SMT关键工序-再流焊工艺控制.ppt

SMT关键工序-再流焊工艺控制,1.再流焊定义,再流焊Reflowsoldring，通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏状软钎焊料，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。,印刷注射滴涂电镀预制焊片,高速机多功能高精机异形专用机手工贴片,热板红外热风热风加红外气相再流焊,2.再流焊原理,37Pb/63Sn铅锡焊膏再流焊温度曲线,从温度曲线分析再流焊的原理：当PCB进入升温区（干燥区）时，焊膏中的溶剂、气体蒸发掉，焊膏软化、塌落、覆盖了焊盘，将焊盘、元件焊端与氧气隔离；PCB进入保温区时，使PCB和元器件得到充分的预热，以防PCB突然进入焊接高温区而损坏PCB和元器件；在助焊剂活化区，焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元件焊端，并清洗氧化层；当PCB进入焊接区时，温度迅速上升使焊膏达到熔化状态，液态焊锡润湿PCB的焊盘、元件焊端，同时发生扩散、溶解、冶金结合，漫流或回流混合形成焊锡接点；PCB进入冷却区，使焊点凝固。此时完成了再流焊。,3.再流焊工艺特点,自定位效应（selfalignment）当元器件贴放位置有一定偏离时，由于熔融焊料表面张力作用，当其全部焊端或引脚与相应焊盘同时被润湿时，在表面张力作用下，自动被拉回到近似目标位置的现象；,自定位效应（selfalignment）,再流焊前,再流焊后,再流焊中,4.再流焊的分类,1)按再流焊加热区域可分为两大类：a对PCB整体加热；b对PCB局部加热。2)对PCB整体加热再流焊可分为：热板再流焊、红外再流焊、热风再流焊、热风加红外再流焊、气相再流焊。3)对PCB局部加热再流焊可分为：激光再流焊、聚焦红外再流焊、光束再流焊、热气流再流焊。,热传导方式,传导热板、热丝再流焊、气相再流对流热风、热气流再流焊辐射激光、红外、光束再流焊实际情况下，所有传导方式都以不同的比例同时存在！,5.再流焊的工艺要求,1)设置合理的温度曲线并定期做温度曲线的实时测试。2)要按照PCB设计时的焊接方向进行焊接。3)焊接过程中严防传送带震动。4)必须对首块印制板的焊接效果进行检查。检查焊接是否充分、焊点表面是否光滑、焊点形状是否呈半月状、锡球和残留物的情况、连焊和虚焊的情况。还要检查PCB表面颜色变化等情况。并根据检查结果调整温度曲线。在整批生产过程中要定时检查焊接质量。,高质量高直通率高可靠（寿命保证）,不提倡检查-返修或淘汰的-贯做法，更不容忍错误发生。任何返修工作都可能给成品质量添加不稳定的因素。,再流焊质量要求,返修的潜在问题,返修工作都是具有破坏性的特别是当前组装密度越来越高，组装难度越来越大,尽量避免返修，或控制其不良后果！,返修会缩短产品寿命,过去我们通常认为，补焊和返修，使焊点更加牢固，看起来更加完美，可以提高电子组件的整体质量。但这一传统观念并不正确。,6.影响再流焊质量的因素,再流焊是SMT关键工艺之一。表面组装的质量直接体现在再流焊结果中。但再流焊中出现的焊接质量问题不完全是再流焊工艺造成的。因为再流焊接质量除了与焊接温度（温度曲线）有直接关系以外，还与生产线设备条件、PCB焊盘和可生产性设计、元器件可焊性、焊膏质量、印制电路板的加工质量、以及SMT每道工序的工艺参数、甚至与操作人员的操作都有密切的关系。,(1)PCB焊盘设计对再流焊质量的影响,SMT的组装质量与PCB焊盘设计有直接的、十分重要的关系。如果PCB焊盘设计正确，贴装时少量的歪斜可以在再流焊时，由于熔融焊锡表面张力的作用而得到纠正（称为自定位或自校正效应）；相反，如果PCB焊盘设计不正确，即使贴装位置十分准确，再流焊后反而会出现元件位置偏移、吊桥等焊接缺陷。,(2)焊膏质量、及焊膏的正确使用对再流焊质量的影响,焊膏中的金属微粉含量、颗粒度、金属粉末的含氧量、黏度、触变性都有一定要求。