再流焊工艺PPT课件

再流焊通用工艺 reflowsoldering 再流焊技术概述 焊接是SMT中最主要的工艺技术 焊接质量是SMA可靠性的关键 它直接影响电子装备的性能可靠性和经济利益 而焊接质量取决于所用的的焊接方法 焊接材料 焊接工艺技术和焊接设备 SMT中采用的焊接技术主要有波峰焊和再流焊 一般情况下 波峰焊用于混合组装方式 再流焊用于全变面组装方式 波峰焊与再流焊之间的基本区别在于热源与焊料供给方式不同 再流焊技术的特点 元器件受到的热冲击小 但有时会给器件较大的热应力 仅在需要部位施放焊膏 能控制焊膏施放量 能避免桥接等缺陷的产生 熔融焊料的表面张力能够校正元器件的贴放位置的微小偏差 可以采用局部加热热源 从而在同一基板上 采用不同焊接工艺进行焊接 焊料中一般不会混入不纯物 使用焊膏时 能正确的保持焊料的组成 再流焊加热方法 热量传递方式 热传导 热辐射 热对流 再流焊技术类型与主要特点 第一代 热板式再流焊炉它是利用热板的传导热来加热的再流焊 是最早应用的再流焊方法 再流焊技术类型与主要特点 第一代 热板式再流焊炉优点 设备结构简单 价格便宜 初始投资和操作费用低 可以采用惰性气体保护 能迅速改变温度和温度曲线 传到元器件上的热量相当小 焊接过程中易于目测检查 产量适中 缺点 热板表面温度限制在 300 只适用于单面组装 不能用于双面组装 也不能用于底面不平的PCB或由易翘曲材料制成的PCB组装 温度分布不均匀 再流焊技术类型与主要特点 第二代 红外再流焊炉一般采用隧道加热炉 热源以红外线辐射为主 适用于流水线大批量生产 红外线有远红外线和近红外线两种 前者多用于预热 后者多用于再流加热 再流焊技术类型与主要特点 第二代 红外再流焊炉优点 能使焊膏中的助焊剂以及有机酸 卤化物迅速活化 焊剂的性能和作用得到充分的发挥 从而使得焊膏润湿能力提高 红外加热的辐射波长与PCB和元器件的吸收波长相近 因此基板升温快 温差小 温度曲线控制方便 弹性好 加热效率高 成本低 缺点 元器件的形状和表面颜色的不同 对红外线的吸收系数也不同 会产生 阴影效应 使得被焊件受热不均匀 再流焊技术类型与主要特点 第三代 红外 热风再流焊炉对流传热的原理 是热能依靠媒介的运动而发生传递 在红外热风再流焊炉中 媒介是空气或氮气 对流传热的快慢取决于热风的的速度 通常风速控制在1 0 1 8m s的范围之内 热风传热能起到热的均衡作用 在红外热风再流焊炉中 热量的传递是以辐射导热为主 再流焊技术类型与主要特点 第三代 红外 热风再流焊炉优点 焊接温度曲线的可调性大大增强 缩小了设定的温度曲线与实际控制温度之间的差异 使再流焊能有效地按设定的温度曲线进行 温度均匀稳定 克服吸热差异及 阴影效应 等不良影响 是SMT大批量生产中的主要焊接方式 热风的产生形式1 由轴向风扇产生 早期出现的产生热风的一种方式 它的结构特征是 各个温区的加热板开有一定数量的孔 风扇装在加热板的上方 由风扇转动形成的风通过加热板上的孔吹到炉膛内 在传送方向上 各温区温度分界不清 不同的加热区中压力不同 整个生产区会产生一个薄的流层 热风的流层会造成元件移位 热风的产生形式2 由切向风扇产生 切向风扇安装在加热器的外侧 工作时由切向风扇产生板面涡流 热风的吹入和返回在同一个温区 因此前后温区不会出现混合情况 在传送方向上没有层流 而仅在加热板上产生涡流 每个温区的温度可以精确控制 理想的再流焊温度曲线 