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  • 如何设定出合格的回流焊炉温艺曲线
    发布日期:2016-9-19


    什么是回流焊:

        回流焊是英文Reflow是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏装软钎焊料,实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。回流焊是将元器件焊接到PCB板材上,回流焊是专门针对SMD表面贴装器件的。

        回流焊是靠热气流对焊点的作用,胶状的焊剂在一定的高温气流下进行物理反应达到SMD的焊接;之所以叫"回流焊"是因为气体在焊机内循环来回流动产生高温达到焊接目的

    图1:回流焊温度曲线图


    “产品质量是生产出来的,不是检验出来,只有在生产过程中的每个环节,严格按照生产工艺和作业指导书要求进行,才能保证产品的质量。


    SMT贴片焊接车间在SMT生产流程中,回流炉参数设置的好坏是影响焊接质量的关键,通过温度曲线,可以为回流炉参数的设置提供准确的理论依据,在大多数情况下,温度的分布受组装电路板的特性、焊膏特性和所用回流炉能力的影响。

    如何正确的设定回流焊温度曲线 :

    首先我们要了解回流焊的几个关键的地方及温度的分区情况及回流焊的种类.

    影响炉温的关键地方是:

    1:各温区的温度设定数值

    2:各加热马达的温差

    3:链条及网带的速度

    4:锡膏的成份

    5:PCB板的厚度及元件的大小和密度

    6:加热区的数量及回流焊的长度

    7:加热区的有效长度及泠却的特点等


    回流焊的分区情况:  

    1:预热区(又名:升温区)

    2:恒温区(保温区/活性区)

    3:回流区

    4 :泠却区

    图2


    图3



    回流焊焊接影响工艺的因素:


    1.通常PLCC、QFP与一个分立片状元件相比热容量要大,焊接大面积元件就比小元件更困难些。

    2.在回流焊炉中传送带在周而复使传送产品进行回流焊的同时,也成为一个散热系统,此外在加热部分的边缘与中心散热条件不同,边缘一般温度偏低,炉内除各温区温度要求不同外,同一载面的温度也差异。

    3.产品装载量不同的影响。回流焊的温度曲线的调整要考虑在空载,负载及不同负载因子情况下能得到良好的重复性。负载因子定义为: LF=L/(L+S);其中L=组装基板的长度,S=组装基板的间隔。回流焊工艺要得到重复性好的结果,负载因子愈大愈困难。通常回流焊炉的最大负载因子的范围为0.5~0.9。这要根据产品情况(元件焊接密度、不同基板)和再流炉的不同型号来决定。要得到良好的焊接效果和重复性,实践经验很重要的。


    一、初步炉温设定:

    1、 看锡膏类型,有铅还是无铅?还要考虑锡膏特性,焊膏是由合金粉末、糊状助焊剂均匀混和而成的膏体。焊膏中的助焊剂 (点击助焊剂的特性)主要由溶剂、松香或合成树脂、活性剂及抗垂流剂四类原物质构成。溶剂决定了焊膏所需的干燥时间,为了增加焊膏的粘度使之具备良好流变性加入了合成树脂或松香,活性剂是用来除去合金所产生的氧化物以清洁板面焊盘,抗垂流剂的加入有助于合金粉末在焊膏中呈现悬浮状态,避免沉降现象。

    衡量焊膏品质的因素很多,在实际生产中应重点考虑以下的焊膏特性。

    (1)根据电路板表面清洁度的要求决定焊膏的活性与合金含量;

    (2)根据印刷设备及生产环境决定焊膏的粘度、流变性及崩塌特性;

    (3)根据工艺要求及元件所能承受的温度决定焊膏的熔点;

    (4)根据焊盘的最小脚间距决定焊膏合金粉末的颗粒大小。

    2、 看PCB板厚度是多少?此时结合以上1、2点,根据经验就有个初步的炉温了;

    3、 再看PCB板材,具体细致设定一下回流区的炉温;

    4、 再看PCB板上的各种元器件,考虑元件大小的不同、特殊元件、厂家要求的特殊元件等方面,再仔细设定一下炉温;

    5、 还的考虑一下炉子的加热效率,因为当今汇流炉有很多种,其加热效率是各个不一样的,所以这一点不应忽视掉;

