，高的温度使助焊剂急剧挥发，活化能力也开始逐渐变差，也会出现焊接质量下降。

2) 对于多层板以及引脚接地为直连的细间距连接器选择性波峰焊接，需采取底部预热和顶部预热联合预热的方式。根据以上试验过程分析，预热温度为160～170℃时，能取得好的焊接效果，达到国军标的要求。

2.3 、拖焊温度

将工艺参数中预热时间设定为50s，预热温度设定为160℃，拖焊速度设定为4mm/s，拖焊温度设定为260℃、265℃、270℃、275℃、280℃，研究助焊剂CSF898、IF-2040在不同焊接温度下对各样件焊接质量的影响。

通过以上对助焊剂CSF898、IF-2040采用不同拖焊温度开展的选择性波峰焊接试验，得到不同拖焊温度的焊点外观及透锡率检查结果，如图9所示，可得出结论：

拖焊温度在达到265℃时，样件1～样件3的焊点外观和透锡率已合格，样件4、样件5的焊点外观合格，但透锡率不合格，当拖焊温度达到270℃时，样件4、样件5的焊点外观及透锡率合格，结果说明锡锅中的焊锡从喷嘴中喷出时，焊锡温度有一定的损失，拖焊温度较低时，会产生焊点透锡不良、连焊、拉尖等缺陷，多层板及引脚大面积接地器件的散热较快，焊接时需要提高焊接温度，透锡率才能符合要求。

拖焊温度为260℃ 拖焊温度为265℃ 拖焊温度为270℃

图9 多层板不同拖焊温度的透锡情况

根据以上试验过程分析，拖焊温度、点焊温度为270~280℃时，能取得好的焊接效果，达到国军标的要求。

2.4 拖焊速度

将工艺参数中预热时间设定为50s，预热温度设定为160℃，拖焊温度设定为270℃，拖焊速度设定为2mm/s、3mm/s、4mm/s、5mm/s、6mm/s，研究助焊剂CSF898、IF-2040在不同拖焊速度下对各样件焊接质量的影响，从而确定焊接样件1～样件5的最佳拖焊速度。

通过以上对CSF898、IF-2040助焊剂采用不同拖焊速度开展的选择性波峰焊接试验，得到不同拖焊速度的焊点外观及透锡率检查结果，如图10所示。

拖焊速度在3~～4mm/s时，各样件的焊点外观和透锡率已合格，当拖焊速度在5mm/s时，样件4、样件5的焊点外观合格，但透锡率已不合格，结果说明由于速度过慢，焊接时间加长，会造成引脚透锡过多现象，速度过快，焊接时间较短，则会发生连焊、透锡率达不到要求等缺陷。

根据以上试验过程分析，拖焊速度为3~4mm/s时，能取得好的焊接效果，达到国军标的要求。

2.5 点焊时间

样件5通孔阻容器件、DIP器件的选择性波峰焊接，采用点焊的工艺方法，将工艺参数中预热时间设定为50s，预热温度设定为160℃、点焊温度设定为270℃，点焊时间设定为0.5s、0.8s、1.0s、1.5s、2.0s，研究助焊剂CSF898、IF-2040在不同点焊时间下对样件5焊接质量的影响，从而确定焊接样件5的最佳点焊时间。