设备管理_再流焊工艺技术与设备概述

第6章再流焊工艺技术与设备 2 主要内容 6 1再流焊设备6 2再流焊原理6 3再流焊工艺要求6 4再流焊工艺流程6 5再流焊接质量控制6 6双面回流焊工艺6 7双面BGA工艺6 8通孔插装元件再流焊工艺 3 6 1再流焊设备 再流焊炉是焊接表面贴装元器件的设备 再流焊炉主要有红外炉 热风炉 红外加热风炉 蒸汽焊炉等 目前最流行的是全热风炉 Heller1707回流焊炉 4 6 1再流焊设备 6 1 1焊接传热的三种基本方式热传导 热对流和热辐射 1 热传导是指在不涉及物质转移的情况下 热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位 或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程 简称导热 5 6 1再流焊设备 2 热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换 决定换热强度的主要因素是对流的运动情况 3 热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象 它是波长在0 1 100微米之间的电磁辐射 因此与其他传热方式不同 热量可以在没有中间介质的真空中直接传递 实际情况下 所有传导方式都以不同的比例同时存在 6 6 1再流焊设备 在全热风回流焊炉中BGA 热对流只对周边焊球起主要作用 中间焊球主要是热传导 热风炉的传热方式 热对流和热传导起主要作用红外炉的传热方式 热辐射起主要作用 7 6 1再流焊设备 6 1 2再流焊炉的分类 1 按再流焊加热区域可分为两大类 对PCB整体加热 分为箱式和流水式对PCB局部加热 箱式 流水式 8 6 1再流焊设备 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 热板再流焊 主要用于陶瓷基板的再流焊红外再流焊 加热温度不均匀 PCB板上的温差大 不利于焊接热风再流焊 优点是温度均匀 焊接质量好 缺点是PCB上下温差不易控制 温度梯度不易控制 能源消耗大 目前是再流焊设备的首选 热风加红外再流焊 既提高了焊接温度和加快了升温效率 又可以节省能源 气相再流焊 温度控制准确 热转换效率高 可快速升温 无氧环境 PCB受热均匀 不受元器件布局影响 焊接质量好 缺点是成本高 可能产生有毒气体等 9 6 1再流焊设备 3 对PCB局部加热再流焊可分为 激光再流焊 光束再流焊 聚焦红外再流焊 热气流再流焊 激光再流焊 光束再流焊 热量只发射在焊点上 不会损坏元器件和基板 焊接质量好 重复性高 单点焊接速度快 设备十分昂贵 用于特殊元器件的焊接 热气流再流焊 需要针对不同尺寸焊点加工不同尺寸的喷嘴 焊接速度比较慢 用于返修或产品研制 聚焦红外再流焊 适用于返修工作站 10 6 1再流焊设备 6 1 3热风再流焊炉的基本结构是目前应用最广泛的再流焊炉 主要由炉体 上下加热源 PCB传输装置 空气循环装置 冷却装置 排风装置 温度控制装置 废气回收装置以及计算机控制系统组成 11 6 1再流焊设备 6 1 4再流焊炉的主要技术指标a温度控制精度 应达到 0 1 0 2 b传输带横向温差 要求 5 以下 无铅要求 2 以下 c温度曲线测试功能 如果设备无此配置 应外购温度曲线采集器 d最高加热温度 一般为300 350 如果考虑无铅焊料或金属基板 应选择350 以上 e加热区数量和长度 加热区数量越多 加热区长度越长 越容易调整和控制温度曲线 f传送带宽度 应根据最大和最PCB尺寸确定 12 6 2再流焊原理 6 2 1从温度曲线分析再流焊的原理 13 6 2再流焊原理 6 2 2再流焊工艺特点 1 有 再流动 与自定位效应贴装元器件只是被焊膏临时固定在PCB上 焊接时 当焊膏达到熔融温度融化时 焊料还要 再流动 一次 此时元器件受熔融焊料表面张力的作用会发生位置移动 如果焊盘设计正确 元器件端头与焊盘的可焊性良好 元器件的全部焊端或引脚与相应焊盘同时被熔融焊料润湿时 就会产生自定位或称为自校正效应 selfalignment 即当元器件贴放位置有少量偏离时 在表面张力的作用下 能自动被拉回到近似目标位置 14 6 2再流焊原理 对于不同的元器件 自定位效应的作用不同 Chip SOJ SOP PLCC QFP BGA CSP 作用较大 贴装偏移能够通过再流焊纠正 作用较大 贴装偏移能够通过再流焊纠正 作用较小 贴装偏移不能通过再流焊纠正 15 6 2再流焊原理 2 每个焊点的焊料成分与焊料量是固定的再流焊工艺中 焊料是预先分配到印制板焊盘上的 每个焊点的焊料成分与焊料量是固定的 因此再流焊质量与工艺的关系极大 特别是印刷焊膏和再流焊工序 严格控制这些关键工序就能避免或减少焊接缺陷的产生 16 6 3再流焊工艺要求 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 17 6 3再流焊工艺要求 再流焊质量要求 