炉温工艺曲线的设置方法

如何设定出合格的炉温工艺曲线 什么是回流焊 什么是回流焊 回流焊是英文 Reflow 是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏装软钎焊料 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 回流焊是将元器件焊接到 PCB 板材上 回流焊是专门针对 SMD 表面贴装器件的 回流焊是靠热气流对焊点的作用 胶状的焊剂在一定的高温气流下进行物理反应达到 SMD 的焊接 之所以叫 回流焊 是因为气体在焊机内循环来回流动产生高温达到焊接目的 回流焊温度曲线图 产品质量是生产出来的 不是检验出来 只有在生产过程中的每个环节 严格按照生产工艺和作业指导书要求产品质量是生产出来的 不是检验出来 只有在生产过程中的每个环节 严格按照生产工艺和作业指导书要求 进行 才能保证产品的质量 进行 才能保证产品的质量 電子廠 SmT 贴片焊接车间在 SmT 生产流程中 回流炉参数设置的好坏是影响焊接质量的关键 通过温度曲线 可以为回流炉参数的设置提供准确的理论依据 在大多数情况下 温度的分布受组装电路板的特性 焊膏焊膏特性和 所用回流炉能力的影响 如何正确的设定回流焊温度曲线如何正确的设定回流焊温度曲线 首先我们要了解回流焊的几个关键的地方及温度的分区情况及回流焊的种类首先我们要了解回流焊的几个关键的地方及温度的分区情况及回流焊的种类 影响炉温的关键地方是 影响炉温的关键地方是 1 各温区的温度设定数值 2 各加热马达的温差 3 链条及网带的速度 4 锡膏的成份 5 PCB 板的厚度及元件的大小和密度 6 加热区的数量及回流焊的长度 7 加热区的有效长度及泠却的特点等 回流焊的分区情况 回流焊的分区情况 1 预热区 又名 升温区 2 恒温区 保温区 活性区 3 回流区 4 泠却区 回流焊焊接影响工艺的因素回流焊焊接影响工艺的因素 1 通常 PLCC QFP 与一个分立片状元件相比热容量要大 焊接大面积元件就比小元件更困难些 2 在回流焊炉中传送带在周而复使传送产品进行回流焊的同时 也成为一个散热系统 此外在加热部分的边缘与 中心散热条件不同 边缘一般温度偏低 炉内除各温区温度要求不同外 同一载面的温度也差异 3 产品装载量不同的影响 回流焊的温度曲线的调整要考虑在空载 负载及不同负载因子情况下能得到良好的重 复性 负载因子定义为 LF L L S 其中 L 组装基板的长度 S 组装基板的间隔 回流焊工艺要得到重复性好 的结果 负载因子愈大愈困难 通常回流焊炉的最大负载因子的范围为 0 5 0 9 这要根据产品情况 元件焊接密 度 不同基板 和再流炉的不同型号来决定 要得到良好的焊接效果和重复性 实践经验很重要的 一 初步炉温设定 1 看锡膏类型 有铅还是无铅 还要考虑锡膏特性 焊膏是由合金粉末 糊状助焊剂助焊剂均匀混和而成的膏体 焊膏 中的助焊剂 点击助焊剂的特性 主要由溶剂 松香或合成树脂 活性剂及抗垂流剂四类原物质构成 溶剂决定了 焊膏所需的干燥时间 为了增加焊膏的粘度使之具备良好流变性加入了合成树脂或松香 活性剂是用来除去合金 所产生的氧化物以清洁板面焊盘 抗垂流剂的加入有助于合金粉末在焊膏中呈现悬浮状态 避免沉降现象 衡量焊膏品质的因素很多 在实际生产中应重点考虑以下的焊膏特性 