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    回流焊原理及工藝

    作者:博維科技 時間:2023-04-04 16:10
     
    什么是回流焊?
     
    回流焊的英文是Reflow,是通過重新熔化預先分配到印制板焊盤上的膏狀軟釬焊料,實現表面組裝元器件焊端或引腳與印制板焊盤之間機械與電氣連接的軟釬焊?;亓骱甘菍⒃骷附拥絇CB板材上,回流焊是對表面貼裝器件的?;亓骱甘强繜釟饬鲗更c的作用,膠狀的焊劑在一定的高溫氣流下進行物理反應達到SMD的焊接;之所以叫"回流焊"是因為氣體在焊機內循環流動產生高溫達到焊接目的。
     
    回流焊原理分為幾個描述
     
    圖片1.png
    (回流焊溫度曲線圖)
     
    A.當PCB進入升溫區時,焊膏中的溶劑、氣體蒸發掉,同時,焊膏中的助焊劑潤濕焊盤、元器件端頭和引腳,焊膏軟化、塌落、覆蓋了焊盤,將焊盤、元器件引腳與氧氣隔離。
     
    B.PCB進入保溫區時,使PCB和元器件得到充分的預熱,以防PCB突然進入焊接高溫區而損壞PCB和元器件。
     
    C.當PCB進入焊接區時,溫度迅速上升使焊膏達到熔化狀態,液態焊錫對PCB的焊盤、元器件端頭和引腳潤濕、擴散、漫流或回流混合形成焊錫接點。
     
    D.PCB進入冷卻區,使焊點凝固,此時完成了回流焊。
     
    雙軌回流焊的工作原理
     
    雙軌回流焊爐通過同時平行處理兩個電路板,可使單個雙軌爐的產能提高兩倍。目前, 電路板制造商僅限于在每個軌道中處理相同或重量相似的電路板。而現在, 擁有獨立軌道速度的雙軌雙速回流焊爐使同時處理兩塊差異更大的電路板成為現實。首先,我們要了解影響熱能從回流爐加熱器向電路板傳遞的主要因素。在通常情況下,如圖所示,回流焊爐的風扇推動氣體(空氣或氮氣)經過加熱線圈,氣體被加熱后,通過孔板內的一系列孔口傳遞到產品上。
    圖片2.png  
     
    可用如下方程來描述熱能從氣流傳遞到電路板的過程,q = 傳遞到電路板上的熱能; a = 電路板和組件的對流熱傳遞系數; t = 電路板的加熱時間; A = 傳熱表面積 ; ΔT = 對流氣體和電路板之間的溫度差 我們將電路板相關參數移到公式的一側,并將回流焊爐參數移到另一側,可得到如下公式:q = a | t | A | | T
     
    雙軌回流焊PCB已經相當普及,并在逐漸變得復那時起來,它得以如此普及,主要原因是它給設計者提供了極為良好的彈性空間,從而設計出更為小巧,緊湊的低成本的產品。到今天為止,雙軌回流焊板一般都有通過回流焊接上面(元件面),然后通過波峰焊來焊接下面(引腳面)。目前的一個趨勢傾向于雙軌回流焊回流焊,但是這個工藝制程仍存在一些問題。大板的底部元件可能會在第二次回流焊過程中掉落,或者底部焊接點的部分熔融而造成焊點的可靠性問題。
     
    回流焊流程介紹
     
     
    回流焊加工的為表面貼裝的板,其流程比較復雜,可分為兩種:單面貼裝、雙面貼裝。
     
    A,單面貼裝:預涂錫膏 → 貼片(分為手工貼裝和機器自動貼裝) → 回流焊 → 檢查及電測試。
     
    B,雙面貼裝:A面預涂錫膏 → 貼片(分為手工貼裝和機器自動貼裝) → 回流焊 →B面預涂錫膏 →貼片(分為手工貼裝和機器自動貼裝)→ 回流焊 → 檢查及電測試。
     
    回流焊的最簡單的流程是"絲印焊膏--貼片--回流焊,其核心是絲印的準確,對貼片是由機器的PPM來定良率,回流焊是要控制溫度上升和最高溫度及下降溫度曲線。
     
    回流焊工藝要求
     
    回流焊技術在電子制造領域并不陌生,我們電腦內使用的各種板卡上的元件都是通過這種工藝焊接到線路板上的。這種工藝的優勢是溫度易于控制,焊接過程中還能避免氧化,制造成本也更容易控制。這種設備的內部有一個加熱電路,將氮氣加熱到足夠高的溫度后吹向已經貼好元件的線路板,讓元件兩側的焊料融化后與主板粘結。
     
