SMT焊接工艺及其可靠性(辛春明)de.doc

毕业设计报告 论文 报告 论文 题目 SMT 焊接工艺及其可靠性 作者所在系部 电子工程系 作者所在专业 电子工艺与管理 作者所在班级 10251 作 者 姓 名 辛春明 作 者 学 号 20103025108 指导教师姓名 曹白杨 完 成 时 间 2013 年 6 月 5 日 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院电子工程系 毕业设计 论文 任务书 姓姓 名 名 辛春明 专专 业 业 电子工艺与管 理 班班 级 级 10251 学号 学号 20103025108 指导教师 指导教师 曹白杨 职职 称 称 教授 完成时间 完成时间 2013 年 6 月 5 日 毕业设计 论文 题目 毕业设计 论文 题目 SMT 焊接工艺及其可靠性 设计目标 设计目标 分析 波峰焊 再流焊炉等生产设备 掌握波峰焊 再流焊生产工艺流程 评价焊点质量 分 析其可靠性 技术要求 技术要求 1 波峰焊 再流焊 AOI 自动检测仪及返修工作站等 SMT 设备的使用 熟练操作流程及注意 生产事项 2 完成工艺流程设计 所需仪器设备 所需仪器设备 计算机一台 SMT 设备一套 成果验收形式 成果验收形式 论文 参考文献 参考文献 表面组装工艺基础 实用表面组装技术 电子组装工艺与设备 1 5 周 6 周立题论证 3 9 周 13 周撰写论文 时间时间 安排安排 2 7 周 8 周收集资料 4 14 周 16 周成果验收 指导教师指导教师 教研室主任教研室主任 系主任系主任 北华航天工业学院毕业论文 摘 要 本论文的研究工作是在 SMT 焊接工艺及其可靠性 的课题背景下展开的 详细介 绍了两种 SMT 焊接工艺流程以及进行可靠性分析 一部手机大约有 1500 个焊点 一个交换机系统最少配置也要有 20 万个以上的焊点 要确保成千上万个焊点符合质量要求 最有效的方法就是建立良好而坚固的工艺 良好 而坚固的工艺 意味着高成品率 高质量 高效率 追求良好而坚固的工艺 不仅是产 品质量的要求 也是高密度组装的客观需要 组装的质量最终表现为焊接的质量 焊接 的质量取决于所用的焊接方法 焊接材料 焊接工艺技术和焊接设备 目前用于 SMT 焊 接的方法有多种 既有传统波峰焊 又有适应超细元件和多引脚器件焊接而发展起来的 红外再流焊 汽相焊 激光焊 并研究出与之相适应的各种再流焊炉 包括热板式 红 外式 热风红外式再流焊炉 汽相焊炉 井式与再线式 激光焊机 不管是哪种方法 用哪种设备 其焊接的过程均是在一定时间内将焊料与焊区 元器件引脚和 PCB 焊盘 升高到一定的温度 以致焊料融化并润湿焊接区 随着温度的下降 焊料凝固并形成令 人满意的焊点 本文在深入分析 SMT 焊接工艺的基础上 讨论因焊接不良而使焊点存在的缺陷并着 手分析其可靠性问题 这些内容可以归纳为三个方面 SMT 焊接工艺 焊点缺陷 可靠性 关键词关键词 SMT 波峰焊 再流焊 缺陷 可靠性 北华航天工业学院毕业论文 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景及国内外发展概况 1 1 2 SMT 焊接工艺 2 1 3 SMT 焊接特点 2 1 4 课题的建立以及本文完成的主要工作 2 第 2 章 波峰焊 3 2 1 波峰焊的概念 3 2 2 波峰焊机 3 2 3 波峰焊工作原理 3 2 4 生产工艺过程 4 2 5 波峰焊工艺对元器件和印制电路板的基本要求 5 2 6 焊料和助焊剂 6 2 7 波峰焊工艺曲线解析 6 第 3 章 再流焊 8 3 1 再流焊的概念 8 3 2 再流焊炉的主要技术指标及基本结构 8 3 3 再流焊原理 9 3 4 再流焊工艺特点 与波峰焊技术相比 10 3 5 再流焊工艺要求 10 3 6 再流焊的分类 10 3 7 温度曲线 12 3 7 1 再流焊的温度曲线组成 12 3 7 2 测试温度曲线的注意事项 13 3 7 3 温度曲线的测试方法 14 3 7 4 温度曲线制作的简单估算 16 3 7 5 温度曲线的调整 17 第 4 章 焊点质量及可靠性 18 4 1 焊点的外观评价 18 北华航天工业学院毕业论文 I 4 2 焊点寿命周期内焊点的失效形式 18 4 3 焊接工艺引起的焊点失效机理 19 4 3 1 热应力与热冲击 19 4 3 2 金属的溶解 19 4 3 3 基板和元件的过热 20 4 3 4 超声清洗的损害 20 4 3 5 装卸和移动造成的焊点失效 20 4 3 6 老化 21 4 3 7 焊接疲劳 22 4 3 8 结论 23 4 4 焊接质量检测方法 23 4 4 1 目视检测 24 4 4 2AOI 检测 24 4 5 返修工作站 25 第 5 章 结论 27 致 谢 28 参考文献 29 北华航天工业学院毕业论文 0 焊接工艺及其可靠性 第 1 章 绪论 1 1 课题背景及国内外发展概况 表面组装技术 SMT 是电子先进制造技术的重要组成部分 SMT 的迅速发展和普及 变革了传统电子电路组装的概念 为电子产品的微型化 轻量化创造了基础条件 对于 推动当代信息产业发展起到了独特的作用 成为制造现代电子产品的必不可少的技术之 一 目前 SMT 已经广泛应用于各行各业的电子产品组件和器件的组装中 而且 随着 半导体元器件技术 材料技术 