波峰焊机调整及BGA检修体

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• Source: 北京SMT专业委员会
• Date: 2016-11-08
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作者：北京柏瑞德科技有限公司:  蔡三強   李博  

本文苐一部分摘自 “ 波峰焊工艺时PCB所对应的DFM” 一文的部分章节。苐二部分介绍我们在生产实践中对BGA类器件检查，返修时所摸索出的相对有效的工作方式。并就工装的制造进行说明。
在SMT日新月异的今天，需求的推动使部品的小型化高速发展。 许多小型器件的焊接己远超出波峰焊接的工艺能力。鉴于常规波峰焊接的能力极限在可以预见的将来不会被打破及对“綠色”生产的追求，它将衰败是必然的。选择性波峰焊，通孔回流焊将在多种产品上取而代之。在作者接触波峰焊接的二十五年间，多次受到日系专家的培训及指导，并具有一定的量产实践。但比对回流工艺而言，波峰焊接工艺更耐人捉摸，大多数的“理论”(也许称为“假说”更贴切)并不足以解决生产一线的实际问题，可供实际使用的对策也时常非理性化。就设备或工艺参数调整而言，成功的经验往往不能“拷贝”，但“失败”的经验大都放之四海而皆准。但在此仍将把一些曾经受益过的资料放在此处与大家共享，并妄加解说。(其多数出自 90至93年间台湾作者及松下门真工厂老师们的大作)。 
一．波峰焊接的两个体会
因有众多文章己详尽介绍了各种相关技术，在此仅试图以“偏门”为主谈下体会。
1． 红胶工艺
    红胶工艺的施胶方式主要有三种:一括式转移,点胶,印胶。所谓一括式转移是用专用的工装以几百个针头同时沾红胶再转移到PCB相应处,而贴片也大多是用专用封装的料(叠状管式),用工装一下同时贴几百片chip.对量产的家电如 VHS，TV等低附加值产品.十几年前日本公司常用此方式。点胶机则是逐点在指定处施胶，由气压、温度、作用时间及针头直径和Stoper决定胶点的大小及形状,，此种方式灵活性强，但有时会成为线体上的“瓶颈”。印胶方式速度快，成本优势明显，通常是用0.2mm厚的金属板网板。当特别小的chip如1005(0402)被用于红胶工艺时，应优选印刷红胶的方式。为了应付自动机已插好THT类元件的PCB的施胶工艺，厚的高分子材料被当作网板。由于厚度足够，其上有凹槽可避开THT元件的引脚。通过在需施胶处开孔来保证下胶量。由于网板较厚，其脱膜方式不同于金属网板，网板设计方式也不同。
红胶工艺的侧重主要考虑胶特性与器件特性，一般胶特性除湿強度外要考虑在高速点胶时不拉尖, 不拉絲。较小的cycle time对EMS而言是第一重要的。对印胶而言，则是红胶在网板上寿命应尽可能长，且抗吸潮。器件特性主要考虑SOT，MELF及IC类塑封器件的脱膜剂或光滑表面常会使粘合强度打折扣，除了器件选型时与供应商交流外， 需在胶量及位置上做对应。就位置而言，与印焊膏的要诀十分相似，即正确的位置比正确的量要更关键。半露的红胶位于塑封体边缘且有向上浸润的表象时, 因易吸收热量而会表现出更好的固化后强度。固化曲线一般就高不就低, 150℃及120℃ 对PCB与器件而言,是个安全的温度，时间稍长如无碍节拍应可接受。我们倾向于选用低温固化类。为了绿色生产，日资大牌公司己开发出80℃固化的红胶。另一要点是要关注器件的stand-off，当此值大时则仅适用于回流工芝，由于不易藏污纳够，对清洗及长期可靠性都大有好处。图4-4-0是某司的标准。请注意某结构时Reflow Only的备注. 对于波峰焊接工艺，尤其是IC，同样的胶量，较小的stand-off会有较大的粘合面积及较高的強度。确认固化曲线时，测温样板首选实际产品，不能被滿足时只好用板厚及需固化器件与产品大致相当的代用品。热电偶选点应有一点在T面的电解电容壳体上或最不耐热的部品上,其余选一点在PCB的B面邻焊机固定边的最后方 的chip电容或SOT旁。如能判定大致温度分布，则取可能的温度最低处 。第三处置于最厚或体积最大IC的底部中央。 红胶固化结果的判别一般是测试扭矩或推力,其中扭距的测试更严格些。推力的测试有如下的注意点，一是推力方向要正确，不要有力的分量不作用于使chip脱离PCB的方向。二是作试验与日常量产中推力测试监控不同。量产监控chip推力会选一个较小值,如300g来监测固化结果。当你用较大的力如1000g时，虽然部品当时未脱落。但产品在波峰焊时元件脱落的潜在风险会大大上升。但在作试验时则要一推到底,读出脱落时的数值。三是取可能的温度最低处的chip电容或MELF等脱落潜在风险大的元件来监测固化结果，但判据应以chip电容为准。越是体积小的chip，固化后的周转中掉落的可能性越大，需有专门对策应对。
2．波峰焊机及工艺参数调整
      
