电路板组装之焊接

电路板组装之焊接

1.前言

电子工业必须用到的焊锡焊接（Soldering）可简称为“焊接”，其操作温度不超过400℃（焊点强度也稍嫌不足）者，中国国家标准（CNS）称为之“软焊”，以有别于温度较高的“硬焊”（Brazing，如含银铜的焊料）。至于温度更高(800℃以上)机械用途之Welding，则称为熔接。由于部份零件与电路板之有机底材不耐高温，故多年来电子组装工业一向选择此种焊锡焊接为标准作业程序。由于焊接制程所呈现的焊锡性（Solderability）与焊点强度（Joint Strength）均将影响到整体组装品的品质与可靠度，是业者们在焊接方面所长期追求与面对的最重要事项。

2.焊接之一般原则

本文将介绍波焊（Wave Soldering）、熔焊（Reflow Soldering）及手焊（Hand Soldering）三种制程及应注意之重点，其等共同适用之原则可先行归纳如下：

2.1空板烘烤除湿(Baking)

为了避免电路板吸水而造成高温焊接时的爆板、溅锡、吹孔、焊点空洞等困扰起见，已长期储存的板子（最好为20℃，RH30%）应先行烘烤，以除去可能吸入的水份。其作业温度与时间之匹配如下：（若劣化程度较轻者，其时间尚可减半）。

烘后冷却的板子要尽快在2~3天内焊完，以避免再度吸水续增困扰。

2.2预热（Preheating）

当电路板及待焊之诸多零件，在进入高温区（220℃以上）与熔融焊锡遭遇之前，整体组装板必须先行预热，其功用如下：

(1)可赶走助焊剂中的挥发性的成份，减少后续输送式快速量产焊接中的溅锡，或PTH孔中填锡的空洞，或锡膏填充点中的气洞等。

(2)提升板体与零件的温度，减少瞬间进入高温所造成热应力（Thermal Stress）的各种危害，并可改善液态融锡进孔的能力。

(3)增加助焊剂的活性与能力，使更易于清除待焊表面的氧化物与污物，增加其焊锡性，此点对于“背风区”等死角处尤其重要。　

2.3助焊剂（Flux）

清洁的金属表面其所具有的自由能（Free Energy），必定大于氧化与脏污的表面。自由能较大的待焊表面其焊锡性也自然会好。助焊剂的主要功能即在对金属表面进行清洁，是一种化学反应。现将其重点整理如下：

(1)化学性：可将待焊金属表面进行化学清洁，并再以其强烈的还原性保护（即覆盖）已完成清洁的表面，使在高温空气环境的短时间内不再生锈，此种能耐称之为助焊剂活性（Flux Activity）。

(2)传热性：助焊剂还可协助热量的传递与分布，使不同区域的热量能更均匀的分布。

(3)物理性：可将氧化物或其它反应后无用的残渣，排开到待焊区以外的空间去，以增强其待焊区之焊锡性。

(4)腐蚀性：能够清除氧化物的化学活性，当然也会对金属产生腐蚀的效果，就焊后产品的长期可靠度而言，不免会造成某种程度上的危害。故一般配方都刻意使其在高温中才展现活性，而处于一般常温环境中则尽量维持其安定的隋性。不过当湿度增加时，则还是难保不出问题。故电子工业一向都采用较温和活性之Flux为主旨，尤其在放弃溶剂清洁制程后（水洗反而更会造成死角处的腐蚀），业界早己倾向No Clean既简化制程又节省成本之“免洗”制程了。此时与组装板永远共处之助焊剂，当然在活性上还要更进一步减弱才不致带来后患。

3.手焊(Head Soldering)              

当大批量自动机焊后，发现局部少数不良焊点时，或对高温敏感的组件等，仍将动用到老式的手焊工艺加以补救。广义的手焊除了锡焊外，尚另有银焊与熔接等。早期美国海军对此种手工作业非常讲究，曾订有许多标准作业程序（SOP）以及考试、认证、发照等严谨制度。其对实做手艺的尊重，丝毫不亚于对理论学术的崇尚。

3.1焊（Soldering Gun）手焊

此为最基本的焊接方式，其首要工具之焊亦俗称为烙铁。其中的发热体与烙铁头（tip）可针对焊锡丝（Soldering Wire）与待加工件（Workpiece）提供足够的热量，使其得以进行高温的焊接动作。由于加热过程中焊之变压器也会附带产生节外生枝的电磁波，故焊还须具备良好的隔绝（Isolation）功能，以避免对PCB板面敏感的IC组件造成“电性压力”（Electric Overstress; EOS）或“静电释放”（Electrostatic Discharge; ESD）等伤害。