焊接时PCB板面温度要高于焊料熔化温度约30 40 温度不正确会导致元件焊接质量差 甚至会损毁元件 在新产品的生产过程中 应反复调整炉温 最终得到一条满意的焊接温度曲线 升温区 通常指由室温升到150 左右的区域 在这个区域里 SMA平稳升温 焊膏中的部分溶剂开始挥发 元器件特别是IC器件缓缓升温 以适应以后的高温 升温过快 会导致元器件开裂 PCB变形 IC芯片损坏 同时焊膏中溶剂挥发太快 导致锡珠产生 通常升温速率控制在2 s以下为最佳 保温区 在保温区 温度通常维持在150 10 的区域 此时焊膏处于熔化前夕 焊膏中的挥发物进一步被除去 活化剂开始激活 并有效地去除焊接表面的氧化物 SMA表面温度受热风影响 不同大小 不同质地的元器件温度能保持均匀 板面温差达到最小值 保温区曲线形态是评估再流焊炉工艺性的一个窗口 保温时间一般为60 90s 焊接区 SMA进入焊接区后迅速升温 并超出焊膏熔点约30 40 即板面温度瞬时达到215 225 峰值温度 处在峰值温度的时间为5 10s 在焊接区 焊膏很快融化 并迅速润湿焊盘 随着温度进一步升高 焊料表面张力降低 会爬至元器件引脚的一定高度 并形成一个 弯月面 在焊接区 焊膏溶化后产生的表面张力能适度的校准由贴片过程中产生的元器件引脚偏移 同时也会由于焊盘设计不正确引起多种焊接缺陷 如立碑 桥连等 冷却区 SMA运行到冷却区后 焊点迅速降温 焊料凝固 焊点迅速冷却可使焊料晶格细化 提高结合强度 使焊点光亮 表面连续 呈 弯月面 风冷和水冷 理想的冷却曲线与焊接区升温曲线呈镜面对称分布 温度曲线的设定 测试工具在开始测定温度曲线之前 需要有专用温度测试仪 相配合的热电偶 高温焊锡丝 高温胶带以及待测的SMA 热电偶的位置与固定原则 在热容量大的元件焊盘处一定要放置热电偶 此外对热敏感元件的外壳和PCB上的空档处也应放置热电偶 以观察板面温度分布状况 通常根据SMA大小和复杂程度设3个或者更多的电偶 电偶数越多 对板面温度分布的了解越全面 温度曲线的设定 炉子的结构有几个温区 有几块发热体 是否独立控温 热电偶放置在何处 热风的形成与特点 风速是否可以调节 每个加热区的长度以及加热温区的总长度 炉子的带速设定温度曲线第一个考虑的参数就是传送带的速度设定 应首先测量炉子的加热区总长度 再根据所加工的SMA尺寸大小 元器件数量以及元器件大小或热容量的大小 来决定SMA在各温区的运行时间 各温区温度的设定 再流焊工艺要求 要设置合理的再流焊温度曲线并定期做温度曲线的实时测试 要按照PCB设计时的焊接方向进行焊接 焊接过程中严防传送带震动 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 汽相再流焊 VPS VaporPhaseSoidering 汽相再流焊技术又称为凝聚焊接技术 是1973年Western电气公司开发的 起初主要用于厚膜集成电路的焊接 之后由于VPS具有升温速度快 温度均匀恒定的优点 被广泛用于一些高难度电子产品的焊接中 由于在焊接过程中需要大量使用FC 70和FC 113 故未能在SMT大生产中全面推广应用 汽相再流焊原理 汽相再流焊技使用氟惰性液体作为热转换介质 加热这种介质 利用它沸腾后产生的饱和蒸汽的汽化潜热进行加热 汽相再流焊特点 汽化潜热的转移对SMA的物理结构和几何形状不敏感 可使组件均匀的加热到焊接温度 但是加热过程与SMA上的元器件总数 