    结合以上5方面,就可以设定出初步的炉温了。


    二、炉温的详细设定及热电偶的安装步骤:

      1, 感应温度用的热电偶,在使用和安装过程中,应确保除测试点外,无短接现象发生,否则无法保证试精度。

      2, 热电偶在与记忆装置或其它测试设备相连接时,其极性应与设备要求一致,热电偶将温度转变为电动势,,以连接时有方向要求。

      3,测试点的选取,一般至少三点,能代表PCB组件上温度变化的测试点(能反映PCB组件上高、中低温部位的温度变化); 一般情况下,最高温度部位在PCB与传送方向相垂直的无元件边缘中心处,最低温度在PCB 靠近中心部位的大型元件之半田端子处(PLCC.QFP等),另外对耐热性差部品表面要有测试点,以及客户的特定要求。


    回流温度曲线各区间的推荐设定值

    ①常温~预热开始点(图4.1、4.2)



    ②预热区(图5)

    预热过度导致氧化加深、助焊剂恶化(图6)


    ③预热终点~回流焊接区(图7)


    ④回流焊接区~冷却区(图8)



    回流焊接缺陷与不良温度曲线的关系:

    以下表2仅列出不良温度曲线所引起的回流焊接缺陷,其它影响回流焊接质量的因素还包括丝印质量的优劣、贴片的准确性和压力、焊膏的品质及环境的控制等,本文不做阐述。

    回流焊接的缺陷 温度曲线的不良之处

    吹孔

    1、保温段预热温度不足;

    2、保温段温度上升速度过快。

    焊点灰暗 冷却段冷却速度过缓。

    不沾锡

    1、焊接段熔焊温度低;

    2、保温段保温周期过长;

    3、保温段温度过高。

    焊后断开 保温段保温周期短。

    锡珠

    1、保温段温度上升速度过快;

    2、保温段温度低;

    3、保温周期短。

    空洞

    1、保温段温度低;

    2、保温周期短。

    生焊

    1、焊接段熔焊温度低;

    2、焊接段熔焊周期短。

    板面或元件变色

    1、焊接段熔焊温度过高;

    2、焊接段熔焊周期太长。


    回流焊是SMT工艺的核心技术PCB上所有的电子元器件通过整体加热一次性焊接完成,电子厂SMT生产线的质量控制占绝对分量的工作最后都是为了获得优良的焊接质量。设定好温度曲线,就管好了炉子,这是所有PE都知道的事。很多文献与资料都提到回流焊温度曲线的设置。对于一款新产品、新炉子、新锡膏,如何快速设定回流焊温度曲线?这需要我们对温度曲线的概念和锡膏焊接原理有基本的认识。

    本文以最常用的无铅锡膏Sn96.5Ag3.0Cu0.5锡银铜合金为例,介绍理想的回流焊温度曲线设定方案和分析其原理。

    如图9 :


    图9 SAC305无铅锡膏回流焊温度曲线图

    图9所示为典型的SAC305合金无铅锡膏回流焊温度曲线图。图中黄、橙、绿、紫、蓝和黑6条曲线即为温度曲线。构成曲线的每一个点代表了对应PCB上测温点在过炉时相应时间测得的温度。随着时间连续的记录即时温度,把这些点连接起来,就得到了连续变化的曲线。也可以看做PCB上测试点的温度在炉子内随着时间变化的过程。

    那么,我们把这个曲线分成4个区域,就得到了PCB在通过回流焊时某一个区域所经历的时间。在这里,我们还要阐明另一个概念“斜率①”。用PCB通过回流焊某个区域的时间除以这个时间段内温度变化的绝对值,所得到的值即为“斜率”。引入斜率的概念是为了表示PCB受热后升温的速率,它是温度曲线中重要的工艺参数。图中A、B、C、D四个区段,分别为定义为A:升温区 ,B:预热恒温区(保温区或活化区),C:回流焊接区(焊接区或Reflow区),D:冷却区。


    继续深入解析个区段的设置与意义:

