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          電子廠導入SmT回流焊爐后,如何設定出合格的爐

          發布日期:2019-05-22 12:02:21 來源: 點擊量:1447

          什么是回流焊:
              回流焊是英文Reflow是通過重新熔化預先分配到印制板焊盤上的膏裝軟釬焊料,實現表面組裝元器件焊端或引腳與印制板焊盤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,回流焊是專門針對SMD表面貼裝器件的。
              回流焊是靠熱氣流對焊點的作用,膠狀的焊劑在一定的高溫氣流下進行物理反應達到SMD的焊接;之所以叫"回流焊"是因為氣體在焊機內循環來回流動產生高溫達到焊接目的。


          (回流焊溫度曲線圖)

           


          “產品質量是生產出來的,不是檢驗出來,只有在生產過程中的每個環節,嚴格按照生產工藝和作業指導書要求進行,才能保證產品的質量?!?br/>電子廠SmT貼片焊接車間在SmT生產流程中,回流爐參數設置的好壞是影響焊接質量的關鍵,通過溫度曲線,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 :

          首先我們要了解回流焊的幾個關鍵的地方及溫度的分區情況及回流焊的種類.

          影響爐溫的關鍵地方是:
          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度
          7:加熱區的有效長度及泠卻的特點等

          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品進行回流焊的同時,也成為一個散熱系統,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.產品裝載量不同的影響?;亓骱傅臏囟惹€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。這要根據產品情況(元件焊接密度、不同基板)和再流爐的不同型號來決定。要得到良好的焊接效果和重復性,實踐經驗很重要的。

          一、初步爐溫設定:
          1、 看錫膏類型,有鉛還是無鉛?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 (點擊助焊劑的特性)主要由溶劑、松香或合成樹脂、活性劑及抗垂流劑四類原物質構成。溶劑決定了焊膏所需的干燥時間,為了增加焊膏的粘度使之具備良好流變性加入了合成樹脂或松香,活性劑是用來除去合金所產生的氧化物以清潔板面焊盤,抗垂流劑的加入有助于合金粉末在焊膏中呈現懸浮狀態,避免沉降現象。
          衡量焊膏品質的因素很多,在實際生產中應重點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環境決定焊膏的粘度、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;
          (4)根據焊盤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?此時結合以上1、2點,根據經驗就有個初步的爐溫了;
          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、廠家要求的特殊元件等方面,再仔細設定一下爐溫;
          5、 還的考慮一下爐子的加熱效率,因為當今匯流爐有很多種,其加熱效率是各個不一樣的,所以這一點不應忽視掉;
          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,在使用和安裝過程中,應確保除測試點外,無短接現象發生,否則無法保證試精度。
            2, 熱電偶在與記憶裝置或其它測試設備相連接時,其極性應與設備要求一致,熱電偶將溫度轉變為電動勢,,以連接時有方向要求。
            第二,測試點的選取,一般至少三點,能代表PCB組件上溫度變化的測試點(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,以及客戶的特定要求。
          回流溫度曲線各區間的推薦設定值:

           

          ①常溫~預熱開始點

           

          ②預熱區

           

          預熱過度導致氧化加深、助焊劑惡化

           

          ③預熱終點~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的關系:
          以下表2僅列出不良溫度曲線所引起的回流焊接缺陷,其它影響回流焊接質量的因素還包括絲印質量的優劣、貼片的準確性和壓力、焊膏的品質及環境的控制等,本文不做闡述。

          回流焊接的缺陷 溫度曲線的不良之處
          吹孔
          1、保溫段預熱溫度不足;
          2、保溫段溫度上升速度過快。
          焊點灰暗 冷卻段冷卻速度過緩。
          不沾錫
          1、焊接段熔焊溫度低;
          2、保溫段保溫周期過長;
          3、保溫段溫度過高。
          焊后斷開 保溫段保溫周期短。
          錫珠
          1、保溫段溫度上升速度過快;
          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、焊接段熔焊溫度過高;
          2、焊接段熔焊周期太長。


                 回流焊是SMT工藝的核心技術,PCB上所有的電子元器件通過整體加熱一次性焊接完成,電子廠SMT生產線的質量控制占*分量的工作*都是為了獲得優良的焊接質量。設定好溫度曲線,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的設置。對于一款新產品、新爐子、新錫膏,如何快速設定回流焊溫度曲線?這需要我們對溫度曲線的概念和錫膏焊接原理有基本的認識。
          本文以最常用的無鉛錫膏Sn96.5Ag3.0Cu0.5錫銀銅合金為例,介紹理想的回流焊溫度曲線設定方案和分析其原理。如圖一 :


          圖一 SAC305無鉛錫膏回流焊溫度曲線圖
          圖一所示為典型的SAC305合金無鉛錫膏回流焊溫度曲線圖。圖中黃、橙、綠、紫、藍和黑6條曲線即為溫度曲線。構成曲線的每一個點代表了對應PCB上測溫點在過爐時相應時間測得的溫度。隨著時間連續的記錄即時溫度,把這些點連接起來,就得到了連續變化的曲線。也可以看做PCB上測試點的溫度在爐子內隨著時間變化的過程。
          那么,我們把這個曲線分成4個區域,就得到了PCB在通過回流焊時某一個區域所經歷的時間。在這里,我們還要闡明另一個概念“斜率①”。用PCB通過回流焊某個區域的時間除以這個時間段內溫度變化的*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,它是溫度曲線中重要的工藝參數。圖中A、B、C、D四個區段,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。