2.1   目标：大多数的人都倾向于波峰焊接后PCBA缺陷数量的最小化是理所当然的质量目标，其实不然。我们以为如下的描述更为贴切：以后工程的品质保证为出发点，使焊接状态易于维持，向增加连焊，,减少漏焊的方向进行目标设定。
此目标的特点：                                                                              
a． 使焊接结果向人们所预期的方向发展.(如图4-4-1 液面高度与缺陷的关系.当液面随焊料的消耗而稍有下降时，自（0~0.18)=>(0.2~0.38)时，缺陷趋势仍在人们所预期的漏焊被抑制区间。日资公司称漏焊为红眼睛）
b． 缺陷的单一化及高检出率使后工程的检出成本及潜在的质量成本下降。
图4-4-1
明确提出以增加连焊为代价是一种理念的突破，像世人所遇到的大多数事物一样，完美的事情可遇而不可求。权衡利弊,以两害相衡取其轻的态度来判定事物，才可能操作并完成一件事。
从可靠性角度出发,对波峰焊接而言还有两个要点：
a．PCB经过焊料波时，要保证其是平整的(原则上一定要有防翘曲支撑对应)，以使所有的焊点在其后的操做及组装中不受应力的困扰。
b．助焊剂的用量要保证当焊点离开焊料波时，尚有一些剩余。确保焊点可靠。

2.2    工艺变量或设备参数与缺陷的变化趋势.
以下图表多于93年源自松下公司培训资料，以千住波峰焊机为样本。对波峰焊机现场调试有一定的帮助,其目标PCBA是单面纸基板，长330mm，宽246mm，厚1。6mm。元件密度约1.08元件/cm2，焊点密度2.73焊点/cm2 。有QFP4个，pitch=0.65mm的两个( 100 ／112 Pin),pitch =0.8mm的两个(64／56 Pin)。助焊剂耗量目标值0.62ml/100 cm2 。链速V=1400mm/min。 单班8H产量1200，不良目标值1000PPM（实际最小可达400PPM）。实物类似图4-4-2（JVC  VHS主板）。

图4-4-2
图4-4-3a , 图4-4-3b , 图4-4-3c ,是PCB上助焊剂保有量与缺陷的量化关系（未加标注时，虚线表示漏焊，实线表示连焊。）一般随PCB上助焊剂保有量的增加，连焊的发生率会逐渐减小。但漏焊的可能将变大。图4-4-3a是早期的数据，漏焊曲线出现谷底。推定是靠近原点区特定助焊剂的低比重使活性成分偏小，使润湿能力下降而造成漏焊增多。近期开发的助焊剂，漏焊曲线多是单边上升趋势。即当附着的助焊剂固态成分较多时，会阻碍焊料波与焊盘的接触而使漏焊多发。在高固含量助焊剂被使用时, 尤为常见于阻容chip的焊盘。有一组数据。取自JVC录相机主板量产时。用高精度齿轮泵喷涂助焊剂时，当流量分别为3.1,  3.3,  3.6 ml/min时。ICT open通过率分别为99.6%，97.6%，97.3%。而short通过率分别为95.7%， 95.3%， 96.5%。 
    同时可看到三图表中连焊的较小值一般都对应于漏焊的高发生率.
（图4-4-3a）    （图4-4-3b）                （图4-4-3c）