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 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 18 6 3再流焊工艺要求 优良焊点举例 19 6 3再流焊工艺要求 焊点缺陷举例 不润湿 焊膏熔化不完全 半润湿 焊料球 桥接 锡丝 焊点紊乱 裂纹 立碑 移位 20 6 4再流焊工艺流程 焊接前准备 调整传送带宽度 首件表面组装板焊接并检验 21 6 4再流焊工艺流程 6 4 1再流焊温度和速度等工艺参数的设置a根据使用焊膏材料的温度曲线进行设置 应按照焊膏加工厂提供的温度曲线进行设置 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 尺寸大小设定 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 22 6 4再流焊工艺流程 d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 e根据温度传感器的实际位置来确定各温区的设置温度 f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 23 6 4再流焊工艺流程 6 4 2实时温度曲线的测量利用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 24 6 4再流焊工艺流程 测试步骤 准备一块焊好的实际产品表面组装板 至少选择三个以上测试点 一般有3 9个测试点 选取能反映出表面组装板上高 热点 中 低 冷点 有代表性的三个或多个温度测试点三个或多个测温点应选择在PCB的同一个横截面不同元器件的焊点上 用高温胶带纸或高温焊料将三根热电耦的三个测试端固定在PCB的温度测试点位置上 必须粘牢 25 6 4再流焊工艺流程 将三根热电耦的另外一端插入机器温度曲线插孔内 或温度采集器的插孔内 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 如果是温度采集器 则将采集器与PCB一起放在传送导轨上 采集器与PCB之间稍留一些间距 然后启动测试程序 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 则在再流焊炉出口处接出 然后通过计算机软件调出温度曲线 26 6 4再流焊工艺流程 6 4 3实时温度曲线的分析与调整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1 2 s 如果升温速度太快 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 如预热温度太高 时间过长 容易使金属粉末氧化 影响焊接质量 峰值温度一般设定在比合金熔点高30 40 左右 再流时间为60 90s 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 27 6 4再流焊工艺流程 6 4 3实时温度曲线的分析与调整测定实时温度曲线后应进行分析和调整优化 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 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 3 设置温度曲线应考虑所用设备的热耦测温系统精度 4 考虑再流焊炉的热分布 5 考虑传送带的速度 6 风速 风量的设置 28 6 5再流焊接质量控制 6 5 1影响再流焊质量的因素 1 PCB焊盘设计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 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 29 6 5再流焊接质量控制 2 焊膏质量及焊膏的正确使用焊膏质量焊膏中 合金与助焊剂的配比 颗粒度及分布 金属粉末的含氧量 黏度 触变性等都会影响再流焊质量 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 30 6 5再流焊接质量控制 焊膏使用不当焊膏的正确使用与管理见第4章4 6 2节相关知识点 例如焊膏需要提前从冰箱中取出 达到室温时才能搅拌后使用 为什么 如果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 31 6 5再流焊接质量控制 3 元器件焊端和引脚 印制电路基板的焊盘质量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 32 6 5再流焊接质量控制 4 焊膏印刷质量 5 贴装元器件 6 再流焊温度曲线 7 再流焊设备对焊接质量的影响影响再流焊质量的主要参数有 温度控制精度 传送带横向温差 加热区长度 最高加热温度 传送带运行要平稳 应具备温度曲线测试功能 33 6 5再流焊接质量控制 