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電子廠(chǎng)導入SmT回流焊爐后,如何設定出合格的爐

發(fā)布日期:2019-05-22 12:02:21 來(lái)源: 點(diǎn)擊量:1541

什么是回流焊:
    回流焊是英文Reflow是通過(guò)重新熔化預先分配到印制板焊盤(pán)上的膏裝軟釬焊料,實(shí)現表面組裝元器件焊端或引腳與印制板焊盤(pán)之間機械與電氣連接的軟釬焊?;亓骱甘菍⒃骷附拥絇CB板材上,回流焊是專(zhuān)門(mén)針對SMD表面貼裝器件的。
    回流焊是靠熱氣流對焊點(diǎn)的作用,膠狀的焊劑在一定的高溫氣流下進(jìn)行物理反應達到SMD的焊接;之所以叫"回流焊"是因為氣體在焊機內循環(huán)來(lái)回流動(dòng)產(chǎn)生高溫達到焊接目的。


(回流焊溫度曲線(xiàn)圖)

 


“產(chǎn)品質(zhì)量是生產(chǎn)出來(lái)的,不是檢驗出來(lái),只有在生產(chǎn)過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節,嚴格按照生產(chǎn)工藝和作業(yè)指導書(shū)要求進(jìn)行,才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量?!?br/>電子廠(chǎng)SmT貼片焊接車(chē)間在SmT生產(chǎn)流程中,回流爐參數設置的好壞是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵,通過(guò)溫度曲線(xiàn),可以為回流爐參數的設置提供準確的理論依據,在大多數情況下,溫度的分布受組裝電路板的特性、焊膏特性和所用回流爐能力的影響。

如何正確的設定回流焊溫度曲線(xiàn) :

首先我們要了解回流焊的幾個(gè)關(guān)鍵的地方及溫度的分區情況及回流焊的種類(lèi).

影響爐溫的關(guān)鍵地方是:
1:各溫區的溫度設定數值
2:各加熱馬達的溫差
3:鏈條及網(wǎng)帶的速度
4:錫膏的成份
5:PCB板的厚度及元件的大小和密度
6:加熱區的數量及回流焊的長(cháng)度
7:加熱區的有效長(cháng)度及泠卻的特點(diǎn)等

回流焊的分區情況:  
1:預熱區(又名:升溫區)
2:恒溫區(保溫區/活性區)
3:回流區
4 :泠卻區

 

 


回流焊焊接影響工藝的因素:

1.通常PLCC、QFP與一個(gè)分立片狀元件相比熱容量要大,焊接大面積元件就比小元件更困難些。
2.在回流焊爐中傳送帶在周而復使傳送產(chǎn)品進(jìn)行回流焊的同時(shí),也成為一個(gè)散熱系統,此外在加熱部分的邊緣與中心散熱條件不同,邊緣一般溫度偏低,爐內除各溫區溫度要求不同外,同一載面的溫度也差異。
3.產(chǎn)品裝載量不同的影響?;亓骱傅臏囟惹€(xiàn)的調整要考慮在空載,負載及不同負載因子情況下能得到良好的重復性。負載因子定義為: LF=L/(L+S);其中L=組裝基板的長(cháng)度,S=組裝基板的間隔?;亓骱腹に囈玫街貜托院玫慕Y果,負載因子愈大愈困難。通?;亓骱笭t的*負載因子的范圍為0.5~0.9。這要根據產(chǎn)品情況(元件焊接密度、不同基板)和再流爐的不同型號來(lái)決定。要得到良好的焊接效果和重復性,實(shí)踐經(jīng)驗很重要的。