图4-4-4预热温度与缺陷的关系:漏焊与连焊在室温至160度的温度区间时,较高的温度,有相对一至的较好表现.但过高时,松香或树脂有趋于焦化的倾向.同时高温使电极过度的氧化,这两种因素都使缺陷呈上升趋势.另由于PCB  Tg的影响,较大的弯曲变形也助长了缺陷的上升.
（图4-4-4）
图4-4-5a. 是PCB压锡深度与缺陷的关系 :压锡浅意味对波的扰动小.高品质的波峰焊机,二次波喷口一定呈鏡面状.我所见过的最好呈镜面状的二次波是SOTEC二十年前的产品,最初服务于北京菲利浦.镜面波型使其与PCB的分离角保证有好的一至性,全局性的改善可被持续. 常见的案例就是当通孔元件的引脚探出PCB的高度被控制到0.75mm以下时,连焊会被大幅抑制.实际上减少扰动,镜面波,浅压锡三种表象反映了它们的异曲同功之效.焊机调整时,一次波在保证不漫锡的情况下应尽可能高.二次波的压锡深度一般保证将将有    后流即可.  更高的境界是仅在过板时,二次波上的薄氧化膜在助焊剂的作用下,被缓缓向后推.从这个意义上看,波峰二次波喷口距PCB的距离H越小,与锡锅液面的高度越高则对缺陷的抑制越有利的道理是同一概念.
（图4-4-5a）              
 图4-4-5b.是某司对PCB与喷口截面状态确认示意图,其重点是以氧(酸)化膜的状态确认焊料波的调整是否待改进.是一直观的有效判据.
同时,自PCB焊接面算,一次波与二次波的浸锡深度范围目标值有差异,不考虑金属化孔的透锡百分比时,一次波应取上限以减少漏焊,二次波应取下限以减少连焊.当考虑到板厚差异,表面涂复不同,焊点的预期有侧重时,二次波高度将决定焊接时间,
（图4-4-5b）
请参照图4-4-5c据产品实际及预期以设定焊接时间,请关注因板厚与表面涂复不同所产生的差异. 精确的时间监测可用带刻度耐高温玻璃,半透明的薄PCB及对LED被利用焊料波的导电性所点亮时间来确认.
（图4-4-5c）

图4-4-6 焊料温度与缺陷的关系:焊料的温度提高对减少焊接缺陷十分有利 ,无铅化后尤是.但相当多的材料首先是多种PCB对高于260度的高温并不适应.十几年前,松下门真工场对录相机用酚酫纸板的焊接温度是235度.同时大多数品牌公司的波峰焊接都采用下支撑(冰刀)或载板方式,否则高温导至的弯曲将产生更多的恶果与隐患.从此曲线看,250度对漏焊的抑制己足够好,再高也无益.所以有铅工艺时250度是大多数人的选择.并被证明是适当的.无铅化后,Tg低于160的PCB一定要慎重使用大于265的温度. 注意测温时温度计应置于二次波喷口中部深20mm处.
（图4-4-6）
图4-4-7 链速与不良率的关系:对于漏焊,较慢的速度导至较长的焊料与焊盘的接触时间,单边递增曲线容易理解. 对于连焊曲线的"峰","谷"成因,一直未有好的解释让人顿悟. 也希望"智者见智",能有人点拨一下,让更多的人分享好的理念..因连焊不良率在速度小于1.4m\min时呈单边上升趋势,因此在不与节拍相违时链速应稍低.
（图4-4-7）

图4-4-8 .喷流高度与不良率的关系 :两种缺陷曲线均为单边递增.高度越小波与液面的落差越小,泵的转速可望降低,镜面形成的条件更完备.与图4-4-1时液面尽可能高应是同样道理.同时这两者的控制与锡渣的产生宻切相关.是綠色生产在波峰焊机上量化的关键控制参数.短扦工艺时,喷流高度可控制在5mm.液面高度在关闭喷流泵后,规格值应距锅內沿落差在10mm以内,且越小越好.仅凭此措施,大连某司的无铅波峰焊机出渣即被有效控制.
（图4-4-8）