    一.升温区A

    PCB进入回流焊链条或网带,从室温开始受热到150℃的区域叫做升温区。升温区的时间设置在60-90秒,斜率控制在2-4之间。

    此区域内PCB板上的元器件温度相对较快的线性上升,锡膏中的低沸点溶剂开始部分挥发。若斜率太大,升温速率过快,锡膏势必由于低沸点溶剂的快速挥发或者水气迅速沸腾而发生飞溅,从而在炉后发生“锡珠”缺陷。过大的斜率也会由于热应力的原因造成例如陶瓷电容微裂、PCB板变形曲翘、BGA内部损坏等机械损伤。

    升温过快的另一个不良后果就是锡膏无法承受较大的热冲击而发生坍塌,这是造成“短路”的原因之一。长期对制造厂的服务跟踪,很多厂商的SMT线该区域的斜率实际控制在1.5-2.5之间能得到满意的效果。由于各个板载贴装的元器件尺寸、质量不一,在升温区结束时,大小元器件之间的温度差异相对较大。

    二.预热恒温区B

    此区域在很多文献和供应商资料中也称为保温区、活化区。

    该区域PCB表面温度由150℃平缓上升至200℃,时间窗口在60-120秒之间。PCB板上各个部分缓缓受到热风加热,温度随时间缓慢上升。斜率在0.3-0.8之间。

    此时锡膏中的有机溶剂继续挥发。活性物质被温度激活开始发挥作用,清除焊盘表面、零件脚和锡粉合金粉末中的氧化物。恒温区被设计成平缓升温的目的是为了兼顾PCB上贴装的大小不一的元器件能均匀升温。让不同尺寸和材料的元器件之间的温度差逐渐减小,在锡膏熔融之前达到最小的温差,为在下一个温度分区内熔融焊接做好准备。这是防止“墓碑”缺陷的重要方法。众多无铅锡膏厂商的SAC305合金锡膏配方里活性剂的活化温度大都在150-200℃之间,这也是本温度曲线在这个温度区间内预热的原因之一。

    需要注意的是:1、预热时间过短。活性剂③与氧化物反应时间不够,被焊物表面的氧化物未能有效清除。锡膏中的水气未能完全缓慢蒸发、低沸点溶剂挥发量不足,这将导致焊接时溶剂猛烈沸腾而发生飞溅产生“锡珠”。润湿不足,可能会产生浸润不足的“少锡”“虚焊”、“空焊”、“漏铜”的不良。2、预热时间过长。活性剂消耗过度,在下一个温度区域焊接区熔融时没有足够的活性剂即时清除与隔离高温产生的氧化物和助焊剂高温碳化的残留物。这种情况在炉后的也会表现出“虚焊”、“残留物发黑”、“焊点灰暗”等不良现象。

    三.回流焊接区C

    回流区又叫焊接区或Refelow区。

    SAC305合金的熔点在217℃-218℃之间④,所以本区域为>217℃的时间,峰值温度<245℃,时间30-70秒。形成优质焊点的温度一般在焊料熔点之上15-30℃左右,所以回流区最低峰值温度应该设置在230℃以上。考虑到Sn96.5Ag3.0Cu0.5无铅锡膏的熔点已经在217℃以上,为照顾到PCB和元器件不受高温损坏,峰值温度最高应控制在250℃以下,笔者所见大部分工厂实际峰值温度最高在245℃以下。

    预热区结束后,PCB板上温度以相对较快的速率上升到锡粉合金液相线,此时焊料开始熔融,继续线性升温到峰值温度后保持一段时间后开始下降到固相线。

    此时锡膏中的各种组分全面发挥作用:松香或树脂软化并在焊料周围形成一层保护膜与氧气隔绝。表面活性剂被激活用于降低焊料和被焊面之间的表面张力,增强液态焊料的润湿力。活性剂继续与氧化物反应,不断清除高温产生的氧化物与被碳化物并提供部分流动性,直到反应完全结束。部分添加剂在高温下分解并挥发不留下残留物。高沸点溶剂随着时间不断挥发,并在回焊结束时完全挥发。稳定剂均匀分布于金属中和焊点表面保护焊点不受氧化。焊料粉末从固态转换为液态,并随着焊剂润湿扩展。少量不同的金属发生化学反应生产金属间化合物,如典型的锡银铜合金会有Ag3Sn、Cu6Sn5生成。

