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        陳經理
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        SMT工藝中回流爐的溫度曲線你會看嗎?

        發布時間:2021-10-12 瀏覽:次 責任編輯:晉力達

        回流焊是SMT生產中重要的工藝環節,它是一種自動群焊過程,成千上萬個焊點在短短幾分鐘內一次完成,其焊接質量的優劣直接影響到產品的質量和可靠性,對于數字化的電子產品,產品的質量幾乎就是焊接的質量。做好回流焊接,人們都知道關鍵是設定回流爐的爐溫曲線,有關回流爐的爐溫曲線,許多專業文童中均有報導,但面對一臺新的回流爐,如何盡快設定回流爐溫度曲線呢?這就需要我們首先對所使用的錫膏中金屬成分與焙點、活性溫度等特性有一個全面了解,對回流爐的結構,包括加熱溫區的數量、熱風系統、加熱器的尺寸及其控溫精度、加熱區的有效長度、冷卻區特點、傳送系統等應有一個全面認識,以及對焊接對象一表面貼裝組件( SMA )尺寸、組件大小及其分布做到心中有數,不難看出,回流焊是SMT工藝中復雜而又關鍵的一環,它涉及到材料、設備、熱傳導、焊接等方面的知識。


        本文將從分析典型的焊接溫度曲線入手,較為詳細地介紹如何正確設定回流爐溫度曲線,并實際介紹 BGA 以及雙面回流焊的溫度曲線的設定。

        理想的溫度曲線

        圖 1 是中溫錫膏( Sn63 / Sn62 )理想的紅外回流溫度曲線,它反映了 SMA 通過回流爐時, PCB 上某一點的溫度隨時間變化的曲線,它能直觀反映出該點在整個焊接過程中的溫度變化,為獲得最佳焊接效果提供了科學的依據,從事 SMT焊接的工程技術人員,應對理想的溫度曲線有一個基本的認識,該曲線由四個區間組成,即預熱區、保溫區/活性區、回流區、冷卻區,前三個階段為加熱區,最后一階段為冷卻區,大部分焊錫膏都能用這四個溫區成功實現回流焊。故紅外回流爐均設有 4 - 5 個溫度,以適應焊接的需要。


        為了加深對理想的溫度曲線的認識,現將各區的溫度、停留時間以及焊錫膏在各區的變化情況,介紹如下:

        1 、預熱區

        預熱區通常指由室溫升至 150 ℃ 左右的區域。在這個區域, SMA 平穩升溫,在預熱區,焊膏中的部分溶劑能夠及時揮發,元器件特別是 Ic 器件緩緩升溫,以適應以后的高溫。但 SMA 表面由于元器件大小不一,其溫度有不均勻現象,在預熱區升溫的速率通??刂圃?1.5 ℃ -3 ℃/ sec。若升溫太快,由于熱應力的作用,導致陶瓷電容的細微裂紋、 PCB 變形、 IC 芯片損壞,同時錫膏中溶劑揮發太快,導致飛珠的發生。爐子的預熱區一般占加熱信道長度的 1 / 4 - 1 / 3 ,其停留時間計算如下:設環境溫度為 25 ℃ ,若升溫速率按 3 ℃/sec 。計算則( 150 一 25 ) / 3 即為 42 sec ,若升溫速率按 1. 5 ℃/ sec 。計算則( 150 一 25 ) / 1 . 5 即為 85sec。通常根據組件大小差異程度調整時間以調控升溫速率在 2 ℃ / sec。以下為最佳。

        2 、保溫區/活性區

        保溫區又稱活性區,在保溫區溫度通常維持在 150 ℃ 士 10 ℃ 的區域,此時錫膏處于熔化前夕,焊膏中的揮發物進一步被去除,活化劑開始激活,并有效地去除焊接表面的氧化物, SMA 表面溫度受熱風對流的影響,不同大小、不同質地的元器件溫度能保持均勻,板面溫度差 △T 接近最小值,曲線形態接近水平狀,它也是評估回流爐工藝性的一個窗口,選擇能維持平坦活性溫度曲線的爐子將提高 sMA 的焊接效果,特別是防止立碑缺陷的產生。通常保溫區在爐子的二、三區之間,維持時間約 6 0-120s,若時間過長也會導致錫膏氧化問題,以致焊接后飛珠增多。