总表面积和元器件数量之比以及表面材料的热传导率有关 由于VPS加热均匀 热冲击小 因而能防止元器件产生内应力 加热不受SMA结构影响 复杂和微小部分也能焊接 焊料的桥接被控制到最小程度 焊接温度保持一定 不会发生过热 在无氧的环境中进行焊接 热转换效率高 热转换介质 汽相再流焊的关键是选择合适的热转换介质 所选用的热转换介质必须满足汽相焊接的工艺条件 必须是具有一定沸点的液体 并且沸点应高于焊料的熔化温度 但又不能过高 必须具有热和化学上的稳定性 可以和SMA上所有材料相容 不发生化学作用 不会在SMA上留下导电和腐蚀性的残留物 密度比空气大 以便很容易的将它限制在该系统内 不易燃 低毒性 制备成本低 热转换介质 能满足上述特征的合适液体是全氟化液体 又叫氟惰性液体 全氟化液体属于完全氟化的有机化合物族 可以从普通有机化合物中 用氟原子置换全部碳所结合的氢原子而生成稳定的全氟化液体 分子结构无极性 并具有低的溶解能力 种类繁多 沸点范围从 47 320 汽相焊设备 立式VPS炉 汽相焊设备 立式VPS炉液体处理系统 用来中和VPS运行时形成的酸 汽相焊设备 立式VPS炉焊接工艺 汽相焊设备 传送带式VPS设备 汽相再流焊中需注意的问题 预热的作用 1 防止焊料球形成 2 减少焊接高温对器件的热冲击 防止塑封器件受热冲击的损坏 3 防止 曼哈顿 现象 汽相再流焊中需注意的问题 影响液体消耗的因素 控制氟惰性液体的消耗是一个非常重要的问题 这不但能降低运行成本 还有利于安全操作 1 开口部的处理 2 通道是否倾斜 3 液体种类不同 稳定性不同 损耗量也就不同 4 传送机构不同 液体损耗量也不同 汽相再流焊中需注意的问题 工艺参数的控制严格控制工艺参数是确保SMA焊接可靠性的关键 控制VPS工艺参数时需要考虑 1 加热槽内液体面必须高于浸没式加热器 2 严格控制冷却蛇形管的温度 3 应连续监控蒸汽温度和液体沸点 4 SMA在主蒸汽区的停留时间取决于SMA的质量 汽相再流焊中需注意的问题 液体的处理不论采用哪种VPS设备 必须对液体进行定期或连续处理 以确保去掉液体的分解物 设备的维修 1 取出电浸没式加热器 擦去上面沉积的焊剂沉积物 2 根据使用频率定期或连续过滤液体 3 擦净冷凝蛇形管 使蒸汽凝聚均匀和安全 减少蒸汽损失 汽相再流焊缺陷 激光再流焊 激光再流焊原理激光再流焊是利用激光束直接照射焊接部位 焊点吸收光能转变为热能 使焊接部位加热 导致焊料融化 光照停止后 焊接部位迅速冷却 焊料凝固 立碑现象再流焊中 片式元器件经常出现立起的现象 成为立碑 又称为吊桥 曼哈顿现象 焊接质量缺陷及解决办法 立碑现象发生的根本原因是元件两边的润湿力不平衡 因而元件两端的力矩也不平衡 从而导致立碑现象的发生 1 焊盘设计与布局不合理元件两边焊盘之一与地相连接 或有一侧焊盘面积过大 则会因热容量不均匀而引起润湿力的不平衡 PCB表面各处的温度差过大以致元件焊盘吸热不均匀 大型器件 QFP BGA 散热器 周围的小型片式元件也同样出现温度不均匀 解决办法 改善焊盘的设计与布局 导致元件两边润湿力不平衡的情形 2 焊膏与焊膏印刷焊膏的活性低 或元件引脚的可焊性差 则焊膏溶化后 表面张力不一样 两焊盘的焊膏印刷量不均匀 多的一边会因焊膏吸热量增多 熔化时间滞后 解决办法 选用活性较高的焊膏 改善焊膏印刷参数 特别是模板的窗口尺寸 导致元件两边润湿力不平衡的情形 3 贴片Z轴方向受力不均匀 会导致元件浸入到焊膏中的深度不均匀 