,焊膏质量,如果金属微粉含量高,再流焊升温时金属微粉随着溶剂、气体蒸发而飞溅；颗粒过大，印刷时会影响焊膏的填充和脱膜；如金属粉末的含氧量高，还会加剧飞溅，形成焊锡球，同时还会引起不润湿等缺陷；另外，如果焊膏黏度过低或焊膏的保形性（触变性）不好，印刷后焊膏图形会塌陷，甚至造成粘连，再流焊时也会形成焊锡球、桥接等焊接缺陷。,焊膏使用不当,例如从低温柜取出焊膏直接使用，由于焊膏的温度比室温低，产生水汽凝结，再流焊升温时，水汽蒸发带出金属粉末，在高温下水汽会使金属粉末氧化，飞溅形成焊锡球，还会产生润湿不良、等问题。,(3)元器件焊端和引脚、印制电路基板的焊盘质量对再流焊质量的影响,当元器件焊端和引脚、印制电路基板的焊盘氧化或污染，或印制板受潮等情况下，再流焊时会产生润湿不良、虚焊，焊锡球、空洞等焊接缺陷。,解决措施,措施1：采购控制措施2：元器件、PCB、工艺材料的存放、保管、发放制度措施3：元器件、PCB、材料等过期控制（过期的物料原则上不允许使用，必须使用时需要经过检测认证，确信无问题才能使用）,举例1：元器件质量控制,(a)尽量定点采购要与元件厂签协议，必须满足可贴性、可焊性和可靠性的要求；(b)如果分散采购，要建立入厂检验制度，抽测以下项目：电性能、外观（共面性、标识、封装尺寸、包装形式）可焊性（包括润湿性试验、抗金属分解试验）。(c)防静电措施。(d)注意防潮保存。(e)元器件的存放、保管、发放均有一套严格的管理制度，做到先进先出、帐、物、卡相符，库管人员受到培训、库房条件能保证元器件的质量不至于受损。,aPCB的焊盘图形及尺寸、阻焊膜、丝网、导通孔的设置应符合SMT印制电路板设计要求。（例：检查焊盘间距是否合理、丝网是否印到焊盘上、导通孔是否做在焊盘上等）bPCB的外形尺寸应一致，PCB的外形尺寸、定位孔、基准标志等应满足生产线设备的要求。cPCB允许翘曲尺寸：0.0075mm/mm向上/凸面：最大0.2mm/50mm长度凸面最大0.5mm/整块PCB长度方向向下/凹面：最大0.2mm/50mm长度凹面最大1.5mm/整块PCB长度方向d预防PCB受潮或污染（对已受潮、污染的PCB作清洗和烘烤处理）,举例2：PCB质量控制,由于一般中、小企业都不具备材料的检测手段，因此对于焊膏、贴片胶、棒状焊料、焊剂、清洗剂等表面组装材料一般不作检验，主要靠对焊膏、贴片胶等材料生产厂家的质量认证体系的鉴定，并固定进货渠道，定点采购。（有条件的大型企业应做质量认证）进货后主要检查产品的包装、型号、生产厂家、生产日期和有效使用期是否符号要求，检查外观、颜色、气味等方面是否正常。另外，在使用过程中观察使用效果，发现问题及时与供应商或生产厂家取得联系。首次使用的新焊膏，应做一些常规检测。如外观、气味、印刷性、触变性、常温使用寿命、焊点外观质量、焊后的锡球、残留物、清洗性等是否能满足要求。如高品质要求的产品，还要在产品的电性能测试中做验证。,举例3：工艺材料质量控制,(4)焊膏印刷质量,据资料统计，在PCB设计正确、元器件和印制板质量有保证的前提下，表面组装质量问题中有60%80%的质量问题出在印刷工艺。,少印,粘连,塌边,错位,保证贴装质量的三要素：a元件正确b位置准确c压力（贴片高度）合适。,(5)贴装元器件,正确,不正确,(6)再流焊温度曲线,温度曲线是保证焊接质量的关键，实时温度曲线和焊膏温度曲线的升温斜率和峰值温度应基本一致。160前的升温速率控制在12/s。如果升温斜率速度太快，一方面使元器件及PCB受热太快，易损坏元器件，易造成PCB变形。另一方面，焊膏中的熔剂挥发速度太快，容易溅出金属成份，产生焊锡球；峰值温度一般设定在比合金熔点高3040左右（例63Sn/37Pb焊膏的熔点为183，峰值温度应设置在215左右），再流时间为6090s。峰值温度低或再流时间短，会使焊接不充分，不能生成一定厚度的金属间合金层。严重时会造成焊膏不熔。