电子与信息技术等相关技术的飞速进步 SMT 的应用还 在不断扩大 其技术也在不断完善和深化发展之总中 近年来 与 SMT 的这种发展现状 与趋势相应 与信息产业和电子产品的飞速发展带来的对 SMT 的技术需求相应 SMT 总 的发展趋势是 元器件越来越小 组装密度越来越高 组装难度也越来越大 最近几年 SMT 又进入一个新的发展高潮 为了进一步适应电子设备向短 小 轻 薄方向发展 出现了 0210 0 6mm 0 3mm 的 CHIP 元年 BGA CSP FLIP CHIP 复合化片式元件 等新型封装元器件 由于 BGA 等元器件技术的发展 非 ODS 清洗和无铅焊料的出现 引 起了 SMT 设备 焊接材料 贴装和焊接工艺的变化 推动电子组装技术向更高阶段发展 SMT 发展速度之快 的确令人惊讶 可以说 每年 每月 每天都有变化 业界知名国际组织 IPC 为实现优良的电子组装焊接技术 制定了一系列相关标准 最直接的就是 IPC A 610 与 IPC J STD 001 两大标准 我国颁布了电子行业标准 SJ T10666 表面组装件的焊点质量评定 对表面组装件的焊点质量评定作了具体的规 定和要求 IPC 标准将电子产品分为 1 1 级 通用类电子产品 2 2 级 专用服务类电子产品 3 3 级 高性能电子产品 目前用于 SMT 焊接的方法有多种 既有传统波峰焊 又有适应超细元件和多引脚器 件焊接而发展起来的红外再流焊 汽相焊 激光焊 并研究出与之相适应的各种再流焊 炉 包括热板式 红外式 热风红外式再流焊炉 汽相焊炉 井式与再线式 激光焊 机 北华航天工业学院毕业论文 1 本论文主要是针对 SMT 生产中的焊接环节 详述焊接工艺流程 在深入分析 SMT 焊 接工艺的基础上 着重讨论波峰焊 回流焊的焊接原理及主要特点 给出焊接缺陷分析 及解决办法 通过本课题的研究来提升工业生产中 SMT 焊接工艺的可靠性 1 2 SMT 焊接工艺 SMT 包含表面组装元件 电路基板 组装材料 组装技术 组装工艺 组装设备 组装质量检测和测试 组装系统控制与管理等多项技术 是一门新型的先进制照技术和 综合型工程科学技术 而在一系列的 SMT 工艺中 焊接是表面组装工艺技术中的主要工艺技术 在 SMT 中 采用软钎焊技术主要有波峰焊和再流焊 一般情况 波峰焊用于混合组装方式 再流焊 用于全表面组装方式 波峰焊是通孔插装技术中使用的传统焊接工艺技术 根据波峰的 形状不同有单波峰焊 双波峰焊 三波峰 复合波峰等形式之分 根据提供热源的方式 不同 再流焊有传导 对流 红外 激光 气相等方式 波峰焊与再流焊之间的基础区别在于热源与钎料的供给方式不同 在波峰焊中 钎 料波峰有俩个作用 一是供热 二是供钎料 再流焊中 热是由再流焊炉自身的加热机 理决定的 焊膏首先是由专用的的设备加以确定的量涂覆的 波峰焊技术与再流焊技术是印制电路板上进行大批量焊接元器件的主要方式 就目 前而言 再流焊技术与装备是 SMT 组装厂商组装 SMD SMC 的主选技术与设备 但波峰焊 任然是一种高效自动化 高产量 可在生产线上串联的焊接技术 因此 在今后相当长 的一段时间内 波峰焊技术与再流焊技术仍然是电子组装的首选技术 1 3 SMT 焊接特点 1 元器件本身受热冲击大 2 要求形成微细化的焊接连接 3 由于表面组装元器件的电极或引线的形状 结构和材料种类繁多 因此要求能对 各种类型的电极或引线都能进行焊接 4 要求表面组装元器件与 PCB 上焊盘图形的接合强度和可靠性高 1 4 课题的建立以及本文完成的主要工作 本文主要包括以下内容 1 主要介绍波峰焊 再流焊 焊接缺陷 焊点可靠性研究 2 以焊接为核心 考虑 SMT 生产中的焊接工艺流程 优化程序结构提高焊点可靠性 北华航天工业学院毕业论文 2 3 根据生产要求 完成焊接的标准化流程 第 2 章 波峰焊 2 1 波峰焊的概念 波峰焊是指将熔化的软钎焊料 铅锡合金 经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊 料波峰 亦可通过向焊料池注入氮气来形成 使预先装有元器件的印制板通过焊料波峰 实现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 按波型个数又分成 单波峰 双波峰 三波峰和复合波峰 4 种 2 2 波峰焊机 波峰焊机 wave soldering unit 能产生焊锡波峰并能自动完成印制板组件焊接 工艺过程的工艺装备 图 2 1 波峰焊设备发明至今已有 50 多年的历史了 在通孔元件电路板的焊接中具有生产效率 高 自动化程度高等优点 因此曾经是电子产品自动化大批量生产中最主要的焊接设备 北华航天工业学院毕业论文 3 包括视觉对中系统 擦板系统 二维 三维测量系统等 2 3 波峰焊工作原理 用于表面贴装元器件的波峰焊设备一般都是双波峰或电磁泵波峰焊机 下面以双波 峰机为例来说明波峰焊原理 当完成点 或印刷 胶 贴装 胶固化 插装通孔元器件的印制电路板从波峰焊机的 入口端随传送带向前运行 通过助焊剂发泡 或喷雾 槽时 使印制电路板的下表面和所 有的元器件端头和引脚表面均匀地涂敷一层薄薄的助焊剂 随传送带运行印制电路板进 入预热区 预热温度在 90 130 使助焊剂中的溶剂被挥发掉 这样可以减少焊接时产 生气体 助焊剂中松香和活性剂开始分解和活性化 可以去除印制电路板焊盘 