熔化时会因时间差而导致两边的润湿力不均匀 元件贴片移位会直接导致立碑 导致元件两边润湿力不平衡的情形 解决办法 调节贴片机参数 4 炉温曲线PCB工作曲线不正确 原因是板面上温差过大 通常炉体过短或温区太少就会出现这些缺陷 导致元件两边润湿力不平衡的情形 解决办法 根据每种产品调整温度曲线 5 N2再流焊中的氧浓度采用N2保护再流焊会增加焊料的润湿力 但却来越多的报道表明 在氧含量过低的情况下 发生立碑的现象反而增多 通常认为氧含量控制在 100 500 10 6左右最为适宜 导致元件两边润湿力不平衡的情形 锡珠锡珠是再流焊常见缺陷之一 锡珠的产生不仅影响到外观 而且会引起桥连 焊接质量缺陷及解决办法 1 温度曲线不正确再流焊曲线分4个区段 分别是预热 保温 焊接和冷却 预热和保温的目的是为了使PCB表面在60 90s内升到150 并保温90s 这不仅可以降低PCB及元件受到的的热冲击 更主要是确保焊膏的溶剂能部分挥发 不至于在再流焊时 由于温度迅速升高出现溶剂太多而引起飞溅 以致焊膏冲出焊盘而形成锡珠 通常应注意升温速率 并采取适中的预热 并有一个很好的平台使溶剂大部分挥发 从而抑制锡珠的产生 锡珠产生的原因 2 焊膏的质量焊膏中金属含量过低会导致焊剂成分过多 因此焊剂会因预热阶段不易挥发而引起飞溅 形成锡珠 焊膏中水蒸气 氧含量增加 由于焊膏通常冷藏 当从冰箱中取出时 没有确保恢复时间 因此会导致水蒸气进入 另外焊膏瓶的盖子每次使用后要盖紧 若没有及时盖严 也会导致水蒸气的进入 放在模板上印制的焊膏在完工后 剩余的部分应另行处理 若再放回原来瓶中 会引起瓶中焊膏变质 也会产生锡珠 锡珠产生的原因 3 印刷与贴片焊膏在印刷工艺中 由于模板与焊盘对中偏移 若偏移过大则会导致焊膏浸流到焊盘外 加热后容易出现锡珠 措施 应仔细调整模板的装夹 不应有松动的现象 此外印刷工作环境不好也会导致锡珠的生成 理想环境温度为25 3 相对湿度为50 65 贴片过程Z轴的压力是引起锡珠的一项重要原因 往往不引起人们的注意 锡珠产生的原因 4 模板的厚度与开口尺寸模板厚度与开口尺寸过大 会导致焊膏用量增大 也会引起焊膏漫流到焊盘外 特别是用化学腐蚀方法制造的模板 解决办法 选用适当厚度的模板和开口尺寸的设计 一般模板开口面积为焊盘尺寸的90 锡珠产生的原因 焊接后PCB阻焊膜起泡印制板组件在焊接后 会在个别焊点周围出现浅绿色的小泡 严重时还会出现指甲盖大小的泡状物 不仅影响外观质量 严重时还会影响性能 阻焊膜起泡的根本原因是阻焊膜与PCB基材之间存在气体 水蒸气 这里微量的气体 水蒸气是在不同工艺过程中夹带到其中的 当遇到焊接高温时 气体膨胀而导致阻焊膜与PCB基材的分层 焊接时 焊盘温度相对较高 故气泡首先出现在焊盘周围 焊接质量缺陷及解决办法 焊接后PCB阻焊膜起泡解决办法 应严格控制各个环节 购进的PCB应检验后入库 通常PCB经260 10s不应出现起泡现象 PCB应存放在通风干燥环境中 存放期不超过6个月 PCB在焊接前应放在烘箱中预烘120 5 4h 焊接质量缺陷及解决办法 SMA焊接后PCB基板上起泡SMA焊接后出现指甲大小的泡状物 主要原因也是PCB基材内部夹带了水汽 特别是多层板的加工 它是由多层环氧树脂半固化片预成型再热压后而成 更容易夹带水汽 此外 PCB存放时间过长 存放环境潮湿 贴片生产前没有及时预烘干 容易出现起泡现象 解决办法 PCB购进后应检验后方能入库 