一、初步爐溫設定:
1、 看錫膏類(lèi)型,有鉛還是無(wú)鉛?還要考慮錫膏特性,焊膏是由合金粉末、糊狀助焊劑均勻混和而成的膏體。焊膏中的助焊劑 (點(diǎn)擊助焊劑的特性)主要由溶劑、松香或合成樹(shù)脂、活性劑及抗垂流劑四類(lèi)原物質(zhì)構成。溶劑決定了焊膏所需的干燥時(shí)間,為了增加焊膏的粘度使之具備良好流變性加入了合成樹(shù)脂或松香,活性劑是用來(lái)除去合金所產(chǎn)生的氧化物以清潔板面焊盤(pán),抗垂流劑的加入有助于合金粉末在焊膏中呈現懸浮狀態(tài),避免沉降現象。
衡量焊膏品質(zhì)的因素很多,在實(shí)際生產(chǎn)中應重點(diǎn)考慮以下的焊膏特性。
(1)根據電路板表面清潔度的要求決定焊膏的活性與合金含量;
(2)根據印刷設備及生產(chǎn)環(huán)境決定焊膏的粘度、流變性及崩塌特性;
(3)根據工藝要求及元件所能承受的溫度決定焊膏的熔點(diǎn);
(4)根據焊盤(pán)的最小腳間距決定焊膏合金粉末的顆粒大小。
2、 看PCB板厚度是多少?此時(shí)結合以上1、2點(diǎn),根據經(jīng)驗就有個(gè)初步的爐溫了;
3、 再看PCB板材,具體細致設定一下回流區的爐溫;
4、 再看PCB板上的各種元器件,考慮元件大小的不同、特殊元件、廠(chǎng)家要求的特殊元件等方面,再仔細設定一下?tīng)t溫;
5、 還的考慮一下?tīng)t子的加熱效率,因為當今匯流爐有很多種,其加熱效率是各個(gè)不一樣的,所以這一點(diǎn)不應忽視掉;
結合以上5方面,就可以設定出初步的爐溫了。

二、爐溫的詳細設定及熱電偶的安裝步驟:

  1, 感應溫度用的熱電偶,在使用和安裝過(guò)程中,應確保除測試點(diǎn)外,無(wú)短接現象發(fā)生,否則無(wú)法保證試精度。
  2, 熱電偶在與記憶裝置或其它測試設備相連接時(shí),其極性應與設備要求一致,熱電偶將溫度轉變?yōu)殡妱?dòng)勢,,以連接時(shí)有方向要求。
  第二,測試點(diǎn)的選取,一般至少三點(diǎn),能代表PCB組件上溫度變化的測試點(diǎn)(能反映PCB組件上高、中低溫部位的溫度變化); 一般情況下,*溫度部位在PCB與傳送方向相垂直的無(wú)元件邊緣中心處,*溫度在PCB 靠近中心部位的大型元件之半田端子處(PLCC.QFP等),另外對耐熱性差部品表面要有測試點(diǎn),以及客戶(hù)的特定要求。
回流溫度曲線(xiàn)各區間的推薦設定值:

 

①常溫~預熱開(kāi)始點(diǎn)

 

②預熱區

 

預熱過(guò)度導致氧化加深、助焊劑惡化

 

③預熱終點(diǎn)~回流焊接區

 

④回流焊接區~冷卻區


4 回流焊接缺陷與不良溫度曲線(xiàn)的關(guān)系:
以下表2僅列出不良溫度曲線(xiàn)所引起的回流焊接缺陷,其它影響回流焊接質(zhì)量的因素還包括絲印質(zhì)量的優(yōu)劣、貼片的準確性和壓力、焊膏的品質(zhì)及環(huán)境的控制等,本文不做闡述。

回流焊接的缺陷 溫度曲線(xiàn)的不良之處
吹孔
1、保溫段預熱溫度不足;
2、保溫段溫度上升速度過(guò)快。
焊點(diǎn)灰暗 冷卻段冷卻速度過(guò)緩。
不沾錫
1、焊接段熔焊溫度低;
2、保溫段保溫周期過(guò)長(cháng);
3、保溫段溫度過(guò)高。
焊后斷開(kāi) 保溫段保溫周期短。
錫珠
1、保溫段溫度上升速度過(guò)快;
2、保溫段溫度低;
3、保溫周期短。
空洞
1、保溫段溫度低;
2、保溫周期短。
生焊
1、焊接段熔焊溫度低;
2、焊接段熔焊周期短。
板面或元件變色
1、焊接段熔焊溫度過(guò)高;
2、焊接段熔焊周期太長(cháng)。


