CN1155305C - 采用长插焊接的免清洗工艺方法 - Google Patents

Abstract

一种采用长插焊接的免清洗工艺方法，包括：1.插件、2.第一次喷助焊剂、3.第一次预热、4.高波峰焊、5.自动切脚、6.第二次喷助焊剂、7.第二次预热、8.精波峰焊；通过提高焊接过程中预热温度、焊接温度，控制助焊剂喷量及降低电路板传送速度，能够使电路板经过长插焊接后达到美国军标，有效地实现焊接后的免清洗，节省了清洗工序的成本，克服了环境污染的问题，该方案以简单易行、成本低廉的方法解决了长期困扰本行业的难题，社会效益及经济效益明显。

Description

采用长插焊接的免清洗工艺方法

技术领域

本发明涉及电子装联工艺，尤其涉及电子加工行业精密的、高可靠性的电子元器件装配的焊接工艺方面。

背景技术

目前常用波峰焊的方法完成电子元器件的装配，例如印制电路板与各元器件的装焊。具体操作是将该电路板及待连接件置于焊料波峰表面，波峰经过电路板及待连接件表面并将二者连接起来。经过波峰焊后，助焊剂在印制电路板表面的残留导电物质将使表面离子浓度升高、绝缘电阻减小，超过了可用标准，从而造成对元器件的腐蚀，降低元器件的物理性能及电性能，并最终导致电路损坏。因此一般都需要采用清洗剂进行焊接后清洗。

自本世纪七十年代以来，电子工业界普遍使用CFC氟氯烃产品等作为清洗剂，这类清洗剂有不易燃、易挥发、化学稳定性好，低毒性等优点，由于CFC等清洗剂中含有的ODS臭氧耗竭原物质会破坏生态环境，此类溶剂的使用已受到限制并逐步禁止。

八十年代末，四种替代技术相继被研制开发出来，即非CFC溶剂清洗、半水清洗、水清洗及免清洗技术。其中，免清洗技术的应用能使焊接过程免去清洗这一工序，不仅能解决清洗中带来的环境污染问题，而且能有效地简化工艺流程，节省制造成本，从而得到推广。

目前的免清洗技术多是从改变助焊剂成分等入手。如专利号为CN93119610的中国专利中介绍了“主要由一种或多种无卤化物的水溶性活化剂及一水溶性用氟处理的表面活化剂及水组成”的免清洗助焊剂，专利号为CN94111701的中国专利中介绍了一种“无卤素非松香型低固含量助焊剂”，专利号为CN95102236的中国专利公开了一种“免清洗液体助焊剂”，专利号为CN97100754的中国专利则介绍了一种免清洗固体焊剂。这些专利都只是考虑如何改变助焊剂成分，而没有考虑结合实际的工艺方法来使用助焊剂。

采用波峰焊的电子元器件焊接通常有短插焊接和长插焊接两种形式。其中，短插焊接是指元器件焊接前需事先进行成型、切脚，插件时不留长脚。其优点是焊接时只喷一次助焊剂，只过一次波峰焊。但此种方法对电路板的设计精度要求很高，而且焊接前的成型工作需要投入大量的人力、物力和时间。长插焊接是指元器件在焊接前不需进行成型、切脚工作。插件时元器件带长脚。此方法需喷两次助焊剂，经过两次波峰焊，一次为高波峰焊，一次为精波峰焊。其优点在于省去了焊接前成型的工序，虽然要经过两次波峰焊，但由于目前波峰焊接的自动化，还是能大大提高生产效率。且由于其对电路板的设计精度要求不高，因此在电子装联领域中应用非常广泛。

现有通过改变助焊剂成分的免清洗工艺方法的局限是其仅适用于短插焊接工艺。因而不得不在焊接前投入大量人力、物力和时间。且有的在焊接后还需要进行清洗。

对于工艺简单、应用广泛的长插焊接，传统的工艺方法包括如下流程：1、插件2、第一次喷助焊剂3、预热4、高波峰焊接5、自动切脚6、第二次喷助焊剂7、第二次预热8、精波峰焊。其中第2、6步喷助焊剂时不进行量化控制，第3、7步中预热温度在80摄氏度左右，焊接温度在为235摄氏度左右，印制电路板传送速度为1.6-1.8m/min。由于需要喷两次助焊剂、过两次波峰焊，利用原有的工艺方法即使使用免清洗助焊剂也无法达到免清洗的效果。目前尚未见到有关长插焊接能够达到免清洗效果的相关报道。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，在利用现有免清洗助焊剂的基础上，提出一种使长插焊接能够达到免清洗效果的工艺方法。