PCB贴片前应预烘120 5 4h 焊接质量缺陷及解决办法 芯吸现象芯吸现象又称抽芯现象 是常见的焊接缺陷之一 多发生于汽相再流焊中 芯吸现象是焊料脱离焊盘 沿引脚上升到引脚与芯片体之间 通常会产生严重的虚焊现象 焊接质量缺陷及解决办法 芯吸现象产生原因 由于元器件引脚的导热率大 升温速度快 导致焊料优先润湿引脚 焊料与引脚之间的润湿力远大与焊料与焊盘之间的润湿力 此外引脚的上翘更会加剧芯吸现象的发生 解决办法 对于汽相再流焊应将SMA充分预热后再放入汽相炉中 PCB焊盘的可焊性应认真检查和保证 可焊性不好的PCB不应用于生产 元件的共面性不可忽视 对共面性不良的器件不应用于生产 焊接质量缺陷及解决办法 焊点不光亮 残留物多对焊点的光亮度有不同的理解 多数人欢迎焊点光亮 但目前有些人认为光亮反而不利于目测检查 通常焊膏中含氧量过多时会出现焊点不光亮现象 有时焊接温度不到位也会出现不光亮现象 SMA出炉后 未能强制冷风也会出现不光亮和残留物多的现象 焊膏中金属含量低 介质不易挥发 颜色深 也会突出残留物过多的现象 焊接质量缺陷及解决办法 PCB扭曲PCB扭曲是SMT大生产中经常出现的问题 它会对装配以及测试带来相当大的影响 产生原因 1 PCB本身原材料选用不当 比如Tg低 2 PCB设计不合理 元件分布不均匀造成PCB热应力过大 3 PCB设计问题 如双面PCB铜箔相差大 4 夹具使用不当或夹具距离太小 5 再流焊中温度过高 焊接质量缺陷及解决办法 PCB扭曲解决办法 选用Tg高的PCB或增加PCB厚度 以取得最佳长宽比 合理设计PCB 双面铜箔面积应均衡 在没有电路的地方布满铜层 并以网格形式出现 以增加PCB刚度 在贴片前对PCB预烘 调整夹具或夹具距离 以保证PCB受热膨胀的空间 焊接工艺温度尽可能调低 焊接质量缺陷及解决办法 桥连SMT生产中常见缺陷之一 会引起元件之间的短路 遇到桥连必须返修 焊接质量缺陷及解决办法 焊膏质量问题焊膏中金属含量偏高 导致IC引脚桥连 焊膏粘度低或塌落度差 预热后漫流到焊盘外 印刷系统印刷机重复精度差 对位不齐 焊膏印刷错位 模板对位不好 PCB对位不好 模板窗口尺寸 厚度设计不好 导致焊膏量偏多 贴放贴放压力过大 贴片精度不够 元件出现移位 IC引脚变形 预热升温速度过快 焊膏中溶剂来不及挥发 引起桥连的原因 IC引脚焊接后开路 虚焊主要原因 1 共面性差 2 引脚可焊性不好 3 焊膏质量差 金属含量低 可焊性差 4 预热温度过高 易引起IC引脚氧化 使可焊性变差 5 印刷模板窗口尺寸小 导致焊膏量不够 焊接质量缺陷及解决办法 其他常见缺陷 1 差的润湿性 表现在PCB焊盘吃锡不好或元件引脚吃锡不好 严重时会导致虚焊产生原因 元件引脚 PCB焊盘被氧化 污染 再流焊温度过低 焊膏质量差 2 锡量很少 表现为焊点不饱满 IC引脚根部弯月面小 会导致焊点强度不够 产生原因 印刷模板窗口小 温度曲线不好 焊膏金属含量低 焊接质量缺陷及解决办法 其他常见缺陷 3 引脚受损 表现在器件引脚共面性不好或弯曲 直接影响焊接质量 产生原因 元器件运输 取放时碰坏 4 污染物覆盖了焊盘产生原因 来自生产现场的纸片 来自卷带的异物 人手触摸元器件或PCB焊盘 字符图位置不对 5 焊膏呈角状 生产中不易发现 严重时会连焊 产生原因 印刷机抬网速度过快 模板孔壁不光滑 易使焊膏呈元宝状 焊接质量缺陷及解决办法 通孔插装元件 THC THD 