       回流焊是SMT工藝的核心技術(shù),PCB上所有的電子元器件通過(guò)整體加熱一次性焊接完成,電子廠(chǎng)SMT生產(chǎn)線(xiàn)的質(zhì)量控制占*分量的工作*都是為了獲得優(yōu)良的焊接質(zhì)量。設定好溫度曲線(xiàn),就管好了爐子,這是所有PE都知道的事。很多文獻與資料都提到回流焊溫度曲線(xiàn)的設置。對于一款新產(chǎn)品、新?tīng)t子、新錫膏,如何快速設定回流焊溫度曲線(xiàn)?這需要我們對溫度曲線(xiàn)的概念和錫膏焊接原理有基本的認識。
本文以最常用的無(wú)鉛錫膏Sn96.5Ag3.0Cu0.5錫銀銅合金為例,介紹理想的回流焊溫度曲線(xiàn)設定方案和分析其原理。如圖一 :


圖一 SAC305無(wú)鉛錫膏回流焊溫度曲線(xiàn)圖
圖一所示為典型的SAC305合金無(wú)鉛錫膏回流焊溫度曲線(xiàn)圖。圖中黃、橙、綠、紫、藍和黑6條曲線(xiàn)即為溫度曲線(xiàn)。構成曲線(xiàn)的每一個(gè)點(diǎn)代表了對應PCB上測溫點(diǎn)在過(guò)爐時(shí)相應時(shí)間測得的溫度。隨著(zhù)時(shí)間連續的記錄即時(shí)溫度,把這些點(diǎn)連接起來(lái),就得到了連續變化的曲線(xiàn)。也可以看做PCB上測試點(diǎn)的溫度在爐子內隨著(zhù)時(shí)間變化的過(guò)程。
那么,我們把這個(gè)曲線(xiàn)分成4個(gè)區域,就得到了PCB在通過(guò)回流焊時(shí)某一個(gè)區域所經(jīng)歷的時(shí)間。在這里,我們還要闡明另一個(gè)概念“斜率①”。用PCB通過(guò)回流焊某個(gè)區域的時(shí)間除以這個(gè)時(shí)間段內溫度變化的*值,所得到的值即為“斜率”。引入斜率的概念是為了表示PCB受熱后升溫的速率,它是溫度曲線(xiàn)中重要的工藝參數。圖中A、B、C、D四個(gè)區段,分別為定義為A:升溫區 ,B:預熱恒溫區(保溫區或活化區),C:回流焊接區(焊接區或Reflow區),D:冷卻區。