为完成本发明的目的，本发明提出的适合长插焊接的免清洗工艺方法不改变现有工艺流程，只是对某些环节进行一定的控制。其步骤如下：

第一步：插件

第二步：第一次喷助焊剂

第三步：第一次预热

第四步：高波峰焊

第五步：自动切脚

第六步：第二次喷助焊剂

第七步：第二次预热

第八步：精波峰焊

其特征在于在上述第二步“第一次喷助焊剂”的过程中，加入测量仪表，合理控制助焊剂喷量，并达到适宜喷涂量点；在上述第三步“第一次预热”过程中，提高预热温度达到免清洗助焊剂的活化温度，使之高于目前长插焊接常用的温度(80摄氏度左右)，范围在100-140摄氏度；在上述第四步“高波峰焊”过程中，提高锡炉温度，从而提高焊接温度(原工艺方法中此温度为235摄氏度左右)，使之达到240-250摄氏度；在上述第六步“第二次喷助焊剂”过程中，采用同第二步的办法，控制助焊剂喷量，并达到适宜喷涂量点；在上述第七步“第二次预热”过程中，采用同第三步的办法，提高预热温度，使之高于目前常用的温度(80摄氏度)，范围在100-140摄氏度；在上述第八步“精波峰焊”过程中，采用同第四步的办法提高焊接温度至240-250摄氏度(原工艺方法中此温度为235摄氏度左右)；并在焊接过程中降低电路板的传输速度，使之为1.1-1.3m/min(原工艺方法中此速度为1.6-1.8m/min，最高达到2.0m/min)。

其特征还在于在上述第三步及第七步的过程中，最佳预热温度为140摄氏度。

其特征还在于在上述第四步及第八步的过程中，最佳焊接温度为245摄氏度。

其特征还在于电路板的最佳传送速度控制为1.2m/min。

通过以上提高焊接过程中预热温度、焊接温度，控制助焊剂喷量及降低电路板传送速度的工艺方法改进，能够有效地实现电路板经过长插焊接后达到美国军标MIL-P-228809，即表面残留的导电物质离子浓度低于14μgNacl/in²，绝缘电阻大于1.0×10¹¹Ω。焊接后电路板外观清洁，无沾手感觉。可以完全免去清洗程序。能使长插焊接获得更广泛的应用，从而节省了短插焊接中成型工作所需的成本，降低了对电路板设计精度的要求，提高了效率。并能实现焊接后的免清洗，节省了清洗工序的成本，克服了环境污染的问题。该方案以简单易行、成本低廉的方法解决了长期困扰本行业的难题，社会效益及经济效益明显。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步的详细说明。

图1是长插免清洗焊接工艺方法的流程图。

图2是预热温度与电路板离子残留物浓度关系图

图3是焊接温度与电路板离子残留物浓度关系图

图4是传送速度与电路板离子残留物浓度关系图

具体实施方式

图1是本发明长插免清洗工艺方法的流程图。

首先是插件工作。

在步骤2第一次喷助焊剂的环节中，在原有设备上添加显示助焊剂流量的仪表，喷助焊剂时，通过调整喷嘴位置、调节喷嘴喷量等方法来控制助焊剂喷量，并达到最佳喷涂量点。

电路板上的残留导电物质是由于在印制板制作过程中，清洗不净，在装联过程中操作不当、工序转换等原因造成，主要还是因为助焊剂的溶剂以及溶质在溶液中分离出的离子残留在印制电路板上导致。因此焊剂喷涂量与离子浓度有直接关系，它们间呈正比关系，喷涂量越少则离子浓度越低。