元器件 端头和引脚表面的氧化膜以及其他污染物 同时起到保护金属表面防止发生再氧化的作 用 印制电路板和元器件充分预热 避免焊接时急剧升温产生热应力损坏印制电路板和 元器件 印制电路板继续向前运行 印制电路板的底面首先通过第一个熔融的焊料波 第一 个焊料波是乱波 即振动波或紊流波 也称 波 使焊料打到印制电路板的底面所有的 焊盘 元器件焊端和引脚上 熔融的焊料在经过助焊剂净化的金属表面上进行浸润和扩 散 然后印制电路板的底面通过第二个熔融的焊料波 第二个焊料波是平滑波 也称 波 平滑波将引脚及焊端之间的连桥分开 并将去除拉尖等焊接缺陷 当印制电路板继 续向前运行离开第二个焊料波后 自然降温冷却形成焊点 即完成焊接 北华航天工业学院毕业论文 4 2 4 生产工艺过程 图 2 2 线路板通过传送带进入波峰焊机以后 会经过某个形式的助焊剂涂敷装置 在这里 助焊剂利用波峰 发泡或喷射的方法涂敷到线路板上 由于大多数助焊剂在焊接时必须 要达到并保持一个活化温度来保证焊点的完全浸润 因此线路板在进入波峰槽前要先经 过一个预热区 助焊剂涂敷之后的预热可以逐渐提升 PCB 的温度并使助焊剂活化 这个 过程还能减小组装件进入波峰时产生的热冲击 它还可以用来蒸发掉所有可能吸收的潮 气或稀释助焊剂的载体溶剂 如果这些东西不被去除的话 它们会在过波峰时沸腾并造 成焊锡溅射 或者产生蒸汽留在焊锡里面形成中空的焊点或砂眼 波峰焊机预热段的长 度由产量和传送带速度来决定 产量越高 为使板子达到所需的浸润温度就需要更长的 预热区 另外 由于双面板和多层板的热容量较大 因此它们比单面板需要更高的预热 温度 锡炉焊接 北华航天工业学院毕业论文 5 图 2 3 PCB 在锡波中分为三个重在区段 进入区 管脚吃锡产生的地方 焊锡在进玫区时 焊锡的 动特性受到器件 管脚的阻挡 当焊锡性 好的本体或管脚浸入熔锡中 熔锡就会变成弧形 改变方向 形成相对应的阴影区域 使部分管脚接触 到焊锡 脱离区 电路格离开锡波的时刻 焊锡与电路板脱离 在傳熱區焊接 電 板因 銲錫完全短 因此必須在脫錫區將多餘的錫 回錫槽內 中间区 介于进入区与脱离区之间 功能上又称传热区 此时电路板与焊锡直接 接触 形成 100 短路 吃錫作用起自於進入區而完成於脫離區 一個界於焊墊與零件端接 點間的有效金屬接合賴以完成雖然零件與溶錫接觸僅 0 1 秒之內即可達到銲錫溫度 但是 為了求得更適切的吃錫性 則需要更長的時間 2 5 波峰焊工艺对元器件和印制电路板的基本要求 1 应选择三层端头结构的表面贴装元器件 元器件体和焊端能经受两次以上 260 波峰焊的温度冲击 焊接后元器件体不损坏或变形 片式元件端头无脱帽现象 2 如采用短插一次焊工艺 焊接面元件引脚露出印制电路板表面 0 8 3mm 3 基板应能经受 260 和 50s 的耐热性 铜箔抗剥强度好 阻焊膜在高温下仍有足 够的粘附力 焊接后阻焊膜不起皱 4 印制电路板翘曲度小于 0 8 一 1 0 5 对于贴装元器件采用波峰焊工艺的印制电路板必须按照贴装元器件的特点进行设 计 元器件布局和排布方向应遵循较小的元件在前和尽量避免互相遮挡的原则 2 6 焊料和助焊剂 目前一般采用 Sn63 Pb37 棒状共晶焊料 熔点 183 助焊剂中的松香树脂和活性剂在一定温度下产生活性化反应 能去除焊接金属表面 氧化膜 同时松香树脂又能保护金属表面在高温下不再氧化 助焊剂能降低熔融焊料的 表面张力 有利于焊料的润湿和扩散 北华航天工业学院毕业论文 6 2 7 波峰焊工艺曲线解析 1 润湿时间 指焊点与焊料相接触后润湿开始的时间 2 停留时间 浸锡时间 PCB 上某一个焊点从接触波峰面到离开波峰面的时间停留 焊接时间的计算方式是 停留 焊接时间 波峰宽 速度 3 预热温度 预热温度是指 PCB 与波峰面接触前达到 的温度 4 焊接温度 焊接温度是非常重要的焊接参数 通常高于焊料熔点 183 C 50 C 60 C 大多数 情况是指焊锡炉的温度实际运行时 所焊接的 PCB 焊点温度要低于炉温 这是因为 PCB 吸热的结果 为 DIP 焊点或焊接面温度曲线 体现焊接面器件的受热与焊接过程 为 TOP 面 元件面的温度曲线 体现器件本体以及 TOP 面 SMT 器件的受热过程 针对于此 其最高温度 焊锡熔点 10 北华航天工业学院毕业论文 7 第 3 章 再流焊 3 1 再流焊的概念 1 概念 再流焊又称回流焊 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 北华航天工业学院毕业论文 8 3 2 再流焊炉的主要技术指标及基本结构 图 3 1 1 技术指标 1 温度控制精度 应达到 0 1 0 2 2 传输带横向温差 要求 5 以下 3 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 4 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 5 加热区数量和长度 加热区数量越多 加热区长度长 越容易调整和控制温度曲 线 一般中小批量生产选择 4 5 温区 加热区长度 1 8m 左右即能满足要求 6 传送带宽度 应根据最大和最 PCB 尺寸确定 2 基本结构 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 