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      公共資料

      如何設定回流焊溫度及測試爐溫曲線!

      發布日期:2015/1/17 14:19

      錫膏工藝正確設定與優化回流焊溫度曲線
      回流焊溫度曲線與制程的匹配是爐后高直通率的保障

      實板測試點的選用

      回流焊是SMT工藝的核心技術,PCB上所有的電子元器件通過整體加熱一次性焊接完成,電子廠SMT生產線的質量控制占絕對分量的工作最后都是為了獲得優良的焊接質量。設定好溫度曲線,就管好了爐子,這是所有PE都知道的事。很多文獻與資料都提到回流焊溫度曲線的設置。對于一款新產品、新爐子、新錫膏,如何快速設定回流焊溫度曲線?這需要我們對溫度曲線的概念和錫膏焊接原理有基本的認識。
      本文以最常用的無鉛錫膏Sn96.5Ag3.0Cu0.5錫銀銅合金為例,介紹理想的回流焊溫度曲線設定方案和分析其原理。如圖一 :

      圖一 SAC305無鉛錫膏回流焊溫度曲線圖
      圖一所示為典型的SAC305合金無鉛錫膏回流焊溫度曲線圖。圖中黃、橙、綠、紫、藍和黑6條曲線即為溫度曲線。構成曲線的每一個點代表了對應PCB上測溫點在過爐時相應時間測得的溫度。隨著時間連續的記錄即時溫度,把這些點連接起來,就得到了連續變化的曲線。也可以看做PCB上測試點的溫度在爐子內隨著時間變化的過程。
      那么,我們把這個曲線分成4個區域,就得到了PCB在通過回流焊時某一個區域所經歷的時間。在這里,我們還要闡明另一個概念“斜率①”。用PCB通過回流焊某個區域的時間除以這個時間段內溫度變化的絕對值,所得到的值即為“斜率”。引入斜率的概念是為了表示PCB受熱后升溫的速率,它是溫度曲線中重要的工藝參數。圖中A、B、C、D四個區段,分別為定義為A:升溫區 ,B:預熱恒溫區(保溫區或活化區),C:回流焊接區(焊接區或Reflow區),D:冷卻區。


        繼續深入解析個區段的設置與意義:
      一.升溫區A
      PCB進入回流焊鏈條或網帶,從室溫開始受熱到150℃的區域叫做升溫區。升溫區的時間設置在60-90秒,斜率控制在2-4之間。
      此區域內PCB板上的元器件溫度相對較快的線性上升,錫膏中的低沸點溶劑開始部分揮發。若斜率太大,升溫速率過快,錫膏勢必由于低沸點溶劑的快速揮發或者水氣迅速沸騰而發生飛濺,從而在爐后發生“錫珠”缺陷。過大的斜率也會由于熱應力的原因造成例如陶瓷電容微裂、PCB板變形曲翹、BGA內部損壞等機械損傷。
      升溫過快的另一個不良后果就是錫膏無法承受較大的熱沖擊而發生坍塌,這是造成“短路”的原因之一。長期對制造廠的服務跟蹤,很多廠商的SMT線該區域的斜率實際控制在1.5-2.5之間能得到滿意的效果。由于各個板載貼裝的元器件尺寸、質量不一,在升溫區結束時,大小元器件之間的溫度差異相對較大。
      二.預熱恒溫區B
      此區域在很多文獻和供應商資料中也稱為保溫區、活化區。
      該區域PCB表面溫度由150℃平緩上升至200℃,時間窗口在60-120秒之間。PCB板上各個部分緩緩受到熱風加熱,溫度隨時間緩慢上升。斜率在0.3-0.8之間。
      此時錫膏中的有機溶劑繼續揮發。活性物質被溫度激活開始發揮作用,清除焊盤表面、零件腳和錫粉合金粉末中的氧化物。恒溫區被設計成平緩升溫的目的是為了兼顧PCB上貼裝的大小不一的元器件能均勻升溫。讓不同尺寸和材料的元器件之間的溫度差逐漸減小,在錫膏熔融之前達到最小的溫差,為在下一個溫度分區內熔融焊接做好準備。這是防止“墓碑”缺陷的重要方法。眾多無鉛錫膏廠商的SAC305合金錫膏配方里活性劑的活化溫度大都在150-200℃之間,這也是本溫度曲線在這個溫度區間內預熱的原因之一。
      需要注意的是:1、預熱時間過短。活性劑③與氧化物反應時間不夠,被焊物表面的氧化物未能有效清除。錫膏中的水氣未能完全緩慢蒸發、低沸點溶劑揮發量不足,這將導致焊接時溶劑猛烈沸騰而發生飛濺產生“錫珠”。潤濕不足,可能會產生浸潤不足的“少錫”“虛焊”、“空焊”、“漏銅”的不良。2、預熱時間過長。活性劑消耗過度,在下一個溫度區域焊接區熔融時沒有足夠的活性劑即時清除與隔離高溫產生的氧化物和助焊劑高溫碳化的殘留物。這種情況在爐后的也會表現出“虛焊”、“殘留物發黑”、“焊點灰暗”等不良現象。
      三.回流焊接區C