        3 、回流區

        回流區的溫度最高, SMA 進入該區后迅速升溫,并超出錫膏熔點約 30 ℃ 一 40 ℃ ,即板面溫度瞬時達到 215 ℃ 一 225 ℃ (此溫度又稱之為峰值溫度),時間約為 5 一 10sec ,在回流區焊膏很快熔化,并迅速潤濕焊盤,隨看溫度的進一步提高,焊料表面張力降低,焊料爬至組件引腳的一定高度,形成一個彎月面。從微觀上看,此時焊料中的錫與焊盤中的銅或金由于擴散作用而形成金屬間化合物,以錫銅合金為例,當錫膏熔化后,并迅速潤濕銅層,錫原子與銅原子在其界面上互相滲透初期 Sn - - Cu 合金的結構為 Cu6Sn5 ,其厚度為 1 一 3μ , 若時間過長、溫度過高時, Cu原子進一步滲透到Cu6Sn5 中,其局部組織將由 Cu6Sn5 轉變為 Cu3Sn 合金,前者合金焊接強度高,導電性能好,而后者則呈脆性,焊接強度低、導電性能差, SMA 在回流區停留時間過長鼓溫度超高會造成 PCB 板面發黃、起泡、以致元器件損壞。 SMA在理想的溫度下回流, PCB色質保持原貌,焊點光亮。在回流區,錫膏熔化后產生的表面張力能適度校準由貼片過程中引起的元器件引腳偏移,但也會由于焊盤設計不正確引起多種焊接缺陷,如立碑、橋聯等?;亓鲄^的升溫速率控制在 2.5 -3 ℃/sec ,一般應在 25sec一 30sec 內達到峰值溫度。

        4 、冷卻區

        SMA 運行到冷卻區后,焊點迅速降溫,焊料凝固。焊點迅速冷卻可使焊料晶格細化,結合強度提高,焊點光亮,表面連續呈彎月面狀。通常冷卻的方法是在回流爐出口處安裝風扇,強行冷卻。新型的回流爐則設有冷卻區,并采用水冷載風冷。理想的冷卻曲線同回流區升溫曲線呈鏡面對稱分布。在大生產中,每個產品的實際工作曲線,應根據 SMA 大小、組件的多少及品種反復調節才能獲得,從時間上看,整個回流時間為 175sec 一 295sec即 3 分鐘-5分鐘左右,(不包括進入第一溫區前的時間)。

        溫度曲線的設定

        1 、測試工具:在開始測定溫度曲線之前,需要有溫度測試儀,以及與之相配合的熱電偶,高溫焊錫絲、高溫膠帶以及待測的 SMA ,當然有的回流爐自身帶有溫度測試儀,(設在爐體內),但因附帶的熱電偶較長,使用不方便,不如專用溫度測試記錄儀方便。特別這類測試儀所用的小直徑熱電偶,熱量小、響應快、得到的結果精確。

        2 、熱電偶的位置與固定熱電偶的焊接位置也是一個應認真考慮的問題,其原則是對熱容量大的組件焊盤處別忘了放置熱電偶,見圖 2 ,此外對熱敏感組件的外殼, PCB 上空檔處也應放置熱電偶,以觀察板面溫度分布狀況。


        將熱電偶固定在PCB上最好的方法是采用高溫焊料(Sn96Ag4)焊接在所需測量溫度的地方,此外還可用高溫膠帶固定,但效果沒有直接焊接的效果好??傊鶕MA大小咲及復雜減度設有3個或更多的電偶。電偶數量越多,其對了解SMA板面的受熱情況越全面。

        3、 錫膏性能

        對于所使用錫膏的性能參數也是必須考慮的因素之一,首先是考慮到其合金的熔點,即回流區溫度應高于合金熔點的30-40℃。其次應考慮錫膏的活性溫度嘆及持續的時間,有條件時應與錫膏供應商了解,也可以參考供應商提供的溫度曲線。

        4、 爐子的結構

        對于首次使用的回流爐,應首先考察一下爐子的結構??匆豢从袔讉€溫區,有幾塊發熱體,是否獨立控溫。熱電偶放墨在何處。熱風的形成與特點,是否構成溫區內循環,風速是否可調節。每個加熱區的長度以及加熱溫區的總長度。目前使用的紅外回流爐,一般有四個溫區,每個加熱區有上下獨立發熱體。熱風循環系統各不相同,但基本上能保持各溫區獨立循環。通常第一溫區為預熱區,第二、三溫區為保溫區,第四溫區為回流區,冷卻溫區為爐外強制冷風,近幾年來也出現將冷卻區設在爐內,并采用水冷卻系統。當然這類爐子其溫區相應增多,以至出現八溫區以上的回流爐。隨著溫區的増多,其溫度曲線的輪廓與爐子的溫度設蚤將更加接近,這將會方便于爐溫的調節。但隨著爐子溫區増多,在生產能力増加的同時其能耗増大、費用增多。

        5、 爐子的帶速

        設定溫度曲線的第一個考慮的參數是傳輸帶的速度設定,故應首先測量爐子的加熱區總長度,再根據所加工的SMA尺寸大小、元器件多少以及元器件大小或熱容量的大小決定SMA在抑熱區所運行的時間。正如前節所說,理想爐溫曲線所需的焊接時間約為3-5分鐘,因此不難看出有了加熱區的長度,以及所需時間,就可以方便地計算出回流爐運行速度。

        各區溫度設定:

        接下來必須設定各個區的溫度,通?;亓鳡t儀表顯示的溫度僅代表各加熱器內熱電偶所處位置的溫度,并不等于SMA經過該溫區時其扳面上的溫度。如果,熱電偶越靠近加熱源,顯示溫度會明顯高于相應的區間溫度,熱電偶越靠近PCB的運行信道,顯示溫度將越能反應區間溫度,因此可打開回流爐上蓋了解熱電偶所設定的位墨。當然也可以用一塊試驗板進行模擬測驗,找出PCB上溫度與表溫設定的關系,通過幾次反復試驗,最終可以找出規律。當速度與溫度確定后,再適當調節其它參數如冷卻風扇速度,強制空氣或N2流量,并可以正式使用所加工的SNA進行測試,并根據實測的結果與理論溫度曲線相比較或與錫膏供應商提供的曲線相比較。并結合環境溫度、回流峰值溫度、焊接效果、以及生產能力適當的協調。最后將爐子的參數記錄或儲存以備后用。雖然這個過程開始較慢和費力,但最終可以以此為依據取得熟練設定爐溫曲線的能力。

        兩種典型的溫度曲線設定

        1、BGA焊接溫度的設定

        BGA是近幾年使用較多的封裝器件,由于它的引腳均處于封裝體的下方,因為焊點間距較大(1.27mm)焊接后不易出現橋連缺陷,但也帶來一些新問題,即焊點易出現空洞或氣泡,而在QFP或PLCC器件的焊接中,這類缺陷相對的要少得多。就其原因來說這與BGA焊點在其下方陰影效應大有關。故會出現實際焊接溫度比其它元器件焊接溫度要低的現狀,此時錫膏中滾劑得不到有效的揮發,包裏在焊料中。圖3為實際測量到的BGA器件焊接溫度。圖中,第一根溫度曲線為BGA外側,第二根溫度曲線為BGA焊盤上,它是通過在PCB上開一小槽,并將熱電偶伸入其中,兩溫度上升為同步上升,但第二根溫度曲線顯示出的溫度要低8℃左右,這是BGA體積較大,其熱容量也較大的緣故,故反映出組件體內的溫度要低,這就告訴我們,盡管熱電偶放在BGA體的外側仍不能如實地反映出BGA焊點處的溫度。因此實際工作中應盡可能地將熱電偶伸入到BGA體下方,并調節BGA的焊接溫度使它與其它組件溫度相兼容。


        2、雙面板焊接溫度的淞

        早期對雙面板回流焊接時,通常要求設計人員將器件放在PCB的一側,而將阻容組件放在另一側,其目的是防止第二面焊接時組件在二次高溫時會脫落。但隨著布線密度的増大或SMA功能的増多,PCB雙面布有器件的產品越來越多,這就要求我們在調節爐溫曲線時,不僅在焊接面設定熱電偶而且在反面也應設定熱電偶,并做到在焊接面的溫度曲線符合要求的同時,SMA反面的溫度最高值不應超過錫膏熔化溫度(17913),見圖4


        從圖中看出當焊接面的溫度達到2i5匕時反面最高溫度僅為165匕,未達到焊膏熔化溫度。此時SMA反面即使有大的元器件,也不會出現脫落現象。

        常見有缺陷的溫度曲線

        下列溫度曲線是設定時常見的缺陷:

        1、活性區溫度梯度過大

        立碑是片式組件常見的焊接缺陷,引起的原因是由于組件焊盤上的錫膏熔化時潤濕力不平衡,導致組件兩端的力距不平衡故易引起組件立碑。引起立碑的原因有多方面,其中兩焊盤上的溫度不一致是其原因之一。圖5所示的溫度曲線表明活性區溫度梯度過大,這意味著PCB板面溫度差過大,特別是靠近大器件四周的阻容組件兩端溫度受熱不平衡,錫膏熔化時間有一個延遲故易引起立碑缺陷。解決的方法是調整活性區的溫度。


        2、活性區溫度過低

        圖6所示的溫度曲線表明,活性區溫度過低,此時易引起錫膏中滾劑得不到充分揮發,當到回流區時錫膏中滾劑受高溫易引起激烈揮發,其結果會導致飛珠的形成。


        3、回浚區溫度過高或過低

        圖7中曲線1所不的溫度曲線表明回流溫度過咼,易造成PCB以及兀器件損傷,應降低回流區溫度,而曲線2所示的溫度表明回流溫度過低。此時焊料雖已熔化,但流動性差。焊料不能充分潤濕,故易引起虛焊或冷焊。


        4、熱電耦出故障

        圖8所示溫度曲線,曲線出現明顯抖動,曲線如鋸齒狀,這通常是由于用來測試溫度的熱電耦出現故障。


        綜上所述,面對首次使用的回流爐,當測試溫度曲線時,應對回流爐的結構、錫膏性能、SNA的大小及元器件的分布等全面了解。首先設定帶速,然后調節溫度,并與理想溫度曲線比較,反復調節,就能得到實際產品所需要的溫度曲線和満意的焊接效果。


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