    回焊区是温度曲线中最核心的区段。峰值温度过低、时间过短,液态焊料没有足够的时间流动润湿,造成“冷焊”、“虚焊”、“浸润不良(漏铜)”、“焊点不光亮”和“残留物多”等缺陷;峰值温度过高或时间过长,造成“PCB板变形”、“元器件热损坏”、“残留物发黑”等等缺陷。它需要在峰值温度、PCB板和元器件能承受的温度上限与时间、形成最佳焊接效果的熔融时间之间寻求平衡,以期获得理想的焊点。

    四.冷却区D

    焊点温度从液相线开始向下降低的区段称为冷却区。通常SAC305合金锡膏的冷却区一般认为是217℃-170℃之间的时间段(也有的文献提出最低到150℃)。

    由于液态焊料降温到液相线以下后就形成固态焊点,形成焊点后的质量短期内肉眼无法判断,所以很多工厂往往不是很重视冷却区的设定。然而焊点的冷却速率关乎焊点的长期可靠性,不能不认真对待。

    冷却区的管控要点主要是冷却速率。经过很多焊锡实验室研究得出的结论:快速降温有利于得到稳定可靠的焊点。

    通常人们的直觉认为应该缓慢降温,以抵消各元器件和焊点的热冲击。然而,回流焊锡膏钎焊慢速冷却会形成更多粗大的晶粒,在焊点界面层和内部生较大Ag3Sn、Cu6Sn5等金属间化合物颗粒。降低焊点机械强度和热循环寿命,并且有可能造成焊点灰暗光泽度低甚至无光泽。

    快速的冷却能形成平滑均匀而薄的金属间化物,形成细小富锡枝状晶和锡基体中弥散的细小晶粒,使焊点力学性能和可靠性得到明显的提升与改善。

    生产应用中,并不是冷却速率越大越好。要结合回流焊设备的冷却能力、板子、元器件和焊点能承受的热冲击来考量。应该在保证焊点质量时不损害板子和元器件之间寻求平衡。最小冷却速率应该在2.5℃以上,最佳冷却速率在3℃以上。考虑到元器件和PCB能承受的热冲击,最大冷却速率应该控制在6-10℃。工厂在选择设备时,最好选择带水冷功能的回流焊而获得较强的冷却能力储备。


    双轨回流焊的工作原理:


    双轨回流焊炉通过同时平行处理两个电路板,可使单个双轨炉的产能提高两倍。目前, 电路板制造商仅限于在每个轨道中处理相同或重量相似的电路板。而现在, 拥有独立轨道速度的双轨双速回流焊炉使同时处理两块差异更大的电路板成为现实。首先,我们要了解影响热能从回流炉加热器向电路板传递的主要因素。在通常情况下,如图所示,回流焊炉的风扇推动气体(空气或氮气)经过加热线圈,气体被加热后,通过孔板内的一系列孔口传递到产品上。


    图10

    双轨回流焊PCB已经相当普及,并在逐渐变得复那时起来,它得以如此普及,主要原因是它给设计者提供了极为良好的弹性空间,从而设计出更为小巧,紧凑的低成本的产品。到今天为止,双轨回流焊板一般都有通过回流焊接上面(元件面),然后通过波峰焊来焊接下面(引脚面)。


    图11


    SMT全自动锡膏印刷机

    印刷机分类:手动印刷机、半自动印刷机、全自动印刷机


    图12


    全自动锡膏印刷机至关重要:


    1. 锡膏印刷机对品质至关重要

    SMT=Printer+Mounter+Reflow, 整线生产过程中有超60%以上的缺陷来自于錫膏印刷 

    近几年随印刷电路基板(PCB)的封装密度高密度化,要求提高锡膏网版印刷制程作业质量的声浪与日俱增。

            锡膏是SMT生产工艺中至关重要的一部分,锡膏中金属粉末的大小、金属含量的分配、助焊剂的比例、回温时间、搅拌时间和锡膏的保存环境、放置时间都会影响到锡膏印刷品质。由于锡膏原因造成的下锡不良、焊接效果不好等品质问题时有发生。

      所以选购好的锡膏印刷机,不要只注重其外观,好的设备通常市场均有仿制,性能和节能,安全性多方面考虑才行。当然选择时盲目选品牌也是不正确的,祝您选择到更合适您的设备.








   


    


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