技术分享丨波峰焊接生产过程中的常见缺陷及最佳应对方法

Brain Morrison

Vexos公司工程副总裁，直接负责工艺流程、测试和研发等业务，重点关注新客户和新产品导入

多年来，随着环境的变化和公司面临的需求与挑战的变化，最佳应对方法也在不断发展，对于某个公司的最佳方法却不一定适用于另一个公司。与表面贴装相比，常被人们忽视的生产工艺是波峰焊接，如果对波峰焊接工艺管控不当，需要进行大量的修补和返工。

以下建议以经验和最佳应对方法为基础，但无意要求将其作为快速稳定的准则，可作为操作指南——至于哪一种方法对你的公司是最有效的，要视具体情况而定。

本文将主要介绍常见的波峰缺陷和最佳应对方法，从而预测并解决这些问题，并积极预防这些问题反复出现。本文从元件选择/考虑因素、设计、治具和工艺流程等要素方面详细讨论了解决缺陷的最佳应对方法。

到目前为止最常见的波峰焊缺陷是桥接，即导体之间出现了不必要的焊料。导致这一缺陷的因素包括元器件、设计、治具和工艺流程。

图 1：表面贴装元件底部的高度需要托盘更厚，并进一步影响焊料流入和流出的能力

引线长度：在焊接过程中，设计中元件引线长度和PCB厚度规范规定了引线在焊料中突出部分的长度。确保引线长度既不要过短（也就是焊料无法接触到引脚以发挥一定作用）也不要过长（即为相邻引脚提供网状通路），从而可能造成组件桥接。

指定元件引线长度的最佳方法是确保引线足够长，长到可以为芯吸效应提供必要的热传递以形成足够的孔填充，同时又不会超过IPC-A-610所规定的最大突出值。一个很好的经验法则是引线长度不能超过2个相邻孔环之间的距离。做到这一点，网状连接的可能性就会大幅降低，因为表面张力会让焊料流到最近的铜区域。如果引线过长，建议通过元器件制备和引线修剪来获得理想长度。

其他与元器件自身有关的考虑因素有PCB污染、元器件污染、氧化或阻焊层问题。

元器件朝向：特别是与具有至少两行或两行以上的较多引脚数的连接器有关，如果连接器的朝向与波峰平行，则会导致大量的桥接现象出现。

最佳应对方法就是要确保具有较多引脚数连接器的朝向与波峰垂直，从而最大程度地减少连接器尾端暴露的引脚数量，因为这个位置最有可能出现桥接。这种方法对于细间距尤为重要。如果无法调整连接器的朝向，那么还可以采用在电路板内或选择性波峰焊托盘上设计拖锡焊盘（在器件尾部边缘放置非功能性焊盘或铜特征，可将焊料有效地拖离最后一个引线以防止桥接出现）的方法来最大程度地减少桥接的出现。

选择性焊料托盘设计的最佳方法包括在选择性波峰焊托盘中恰当放置PCB。建议将电路板的角度放置在15°~30°之间，通过保证尾部只有几个引脚来减少桥接现象出现。当具有较多引脚的连接器与波方向平行时，这种方法尤其有效。

波峰焊托盘底部有足够大的波峰开口和焊料流动通道可以让足够多的焊料流动和实现助焊剂涂覆，防止焊料聚集形成桥接。一般情况下，像孔环外部边缘到表面贴装焊盘的最小间隙这样的限制因素决定了开口的尺寸。为了设计适当，这个间隙建议为0.100”。

底部表面贴装元件的高度会导致对托盘的厚度要求更高，从而会进一步影响焊料流入和流出容器的能力。纵横比与焊料开口长度/宽度和焊料到达PCB底部所需的垂直行程有关。对于有铅焊料而言，最小比例是1∶1，对于无铅焊料而言是1∶3。也就是说，如果长度/宽度是0.150”，那么有铅焊料的最大垂直尺寸是0.150”。如果不按照这个纵横比设计，就可能会妨碍焊料流动、增加波峰焊缺陷出现的机率。

此外，将电路板以15°的角度放置在波峰焊托盘上有助于控制一些引脚之间的桥接。一般而言，综合使用上述方法能够得出最佳方案。

为应用选择正确的助焊剂和适当的温度曲线对焊料桥接的形成会产生重要影响，而针对热量和所需的加热曲线选择合适的助焊剂对总良率也会产生重要影响。

一般情况下，固体成分含量较高的助焊剂在高温环境下更加稳定，而水基助焊剂在高温环境下的表现则稍逊一筹，更适合应用于焊接温度较低的电路板。确保电路板的预热温度和停留时间与你选择的助焊剂相适配，这是决定产品成败的关键点。在波峰焊之前由于预热温度过高耗尽助焊剂可能会导致桥接。

图 2：电镀通孔与大面积铜平面的直接连接会在波峰焊期间充当散热器。最佳做法是在这些区域释放热量，以便在焊接过程中保持适当的流动性

另一种常见的缺陷是波峰焊后元器件浮起，这种缺陷主要出现在较小的元器件（例如轴向或径向元件）中——但是在连接器和其他元器件上也很常见——也就是在接触波峰的过程中元器件会浮起并被焊接固定。最常见的应对方法就是元件引线预成型和/或采用托盘固定元器件。

大多数浮起问题可以通过适当制备元器件（例如轴向和径向元器件）来避免。通过引线成型或引线铆接等机械方式将元器件固定在原来的位置上，这类方法是目前最常用的方法。和桥接一样，引线过长导致元器件位置浮起也是一种常见的现象，因为引线会像杠杆一样将元器件推离原来的位置。