      回流區又叫焊接區或Refelow區。


      SAC305合金的熔點在217℃-218℃之間④,所以本區域為>217℃的時間,峰值溫度<245℃,時間30-70秒。形成優質焊點的溫度一般在焊料熔點之上15-30℃左右,所以回流區最低峰值溫度應該設置在230℃以上。考慮到Sn96.5Ag3.0Cu0.5無鉛錫膏的熔點已經在217℃以上,為照顧到PCB和元器件不受高溫損壞,峰值溫度最高應控制在250℃以下,筆者所見大部分工廠實際峰值溫度最高在245℃以下。
      預熱區結束后,PCB板上溫度以相對較快的速率上升到錫粉合金液相線,此時焊料開始熔融,繼續線性升溫到峰值溫度后保持一段時間后開始下降到固相線。
      此時錫膏中的各種組分全面發揮作用:松香或樹脂軟化并在焊料周圍形成一層保護膜與氧氣隔絕。表面活性劑被激活用于降低焊料和被焊面之間的表面張力,增強液態焊料的潤濕力。活性劑繼續與氧化物反應,不斷清除高溫產生的氧化物與被碳化物并提供部分流動性,直到反應完全結束。部分添加劑在高溫下分解并揮發不留下殘留物。高沸點溶劑隨著時間不斷揮發,并在回焊結束時完全揮發。穩定劑均勻分布于金屬中和焊點表面保護焊點不受氧化。焊料粉末從固態轉換為液態,并隨著焊劑潤濕擴展。少量不同的金屬發生化學反應生產金屬間化合物,如典型的錫銀銅合金會有Ag3Sn、Cu6Sn5生成。
      回焊區是溫度曲線中最核心的區段。峰值溫度過低、時間過短,液態焊料沒有足夠的時間流動潤濕,造成“冷焊”、“虛焊”、“浸潤不良(漏銅)”、“焊點不光亮”和“殘留物多”等缺陷;峰值溫度過高或時間過長,造成“PCB板變形”、“元器件熱損壞”、“殘留物發黑”等等缺陷。它需要在峰值溫度、PCB板和元器件能承受的溫度上限與時間、形成最佳焊接效果的熔融時間之間尋求平衡,以期獲得理想的焊點。
      四.冷卻區D
      焊點溫度從液相線開始向下降低的區段稱為冷卻區。通常SAC305合金錫膏的冷卻區一般認為是217℃-170℃之間的時間段(也有的文獻提出最低到150℃)。
      由于液態焊料降溫到液相線以下后就形成固態焊點,形成焊點后的質量短期內肉眼無法判斷,所以很多工廠往往不是很重視冷卻區的設定。然而焊點的冷卻速率關乎焊點的長期可靠性,不能不認真對待。
      冷卻區的管控要點主要是冷卻速率。經過很多焊錫實驗室研究得出的結論:快速降溫有利于得到穩定可靠的焊點。
      通常人們的直覺認為應該緩慢降溫,以抵消各元器件和焊點的熱沖擊。然而,回流焊錫膏釬焊慢速冷卻會形成更多粗大的晶粒,在焊點界面層和內部生較大Ag3Sn、Cu6Sn5等金屬間化合物顆粒。降低焊點機械強度和熱循環壽命,并且有可能造成焊點灰暗光澤度低甚至無光澤。
      快速的冷卻能形成平滑均勻而薄的金屬間化物,形成細小富錫枝狀晶和錫基體中彌散的細小晶粒,使焊點力學性能和可靠性得到明顯的提升與改善。
      生產應用中,并不是冷卻速率越大越好。要結合回流焊設備的冷卻能力、板子、元器件和焊點能承受的熱沖擊來考量。應該在保證焊點質量時不損害板子和元器件之間尋求平衡。最小冷卻速率應該在2.5℃以上,最佳冷卻速率在3℃以上。考慮到元器件和PCB能承受的熱沖擊,最大冷卻速率應該控制在6-10℃。工廠在選擇設備時,最好選擇帶水冷功能的回流焊而獲得較強的冷卻能力儲備。