一般采用波峰焊技术 实现与PCB的装联 波峰焊接有许多不足之处 不适合高密度 细间距元件焊接 桥接 漏焊较多 需喷涂助焊剂 印制板受到较大热冲击翘曲变形 通孔再流焊 PIHR Pin in HoleReflowTHR Through holeReflow PCB上大部分为SMC SMD 只含有少量的THC THC的外包封材料要求能经受再流焊炉的热冲击 即元件材料不会因再流高温而破坏 如果产品上有个别不能经受再流焊炉热冲击的元器件 可采用后附手工焊接的方法解决 通孔再流焊适用范围 采用再流焊替代波峰焊可完成的混装方式 通孔再流焊工艺流程 通孔元件再流焊的难点 如何在通孔元件焊盘上涂覆焊膏以及如何实现再流焊 通孔再流焊相邻的通孔间距要求至少2 54mm或以上 目的是防止相互之间产生连锡 从而导致相邻的孔内少锡 需要根据THC引脚的直径设计插孔直径 孔径不能太大 大孔径会增加焊膏的用量 建议插孔直径比THC引脚直径大0 125mm 插孔两面的焊盘也不能太大 大焊盘也会增加焊膏的需求量 通孔再流焊焊盘设计 当di2mm时 焊膏容易从通孔漏掉造成空洞 少锡现象 焊孔外径一般比焊孔直径大30 50 通孔再流焊焊盘设计 施加焊膏的方法有三种 模版印刷 点膏机滴涂 管状印刷机印刷 单面混装时可采用模版印刷 管状印刷机印刷或点膏机滴涂 双面混装时 双面混装时 因为在THC元件面已经有焊接好的SMC SMD 因此不能用平面模版模版印刷焊膏 需要用特殊的立体管式印刷机或点膏机施加焊膏 焊膏涂覆工艺 由于通孔焊点结构不同 使得所需焊膏量要比表面贴装焊点所需焊膏量大 传统的模板印刷方法不能同时满足通孔元件及表面贴装元件所需焊膏量 要获得良好的焊接效果 就要确保基板上各通孔焊盘上焊膏量恰到好处 否则会出现填锡不足等缺陷 导致在机械载荷作用下焊点强度会降低 焊膏涂覆工艺 当模板厚度的尺寸一定时 为了满足施加足够的焊膏量 一般可以通过改变印刷参数来控制 焊膏印刷量与通孔的下表面保持水平即可 如果太多 当元件插入孔中时 一部分焊膏被挤出 在未焊接前 这一部分焊膏可能会掉下来而带走孔中的一部分焊膏 模版印刷 传统模板设计和焊膏印刷技术的有机结合 可以改善通孔再流焊印刷工艺 比如改进印刷图案 扩大印刷面积 模版印刷 焊点所需合金体积必须根据引线形状 通孔直径和基板厚度来确定要填充的焊料量 然后按所要求的填充百分比计算所需要的焊膏数量 焊膏中的金属含量大约为体积的50 因此所需焊膏量计算公式如下 Vs Vh Vl 2其中 Vs为填充通孔所需焊膏的体积 Vh为通孔的体积 Vl为引脚插入通孔部分的体积 模版印刷 模版印刷 通常的焊点形态不仅是填满通孔 焊料在引脚上还应有一定的爬升 在焊盘上形成一定的润湿圆角 焊盘上圆角焊膏体积计算公式为 Vf A 2 X 0 125r2 2 0 2234 r a 其中 A为圆角截面积 X为圆角带重力中心 r为圆角半径 a为引脚半径 Vs与Vf之和才是一个理想焊点成型所需要的焊膏体积 模版印刷 这种方法是通过管状针的模板来实现通孔元件焊盘的焊膏涂覆 形状 大小都能像点胶机一样准确控制 而且速度也很快 通常在专用印刷机下进行操作 由于针管的高度一般都超过已经贴装SMD后的高度 因此可以不考虑SMD厚度的障碍 管状针模版印刷法 通孔再流焊技术对元件要求非常严格 许多通孔元件设计一般是根据手工焊和波峰焊工艺设计的 对元件外包材料没有什么特殊要求 不能经受再流焊高温的热冲击 选择时考虑是否适合更