1 根据电路板表面清洁度的要求决定焊膏的活性与合金含量 2 根据印刷设备及生产环境决定焊膏的粘度 流变性及崩塌特性 3 根据工艺要求及元件所能承受的温度决定焊膏的熔点 4 根据焊盘的最小脚间距决定焊膏合金粉末的颗粒大小 2 看 PCB 板厚度是多少 此时结合以上 1 2 点 根据经验就有个初步的炉温了 3 再看 PCB 板材 具体细致设定一下回流区的炉温 4 再看 PCB 板上的各种元器件 考虑元件大小的不同 特殊元件 厂家要求的特殊元件等方面 再仔细设定一 下炉温 5 还的考虑一下炉子的加热效率 因为当今汇流炉有很多种 其加热效率是各个不一样的 所以这一点不应忽 视掉 结合以上 5 方面 就可以设定出初步的炉温了 二 炉温的详细设定及热电偶的安装步骤 1 感应温度用的热电偶 在使用和安装过程中 应确保除测试点外 无短接现象发生 否则无法保证试精 度 2 热电偶在与记忆装置或其它测试设备相连接时 其极性应与设备要求一致 热电偶将温度转变为电动势 以连接时有方向要求 第二 测试点的选取 一般至少三点 能代表 PCB 组件上温度变化的测试点 能反映 PCB 组件上高 中低温部 位的温度变化 一般情况下 最高温度部位在 PCB 与传送方向相垂直的无元件边缘中心处 最低温度在 PCB 靠 近中心部位的大型元件之半田端子处 PLCC QFP 等 另外对耐热性差部品表面要有测试点 以及客户的特定要求 回流温度曲线各区间的推荐设定值 回流温度曲线各区间的推荐设定值 常温 预热开始点常温 预热开始点 预热区预热区 预热过度导致氧化加深 助焊剂恶化 预热终点 回流焊接区预热终点 回流焊接区 回流焊接区 冷却区回流焊接区 冷却区 4 回流焊接缺陷与不良温度曲线的关系 回流焊接缺陷与不良温度曲线的关系 以下表 2 仅列出不良温度曲线所引起的回流焊接缺陷 其它影响回流焊接质量的因素还包括丝印质量的优劣 贴 片的准确性和压力 焊膏的品质及环境的控制等 本文不做阐述 回流焊接的缺陷 温度曲线的不良之处 吹孔吹孔 1 保温段预热温度不足 2 保温段温度上升速度过快 焊点灰暗 冷却段冷却速度过缓 不沾锡不沾锡 1 焊接段熔焊温度低 2 保温段保温周期过长 3 保温段温度过高 焊后断开 保温段保温周期短 锡珠锡珠 1 保温段温度上升速度过快 2 保温段温度低 3 保温周期短 空洞空洞 1 保温段温度低 2 保温周期短 生焊生焊 1 焊接段熔焊温度低 2 焊接段熔焊周期短 板面或元件变色板面或元件变色 1 焊接段熔焊温度过高 2 焊接段熔焊周期太长 提示 请链接无线网欣赏 锡膏过回流焊融化后的焊接效果演示 仅供参考 回流焊是回流焊是 SMT 工艺的核心技术工艺的核心技术 PCB 上所有的电子元器件通过整体加热一次性焊接完成 电子厂 SMT 生产 线的质量控制占绝对分量的工作最后都是为了获得优良的焊接质量 设定好温度曲线 就管好了炉子 这是所有 PE 都知道的事 很多文献与资料都提到回流焊温度曲线的设置 对于一款新产品 新炉子 新锡膏 如何快速设 定回流焊温度曲线 这需要我们对温度曲线的概念和锡膏焊接原理有基本的认识 本文以最常用的无铅锡膏 Sn96 5Ag3 0Cu0 5 锡银铜合金为例 介绍理想的回流焊温度曲线设定方案和分析其原 理 如图一 图一 SAC305 无铅锡膏回流焊温度曲线图 图一所示为典型的 SAC305 