峰值温度过高或再流时间长，使金属间合金层过厚，也会影响焊点强度，甚至会损坏元器件和印制板。,设置再流焊温度曲线的依据,a不同金属含量的焊膏有不同的温度曲线，首先应按照焊膏加工厂提供的温度曲线进行设置，因为焊膏中的焊料合金决定了熔点，助焊剂决定了活化温度（主要控制各温区的升温速率、峰值温度和回流时间）。b根据PCB板的材料（塑料、陶瓷、金属）、厚度、是否多层板、尺寸大小。c根据表面组装板搭载元器件的密度、元器件的大小以及有无BGA、CSP等特殊元器件进行设置。,d还要根据设备的具体情况，例如加热区长度、加热源材料、再流焊炉构造和热传导方式等因素进行设置。热风炉和红外炉有很大区别，红外炉主要是辐射传导，其优点是热效率高，温度陡度大，易控制温度曲线，双面焊时PCB上、下温度易控制。其缺点是温度不均匀。在同一块PCB上由于器件的颜色和大小不同、其温度就不同。为了使深颜色器件周围的焊点和大体积元器件达到焊接温度，必须提高焊接温度。热风炉主要是对流传导。其优点是温度均匀、焊接质量好。缺点是PCB上、下温差以及沿焊接炉长度方向温度梯度不易控制。,e还要根据温度传感器的实际位置来确定各温区的设置温度。f还要根据排风量的大小进行设置。g环境温度对炉温也有影响，特别是加热温区短、炉体宽度窄的再流焊炉，在炉子进出口处要避免对流风。,(7)再流焊设备对焊接质量的影响,a温度控制精度；b传输带横向温度均匀，无铅焊接要求2；c加热区长度越长、加热区数量越多，越容易调整和控制温度曲线，无铅焊接应选择7温区以上；d最高加热温度一般为300350，考虑无铅焊料或金属基板，应选择350以上；e要求传送带运行平稳，震动会造成移位、吊桥、冷焊等缺陷；g应具备温度曲线测试功能，否则应外购温度曲线采集器。,热风回流炉结构示意图,冷却,废气回收,加热效率、横向温度均匀性、温度控制精度与空气流动设计以及设备结构、软硬件配置有关,气流应有好的覆盖面，气流过大、过小都不好对流效率（速度，流量，流动性，渗透能力）温区风速是否可调PID温度控制精度加热源的热容量传送速度精度和稳定性排风要求及Flux处理能力冷却效率,气流设计：垂直、水平、大回风、小回风,设备结构与材料的影响,导轨材料的比热，导轨加热定轨缩进设计导轨边上平行度调整装置3与4区、5与6区之间有支撑炉盖的压条，影响空气流动,传统的支撑条贯穿整个加热区，会阻碍空气向PCB流动，增加PCB上的温差。改进：只在回流区和冷却区设置支撑结构，去除预热区的支撑结构(预热区150，不容易造成PCB变形)。,7.如何正确测试再流焊实时温度曲线,（1）利用再流焊炉自带的具有耐高温导线的热电耦或温度采集器，及温度曲线测试软件（KIC）进行测试。,热电偶测温基本原理,热电偶的测温原理是基于1821年塞贝克（Seebeck）发现的热电现象。利用两种不同材质的导体连接在一起，构成一个闭合回路，当两个接点的温度不同时，在回路中就会产生热电动势，此种现象就称为热电效应。当测量端与参比端存在温差时，就会产生热电势，利用工作仪表便能显示出热电势所对应的温度值。,当两个连结点1和2所处的温度相同时，由于两个连结点上所产生的接触电势大小相等而符号相反，所以此时回路中无电流通过。当两个连结点的温度不同，分别为T1和T2时，则在两个连结点上产生的接触电势不一样，回路中就有电流通过。此时，在回路中接入毫伏表或电位差计，就可以测出由于两连结点温度不同所产生的电势差。,将两种不同的金属导线A、B连结起来组成一个闭合回路,SMT测量实时温度曲线系统就是运用了此原理,温差电势E的值与两个连结点温度差T成一定的函数关系：E=f（T）若将其中的一个连结点作为参考点，并维持温度恒定不变（常用冰水混合物，以维持0）那么,温差电势的大小就只与另一个连结点(测温点)的温度(T)有关.此时,关系式为:E=f（T）,根据这一对不同金属导线中的温差电势值就能显示出测温点的温度。,测温方式：分为接触式和非接触式两大类,接触式测温仪表测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。