8 总结再流焊质量与PCB焊盘设计 元器件可焊性 焊膏质量 印制电路板的加工质量 生产线设备 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 PCB设计 PCB加工质量 元器件和焊膏质量是保证再流焊质量的基础 因为这些问题在生产工艺中是很难甚至是无法解决的 因此只要PCB设计正确 PCB 元器件和焊膏都是合格的 再流焊质量是可以通过印刷 贴装 再流焊每道工序的工艺来控制的 34 6 5再流焊接质量控制 6 5 2常见焊接缺陷分析与预防对策 P123 135 1 焊膏熔化不完全 2 润湿不良 3 焊料量不足与虚焊 4 立碑和移位 5 焊点桥接或短路 6 焊锡球 7 气孔 空洞 8 吸料现象 9 锡丝 10 元件裂纹缺损 11 元件端头镀层剥落 12 元件侧立 13 元件贴反 14 冷焊 焊点扰动 15 焊锡裂纹 16 焊盘露铜 17 爆米花现象 18 其它 35 6 6双面回流焊工艺 双面回流焊已经大量应用 但是这个工艺制程仍存在一些问题 控制不当时 有些底部的大元件可能会在第二次再流焊过程中掉落 或者底部焊点经过第二次再流焊后部分焊点熔融 造成焊点的可靠性问题 有4种解决方法 用贴片胶粘应用不同熔点的焊锡合金第二次再流焊时将炉子底部的温度调低并吹冷风双面采用相同的温度曲线 36 6 6双面回流焊工艺 方法一 用胶粘住第一面元件 这种方法由于元件在第一次回流焊时已经被固定在PCB上 当它被翻过来第二次回流焊时元件不会掉落 此方法很常用 但是工艺复杂 同时需要额外的设备和操作步骤 增加了成本 37 6 6双面回流焊工艺 方法二 应用不同熔点的焊锡合金 辅面第一次回流采用较高熔点合金 主面第二次回流采用较低熔点合金 这种方法的问题是高熔点的合金则势必要提高回流焊的温度 那就可能会对元件与PCB本身造成损伤 低熔点合金可能受到最终产品的工作温度的限制 也会影响产品可靠性 38 6 6双面回流焊工艺 方法三 第二次回流焊时将炉子底部温度调低 并吹冷风 方法是通过降低第二次回流焊时炉子底部温度 使PCB底部焊点温度低于二次回流的熔点 不至于熔化 对设备有一定的要求 要求炉子底部具备吹冷风的功能 但由于上 下面温差产生内应力 会影响可靠性 实际上很难将PCB上 下拉开30 以上的距离 可能会引起二次熔融不充分 造成焊点质量变差 39 6 6双面回流焊工艺 方法四 双面采用相同温度曲线 对于大多数小元件 由于熔融的焊点的表面张力足够抓住底部元件 二次熔融后完全可以形成可靠的焊点 设计PCB时要满足一定条件 要求元件重量与焊盘面积之比小于30g in2 元件重量与焊盘面积之比是用来衡量是否能进行这种成功焊接一个标准 40 6 6双面回流焊工艺 双面回流采用相同温度曲线时的工艺控制如下 首先要求PCB设计应将大元件布放在主 A 面 小元件放在辅 B 面 设计时遵循原则 Dg P 30g in2不符合以上原则的元件 用胶粘住 先焊B面 后焊A面 41 6 7双面BGA工艺 可以双面贴装BGA PCB设计应将大BGA布放在主 A 面 小BGA布放在辅 B 面 双面都有大BGA时 应尽量交叉排布 辅 B 面大BGA也要满足要求 Dg P 30g in2 双面都有大BGA时 应缓慢升温 尽量减小PCB表面温度变化 42 6 8通孔插装元件再流焊工艺 6 8 1通孔元件再流焊工艺是指把引脚插入填满焊膏的插装孔中 并使用再流焊的工艺方法 可实现对THC和SMC SMD同时进行回流焊 由于有些THC无法片式化 采用传统的波峰焊和手工焊的质量不如再流焊 电子产品中THC的比例只占元件总数的10 5 但组装费用却远高于这个比例 因此通孔元件采用再流焊替代波峰焊已成为当前SMT工艺技术发展动态之一 43 6 8通孔插装元件再流焊工艺 1 通孔元件再流焊与波峰焊相比的优点可靠性高 焊接质量好 不良比率可低于20虚焊 桥接等焊接缺陷少 修板的工作量少PCB板面干净 外观明显比波峰焊好简化了工序 降低成本 增加效益 44 6 8通孔插装元件再流焊工艺 2 通孔元件再流焊与波峰焊相比的缺点在通孔再流焊过程中焊膏的用量比较大 助焊剂挥发物质的沉积对设备的污染比较大 因而需要加强对回流炉助焊剂的回收管理 要求元件耐高温 因此增加了元件的成本 有些产品需要制作专用模板和焊接工装 价格较高 需要同时兼顾THC和SMC SMD 工艺难度增加 45 6 8通孔插装元件再流焊工艺 6 8 2用再流焊替代波峰焊可完成的混装方式单面混装 SMC SMD和THC在PCB的同一面 单面混装 SMC SMD和THC分别在PCB的两面 46 6 8通孔插装元件再流焊工艺 双面混装 THC在A面 A B两面都有SMD SMC 47 6 8通孔插装元件再流焊工艺 6 8 3用再流焊替代波峰焊的适用范围大部分元器件是SMC SMD 少量是THC 特别是一些通孔连接器的场合 THC的外装封材料能够经受再流焊炉的热冲击 如产品上有个别元器件不能经受再流焊炉的热冲击 可以采用后附手工焊接的方法来解决 48 6 8通孔插装元件再流焊工艺 6 8 4对设备的要求 1 印刷设备不能用平面模板印刷焊