繼續深入解析個(gè)區段的設置與意義:
一.升溫區A
PCB進(jìn)入回流焊鏈條或網(wǎng)帶,從室溫開(kāi)始受熱到150℃的區域叫做升溫區。升溫區的時(shí)間設置在60-90秒,斜率控制在2-4之間。
此區域內PCB板上的元器件溫度相對較快的線(xiàn)性上升,錫膏中的低沸點(diǎn)溶劑開(kāi)始部分揮發(fā)。若斜率太大,升溫速率過(guò)快,錫膏勢必由于低沸點(diǎn)溶劑的快速揮發(fā)或者水氣迅速沸騰而發(fā)生飛濺,從而在爐后發(fā)生“錫珠”缺陷。過(guò)大的斜率也會(huì )由于熱應力的原因造成例如陶瓷電容微裂、PCB板變形曲翹、BGA內部損壞等機械損傷。
升溫過(guò)快的另一個(gè)不良后果就是錫膏無(wú)法承受較大的熱沖擊而發(fā)生坍塌,這是造成“短路”的原因之一。長(cháng)期對制造廠(chǎng)的服務(wù)跟蹤,很多廠(chǎng)商的SMT線(xiàn)該區域的斜率實(shí)際控制在1.5-2.5之間能得到滿(mǎn)意的效果。由于各個(gè)板載貼裝的元器件尺寸、質(zhì)量不一,在升溫區結束時(shí),大小元器件之間的溫度差異相對較大。
二.預熱恒溫區B
此區域在很多文獻和供應商資料中也稱(chēng)為保溫區、活化區。
該區域PCB表面溫度由150℃平緩上升至200℃,時(shí)間窗口在60-120秒之間。PCB板上各個(gè)部分緩緩受到熱風(fēng)加熱,溫度隨時(shí)間緩慢上升。斜率在0.3-0.8之間。
此時(shí)錫膏中的有機溶劑繼續揮發(fā)?;钚晕镔|(zhì)被溫度激活開(kāi)始發(fā)揮作用,清除焊盤(pán)表面、零件腳和錫粉合金粉末中的氧化物。恒溫區被設計成平緩升溫的目的是為了兼顧PCB上貼裝的大小不一的元器件能均勻升溫。讓不同尺寸和材料的元器件之間的溫度差逐漸減小,在錫膏熔融之前達到最小的溫差,為在下一個(gè)溫度分區內熔融焊接做好準備。這是防止“墓碑”缺陷的重要方法。眾多無(wú)鉛錫膏廠(chǎng)商的SAC305合金錫膏配方里活性劑的活化溫度大都在150-200℃之間,這也是本溫度曲線(xiàn)在這個(gè)溫度區間內預熱的原因之一。
需要注意的是:1、預熱時(shí)間過(guò)短?;钚詣叟c氧化物反應時(shí)間不夠,被焊物表面的氧化物未能有效清除。錫膏中的水氣未能完全緩慢蒸發(fā)、低沸點(diǎn)溶劑揮發(fā)量不足,這將導致焊接時(shí)溶劑猛烈沸騰而發(fā)生飛濺產(chǎn)生“錫珠”。潤濕不足,可能會(huì )產(chǎn)生浸潤不足的“少錫”“虛焊”、“空焊”、“漏銅”的不良。2、預熱時(shí)間過(guò)長(cháng)?;钚詣┫倪^(guò)度,在下一個(gè)溫度區域焊接區熔融時(shí)沒(méi)有足夠的活性劑即時(shí)清除與隔離高溫產(chǎn)生的氧化物和助焊劑高溫碳化的殘留物。這種情況在爐后的也會(huì )表現出“虛焊”、“殘留物發(fā)黑”、“焊點(diǎn)灰暗”等不良現象。
三.回流焊接區C
回流區又叫焊接區或Refelow區。
SAC305合金的熔點(diǎn)在217℃-218℃之間④,所以本區域為>217℃的時(shí)間,峰值溫度<245℃,時(shí)間30-70秒。形成優(yōu)質(zhì)焊點(diǎn)的溫度一般在焊料熔點(diǎn)之上15-30℃左右,所以回流區*峰值溫度應該設置在230℃以上??紤]到Sn96.5Ag3.0Cu0.5無(wú)鉛錫膏的熔點(diǎn)已經(jīng)在217℃以上,為照顧到PCB和元器件不受高溫損壞,峰值溫度*應控制在250℃以下,筆者所見(jiàn)大部分工廠(chǎng)實(shí)際峰值溫度*在245℃以下。
預熱區結束后,PCB板上溫度以相對較快的速率上升到錫粉合金液相線(xiàn),此時(shí)焊料開(kāi)始熔融,繼續線(xiàn)性升溫到峰值溫度后保持一段時(shí)間后開(kāi)始下降到固相線(xiàn)。