      圖二 SAC305無鉛錫膏工藝窗口圖
      如圖二所示。錫膏的最低活化溫度和最高活化溫度,最短和最長有效活化時間,錫膏的熔點和最佳焊接溫度,PCB板和元器件能承載的最高溫度和時間,這些參數之間的區間就形成了工藝窗口。實際生產中每個品牌的錫膏其工藝參數都不一而同,產品的PCB材質、元器件密度、元器件受熱能力也不一樣。設計好回流焊溫度曲后需要在工藝窗口內調整優化,以期獲得最優化的Reflow Profile。


      溫度曲線特點鉛基焊料無鉛焊料,平均升溫速度 (Tsmax 至 Tp) 最高 3°C /秒最高 3°C /秒,預熱:最低溫度 (Tsmin) 100°C 150°C,預熱:最高溫度 (Tsmax) 150°C 200°C,預熱:時間 (tsmin 至 tsmax) 60-120 秒60-180 秒,維持高于溫度的時間:溫度 (TL) 183°C 217°C,維持高于溫度的時間:時間 (tL) 60-150 秒60-150 秒,峰值/分類溫度 (Tp) 215°C 260°C。


      回流焊如何設定及測試溫度曲線


      微循環運風系統和增壓式多點噴氣原理保證爐內溫度均勻,各溫區同向異性好,板面在受熱時不產生因折射而導致的受熱空區,不產生陰影,PCB板面橫向△T<±2℃,從根本上提高了加熱效率,快速高效的熱補償性能,焊接區pcb實際溫度與設定溫度之差小于3℃,特別適合bga、csp、qfp等元件及多層線路板之完美焊接。相臨兩溫區溫度設定可達100℃,pcb上下面溫差設定可達到60℃,可完全滿足雙面板的可靠焊接。專利導軌高溫不變形,有效保證導軌平行,防止掉板,卡板的發生、免清洗,易調節。自動和手動調寬。<>


      力拓不同系列回流焊橫向溫度偏差:

      S系列(網帶型): 裸板FR4板材測試:PCB板面橫向△T<±3℃<>

      ES系列(網帶型): 裸板FR4板材測試:PCB板面橫向△T<±2℃<>

      M系列(網帶型): 裸板FR4板材測試:PCB板面橫向△T<±1.5℃ 適用BGA焊接

      MS系列(導軌+網帶型): 裸板FR4板材測試:PCB板面橫向△T<±1.5℃  適用BGA焊接

      RS系列(導軌+網帶型): 裸板FR4板材測試:PCB板面橫向△T<±1℃ 適用大容量 BGA焊接

      RS系列研發型(導軌+網帶型): 裸板FR4板材測試:PCB板面橫向△T<±0.5℃ 適用大容量BGA焊接


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