焊选择应注意的项目颇多，如烙铁头形状须适合加工的类型，温度控制（±5℃）的灵敏度、热量传导的快速性、待工温度（Idle Temp.）中作业前回复温度（Recovery Temp.）之够快够高够稳，操作的方便性、维修的容易度等均为参考事项。

3.2焊锡丝（Solder Wire）

系将各种锡铅重量比率所组成的合金，再另外加入夹心在内的固体助焊剂焊芯，而抽拉制成的金属条丝状焊料，可用以焊连与填充而成为具有机械强度的焊点（Solder Joint）者称之。其中的助焊剂要注意是否具有腐蚀性，焊后残渣的绝缘电阻（Insulation Resistance，一般人随口而出的“绝缘阻抗”是不正确的说法）是否够高，以免造成后续组装板电性绝缘不良的问题。甚至将来还会要求“免洗”（No Clean）之助焊剂，其评估方法可采IPC-TM-650中2.6.3节的“湿气与绝缘电阻”进行取舍。有时发现焊丝中助焊剂的效力不足时，也可另行外加液态助焊剂以助其作用，但要小心注意此等液态助焊剂的后续离子污染性。

3.3焊手焊过程及要点

(1)以清洁无锈的铬铁头与焊丝，同时接触到待焊位置，使熔锡能迅速出现附着与填充作用，之后需将烙铁头多余的锡珠锡碎等，采用水湿的海棉予以清除。

(2)熔入适量的锡丝焊料并使均匀分散，且不宜太多。其中之助焊剂可供提清洁与传热的双重作用。

(3)烙铁头须连续接触焊位，以提供足够的热量，直到焊锡已均匀散布为止。

(4)完工后，移走焊时要小心，避免不当动作造成固化前焊点的扰动，进而对焊点之强度产生损伤。

(5)当待加工的PCB为单面零件组装，而其待焊点面积既大且多者，可先将其无零件之另一面板贴在某种热盘上进行预热；如此将可加快作业速与减少局部板面的过热伤害，此种预热也可采用特殊的小型热风机进行。

(6)烙铁头（tip）为传热及运补锡料的工具，对于待加工区域应具备最大的接触面积，以减少传热的时间耗损。又为强化输送焊锡原料的效率，与表面必须维持良好的焊锡性，以及不可造成各种残渣的堆积起见，一旦烙铁头出现氧化或过度污染时则须加以更换。

(7)小零件或细腿处的手焊作业，为了避免过热的伤害起见，可另外加设临时性散热配件，如金属之鳄鱼夹等。

4.浸焊(Immersion Soldering)

此为最早出现的简单做法，系针对焊点较简单的大批量焊接法（Mass Soldering），目前一些小工厂或实验做法仍在使用。系将安插完毕的板子，水平装在框架中直接接触熔融锡面，而达到全面同时焊妥的做法。其助焊剂涂布、预热、浸焊与清洁等连续流程，可采手动或自动输送化，则端视情况而定，但多半是针对PTH插孔焊接而实施浸焊。SMD之贴装零件则应先行点胶固定才可实施，锡膏定位者则有脱落的麻烦。

5.波焊(Wave Soldering)

系利用已熔融之液锡在马达帮浦驱动之下，向上扬起的单波或双波，对斜向上升输送而来的板子，从下向上压迫使液锡进孔，或对点胶定位SMD组件的空脚处，进行填锡形成焊点，称为波焊，术语称为“波峰焊”。此种“量焊”做法已行之有年，即使目前之插装与贴装混合的板子仍然可用。现将其重点整理如下：

5.1助焊剂

波焊联机中其液态助焊剂在板面涂布之施工，约有泡沬型、波浸型与喷洒型等三种方式，即：

5.1.1泡沬型Flux：

系将“低压空气压缩机”所吹出的空气，经过一种多孔性的天然石块或塑料制品与特殊滤心等（孔径约50~60µm），使形成众多细碎的气泡，再吹入助焊剂储池中，即可向上扬涌出许多助焊剂泡沬。当组装板通过上方裂口时，于是板子底面即能得到均匀的薄层涂布。并在其离开前还须将多余的液滴，再以冷空气约50~60℃之斜向予以强力吹掉，以防对后续的预热与焊接带来烦恼。并可迫使助焊剂向上涌出各PTH的孔顶与孔环，完成清洁动作。至于助焊剂本身则应经常检测其比重，并以自动添加方式补充溶剂中挥发成份的变化。