          繼續深入解析個區段的設置與意義:
          一.升溫區A
          PCB進入回流焊鏈條或網帶,從室溫開始受熱到150℃的區域叫做升溫區。升溫區的時間設置在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性上升,錫膏中的低沸點溶劑開始部分揮發。若斜率太大,升溫速率過快,錫膏勢必由于低沸點溶劑的快速揮發或者水氣迅速沸騰而發生飛濺,從而在爐后發生“錫珠”缺陷。過大的斜率也會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。
          升溫過快的另一個不良后果就是錫膏無法承受較大的熱沖擊而發生坍塌,這是造成“短路”的原因之一。長期對制造廠的服務跟蹤,很多廠商的SMT線該區域的斜率實際控制在1.5-2.5之間能得到滿意的效果。由于各個板載貼裝的元器件尺寸、質量不一,在升溫區結束時,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為保溫區、活化區。
          該區域PCB表面溫度由150℃平緩上升至200℃,時間窗口在60-120秒之間。PCB板上各個部分緩緩受到熱風加熱,溫度隨時間緩慢上升。斜率在0.3-0.8之間。
          此時錫膏中的有機溶劑繼續揮發?;钚晕镔|被溫度激活開始發揮作用,清除焊盤表面、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。眾多無鉛錫膏廠商的SAC305合金錫膏配方里活性劑的活化溫度大都在150-200℃之間,這也是本溫度曲線在這個溫度區間內預熱的原因之一。
          需要注意的是:1、預熱時間過短?;钚詣叟c氧化物反應時間不夠,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、低沸點溶劑揮發量不足,這將導致焊接時溶劑猛烈沸騰而發生飛濺產生“錫珠”。潤濕不足,可能會產生浸潤不足的“少錫”“虛焊”、“空焊”、“漏銅”的不良。2、預熱時間過長?;钚詣┫倪^度,在下一個溫度區域焊接區熔融時沒有足夠的活性劑即時清除與隔離高溫產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表現出“虛焊”、“殘留物發黑”、“焊點灰暗”等不良現象。
          三.回流焊接區C
          回流區又叫焊接區或Refelow區。
          SAC305合金的熔點在217℃-218℃之間④,所以本區域為>217℃的時間,峰值溫度<245℃,時間30-70秒。形成優質焊點的溫度一般在焊料熔點之上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無鉛錫膏的熔點已經在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,筆者所見大部分工廠實際峰值溫度*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,此時焊料開始熔融,繼續線性升溫到峰值溫度后保持一段時間后開始下降到固相線。
          此時錫膏中的各種組分全面發揮作用:松香或樹脂軟化并在焊料周圍形成一層保護膜與氧氣隔絕。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,增強液態焊料的潤濕力?;钚詣├^續與氧化物反應,不斷清除高溫產生的氧化物與被碳化物并提供部分流動性,直到反應完全結束。部分添加劑在高溫下分解并揮發不留下殘留物。高沸點溶劑隨著時間不斷揮發,并在回焊結束時完全揮發。穩定劑均勻分布于金屬中和焊點表面保護焊點不受氧化。焊料粉末從固態轉換為液態,并隨著焊劑潤濕擴展。少量不同的金屬發生化學反應生產金屬間化合物,如典型的錫銀銅合金會有Ag3Sn、Cu6Sn5生成。
          回焊區是溫度曲線中最核心的區段。峰值溫度過低、時間過短,液態焊料沒有足夠的時間流動潤濕,造成“冷焊”、“虛焊”、“浸潤不良(漏銅)”、“焊點不光亮”和“殘留物多”等缺陷;峰值溫度過高或時間過長,造成“PCB板變形”、“元器件熱損壞”、“殘留物發黑”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間、形成*焊接效果的熔融時間之間尋求平衡,以期獲得理想的焊點。
          四.冷卻區D
          焊點溫度從液相線開始向下降低的區段稱為冷卻區。通常SAC305合金錫膏的冷卻區一般認為是217℃-170℃之間的時間段(也有的文獻提出*到150℃)。
          由于液態焊料降溫到液相線以下后就形成固態焊點,形成焊點后的質量短期內肉眼無法判斷,所以很多工廠往往不是很重視冷卻區的設定。然而焊點的冷卻速率關乎焊點的長期可靠性,不能不認真對待。
          冷卻區的管控要點主要是冷卻速率。經過很多焊錫實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。
          通常人們的直覺認為應該緩慢降溫,以抵消各元器件和焊點的熱沖擊。然而,回流焊錫膏釬焊慢速冷卻會形成更多粗大的晶粒,在焊點界面層和內部生較大Ag3Sn、Cu6Sn5等金屬間化合物顆粒。降低焊點機械強度和熱循環壽命,并且有可能造成焊點灰暗光澤度低甚至無光澤。
          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,使焊點力學性能和可靠性得到明顯的提升與改善。
          生產應用中,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、元器件和焊點能承受的熱沖擊來考量。應該在保證焊點質量時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℃。工廠在選擇設備時,*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:

          雙軌回流焊爐通過同時平行處理兩個電路板,可使單個雙軌爐的產能提高兩倍。目前, 電路板制造商僅限于在每個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處理兩塊差異更大的電路板成為現實。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,回流焊爐的風扇推動氣體(空氣或氮氣)經過加熱線圈,氣體被加熱后,通過孔板內的一系列孔口傳遞到產品上。

           


          雙軌回流焊PCB已經相當普及,并在逐漸變得復那時起來,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,緊湊的低成本的產品。到今天為止,雙軌回流焊板一般都有通過回流焊接上面(元件面),然后通過波峰焊來焊接下面(引腳面)。


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