,SMT热电偶采用接触式测温方式,（3）热电偶的固定方法,将热电偶固定在电路板的各个位置上，可以在焊接过程中监测实时温度曲线。固定方法有许多种，主要有四种方法：(a)高温焊料；(b)采用胶粘剂；(c)胶粘带；(d)机械固定。其目的是获得各个关键位置的精确可靠的温度数据。,热电偶的固定方法对数据质量（真实性）的影响极大,固定方法(a)高温焊料,(a)高温焊料需要至少含铅90、熔点超过289的焊料，这样，焊料在回流焊时就不会熔化。优点：高温焊料具有良好的导热性，有助于将误差减到最小，即使在热电偶结略微脱离电路板表面的情况下也是如此。它能提供很好的机械固定性能。缺点：焊接需要相当的技巧，否则容易损坏元件、焊点或焊盘；这种方法不能用于未经焊接的电路板，也不能用于将热电偶固定到不可焊的表面，如陶瓷与塑料元件体，和PCB板面。,(左)边的热电偶安装不良。大的焊点大大地增加了引脚的热容量。,固定方法(b)采用胶粘剂,(b)采用胶粘剂此方法可将热电偶固定到塑料、陶瓷元件等不可焊的表面。常用的胶粘剂有两类：一类是UV活化胶，它可在几秒钟内将热电偶固定，但只能工作于120左右；另一类专用的高温双组份环氧胶的耐温可达260，但固化时间长，很不方便（大多采用贴片胶）。,此方法在SMT中很少使用。主要缺点：胶粘剂导热性较差，如果在固定热电偶时使用过多的胶粘剂，将会产生不良的热传导；残留的胶不容易去除；如用小刀很容易造成损坏电路板。,固定方法(c)胶粘带,(c)胶粘带高温胶粘带，可在任何表面方便地使用。但是，必须使其与被测表面紧密接触。缺点：即使结点少量翘起，只离开被测表面千分之一英寸，其测量温度也将主要是周围环境的温度，它在一定程度上受到热辐射的影响；另外，利用胶带在高密度区固定热电偶很困难，甚至不可能。一种行之有效的方法是，将热电偶导线弯成一个小钩子的形状。,固定方法(d)机械固定,(d)机械固定有纸夹固定法、镙钉固定法、机械式热电偶支撑器。纸夹和镙钉固定法只能用于板边的测量。纸夹固定快捷方便的，但不能牢固而可靠地固定热电偶。操作中如不小心拉动线，会导致热电偶移动。镙钉固定坚固、可靠。但容易损坏电路板。而且热容量和来自板背面或内部铜层的热传导会使温度显示失真。机械式热电偶支撑器具有以下优点：很容易牢固地地夹在电路板的边缘；可将热电偶结点固定在电路板的任何位置，包括元件间的窄小空间；弹簧张力使热电偶结点接触任何类型的表面；低热容的热电偶结点可以快速响应温度的变化；不需要焊接，因此不会破坏电路板；结点直径小，可在BGA中心下面的电路板上钻一个小孔，可以精确建立器件的回流温度曲线。而且拆除仅需几秒钟。,最新的方法是使用Temprobe，一种机械式热电偶支撑器，能可靠地测量任何表面、任何位置的温度。,各种固定方法测温准确性比较（峰值温度235时）,(a)高温焊料：平均12(b)胶粘剂：34(c)胶粘带：（翘起时测量的是周围热空气温度，最高比实际温度超出10左右）(d)机械固定：12,各种固定方法测温误差平均23高温焊料和机械固定的测温准确性比较好,如何获得精确的测试数据,在比较多条热电偶、或接点的多种连接方法时，一个基本条件是被附着材料的热特性应相同。理想的情况是将它们固定在同一个焊盘上进行比较。如果不能固定在同一块焊盘上，就应注意测试点之间的差异，如PCB内层大面积铺地和相邻的大型元件吸热等。由于各测试点的热响应不同。会导致升温或降温时，一处可能领先或滞后于另一处。,要验证这一点，可将热电偶交换并重新测试。如果所测温度曲线相同，说明各测试点的热响应相同，热电偶比较是有效的。,（5）实时温度曲线的测试步骤,准备一块焊好的实际产品表面组装板。使用假件、舍弃某些器件不贴片、光板，都不能反应实际热容量与空气对流传导的效率。因此只能作试验至少选择三个以上测试点（一般有39个测试点）选取能反映出表面组装板上高（热点）、中、低（冷点）有代表性的三个温度测试点。