第5章 回流焊原理与操作

第5章回流焊原理与操作回流焊概述回流焊机回流焊温度曲线回流焊接工艺回流焊接常见缺陷实训1回流焊机设置及PCB板焊接实训2焊接缺陷检测及回流焊机保养一、回流焊概述回流焊（ReflowSoldering）是SMT流程中非常关键的一环，其作用是将焊膏融化，使表面组装元器件与PCB板牢固粘接在一起，如不能较好地对其进行控制，将对所生产产品的可靠性及使用寿命产生灾难性影响。回流焊原理回流焊通过加热重新熔化预先分配到PCB焊盘上的膏状焊料，实现表面组装元器件焊端或引脚与PCB焊盘间电气与机械连接。回流焊原理与传统锡膏焊接工艺比较起来，回流焊接具有以下一些特点：（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。但由于回流焊加热方法不同，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（SelfAlignment）（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。回流焊工作过程电路板由入口进入回流焊炉膛，到出口传出完成焊接，整个回流焊过程一般需经过预热、保温干燥、回流、冷却等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，这是保证回流焊质量的关键。二、回流焊机回流焊炉是用于全表面组装的焊接设备，典型的回流焊炉实物如图所示回流焊炉的组成回流焊炉由三个部分组成第一为加热器部分，采用陶瓷板、铝板或不锈钢式红外加热器，有些制造厂家还在其表面涂有红外涂层，以增加红外发射能力；第二为传送部分，采用链条导轨，这是目前普遍采用的方法，链条的宽度可实现机调或电调功能，PCB放置在链条导轨上，能实现SMA的双面焊接；第三为温控部分，采用控温表或计算机来控制炉腔中温度。回流焊炉工作示意图通常回流焊炉腔中有五块红外线加热板，分别构成了预热区、焊接区和冷却区等三个区域，预热区的温度上升范围由室温到150℃（PCB上温度），焊接区用于PCB的焊接，有加热和保温的作用，冷却区用于SMA（表面安装组件）的降温。回流焊炉的工作示意图如图所示。回流焊机分类（1）气相焊接炉采用气相导热原理进行锡膏焊接。（2）热板传导式回流炉它以热传导为原理,即热能从物体的高温区向低温区传递。（3）红外辐射回流炉它的设计原理是热能中通常有80%的能量是以电磁波的形式-----红外向外发射的。（4）强制热风对流回流炉它通过内部的风扇，将热空气吹到装配板上或周围。这种炉的一个优点是可以对装配板逐渐地和一致地提供热量。由于不同的厚度和元件密度，热量的吸收可能不同，但强制对流式炉逐渐地供热，同PCB上的温差并没有太大的差别。另外，这种炉可以严格地控制给定温度曲线的最高温度和温度速率，其提供了更好的区到区的稳定性，和一个更受控的回流过程。回流焊机结构回流焊机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，全热风对流回流焊炉一般采用上、下两层的双加热装置。三、回流焊温度曲线电路板由入口进入回流焊炉膛，到出口传出完成焊接，整个回流焊过程一般需经过预热、保温干燥、回流、冷却等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，这是保证回流焊质量的关键。一个典型的温度曲线（Profile：指通过回焊炉时，PCB上某一焊点的温度随时间变化的曲线）分为预热区、保温区、回流区及冷却区。回流焊温度曲线四、回流焊接工艺炉温测定在固化、回流工艺里最主要是控制好固化、回流的温度曲线，亦即是固化、回流条件，正确的温度曲线将保证高品质的焊接锡点。在回流炉里，其内部对于我们来说是一个黑箱，我们不清楚其内部发生的事情，这样对制定工艺带来重重困难。为克服这个困难，在SMT行业里普遍采用温度测试仪得出温度曲线，再参考之进行更改工艺。炉温测定温度曲线是施加于电路装配上的温度对时间的函数。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。其中，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。传送带速度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。炉温测定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。测温仪器一般分为两类：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，然后上载到计算机。炉温测定测试步骤：将热电偶使用高温焊锡如银/锡合金，焊点尽量最小附着于PCB，或用少量的热化合物(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)粘住附着于PCB。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。理想的温度曲线预热区：其温度以不超过每秒2~5°C速度连续上升，炉的预热区一般占整个加热通道长度的25~33%。活性区，这个区一般占加热通道的33~50%，有两个功用，第一是，将PCB在相当稳定的温度下感温，使不同质量的元件具有相同温度，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。回流区，其作用是将PCB装配的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度。