以及计算机控制系统组成 再流焊炉是焊接表面组装元器件的设备 再流焊机主要由以下几大部分组成 加热 系统 热风对流系统 传动系统 顶盖升起系统 冷却系统 氮气装备 助焊剂回收系 统 控制系统等 加热系统 热风对流系统 传动系统 再流焊机的结构主体是一个热源受控的隧道式炉膛 沿传送系统的运动方向 设有 若干独立控温的温区 通常设定为不同的温度 全热风对流再流焊炉一般采用上 下两 层的双加热装置 电路板随传动机构直线匀速进入炉膛 顺序通过各个温区 完成焊点 的焊接 整个再流焊过程一般需经过预热 保温干燥 回流 冷却温度不同的四个阶段 电路板由入口进入再流焊炉膛 到出口传出完成焊接 整个再流焊过程一般需经过 北华航天工业学院毕业论文 9 预热 保温干燥 回流 冷却温度不同的四个阶段 要合理设置各温区的温度 使炉膛 内的焊接对象在传输过程中所经历的温度按合理的曲线规律变化 这是保证再流焊质量 的关键 3 3 再流焊原理 图 3 1 温度曲线 从温度曲线 见图 3 1 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 同时 焊膏中的助焊剂润湿焊盘 元器件端头和引脚 焊 膏软化 塌落 覆盖了焊盘 将焊盘 元器件引脚与氧气隔离 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 当 PCB 进入焊接区时 温度迅速上升使焊膏达到熔化状态 液态焊锡对 PCB 的焊盘 元器件端头和引脚润湿 扩散 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 4 再流焊工艺特点 与波峰焊技术相比 1 不像波峰焊那样 要把元器件直接 浸渍在熔融的焊料中 所以元器件受到的热 冲击小 但由于再流焊加热方法不同 有时会施加给器件较大的热应力 2 只需要在焊盘上施加焊料 并能控 制焊料的施加量 避免了虚焊 桥接等焊接 缺陷的产生 因此焊接质量好 可靠性高 3 有自定位效应 self alignment 当元器件贴放位置有一定偏离时 由于 北华航天工业学院毕业论文 10 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 用自动被拉回到近似目标位置的现象 4 焊料中不会混入不纯物 使用焊膏时 能正确地保证焊料的组分 5 可以采用局部加热热源 从而可在 同一基板上 采用不同焊接工艺进行焊接 6 工艺简单 修板的工作量极小 从而节省了人力 电力 材料 3 5 再流焊工艺要求 1 要设置合理的再流焊温度曲线 再流焊是 SMT 生产中关键工序 根据再流焊 原理 设置合理的温 度曲 线 才能保证再流焊质量 不恰当的温度曲线会出现焊接不 完全虚焊 元件翘立 焊锡球多等焊接缺陷 影响产品质量 要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 在传送带上放 PCB 要轻轻地放平稳 严防传送带震动 并注意在 机器出口处接板 防止后出来的板掉落在先出来的板上碰伤 SMD 引脚 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 有无焊膏融化不 充分的痕迹 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 表面颜色变化情况 再流焊后允许 PCB 有 少 许但是均 匀的变色 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 3 6 再流焊的分类 1 对 PCB 整体加热 对 PCB 整体加热再流焊又可分为 气相再流焊 热板再流焊 红外再流焊 红外加 热风再流焊和全热风再流焊 2 对 PCB 局部加热 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 目前比较流行和实用的大多是远红外再流焊 红外加热风再流焊和全热风再流焊 1 红外再流焊设备 红外再流焊的原理是热能通常有 80 的能量以电磁波的形式 红外线向外发射 焊点受红外幅射后温度升高 从而完成焊接过程 通常 波长在 1 5 l0 m 的红外辐射 能力最强 约占红外总能量的 80 90 辐射到的物体能快速升温 为使组件局部区域热平衡及预先干燥焊膏 先要把它加热至 120 150 在传热 范围内 使焊接组件有时间进行温度平衡 随后焊剂熔化 进入第二温区时 使焊接前组件 北华航天工业学院毕业论文 11 温度要达到 150 170 然后在再流焊区 210 230 内完成焊接 这必须保证 预敷焊料熔化 而且要保证所有焊点都可靠地润湿 2 强制对流焊设备 全热风再流焊机的加热系统主要由热风马达 加热管 热电耦 固态继电器 SSR 温控模块等部分组成 再流焊机炉膛被划分成若干独立控温的温区 其中每个温区又分为上 下两个温区 温区内装有发热管 热风马达带动风轮转动 形成的热风通过特殊结构的风道 经整流 板吹出 使热气均匀分布在温区内 强制对流焊是组件靠强制热空气对流加热 该设备有一个气体的加热系统 应用大功 率风扇把热风吹向焊接件 由于组件与热风的偶连好 所以 只要很短时间 组件和气体之 间就能达到热平衡 这意味着受热元件的温度比用辐射炉的温度低 这种方法增大了加 热的均匀性 3 气相再流焊设备 也称冷凝焊 