发泡工艺时助焊剂温度与缺陷的分布如图4-4-11,早期的比重控制仪上有温度补偿设置,用以调整温度对比重的影响.助焊剂中的发泡剂对低温极敏感,冬初尚未供喛时又不连班的早上潜在风险较大. 但对于目前多数喷雾形式的助焊剂涂复应无影响.
（图4-4-11）
图4-4-15是有铅焊料中铜含量与不良的示意图.当超过某值后会明显上升.所以日资工厂焊料(有铅)铜含量控制目标值一般为0.25%.检测超标后应尽快安排淘铜.否则将导至焊料融点上升,粘度增大使连焊增加.无铅化后,应使用低铜含量的焊料据检测结果计算后勾兑锡锅内的焊料, 使其达标,这是业界低成本运行的通常做法.但对铅则只能在将要超标前淘出,送供应商加工成焊絲后用于手工焊接.国外虽有淘铅的附加设备,并己安装在波峰焊机上,但距实战应尚需时日.
图4-4-15
图4-4-16是各种杂质的总含量对缺陷的影响示意,要点是避免在购买焊料时先考虑便宜货.而应以减少出渣量为首要目的.其次是慎用或不用各种神奇的添加物,就像药一样,治病可能立杆见影,但潜在之风险也不可不防.其常见的副作用是对喷口及滤网产生额外的附着物.   （图4-4-16）
图4-4-17显示的是助焊剂的转移率,可看出当喷射的气压较低时,留在PCB上的助焊剂会多些.这与锡膏工艺时网板开口面积比对转移率的影响类似.为了减少压力,就要如图4-4-18使喷口距PCB的距离趋小.可使助焊剂的损耗从50%降至20%以下.图4-4-19是氮气使用后可明显降低润湿时间,等同提高焊剂的性能并减少对助焊剂量的需求.相对提高焊后PCB的清洁度.
（图4-4-17）                               （图4-4-18）
（图4-4-19)
二  .BGA的相关实践
1. BGA桥连检查器(简易型)制做使用体会
1-1.目的：方便目视检查焊接后的BGA是否桥连.(尤适小Pitch及四周无可直视空间时.图2-1是PC主板一案例,该BGA在一般情况下不能目视检查).
图2-1
1-2材料：侧发光LED 2或3个(厚度0.5mm或1.4mm)，限流电位器510欧姆1个，导线2根 ，挡光板，手机充电器，废CD盘 .样品见图2-2.
图2-2
1-3.制造过程：
a.厚度1.4mm的LED需用锉刀打磨到1.0至1.2mm间（为了使LED光源中心使用时尽量贴近PCB板面）.厚度0.5mm左右的LED则可直接使用.
     b.将2或3个LED串联起来，并把两根细导线焊接在LED组的两端
     c.将灯组件粘在0.15mm的薄铜板上,用高温胶带作好绝缘，并用黑的材料做挡光板（使用过程中,防止LED晃眼）. 
     以上步骤是制作检验用光源部分，
     d.用电位器,面包板及100欧姆电阻制作一个10毫安的限流电路，用以控制光的强度，（光线太强时对人眼睛有伤害）.电源是手机充电器，将LED组的两根导线连接在制作后的电路上，注意极性.
     e.制作反光板；用废CD盘剪出一个1cm*3cm的矩形，将短边在厚方向上与镀铝膜打磨出45度角后用牙膏拋光；在使用过程中，LED光从打磨面射入，自铝膜镜面折射（三棱镜原理）.
      1-4.使用心得:使用示意见图2-3. 观察者俯视时即可清楚的看到反光板上的等间隔的点状光斑。实际使用效果见图2-4.小Pitch时宜使LED亮一些,否则尽可能暗点,环境照明也要尽可能暗些. 移动光源时,反光板或目视都有流动的光斑点明暗交替的感觉,更利于有否桥连的判定.
图2-3.

图2-4
2. BGA返修小网板使用体会
      高品质的BGA返修首先是尽可能不使用返修工作站而优选用回流炉进行焊接.其次是要优先使用焊膏而不是助焊膏,无铅化后尤应如此.印刷时网板厚度应就薄避厚,尽量用厚度在0.08至0.1mm的小网片,以利脱膜, 并益于与PCB保持小间隙.在以上前题下,尚应注意下列細节:
     a.将印刷用小钢片用无残留胶纸粘贴两边或三边.优先粘贴与PCB有不伏贴的边,同时印刷终止边要有尽可能多的外延胶纸. 示意见图2-5. 确认对准后就可以进行锡膏印刷. 采用上述定位的方法是为了在印刷完毕后，在仅留一边定位胶纸时将钢片抬起检查锡膏的印刷效果，如果出现漏印或少锡膏等现象，只要将钢片自然放下，由于有胶纸束服其位置, 重新印刷时锡膏出现错位或偏移的可能被减少..
图2-5
  b.一般返修多是手工印刷，可选用橡胶刮刀(有去薄措施)或钢刮片，其长度最好与BGA的宽度一致，在印刷时最好一气刮完锡膏. 注意，印刷过程中不要反复来回刮锡膏，这样会使焊膏塌陷. 并导致焊膏量不一致。刮刀在终止印刷前要把焊膏赶到外延的胶纸上, 以防留在网片上有碍脫膜.
              
本文是从波峰焊机参数调整和BGA的检查,修理手法谈一下我们的体会. 但愿能对初学者有益, 并希望得到各位同行的指正.并对图表的原创作者再一次表示感谢.                    

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