合金无铅锡膏回流焊温度曲线图 图中黄 橙 绿 紫 蓝和黑 6 条曲线即为温度曲 线 构成曲线的每一个点代表了对应 PCB 上测温点在过炉时相应时间测得的温度 随着时间连续的记录即时温度 把这些点连接起来 就得到了连续变化的曲线 也可以看做 PCB 上测试点的温度在炉子内随着时间变化的过程 那么 我们把这个曲线分成 4 个区域 就得到了 PCB 在通过回流焊时某一个区域所经历的时间 在这里 我们还 要阐明另一个概念 斜率 用 PCB 通过回流焊某个区域的时间除以这个时间段内温度变化的绝对值 所得到的 值即为 斜率 引入斜率的概念是为了表示 PCB 受热后升温的速率 它是温度曲线中重要的工艺参数 图中 A B C D 四个区段 分别为定义为 A 升温区 B 预热恒温区 保温区或活化区 C 回流焊接区 焊接 区或 Reflow 区 D 冷却区 继续深入解析个区段的设置与意义 一 升温区一 升温区 A PCB 进入回流焊链条或网带 从室温开始受热到 150 的区域叫做升温区 升温区的时间设置在 60 90 秒 斜率 控制在 2 4 之间 此区域内 PCB 板上的元器件温度相对较快的线性上升 锡膏中的低沸点溶剂开始部分挥发 若斜率太大 升温速 率过快 锡膏势必由于低沸点溶剂的快速挥发或者水气迅速沸腾而发生飞溅 从而在炉后发生 锡珠 缺陷 过大的 斜率也会由于热应力的原因造成例如陶瓷电容微裂 PCB 板变形曲翘 BGA 内部损坏等机械损伤 升温过快的另一个不良后果就是锡膏无法承受较大的热冲击而发生坍塌 这是造成 短路 的原因之一 长期对制造 厂的服务跟踪 很多厂商的 SMT 线该区域的斜率实际控制在 1 5 2 5 之间能得到满意的效果 由于各个板载贴装 的元器件尺寸 质量不一 在升温区结束时 大小元器件之间的温度差异相对较大 二 预热恒温区二 预热恒温区 B 此区域在很多文献和供应商资料中也称为保温区 活化区 该区域 PCB 表面温度由 150 平缓上升至 200 时间窗口在 60 120 秒之间 PCB 板上各个部分缓缓受到热风 加热 温度随时间缓慢上升 斜率在 0 3 0 8 之间 此时锡膏中的有机溶剂继续挥发 活性物质被温度激活开始发挥作用 清除焊盘表面 零件脚和锡粉合金粉末中 的氧化物 恒温区被设计成平缓升温的目的是为了兼顾 PCB 上贴装的大小不一的元器件能均匀升温 让不同尺寸 和材料的元器件之间的温度差逐渐减小 在锡膏熔融之前达到最小的温差 为在下一个温度分区内熔融焊接做好 准备 这是防止 墓碑 缺陷的重要方法 众多无铅锡膏厂商的 SAC305 合金锡膏配方里活性剂的活化温度大都在 150 200 之间 这也是本温度曲线在这个温度区间内预热的原因之一 需要注意的是 1 预热时间过短 活性剂 与氧化物反应时间不够 被焊物表面的氧化物未能有效清除 锡膏中 的水气未能完全缓慢蒸发 低沸点溶剂挥发量不足 这将导致焊接时溶剂猛烈沸腾而发生飞溅产生 锡珠 润湿不 足 可能会产生浸润不足的 少锡 虚焊 空焊 漏铜 的不良 2 预热时间过长 活性剂消耗过度 在下一个 温度区域焊接区熔融时没有足够的活性剂即时清除与隔离高温产生的氧化物和助焊剂高温碳化的残留物 这种情 况在炉后的也会表现出 虚焊 残留物发黑 焊点灰暗 等不良现象 三 回流焊接区三 回流焊接区 C 回流区又叫焊接区或 Refelow 区 SAC305 合金的熔点在 