5.1.2喷洒型Spray Fluxing：

常用于免洗低固形物（Low Solid；固含量约1~3%）之助焊剂，对早先松香(Rosin)型固形物较高的助焊剂则并不适宜。由于较常出现堵塞情形，其协助喷出之气体宜采氮气，既可防火又能减低助焊剂遭到氧化的烦恼。其喷射的原理也有数种不同的做法，如采不锈钢之网状滚筒（Rotating Drum）自液中带起液膜，再自筒内向上吹出氮气而成雾状，续以氮气向上吹出等方式进行涂布。

5.1.3波峰型Wave Flux：

直接用帮浦及喷口向上扬起液体，于狭缝控制下，可得到一种长条形的波峰，当组装板底部通过时即可进行涂布。此法可能呈现液量过多的情形，其后续气刀（Air Knife）的吹刮动作则应更为彻底才行。此种机型之价格较泡沬型稍贵，但却比喷洒型便宜，其中溶剂的挥发量也低于泡沬型。

5.2预热

一般波焊前的预热若令朝上板面升温到65～121℃之间即可，其升温速率约2℃／S～40℃／S之间。预热不足时助焊剂之活性发挥可能未达极致，则焊锡性很难达到最佳地步。且在挥发份尚未赶光之下，其待焊表面的助焊剂黏度仍低时，将导致焊点的缩锡（Dewetting）与锡尖（Solder Icicles）等缺失。但预热温度太高时，则又可能会对固形物太低的免洗助焊剂不利，此点须与助焊剂供货商深入了解。

5.3波焊

5.3.1锡温管理：

目前锡池中焊料的合金成份仍以Sn 63/Pb37与Sn 60/Pb40者居多，故其作业温度控制以260º±5℃为宜。但仍须考量到待焊板与零件之总体重量如何。大型者尚可升温到280℃，小型板或对热量太敏感的产品，则可稍降到230℃，均为权宜的做法。且还须与输送速度及预热进行搭配，较理想的做法是针对输送速度加以变换，而对锡温则以不变为宜，因锡温会影响到融锡的流动性（Fluidity），进而会冲击到焊点的品质。且焊温升高时，铜的溶入速率也会跟着增快，非常不利于整体焊接的品质管理。

5.3.2波面接触：

自组装板之底面行进接触到上涌的锡波起，到完全通过脱离融锡涌出面的接触为止，其相互密贴的时程须控制在3-6秒之间。此种接焊时间的长短，取决于输送速度（Conveyor Speed）及波形与浸深等三者所组成的“接触长度”；时程太短焊锡性将未完全发挥，时程太长则会对板材或敏感零件造成伤害。若该波焊联机是直接安装在一般空气中时，则锡波表面会不断形成薄薄的氧化物，由于流动的原因与组装板（PWA）不断浮刮带走，故整体尚不致累积太多的氧化物。但若将全系统尤其是波焊段采用氮气环境所笼罩时，则可大大减少氧化反应的发生，当然也就使得焊锡性有了显著的改进。

输送组装板的传动面须呈现4º~12º的仰角，如此将使得零件本体的后方，被阻挡之“背风波”锡流不强处的焊接动作大获改善。一般现行波焊机均设有可单独控制的双帮浦与双波（锡池则单双波均有），前波呈多股喷泉式强力上涌者称为“扰流波（Turbulent Wave）”，系逼迫强力锡流穿过多排各种直径的迂回小孔而形成，可直接冲打到行走中的底板表面，对通孔插脚或贴装尾部接脚等焊接非常有利。之后遭遇到的第二波，则为呈拋物线状的“平滑（流）波（Laminar Wave）”对朝下板面的接触时程较长，就板面需填锡补锡的引脚有利，且还可消除过多的锡尖。某些商品机种还可另行加装热空气（或热氮气）的刮锡设施于第二波之后，也可消除锡尖与焊点的过多锡量。

对于板面众多的小型片状零件（如Chip Resistor或Chip Capacitor）而言，〝扰流波〞附带的机械打击力量，还可迫使锡流包围零件四周甚至进入腹底，使其等所形成的焊点更为完整，任何局部的缺失还可被随即报到的〝平流波〞所再补足。且此第二波中亦可加装额外的振动装置，以增加波流对板面所施展的机械压力。