气相再流焊是利用氟惰性液体由气态相变为液态时放出的气化潜热来进行加热的一 种焊接方法 气相再流焊接使用氟惰性液体作热转换介质 加热这种介质 利用它沸腾 后产生的饱和蒸气的气化潜热进行加热 在气相焊系统中 焊接操作控制的变量是组件的预热和在线系统中的通过时间 及在 系统中蒸气的停留时间的控制 利用这种方法焊接 特性曲线控制简单 气相再流焊主要工艺参数如下 预热温度升速率 2 3 S 元器件表面温度在 120 150 范围中停留 时间 30 60s 在 200 汽相焊区停留时间 25 40s 4 激光再流焊设备 激光焊接是利用激光束直接照射焊接部位 焊接部位 器件引脚和焊料 吸收激光 能并转成变热能 温度急剧上升到焊接温度 导致焊料熔化 激光照射停止后 焊接部 位迅速空冷 焊料凝固 形成牢固可靠的连接 焊接用激光 一般有两种形式 气全激光和掺钕钇铝石榴石激光 简称 YAG Nd C02 此外 激光焊也可用于高密度 SMT 印制板组装件的维修 切断多余的印制连线 补焊添加的 元器件 而其它焊点不受热 保证维修的质量 3 7 温度曲线 在 PCB 组装业中 再流焊接工艺是目前最流行和最常用的批量生产焊接技术 再流 焊接工艺的关键在于找出最适当的回流温度曲线 一条优化的回流温度曲线将保证高品 质的焊点 北华航天工业学院毕业论文 12 影响回流温度曲线变化的因素很多 与回流炉的性能 采用的工艺材料 焊膏 PCB 板的颜色和质地 板上元件种类及布局等有关 首先要对理想的温度曲线有一个基 本的认识 目前典型的焊膏回流温度曲线有两种 一种为升温 到 回流温度曲线 主要 用于水溶焊膏和难于焊接的合金的焊接工艺 另一种为升温 保温 回流温度曲线 可用 于 RMA 或免洗焊膏的焊接 这是比较常用的一种温度曲线 本文着重介绍的是升温 保温 回流温度曲线 适用于成分为 Sn63 Pb37 的共晶焊膏 其熔点为 183 3 7 1 再流焊的温度曲线组成 图 3 3 理想的温度曲线由四个温区组成 前面三个区加热 最后一个区冷却 实际上炉子 的温区越多 越能使温度曲线的轮廓更准确 接近设定值 大多数焊膏都能用四个基本 温区成功回流 升温区 也叫预热区 将 PCB 从环境温度加热到所须的活化温度 在这个区 组件 的温度以 2 3 S 的速率连续上升 时间大约为 90 秒左右 温度升得太快会对元件造 成热冲击 产生诸如应力裂纹等可靠性问题 而温度上升太慢 焊膏将达不到活化温度 保温区 也叫活化区 它有两个功能 第一是 PCB 在相当稳定的温度下受热 允许 不同质量的元件在温度上趋于一致 减少它们的相对温差 T 第二个功能是使助焊 剂活化 挥发性的溶剂从焊膏中挥发 一般的活化温度范围是 120 150 保温时间大 约为 90 秒左右 如果活化区的温度设定太高 助焊剂将没有足够的时间活化 虽然有的 北华航天工业学院毕业论文 13 焊膏允许活化期间提高一点温度 但是理想的曲线要求相当平稳的温度 应选择能维持 平坦的活化温度曲线的炉子 将提高可焊性 回流区 也叫峰值区 这个区的作用是将 PCB 组件的温度从活化温度提高到峰值温 度 典型的峰值温度范围是 205 230 回流时间大约 60 秒左右 假如这个区的温度 设定太高 会使其温升斜率超过 2 3 S 或达到的回流峰值温度比理想的高 这种情 况可能引起 PCB 的过分翘曲或烧损 并损害元件 冷却区 理想的冷却区曲线应该与回流区曲线成镜像关系 冷却速率应控制在 4 S 之内 较快的冷却速率可得到较细的颗粒结构和较高强度与较亮的焊点 但太快会引 起元件内部的热应力 3 7 2 测试温度曲线的注意事项 在开始设定温度曲线之前 需准备下列设备和工具 温度曲线测试仪 热电偶 将 热电偶附于 PCB 的工具和焊膏参数表 现在市场上能购买到的测温仪分为两类 一种为实时测温仪 即时传送温度 时间数 据并作出图形 另一种测温仪采样并储存数据 然后上传到计算机 再在计算机上分析 处理 所用的热电偶必须足够长 并可经受典型的炉膛温度 一般较小直径的热电偶 热质量小响应快 得到的结果精确 热电偶附着于 PCB 的方法有几种 1 使用高温焊料如银 锡合金焊接到测试点上 焊点要尽量小 2 用少量的热化合物 也叫热导膏或热油脂 斑点覆盖住热电偶 再用高温胶带 如 Kapton 粘住 这是比较常用的一种方法 3 用高温胶 如氰基丙酸盐粘合剂 cyanoacrylate 来固定热电偶 这种方法通 常不太可靠 热电偶附着于 PCB 的位置也要选择 通常最好是将热电偶的探头附着在 PCB 的焊盘 和相应的元件引脚或金属端之间 焊膏特性参数表也是必要的 因其包含的信息对温度 曲线至关重要 如 期望的温度曲线持续时间 焊膏活化温度 熔点和回流峰值温度 焊接时 SMT 板面温度要高于焊料熔化温度 30 40 以保证焊料的润湿性及在一 定时间内能完成焊接工作 温度不适当会导致元件焊接质量差 甚至会损坏元件 因此 在新产品的生产过程中 应反复调整炉温 并得到一条满意的焊接温度曲线 温度曲线是指 SMT 通过再流炉时 SMT 板面的温度随时间变化的曲线 实际测量时 是将温度测试仪的热电偶设置在 SMT 板面上 选取 3 6 个测试点 测试点的选择由吸热 最大的点位和吸热最小的点位来决定 并以它们的温度表示 SMT 板面上的焊接温度 影 响曲线形状的关键参数是 传送带的速度和每个区的温度设定 带速决定 SMT 停留在每 个温区的持续时间 