典型的峰值温度范围是205~230°C，这个区的温度设定太高会引起PCB的过分卷曲、脱层或烧损，并损害元件的完整性。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。典型PCB回流区间温度设定区间区间温度设定区间末实际板温预热210°C140°C活性180°C150°C回流240°C210°C典型回流区间温度回流焊接常见缺陷（1）产生锡珠(SolderBalls)原因：1）丝印孔与焊盘不对位，印刷不精确，使锡膏弄脏PCB；2）锡膏在氧化环境中暴露过多、吸空气中水份太多；3）加热不精确，太慢且不均匀；4）加热速率太快且预热区间太长；5）锡膏干得太快；6）助焊剂活性不够；7）太多颗粒小的锡粉；8）回流过程中助焊剂挥发性不适当。锡珠的工艺认可标准是：当焊盘或印制导线的之间距离为0.13mm时，锡珠直径不能超过0.13mm，或者在600mm平方范围内不能出现超过五个锡珠。回流焊接常见缺陷（2）产生锡桥(Bridging)一般来说，造成锡桥的因素就是由于锡膏太稀，包括锡膏内金属或固体含量低、摇溶性低、锡膏容易炸开，锡膏颗粒太大、助焊剂表面张力太小。焊盘上太多锡膏，回流温度峰值太高等。不良回流温度曲线预热不足或过多的回流曲线不良回流温度曲线活性区温度太高或太低不良回流温度曲线回流太多或不够回流焊接常见缺陷（3）开路(Open)原因：1）锡膏量不够；2）元件引脚的共面性不够；3）锡湿不够(不够熔化、流动性不好)，锡膏太稀引起锡流失；4）引脚吸锡(象灯芯草一样)或附近有连线孔。引脚的共面性对密间距和超密间距引脚元件特别重要，一个解决方法是在焊盘上预先上锡。引脚吸锡可以通过放慢加热速度和底面加热多、上面加热少来防止。也可以用一种浸湿速度较慢、活性温度高的助焊剂或者用一种Sn/Pb不同比例的阻滞熔化的锡膏来减少引脚吸锡。不良回流温度曲线冷却过快或不够实训1回流焊机设置及PCB板焊接实训目的及要求（1）熟悉回流焊机的工作原理和操作流程；（2）理解回流焊机各个温区在焊接中的作用；（3）逐步掌握回流焊机开关机操作和温度曲线的设置；（4）初步掌握回流焊机生产过程的质量控制过程；（5）完成简单PCB板焊接。实训1回流焊机设置及PCB板焊接实训内容及步骤第一步：机器硬件操作（1）电源开启程序1）机器首次启动将电源接入机器，按下列方法开启电源：先测量主电源的电流与电压，开启总电源； 打开机器电源开关，注意观察PLC、温控模块、光电、各种仪表等是否都正常工作。2）启动确认打开工厂废气系统，并检查废气系统是否能正常工作。（2）急停按钮 如果有急停按钮被按下的时候，下列情况会发生： 系统将硬性停止； 全部的运动功能和加热功能将停止； 即使印制电路板在机器里面，运输也停止； 监控器将指示急停，并带有声音报警；直到急停按钮再次弹起后，系统回到急停以前的运行状态。实训1回流焊机设置及PCB板焊接第二步：回流焊机软件系统及操作（1）系统简介操作系统：WindowsXP监控系统：基于wavewelder软件开发的监控系统（注：不同生产厂家界面不尽相同，可根据实际情况具体操作）实训1回流焊机设置及PCB板焊接第三步：操作步骤（1）开启计算机，系统启动登录到WindowsXP，需要用户名和密码（根据不同机器进行操作）管理人员：用户名为“admin，初始密码为“XXXXXX”；操作人员：用户名为“admin，初始密码为“XXXXXX”；调机人员：用户名为“调机者，初始密码为“XXXXXX”；这里选择以“管理人员”身份登录。（2）登录完成后，显示PCB类型选项和各种焊接参数数据库，包括序列号、PCB名称、各温区温度值（各值可在此处修改），（3）选定PCB名，并单击“选取”，PCB名和参数将自动载入，出现加载进程条（4）待加载完成后，自动进入操作界面实训1回流焊机设置及PCB板焊接第四步：测试曲线设置（1）测试PCB板受温曲线；测温板直接插入机器测温插座，打开测温界面。单击“TestLine”，即可测出PCB板经过炉体的受温状况。测试完毕，单击“Save”，将文件保存为“*.bmp”文件，以便于存档。同时，也可选择“Print”，打印该温度曲线。单击“Exit”可退出此页面，回到监控画面页。在测试曲线的时候，注意测试点插接头的正、负极。（2）参数设置区设置 1）焊接温度：单击温区名后带数字按钮，输入你需要的温度值；如果输入温度不在其规定范围内，自动弹出温度控制对话框，调整输入值直到输入符合范围。 2）传输速度：单击带数字按钮，输入你所需要的速度，如果输入速度不在其规定范围内，自动弹出传输速度对话框，调整传输速度直到输入符合范围。回到焊接参数界面，单击“更新到PLC”，再击“保存”即可。实训1回流焊机设置及PCB板焊接第五步：开机预生产（1）在控制按钮上单击“ALLON”，全部按钮将启动，温区温度稳定以后机器即投入运行；注意待各温区温度均达到设定值后，方可投入PCB进行生产；（2）单击“FREE”监控系统进入“LOCK”状态(按钮及键盘失效，防止客户误操作)。第六步：关机设备使用完毕，关机步骤如下：1、点击操作界面上的“上温区ON”，“下温区ON”，“冷却”。点击“文件”菜单，在下拉框内点击“自动关机”，机器自动运行30分钟停机。实训2焊接缺陷检测及回流焊机保养实训目的及要求（1）掌握回流焊焊接产生缺陷的原因；（2）掌握如何预防回流焊缺陷产生；（3）熟悉回流焊机温度曲线的设置和调整；（4）掌握安全生产流程和质量控制；（5）熟练对回流焊机进行日常保养。实训2焊接缺陷检测及回流焊机保养实训内容及步骤第一步：找出有缺陷的焊点缺陷焊点主要有以下几类：（1）焊锡球（