5.3.3接触的细节：

若再仔细深入探讨其瞬间接触焊接的细节时，还可再分述于后：

(1)板面与扰流波接触的初期，助焊剂立即进行挥发与分散的动作，连带使得待焊的金属表面也开始沾锡（Wetting）。此波中也可再加装低频的振荡装置，以加强与配合其待焊面接受助焊剂的搓擦动作。如此将可对贴装零件脚之填锡补锡大有助益，并可减少背风坡处的“漏焊”（Skipping）现象。当然在双波的先强劲与后温柔的不同作用下，整体焊锡性也将会更好。

(2)当板面进入锡波中心处的“传热区”（Heat Transfer Region）时，在大量热能的推动下，Wetting瞬间的散锡（Spreading）动作也迅速展开。

(3)之后是锡波出口的“脱离区”（Break Away），此时各种焊点（Solder Joint）已经形成，而各种不良缺点也陆续出现。组装板若能快速顺利的脱离锡波则万事太平。难舍难分的拖锡，当然就会成为不良锡桥（Solder Bridge）或锡尖（Solder icicles）甚至锡球（Solder Ball）的主要原因。其脱离的快慢虽直接取决于输送速度，但刻意将输送带平面上仰4º~12º时，还可借助重力的协同而能更干脆而方便的分开。至于该等拖泥带水造成的板面缺点，当然还有机会被随后即到的热风再加修整。此时却不能用冷风，以免造成组装品温度过度起伏的热震荡（Thermal Shock）不良效应。

5.3.4氮气环境的协力：

 在免洗助焊剂的弱势活力下（只含Carboxylic Acid羰酸1%而已），还要奢求更好的焊锡性，岂非缘木求鱼撖面杖吹火？然而回避溶剂清洗之环保压力既不可违，当然只好另谋他途寻求解决。于是当波焊线之锡池区，若能改装成氮气环境以减少氧化的不良反应者，自然大大有助于焊接。经过众多前人试验的结果，氮气环境的锡池区其残氧量以100ppm以下的焊锡性最为良好，然而其成本的额外增加自是不在话下。为了节省开支，一般实用规格多半都将残氧率范围订定在500ppm至1000ppm左右。也曾有人将甲酸的气体引入氮气环境中，或加用在助焊剂中，以其强烈的还原性协助减少氧化反应的发生。然而此种具毒性的刺激物质，其在室内的挥发浓度却不可超过5ppm，以免对人体造成伤害。设计良好的“氮气炉”其待焊件的进出口与充气装置等动态部份，都已做好隔绝密封的设施，自可减少氮气的无谓消耗，此等氮气炉波焊线具有下列效益：

(1)提升焊接之良率（yield）。

(2)减少助焊剂的用量。

(3)改善焊点的外观及焊点形状。

(4)降低助焊剂残渣的附着性，使之较易清除。

(5)减少机组维修的机率，增加产出效益。

(6)大量减少锡池表面浮渣（Dross）的发生，节省焊锡用量，降低处理成本。

5.3.5波焊不良锡球的发生：

早先业界于焊后仍维持清洗的年代，锡球较少发生于完工板面。主要原因是焊后溶剂冲刷清洗的功劳。如今之“免洗”不但带来板面助焊剂残渣的增加，也使得不良锡球（Solder Ball）附着的机率变大。免洗所造成板面锡球已带来许多为头痛的问题，而且几乎都是无解的悬案。无可奈何之下只好反过头来仔细追究为何会出现锡球？其中重要原因之一就是板面绿漆本身的硬化（Curing）不足，又经助焊剂在高温中对其产生交互作用(Interaction)，形成软泥状的环境，致使细碎的溅锡得以附着。除了加强绿漆硬化与减少锡池溅锡外，板面零件的密集布局也会增加锡球的机率。

5.3.6波焊的问题与原因

大批量波焊中免不了会出现一些问题，然而要仔细追求原因与找出对策，确是需要相当专业与长期经验的专家才能胜任。如何将多年所累积下来的智慧，让大多数从业者在很短时间内灵活应用，则可藉助对照表式一一列举其纲要，可从发生的原因上逐一着手解决，即便生手上路也会出现“虽不中亦不远矣”的成绩。运用纯熟后按图索骥手到擒来，则远比阅读众多文献而却条理不清下更为有效。下表列之问题与原因的对照表相当务实，业者应可加以利用。

※波焊常见问题与原因

※原因编号之内容说明