最高温度（热点）一般在炉堂中间，无元件或元件稀少及小元件处；最低温度（冷点）一般在大型元器件处（如PLCC）、大面积布铜处、传输导轨或炉堂的边缘处、热风对流吹不到的位置。,用高温焊料将三根热电耦的三个测试端焊在三个焊点上（必须将原焊点上的焊料清除干净）。或用高温胶带纸将三根热电耦的三个测试端粘在PCB的三个温度测试点位置上，特别要注意，必须粘牢。如果测试端头翘起，采集到的温度不是焊点的温度，而是周围热空气温度。将三根热电耦的另外一端插入机器台面的1、2、3插孔的位置上，或插入采集器的插座上。注意极性不要插反。并记住这三根热电耦在表面组装板上的相对位置。,将被测的表面组装板置于再流焊机入口处的传送链/网带上，同时启动测试软件。随着PCB的运行，在屏幕上画实时曲线。当PCB运行过最后一个温区后，拉住热电耦线将表面组装板拽回，此时完成了一个测试过程。在屏幕上显示完整的温度曲线和峰值表。（如果使用采集器，应将采集器放在表面组装板后面，略留一些距离，并在出口处接出，然后通过计算机软件调出温度曲线）,8.如何正确分析与调整再流焊温度曲线,测定实时温度曲线后应进行分析和调整，以获得最佳、最合理的温度曲线。（1）根据焊接结果，结合实时温度曲线和焊膏温度曲线作比较。并作适当调整（以Sn63/Pb37焊膏为例）a）实时温度曲线和焊膏温度曲线的升温斜率和峰值温度应基本一致。b）从室温到100为升温区。升温速度控制在2/s。或160前的升温速度控制在12/s。,37Pb/63Sn铅锡焊膏再流焊温度曲线,c）从100150（160）为保温区。约6090s。如果升温斜率速度太快，一方面使元器件及PCB受热太快，易损坏元器件，易造成PCB变形。另一方面，焊膏中的熔剂挥发速度太快，容易溅出金属粉末，产生锡球；如果预热温度太高、时间过长，容易使金属粉末氧化，影响焊接质量；d）从150183为快速升温区，或称为助焊剂浸润区。理想的升温速度为1.23.5/s，但目前国内很多设备很难实现，大多控制在3060s（有铅焊接时还可以接受）。当温度升到150160时，焊膏中的助焊剂开始迅速分解活化，如时间过长会使助焊剂提前失效，影响液态焊料浸润性，影响金属间合金层的生成；,e）183183是焊膏从融化到凝固的焊接区，或称为回流区。一般为6090s。f）峰值温度一般定在比焊膏熔点高3040左右（Sn63/Pb37焊膏的熔点为183，峰值温度为210230左右）。这是形成金属间合金层的关键区域。大约需要1530s。焊接热是温度和时间的函数。温度高，时间可以短一些；温度低，时间应长一些。峰值温度低或再流时间短，会使焊接不充分，金属间合金层太薄（0.5m），严重时会造成焊膏不熔；峰值温度过高或再流时间长，造成金属粉末严重氧化，合金层过厚（4m），影响焊点强度，严重时还会损坏元器件和印制板，从外观看，印制板会严重变色。,（2）调整温度曲线时应按照热容量最大、最难焊的元件为准。要使最难焊元件的焊点温度达到210以上。特别注意：（a）热电偶的连接是否有效。（b）考虑到热电偶与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，存在测温的延迟现象，必要时应验证测试数据的有效性（特别在升温斜率较高，或传送速度较快时）。,（3）考虑热耦测温系统精度（每台炉子都有差别）,热电偶零点偏移(最多达7)热电偶测温误差0.75%t1.725连接材料误差23各种固定方法误差23热偶滞后于板面真实温度110测温仪精度2,峰值温度230时,应充分了解自家设备的构造、能力、测温系统的精度,设置温度曲线应考虑系统精度：保留系统误差的工艺窗口（例如：）,（4）考虑再流焊炉的热分布,再流焊炉横向热分布再流焊炉上、下热分布再流焊炉的温度稳定性,（5）传送带速度的设置,传送带速度应根据炉子的加热区长度、温度曲线要求进行设置和调整。链速与加热区长度成正比。因此产量大应选择加热区长度大的炉子。改变链速对温度曲线的影响改变炉温设置。链速改变幅度必须适中，因为改变链速对每个温区都有影响。,总结：从以