此時(shí)錫膏中的各種組分全面發(fā)揮作用:松香或樹(shù)脂軟化并在焊料周?chē)纬梢粚颖Wo膜與氧氣隔絕。表面活性劑被激活用于降低焊料和被焊面之間的表面張力,增強液態(tài)焊料的潤濕力?;钚詣├^續與氧化物反應,不斷清除高溫產(chǎn)生的氧化物與被碳化物并提供部分流動(dòng)性,直到反應完全結束。部分添加劑在高溫下分解并揮發(fā)不留下殘留物。高沸點(diǎn)溶劑隨著(zhù)時(shí)間不斷揮發(fā),并在回焊結束時(shí)完全揮發(fā)。穩定劑均勻分布于金屬中和焊點(diǎn)表面保護焊點(diǎn)不受氧化。焊料粉末從固態(tài)轉換為液態(tài),并隨著(zhù)焊劑潤濕擴展。少量不同的金屬發(fā)生化學(xué)反應生產(chǎn)金屬間化合物,如典型的錫銀銅合金會(huì )有Ag3Sn、Cu6Sn5生成。
回焊區是溫度曲線(xiàn)中最核心的區段。峰值溫度過(guò)低、時(shí)間過(guò)短,液態(tài)焊料沒(méi)有足夠的時(shí)間流動(dòng)潤濕,造成“冷焊”、“虛焊”、“浸潤不良(漏銅)”、“焊點(diǎn)不光亮”和“殘留物多”等缺陷;峰值溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(cháng),造成“PCB板變形”、“元器件熱損壞”、“殘留物發(fā)黑”等等缺陷。它需要在峰值溫度、PCB板和元器件能承受的溫度上限與時(shí)間、形成*焊接效果的熔融時(shí)間之間尋求平衡,以期獲得理想的焊點(diǎn)。
四.冷卻區D
焊點(diǎn)溫度從液相線(xiàn)開(kāi)始向下降低的區段稱(chēng)為冷卻區。通常SAC305合金錫膏的冷卻區一般認為是217℃-170℃之間的時(shí)間段(也有的文獻提出*到150℃)。
由于液態(tài)焊料降溫到液相線(xiàn)以下后就形成固態(tài)焊點(diǎn),形成焊點(diǎn)后的質(zhì)量短期內肉眼無(wú)法判斷,所以很多工廠(chǎng)往往不是很重視冷卻區的設定。然而焊點(diǎn)的冷卻速率關(guān)乎焊點(diǎn)的長(cháng)期可靠性,不能不認真對待。
冷卻區的管控要點(diǎn)主要是冷卻速率。經(jīng)過(guò)很多焊錫實(shí)驗室研究得出的結論:快速降溫有利于得到穩定可靠的焊點(diǎn)。
通常人們的直覺(jué)認為應該緩慢降溫,以抵消各元器件和焊點(diǎn)的熱沖擊。然而,回流焊錫膏釬焊慢速冷卻會(huì )形成更多粗大的晶粒,在焊點(diǎn)界面層和內部生較大Ag3Sn、Cu6Sn5等金屬間化合物顆粒。降低焊點(diǎn)機械強度和熱循環(huán)壽命,并且有可能造成焊點(diǎn)灰暗光澤度低甚至無(wú)光澤。
快速的冷卻能形成平滑均勻而薄的金屬間化物,形成細小富錫枝狀晶和錫基體中彌散的細小晶粒,使焊點(diǎn)力學(xué)性能和可靠性得到明顯的提升與改善。
生產(chǎn)應用中,并不是冷卻速率越大越好。要結合回流焊設備的冷卻能力、板子、元器件和焊點(diǎn)能承受的熱沖擊來(lái)考量。應該在保證焊點(diǎn)質(zhì)量時(shí)不損害板子和元器件之間尋求平衡。最小冷卻速率應該在2.5℃以上,*冷卻速率在3℃以上??紤]到元器件和PCB能承受的熱沖擊,*冷卻速率應該控制在6-10℃。工廠(chǎng)在選擇設備時(shí),*選擇帶水冷功能的回流焊而獲得較強的冷卻能力儲備。

雙軌回流焊的工作原理:

雙軌回流焊爐通過(guò)同時(shí)平行處理兩個(gè)電路板,可使單個(gè)雙軌爐的產(chǎn)能提高兩倍。目前, 電路板制造商僅限于在每個(gè)軌道中處理相同或重量相似的電路板。而現在, 擁有獨立軌道速度的雙軌雙速回流焊爐使同時(shí)處理兩塊差異更大的電路板成為現實(shí)。首先,我們要了解影響熱能從回流爐加熱器向電路板傳遞的主要因素。在通常情況下,如圖所示,回流焊爐的風(fēng)扇推動(dòng)氣體(空氣或氮氣)經(jīng)過(guò)加熱線(xiàn)圈,氣體被加熱后,通過(guò)孔板內的一系列孔口傳遞到產(chǎn)品上。

 


雙軌回流焊PCB已經(jīng)相當普及,并在逐漸變得復那時(shí)起來(lái),它得以如此普及,主要原因是它給設計者提供了極為良好的彈性空間,從而設計出更為小巧,緊湊的低成本的產(chǎn)品。到今天為止,雙軌回流焊板一般都有通過(guò)回流焊接上面(元件面),然后通過(guò)波峰焊來(lái)焊接下面(引腳面)。


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