增加时间可以使 SMA 上温度愈来愈接近所设定的温度 每个区的温 北华航天工业学院毕业论文 14 度设定影响 SMA 的温度上升速率 在热风红外再流炉焊中 SMT 上的温度对炉温很敏感 只要适当调控热源的温度 就可以方便地调节 SMA 上的温度 红外再流炉中 理想的温 度曲线通常由四个温区组成 即预热区 保温区 活性区 再流区和冷却区 再流炉的 温区愈多 愈能使温度曲线精确 3 7 3 温度曲线的测试方法 随着技术的不断进步 对于再流焊炉的温度曲线测试的方法也在逐渐曾多 并且提 供简单而精确的温度记录于非易失性存储器中 高精度 高性价比 在使用表面贴装元件的印刷电路板 PCB 装配中 要得到优质的焊点 一条优化的回 流温度曲线是最重要的因素之一 温度曲线是施加于电路装配上的温度对时间的函数 当在笛卡尔平面作图时 回流过程中在任何给定的时间上 代表 PCB 上一个特定点上的 温度形成一条曲线 几个参数影响曲线的形状 其中最关键的是传送带速度和每个区的温度设定 带速 决定机板暴露在每个区所设定的温度下的持续时间 增加持续时间可以允许更多时间使 电路装配接近该区的温度设定 每个区所花的持续时间总和决定总共的处理时间 每个区的温度设定影响 PCB 的温度上升速度 高温区 PCB 与低温区的温度之间产生 一个较大的温差 增加区的设定温度允许机板更快地达到给定温度 因此 必须作出一 个图形来决定 PCB 的温度曲线 接下来是这个步骤的轮廓 用以产生和优化图形 在开始作曲线步骤之前 需要下列设备和辅助工具 温度曲线仪 热电偶 将热电 偶附着于 PCB 的工具和锡膏参数表 可从大多数主要的电子工具供应商买到温度曲线附 件工具箱 这工具箱使得作曲线方便 因为它包含全部所需的附件 除了曲线仪本身 现在许多再流焊机器包括了一个板上测温仪 甚至一些较小的 便宜的台面式炉子 测温仪一般分为两类 实时测温仪 即时传送温度 时间数据和作出图形 而另一种测温 仪采样储存数据 然后下载到计算机 热电偶必须长度足够 并可经受典型的炉膛温度 一般较小直径的热电偶 热质量 小响应快 得到的结果精确 有几种方法将热电偶附着于 PCB 较好的方法是使用高温焊锡如银 锡合金 焊点 尽量最小 另一种可接受的方法 快速 容易和对大多数应用足够准确 少量的热化合物 也叫 热导膏或热油脂 斑点覆盖住热电偶 再用高温胶带 如 Kapton 粘住 还有一种方法来附着热电偶 就是用高温胶 如氰基丙烯酸盐粘合剂 此方法通常 没有其它方法可靠 附着的位置也要选择 通常最好是将热电偶尖附着在 PCB 焊盘和相 应的元件引脚或金属端之间 测试步骤 北华航天工业学院毕业论文 15 1 选取能代表 SMA 组件上温度变化的测试点 一般至少应选取三点 这三点应反映 出表面组装组件上温度最高 最低 中间部位上的温度变化 再流焊机所用传送方式的 不同有时会影响最高 最低部位的分布情况 这点应根据具体炉子情况具体考虑 对于 网带式传送的再流焊机表面组装件上最高温度部位一般在 SHA 与传送方向相垂直的无元 件的边缘中心处 最低温度部位一般在 SMA 靠近中心部位的大型元器件处 如 PLCC 2 用高温焊料 贴片胶或高温胶带纸将温度采集器上的热电偶测量头分别固定到 SMA 组件上已选定的测试点部位 再用高温胶带把热电偶丝固定 以免因热电偶丝的移 动影响测量数据 采用焊接办法固定热电偶测试点 注意各测试点焊料量尽量小和均匀 3 将被测的 SMA 组件连同温度采集器一同置于再流焊机入口处的传送链 网带上 随着传送链 网带的运行 将完成一个测试过程 注意温度采集器距待测的 SMA 组件距离 应大 100mm 4 将温度采集器记录的温度曲线显示或打印出来 由于测试点热容量的不同 通过 3 个测试点所测的温度曲线形状会略有不同 炉温设定是否合理 可根据 3 条曲线预热 结束时的温度差焊接峰值温度以及再流时间来考虑 锡膏特性参数表也是必要的 其包含的信息对温度曲线是至关重要的 如 所希望 的温度曲线持续时间 锡膏活性温度 合金熔点和所希望的回流最高温度 开始之前 必须理想的温度曲线有个基本的认识 理论上理想的曲线由四个部分或 区间组成 包括预热区 保温区 焊接区和冷却区四个温区 前面三个温区主要是加热 的作用 从预热逐渐升温至焊锡膏融化的温度 最后一个区冷却 即焊点成形的区域 炉的温区越多 越能使温度曲线的轮廓达到更准确和接近设定 大多数锡膏都能用四个 基本温区 成功地进行回流焊 预热区 也叫斜坡区 用来将 PCB 的温度从周围环境温度提升到所须的活性温度 在这个区 产品的温度以不超过每秒 2 5 速度连续上升 温度升得太快会引起某些 缺陷 如陶瓷电容的细微裂纹 而温度上升太慢 锡膏会感温过度 没有足够的时间使 PCB 达到活性温度 炉的预热区一般占整个加热通道长度的 25 33 保温区 有时叫做干燥或浸湿区 这个区一般占加热通道的 33 50 有两个功能 第一个功能是 将 PCB 在相当稳定的温度下感温 允许不同质量的元件在温度上同质 减少它们的相当温差 第二个功能是 允许助焊剂活性化 挥发性的物质从锡膏中挥发 一般普遍的活性温度范围是 120 150 如果活性区的温度设定太高 助焊剂没 有足够的时间活性化 温度曲线的斜率是一个向上递增的斜率 虽然有的锡膏制造商允 许活性化期间一些温度的增加 但是理想的曲线要求相当平稳的温度 这样使得 PCB 的 北华航天工业学院毕业论文 