像连接器这样的元器件无法轻易固定在原来位置，所以需要通过其他方法来固定元器件，所以可以考虑使用胶水或夹钳作为选择性波峰焊的组成部分。

考虑夹臂时，一定要将这些装置额外引入的热量考虑在温度曲线内，可能会需要使用不同的助焊剂来实现更好的性能。

波峰的高度和使用的λ波与层流也会导致元件浮起增加。相对于托盘，确保波峰高度不超过PCB超出托盘厚度的50%，并且最大程度地减少使用紊流。

另一种最常见的波峰焊缺陷是焊料不足，可以归纳为孔填充不完全或孔四周润湿不完全。

这种情况与退润湿或不润湿有关，通常与焊料、电路板或元器件污染更有关。为了便于阐述，我们假设元件在加工之前是完好无损的。避免出现这类缺陷的最佳方法包括建立良好的来料检验流程，再采用符合IPC-TM-650规范的浸焊测试，检查是否有可疑的受污染元器件或氧化的元器件。

常见的设计考虑因素是将电镀通孔和较大的铜平面直接连接在一起，铜平面在波峰焊接的过程中成为了散热片。解决这一问题的最佳办法是在这些区域提供散热限制以实现焊接过程中焊料的适当流动。热辐条可以将这些区域隔离，大大增加了形成良好焊点的机率。

其他需要考虑的因素还包括元件引线直径与电镀通孔直径的比率是否不匹配。电镀通孔与引线直径相比过大或是过小都会导致焊料不充足。电镀通孔直径与元器件引线直径比推荐为0.6，这样通常能获得比较理想的焊接效果。

一般而言，热转移或助焊剂不充分都会对焊料填充产生明显影响。最常见的根本原因是由于温度曲线过热造成缺少助焊剂渗入或没有助焊剂。

像Fluxometer这样的产品（使用酸性纸和经过特殊设计且带有常规间距电镀通孔的PCB）可以保证助焊剂的用量适当且助焊剂渗入（即压力）程度可达到最理想效果。

包括均匀性测试（lev-checks）或Wave RIDER在内的常规检查或月度检查可以显示出波峰均匀性、温度曲线和波峰焊接炉的整体表现，建议进行这类常规检查，以确保与设备相关的工艺偏差不会导致缺陷产生。

当焊点中有小孔可以穿透焊料连接表层的时候，会出现焊料空洞或排气孔（气孔和针孔）。通常是因为焊接过程中从焊点排出气体时截留了水分。

图 3：Fluxometer 可用于确保适当的助焊剂量和渗透率，以实现最佳使用效果

和元器件一样，PCB也容易受潮，但是通常不会以处理湿敏元器件的方式处理PCB。一般来说，所有的PCB都应该是MSL 3级，应该像对待其它湿敏元器件一样对PCB进行管控。

最佳方法是确保PCB密封妥当且只能在使用前开封。检查PCB暴露在空气中的时间时，应当将表面贴装回流焊和波峰焊这样的热循环操作之间的延长时间计算在内。如果在上一个热循环操作完成后的72小时之内没有焊接电路板，应该根据J-STD-033的规定烘干电路板以去除湿气，或将电路板放入相对湿度<>

焊料球和焊料飞溅缺陷通常出现在波峰焊接之后，指的是小焊料球粘附在层压板、阻焊膜或导体上。焊料球通常分为三种：随机、非随机和焊料飞溅（splash back），都与工艺流程有关。

随机焊料球最容易解决，通常是在波峰焊之前使用了过多助焊剂或波峰高度不均匀的情况下会出现。如果你在电路板进行波峰焊接的过程中听到了“滋滋”的声音，则表明预热温度过低、助焊剂用量过多或者是波峰温度设定过高。

非随机焊料球在同一位置出现，也可能出现在元器件尾端引脚位置，出现这种情况的最常见原因是助焊剂用量不足或预热温度过高。

焊料飞溅（Splash back）最常见原因是波峰过高或波峰中出现过多紊流。如果设计得当，95%的应用都可以只用层流进行焊接，建议使用这种方法来避免焊料球的出现。

最佳应对方法是使用Fluxometer和WaveRIDER 这样的工具来检查平行度和助焊剂的适度优化，从而最大程度地避免焊料球出现。

波峰焊托盘中截留了水分的区域也可能导致焊料球出现。检查托盘中用于焊料流动的设计，确保有足够的流动通道或排气孔让气体在焊接过程中可以顺利排出，这样能够最大程度地避免焊料球和飞溅现象出现。

焊尖、焊旗（喇叭形）以及过多的焊料是指PCB在焊接过程中累积了过多的焊料，或焊点形成了不理想的焊料突出部分。导致这一问题出现的最普遍原因是工艺。

到目前为止，最常见的原因是波峰焊接槽的温度过低或是在焊接槽中停留的时间不足。建议最佳应对方法是停留3~5秒形成良好的焊点。像炉温测试仪这样的工具就可以有效监测焊料槽的温度变化。强烈建议定期对焊料槽的温度进行测量以确保温度适当。机器上显示的波峰焊接槽温度读数并不一定是实际的温度，所以一定要监控。

最佳应对方法包括正规的设计审查到围绕关键波峰参数（例如焊料槽温度、预热温度、停留时间、平行程度和助焊剂优化）工艺控制实施，只有采用了最佳应对方法才能确保防止缺陷出现。

像可制造性设计（DFM）或可组装性设计（DFA）这样的设计策略在应用设计准则的时候可以节省大量时间，从而确保能够在设计初期就确定PCB设计考虑因素、热要求、制造兼容性和相关因素，这期间若做出调整改变只需要较少的成本。

尽早与战略制造合作方保持一致是非常重要的，这样才能针对设计的方方面面给出相关反馈，因为早期制定的设计决策会影响到产品在整个寿命周期内的长期可行性和成本。