但助焊剂在焊接过程中起着极为重要的作用。

首先是清洁作用。一个焊点的形成要经过三个阶段的变化：1、熔融焊料在被焊金属表面的润湿阶段；2、熔融焊料在被焊金属表面的扩展阶段；3、熔融焊料通过毛细管作用渗透焊缝，与被焊金属在接触面上形成合金层。其中，润湿是最重要的阶段，没有润湿，焊接就无法进行。熔融焊料在被焊金属表面所以能产生“润湿”和“扩展”，只有在被焊金属和焊料之间的距离达到相互作用的原子间距时才能发生，而妨碍原子间相互接近的是金属表面的氧化层和杂质。为了去除氧化层和防止焊接时金属表面氧化，必须使用焊剂。即利用焊剂的活性，清除金属表面的氧化物，因此，焊剂的化学作用主要表现在亲氧性方面，即在达到焊接温度前应充分地使金属表面的氧化物还原或置换，形成新的金属盐类化合物。

第二，焊接时使用焊剂能降低焊料的表面张力，从而提高焊料对被焊金属的润湿能力。如，共晶焊料的表面张力为49Pa，使用松香焊剂时表面张力为39Pa，若用氯化锌时表面张力降为33.1Pa。

第三，焊剂可以改善焊接时的热传导，很快达到热平衡。因焊接表面有一定的粗糙度，焊接面谷点的间隙内有空气存在，造成隔热作用，施加焊剂后，间隙内被焊剂填满，加快了热量传递并建立热平衡，保证了焊接质量。

最后，助焊剂还有防止电路板上的铜物质在高温下氧化的作用。

因此助焊剂的喷量必须达到一定的数值。助焊剂喷涂量的大小决定于喷嘴的位置、助焊剂流量及电路板的传送速度。在实际操作中，根据不同类型的电路板、不同类型的助焊剂有不同的适宜焊剂喷涂流量。如对于300×230mm的印制电路板，采用W-100免清洗助焊剂，印制电路板传送速度为1.2m/min时，适宜流量为0.46ml/sec。

步骤3高波峰焊过程中，可通过加大加热管功率等方法，增加预热温度，使之高于目前常用的温度。

通过短插焊接正交实验发现，波峰焊接工艺中的下列参数对导电残留物质，如电路板上的导电残留物离子浓度有着至关重要的影响，即预热温度、焊接温度、电路板传送速度以及焊剂喷涂量。

对印制电路板进行预热的目的是为了提高印制电路板的温度，从而使喷涂其上的助焊剂的溶剂和溶质得以离子化，活性得以充分激发，提高在焊接过程中的有效利用率。在一定的温度范围内，助焊剂的活性能得到最大程度的发挥。同时由于温度的提高，电路板上的高熔点助焊剂将有一部分汽化。预热温度与离子浓度如图2所示，即离子浓度随预热温度的升高而降低，预热温度越高则离子浓度越低。经分析这是由于助焊剂中高熔点溶剂汽化，从而减少了电路板上的离子数量的结果。在表1中记录了离子残留物浓度随预热温度变化而变化的实验数据。(采用W-100免清洗助焊剂)

表1

3	100	4	245	1.20	13.7
						4	110	4	245	1.20	11.8
5	120	4	245	1.20	11.3
						6	130	4	245	1.20	9.1
7	135	4	245	1.20	8.9
						8	140	4	245	1.20	8.5
9	150	4	245	1.20	元器件热损坏

从表1可以看出，在喷量、焊接温度及传送速度固定的情况下，随着预热的逐渐升高，电路板上的离子残留物浓度也逐步下降。至100摄氏度以上时已能达到美国军标MIL-P-228809的要求。至140摄氏度时降低至最低点，超过该温度达到150摄氏度时元器件即不能承受而发生热损坏。

因而决定最佳的预热温度应兼顾助焊剂活性的激发、离子残留物浓度和元器件可承受等几方面的因素。由于不同的助焊剂有不同的成分，因而也对应不同的最佳预热温度。如对实验所选用的W-100型免清洗助焊剂，最佳预热温度为140摄氏度。

在步骤4中，还应升高锡炉的温度从而升高焊接温度。

焊接温度与离子浓度的关系如图3所示，  在某一温度点处前二者为正比关系，温度超过该点后则为反比关系。表2记录了焊接温度对离子浓度影响的实验数据。

表2

之所以有这样的现象，是因为在一定温度范围内，电路板上的离子残留物没有完全汽化，尚存在于电路板上，而同时某些化合物以及络合物也随着温度的升高而分离出离子，从而导致电路板的离子浓度在某一温度范围内随温度的升高而升高。而超过某一温度时，由于电路板上的离子充分汽化而蒸发，因此电路板上的离子浓度开始下降。