16 温度在活性区开始和结束时是相等的 市面上有的炉子不能维持平坦的活性温度曲线 选择能维持平坦的活性温度曲线的炉子 将提高可焊接性能 使用者有一个较大的处理 窗口 回流区 有时叫做峰值区或最后升温区 这个区的作用是将 PCB 装配的温度从 活性温度提高到所推荐的峰值温度 活性温度总是比合金的熔点温度低一点 而峰值温 度总是在熔点上 典型的峰值温度范围是 205 230 这个区的温度设定太高会使其 温升斜率超过每秒 2 5 或达到回流峰值温度比推荐的高 这种情况可能引起 PCB 的过分卷曲 脱层或烧损 并损害元件的完整性 今天 最普遍使用的合金是 Sn63 Pb37 这种比例的锡和铅使得该合金共晶 共晶 合金是在一个特定温度下熔化的合金 非共晶合金有一个熔化的范围 而不是熔点 有 时叫做塑性装态 本文所述的所有例子都是指共晶锡 铅 因为其使用广泛 该合金的熔 点为 183 理想的冷却区曲线应该是和回流区曲线成镜像关系 越是靠近这种镜像关系 焊点 达到固态的结构越紧密 得到焊接点的质量越高 结合完整性越好 3 7 4 温度曲线制作的简单估算 作温度曲线的第一个考虑参数是传输带的速度设定 该设定将决定 PCB 在加热通道 所花的时间 典型的锡膏制造厂参数要求 3 4 分钟的加热曲线 用总的加热通道长度除 以总的加热感温时间 即为准确的传输带速度 例如 当锡膏要求四分钟的加热时间 使用长度为六英尺的加热通道 计算为 6 英尺 4 分钟 每分钟 1 5 英尺 每分钟 18 英寸 接下来必须决定各个区的温度设定 重要的是要了解实际的区间温度不一定就是该 区的显示温度 显示温度只是代表区内热敏电偶的温度 如果热电偶越靠近加热源 显 示的温度将相对比区间温度较高 热电偶越靠近 PCB 的直接通道 显示的温度将越能反 应区间温度 明智的是向炉子制造商咨询了解清楚显示温度和实际区间温度的关系 本 文中将考虑的是区间温度而不是显示温度 速度和温度确定后 必须输入到炉的控制器 看看手册上其它需要调整的参数 这 些参数包括冷却风扇速度 强制空气冲击和惰性气体流量 一旦所有参数输入后 启动 机器 炉子稳定后 即 所有实际显示温度接近符合设定参数 可以开始作曲线 下一部 将 PCB 放入传送带 触发测温仪开始记录数据 为了方便 有些测温仪包括触发功能 在一个相对低的温度自动启动测温仪 典型的这个温度比人体温度 37 98 6 F 稍微 高一点 例如 38 100 F 的自动触发器 允许测温仪几乎在 PCB 刚放入传送带进入炉 时开始工作 不至于热电偶在人手上处理时产生误触发 北华航天工业学院毕业论文 17 3 7 5 温度曲线的调整 当最后的曲线图尽可能的与所希望的图形相吻合 应该把炉的参数记录或储存以备 后用 设定温度曲线首先考虑的参数是炉子传送带的速度 该参数决定了 PCB 通过加热通 道所需的时间 典型的焊膏制造厂参数要求 3 4 分钟的加热曲线 用总的加热通道长度 除以总的加热时间 即为准确的传送带速度 接下来要设定各个温区的温度 应该知道 的是实际的区间温度与该区的显示温度不一定一致 显示温度只代表炉内温区某一处热 电偶的温度 与热电偶所在的位置有关 热电偶靠近加热源 显示温度将比实际的区间 温度高 而热电偶靠近 PCB 的传送轨道 显示的温度将越接近实际区间温度 首次设定 温区温度时建议向炉子制造商咨询显示温度与实际区间温度的关系 速度和温度确定后 再看炉子其它需要调整的参数 这些参数包括冷却风扇速度 强制空气冲击力和惰性气体流量 所有参数确定后 启动机器 待炉子稳定后 即所有 显示温度接近设定参数 开始设置温度曲线 首先找测试点 一般情况下 PCB 板上的最冷点和最热点 以及敏感性元件的焊点 都可以作为测试点 测试点通常最少为 3 4 个 考虑到 PCB 尺寸大小 敏感元件的因素 可以适量增加测试点 但目前最多不超过 9 个 用适当的方法把热电偶附着到 PCB 的测 试点上 将 PCB 放入传送轨道 打开测温仪开关 测温仪开始采集数据 将采集到的数据上传到计算后 画出温度曲线 这时可以跟焊膏制造商推荐的曲线 进行比较 反复调整参数 首先 必须保证从环境温度到回流温度的时间和推荐曲线的 时间一致 如果实际时间太长 则按比例地增加传送带速度 如果太短 则相反 接下 来 把所测的温度曲线与理想的温度曲线的形状相比较 如果形状不一致 应该按从左 到右的顺序进行调整 例如 如果预热区和回流区都不一致 首先调整预热区 一般最 好每次调一个参数 在作下一步调整之前执行该参数设定 画出一条新的曲线 因为前 一区的参数发生改变 后面各区的结果将随之而变 建议新手调整的幅度稍小一点 当 最后的曲线图与理想的温度曲线相吻合时 存储该设定参数以备后用 北华航天工业学院毕业论文 18 第 4 章 焊点质量及可靠性 电子产品的 轻 薄 短 小 化对元器件的微型化和组装密度提出了更高的要求 在这样的要求下 如何保证焊点质量是一个重要的问题 焊点作为焊接的直接结果 它 的质量与可靠性决定了电子产品的质量 也就是说 在生产过程中 组装的质量最终表 现为焊接的质量 目前 在电子行业中 虽然无铅焊料的研究取得很大进展 在世界范 围内已开始推广应用 而且环保问题也受到人们的广泛关注 但是由于诸多的原因 采 用 Sn Pb 焊料合金的软钎焊技术现在仍然是电子电路的主要连接技术 4 1 焊点的外观评价 良好的焊点应该是在设备的使用寿命周期内 