217 218 之间 所以本区域为 217 的时间 峰值温度 245 时间 30 70 秒 形成优质焊点的温度一般在焊料熔点之上 15 30 左右 所以回流区最低峰值温度应该设置在 230 以上 考虑到 Sn96 5Ag3 0Cu0 5 无铅锡膏的熔点已经在 217 以上 为照顾到 PCB 和元器件不受高温损坏 峰值温度最高应 控制在 250 以下 笔者所见大部分工厂实际峰值温度最高在 245 以下 预热区结束后 PCB 板上温度以相对较快的速率上升到锡粉合金液相线 此时焊料开始熔融 继续线性升温到峰 值温度后保持一段时间后开始下降到固相线 此时锡膏中的各种组分全面发挥作用 松香或树脂软化并在焊料周围形成一层保护膜与氧气隔绝 表面活性剂被 激活用于降低焊料和被焊面之间的表面张力 增强液态焊料的润湿力 活性剂继续与氧化物反应 不断清除高温 产生的氧化物与被碳化物并提供部分流动性 直到反应完全结束 部分添加剂在高温下分解并挥发不留下残留物 高沸点溶剂随着时间不断挥发 并在回焊结束时完全挥发 稳定剂均匀分布于金属中和焊点表面保护焊点不受氧 化 焊料粉末从固态转换为液态 并随着焊剂润湿扩展 少量不同的金属发生化学反应生产金属间化合物 如典 型的锡银铜合金会有 Ag3Sn Cu6Sn5 生成 回焊区是温度曲线中最核心的区段 峰值温度过低 时间过短 液态焊料没有足够的时间流动润湿 造成 冷焊 虚焊 浸润不良 漏铜 焊点不光亮 和 残留物多 等缺陷 峰值温度过高或时间过长 造成 PCB 板变形 元器件热损坏 残留物发黑 等等缺陷 它需要在峰值温度 PCB 板和元器件能承受的温度上限与时间 形成最 佳焊接效果的熔融时间之间寻求平衡 以期获得理想的焊点 四 冷却区四 冷却区 D 焊点温度从液相线开始向下降低的区段称为冷却区 通常 SAC305 合金锡膏的冷却区一般认为是 217 170 之 间的时间段 也有的文献提出最低到 150 由于液态焊料降温到液相线以下后就形成固态焊点 形成焊点后的质量短期内肉眼无法判断 所以很多工厂往往 不是很重视冷却区的设定 然而焊点的冷却速率关乎焊点的长期可靠性 不能不认真对待 冷却区的管控要点主要是冷却速率 经过很多焊锡实验室研究得出的结论 快速降温有利于得到稳定可靠的焊点 通常人们的直觉认为应该缓慢降温 以抵消各元器件和焊点的热冲击 然而 回流焊锡膏钎焊慢速冷却会形成更 多粗大的晶粒 在焊点界面层和内部生较大 Ag3Sn Cu6Sn5 等金属间化合物颗粒 降低焊点机械强度和热循环 寿命 并且有可能造成焊点灰暗光泽度低甚至无光泽 快速的冷却能形成平滑均匀而薄的金属间化物 形成细小富锡枝状晶和锡基体中弥散的细小晶粒 使焊点力学性 能和可靠性得到明显的提升与改善 生产应用中 并不是冷却速率越大越好 要结合回流焊设备的冷却能力 板子 元器件和焊点能承受的热冲击来 考量 应该在保证焊点质量时不损害板子和元器件之间寻求平衡 最小冷却速率应该在 2 5 以上 最佳冷却速率 在 3 以上 考虑到元器件和 PCB 能承受的热冲击 最大冷却速率应该控制在 6 10 工厂在选择设备时 最好 选择带水冷功能的回流焊而获得较强的冷却能力储备 双轨回流焊的工作原理 双轨回流焊炉通过同时平行处理两个电路板 可使单个双轨炉的产能提高两倍 目前 电路板制造商仅限于在每 个轨道中处理相同或重量相似的电路板 而现在 拥有独