使用实验所用助焊剂时，该转折点温度为240摄氏度。根据实验得出的数据可以看出，采用适当的预热温度后，不论焊接温度的高低，基本上都可以达到离子残留物浓度的要求。只是如果选取比240摄氏度尽量高的温度离子残留物浓度将会更低。这也说明焊接温度对离子残留物浓度的影响比预热温度对其的影响小。值得说明的是，根据实验选取低于240摄氏度的焊接温度也能达到离子残留物浓度的要求，但为什么一定要选取高于240摄氏度的温度呢？这是因为如果焊接温度低，将会造成焊料流动性不好，从而使较多的锡渣粘连在电路板上，影响电路板的外观清洁且会有沾手的感觉。

但焊接温度也不是越高越好，它不能超过电路板可承受的温度范围，否则会引起电路板的严重变形。因此确定的最佳焊接温度应为转折点温度与电路板可承受的最高温度间尽量高的一个值。对于不同的助焊剂该转折点温度有所不同，相应的最佳焊接温度也可能有所不同。例如根据实验数据采用W-100免清洗助焊剂时，该转折点处的温度为240摄氏度，而电路板在焊接温度达到250摄氏度时就可能出现严重变形，因此最佳焊接温度应确定为为245摄氏度左右。

在后面的步骤六、七、八中，依据同样原理重复上述过程。

图4表明了印制电路板传送速度与离子浓度间呈正比关系，传送速度可影响电路板的预热温度和喷量的大小。速度越快则电路板的实际预热温度将降低，而喷涂量将减小。但通过实验发现，预热温度对离子浓度的影响远大于喷量对离子浓度的影响，传送速度越快则离子浓度越高，因而应适当降低传送速度。表3记录了传送速度对离子残留物影响的实验数据。

表3

以上实验数据表明，传送速度中心值定为1.2m/min效果最好。

离子浓度与绝缘电阻间呈反比，只要将离子浓度控制在一定范围内，就能使绝缘电阻值增大，达到标准值。

本发明通过上述工艺方法的改进，控制预热温度、焊接温度、印制电路板传送速度、助焊剂喷涂量等就能成功地实现印制电路板在长插焊接后免清洗。从而简化了焊接流程，节约了成本，并解决了长插焊接后清洗所带来的环保问题。

Claims (5)

1.一种采用长插焊接的免清洗工艺方法，步骤如下：

第一步：插件

第二步：第一次喷助焊剂

第三步：第一次预热

第四步：高波峰焊

第五步：自动切脚

第六步：第二次喷助焊剂

第七步：第二次预热

第八步：精波峰焊

其特征在于在所述第二步“第一次喷助焊剂”的过程中，调整达到适宜的助焊剂喷量；

在所述第三步“第一次预热”过程中，提高预热温度达到100-140摄氏度；

在所述第四步“高波峰焊”过程中，提高锡炉温度达到240-250摄氏度；

在所述第六步“第二次喷助焊剂”过程中，采用同第二步的办法，控制助焊剂喷量，并达到最佳喷涂量点；

在所述第七步“第二次预热”过程中，采用同第三步的办法，增加预热温度达到100-140摄氏度；

在所述第八步“精波峰焊”过程中，采用同第四步的办法提高焊接温度，达到240-250摄氏度；

并在焊接过程中降低电路板的传输速度，使之为1.1-1.3米/分钟。

2.如权利要求1所述的免清洗工艺方法，其特征在于所述第二步及第六步的过程中，对于300×230mm的印制电路板，采用W-100免清洗助焊剂，印制电路板传送速度为1.2米/分钟时，所选用的焊剂适宜流量为0.46毫升/秒。

3.如权利要求1或2所述的免清洗工艺方法，其特征在于在所述第三步及第七步的过程中，最佳预热温度为140摄氏度。

4.如权利要求1或2所述的免清洗工艺方法，其特征在于在所述第四步及第八步的过程中，焊接温度为245摄氏度。

5.如权利要求1或2所述的免清洗工艺方法，其特征在于电路板的传送速度控制为1.2米/分钟。

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