其机械和电气性能都不发生失效 其 外观表现为 1 表面润湿程度良好 熔融的焊料在被焊金属表面上应平坦铺展 并形成完整 连 续 均匀的焊料覆盖层 其接触角 应小于 90 度 2 焊料量适中 焊料量应避免过多或过少 3 焊接表面平整 焊接表面应完整 连续和平滑 但不要求光亮的外观 4 焊点位置准确 元器件的焊端或引脚在 PCB 焊盘上的位置偏差 应在规定的范围 内 只有完美的焊点才是合格的焊点 所谓 完美的焊点 是指 引线和焊盘全部 润湿的焊点 4 2 焊点寿命周期内焊点的失效形式 考虑到失效与时间的关系 失效形式分为三个不同的时期 1 早期失效阶段 主要是质量不好的焊点大量发生失效 也有部分焊点是由于不当 的工艺操作与装卸造成的损坏 可以通过工艺过程进行优化来减少早期失效率 北华航天工业学院毕业论文 19 2 稳定失效率阶段 该阶段大部分焊点的质量良好 失效的发生率 失效率 很低 且比较稳定 3 寿命终结伦阶段 失效主要由累积的破环性因素造成的 包括化学的 冶金的 热一机械特性等因素 比如焊料与被焊金属之间发生金属化合反应 或热一机械应力造 成焊点失效 失效主要由材料的特性 焊点的具体结构和所受载荷决定 4 3 焊接工艺引起的焊点失效机理 焊接工艺中的一些不利因素及随后进行的不适当的清洗工艺可能会导致焊点失效 4 3 1 热应力与热冲击 波峰焊过程中快速的冷热变化 对元件造成暂时的温度差 这使元件承受热一机械 应力 当温差过大时 导致元件的陶瓷与玻璃部分产生应力裂纹 应力裂纹是影响焊点 长期可靠性的不利因素 焊料固化后 PCB 还必须由 1800C 降低到室温 由于 PCB 和元件之间的热膨胀系数 不同 有时也会导致陶瓷元件的破裂 PCB 的玻璃化转变温度一般在 1800C 和室温之间 FR 4 大约是 1250C 焊接后 焊接面被强制冷却 这样 PCB 的两面就会在同一时刻处于不同的温度 结果当焊接面到 达玻璃化转变温度或以下时 另一面还在玻璃化转变温度以上 于是出现 PCB 翘曲的现 象 PCB 翘曲严重时会损坏上面的元件 4 3 2 金属的溶解 在厚 薄膜混合电路 包括片式电容 组装中 常常有蚀金 蚀银的现象 这是因 为焊料中的锡与镀金或镀银引脚中的金 银会形成化合物 导致焊点的可靠性降低 许多情况下 在焊料从焊接温度冷却到固态温度的期间 有溶解的金属析出 在焊 接基体内形成了脆性的金属化合物 铜生成针状的 Cu6Sn5 银生成扁平的 Ag3Sn 金生成 AuSn4 立方体 这些化合物有一个共同的特点是 就是非常脆 剪切强度极低 元件极 易脱落 如果金 银含量少 生成的化合物的量不会很多 这些化合物对焊点的机械性 能还不会造成太大的损害 但是含量较多时 焊料会变得易碎 以金为例 当反应的时 间及温度足够时 所有的金都将与锡发生反应 所以焊点中金的含量不应超过 3 4 北华航天工业学院毕业论文 20 4 3 3 基板和元件的过热 各种材料如塑料一般在焊接温度下是不稳定的 经常出现基板剥离和褪色的现象 纸基酚醛树脂板常发生剥离 适于红外再流焊 而 FR 4 环氧玻璃基板 在红外再流焊 中经常变色 爆米花 这一词是专门针对大芯片 IC 的 IC 塑料封装极易吸潮 当加热时间过 长时 潮气就会释放出来 再流焊时 潮气气化 在芯片底部的封装薄弱界面处积累成 一个气泡 封装受到气泡的压力 就会发生开裂 这一现象与芯片的尺寸 芯片下面的 塑料厚度 塑料封装与芯片之间的粘合质量有关 尤其是与潮湿量有关 而在波峰焊中 几乎不会发生爆裂 目前的解决办法是 先烘干 IC 然后密封保存并保持干燥 或者在 使用前几个小时进行 1000C 以上的预先烘烤 4 3 4 超声清洗的损害 超声清洗对于清除 PCB 上残留的助焊剂很有效 缺点是受超声功率大小的控制 超 声功率太低则不起作用 而超声功率太高则会破坏 PCB 及上面元件 超声波清洗有可能造成两种破坏后果 1 小液滴对表面的碰撞就像喷砂 类似于表面风化 2 在清洗槽内 陶瓷基板受到超声负载激励而呈现共谐状态 基板上 表面贴装元 件的引脚则以共谐波频率受到周期性的作用 最终导致在引脚的弯曲处发生疲劳断裂 4 3 5 装卸和移动造成的焊点失效 电子产品从元器件装配 电路组装和焊接直到成品的运输和使用的整个寿命周期内 可能会承受由于机械负载引起的各种振动和冲击 例如 引起片状电容器产生裂纹的一 个常见的原因是印制板弯曲 从很紧的夹具中把印刷板拆卸下时就会出现这种现象 1 制造过程中的机械负载 由于印制板弯曲可能会给焊点和元件施加过量的应力 这包括三个方面 1 大通孔元件的焊点所受应力很容易超过屈服极限 如果 PCB 上有比较重的元件如 变压器 则应该选择夹具支撑 2 无引线陶瓷元件也很容易发生断裂 当片式元件从多层板上分离时 元件发生断 裂的危险性相当高 所以最好不要将片式电阻电容放在容变曲的地方 3 在 IC 器件也会发生焊点断裂 鸥翼形引线在析的平面方向是柔性的 但在与板垂 直的方向是刚性的 如果带有大的细间距 IC 的 PCB 有一个角发生翘曲 而没有支撑 或者由于不正确地调整测试夹具而形成机械负载 会对焊点造成危胁 北华航天工业学院毕业论文 21 2 运输过程中的振动 焊点的形状是圆而光滑的 没有应力集中的尖角 所以 振负载通常不会损坏焊点 而会破坏引线 特别是重的元件和只有少量的 2 或 3 根 长的排成一列的柔性引线的 元件 例如大的电解电容 会遭受振动 这