    1、要設置合理的再流焊溫度曲線并定期做溫度曲線的實時測試。
    2、要按照PCB設計時的焊接方向進行焊接。
    3、焊接過程中嚴防傳送帶震動。
    4、必須對首塊印制板的焊接效果進行檢查。
    5、焊接是否充分、焊點表面是否光滑、焊點形狀是否呈半月狀、錫球和殘留物的情況、連焊和虛焊的情況。還要檢查PCB表面顏色變化等情況。并根據檢查結果調整溫度曲線。在整批生產過程中要定時檢查焊接質量。
     
    影響工藝的因素
     
    1、通常PLCC、QFP與一個分立片狀元件相比熱容量要大,焊接大面積元件就比小元件更困難些。
     
    2、在回流焊爐中傳送帶在周而復始傳送產品進行回流焊的同時,也成為一個散熱系統,此外在加熱部分的邊緣與中心散熱條件不同,邊緣一般溫度偏低,爐內除各溫區溫度要求不同外,同一載面的溫度也差異。
     
    3、產品裝載量不同的影響?;亓骱傅臏囟惹€的調整要考慮在空載,負載及不同負載因子情況下能得到良好的重復性。負載因子定義為:LF=L/(L+S);其中L=組裝基板的長度,S=組裝基板的間隔?;亓骱腹に囈玫街貜托院玫慕Y果,負載因子愈大愈困難。通?;亓骱笭t的最大負載因子的范圍為0.5~0.9。這要根據產品情況(元件焊接密度、不同基板)和再流爐的不同型號來決定。要得到良好的焊接效果和重復性,實踐經驗很重要的。
     
    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 :
     
    圖片3.png  
    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。
     
    圖片4.png  
     
     
    繼續深入解析各區段的設置與意義
     
     
    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?;钚晕镔|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?;钚詣叟c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?;钚詣┫倪^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??紤]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?;钚詣├^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由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??紤]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。
    圖片5.png  
     
    回流焊技術有哪些優勢?
     
     
    1、回流焊技術進行焊接時,不需要將印刷電路板浸入熔融的焊料中,而是采用局部加熱的方式完成焊接任務的;因而被焊接的元器件受到熱沖擊小,不會因過熱造成元器件的損壞。
     
    2、由于在焊接技術僅需要在焊接部位施放焊料,并局部加熱完成焊接,因而避免了橋接等焊接缺陷。
     
    3、再流焊技術中,焊料只是一次性使用,不存在再次利用的情況,因而焊料很純凈,沒有雜質,保證了焊點的質量。
     
    回流焊的注意事項
     
     
    1、橋聯
    回流焊焊接加熱過程中也會產生焊料塌邊,這個情況出現在預熱和主加熱兩種場合,當預熱溫度在幾十至一百度范圍內,作為焊料中成分之一的溶劑即會降低粘度而流出,如果其流出的趨勢是十分強烈的,會同時將焊料顆粒擠出焊區外的含金顆粒,在熔融時如不能返回到焊區內,也會形成滯留的焊料球。除上面的因素外,SMD元件端電極是否平整良好,電路線路板布線設計與焊區間距是否規范,阻焊劑涂敷方法的選擇和其涂敷精度等都會是造成橋聯的原因。
     
    2、立碑元件浮高(曼哈頓現象)
    片式元件在遭受回流焊急速加熱情況下發生的翹立,這是因為急熱使元件兩端存在溫差,電極端一邊的焊料完全熔融后獲得良好的濕潤,而另一邊的焊料未完全熔融而引起濕潤不良,這樣促進了元件的翹立。因此,回流焊加熱時要從時間要素的角度考慮,使水平方向的加熱形成均衡的溫度分布,避免回流焊急熱的產生。 
    防止元件翹立的主要因素有以下幾點: 
     
    ①選擇粘接力強的焊料,焊料的印刷精度和元件的貼裝精度也需提高; 
    ②元件的外部電極需要有良好的濕潤性和濕潤穩定性。推薦:溫度40℃以下,濕度70%RH以下,進廠元件的使用期不可超過6個月; 
    ③采用小的焊區寬度尺寸,以減少焊料熔融時對元件端部產生的表面張力。另外可適當減小焊料的印刷厚度,如選用100μm;   
    ④焊接溫度管理條件設定也是元件翹立的一個因素。通常的目標是加熱要均勻,特別在元件兩連接端的焊接圓角形成之前,均衡加熱不可出現波動。
     
    3、潤濕不良
    潤濕不良是指回流焊焊接過程中焊料和電路基板的焊區(銅箔)或SMD的外部電極,經浸潤后不生成相互間的反應層,而造成漏焊或少焊故障。其中原因大多是焊區表面受到污染或沾上阻焊劑,或是被接合物表面生成金屬化合物層而引起的。譬如銀的表面有硫化物、錫的表面有氧化物都會產生潤濕不良。另外焊料中殘留的鋁、鋅、鎘等超過0.005%以上時,由于焊劑的吸濕作用使活化程度降低,也可發生潤濕不良。因此在焊接基板表面和元件表面要做好防污措施。選擇合適的焊料,并設定回流焊合理的焊接溫度曲線。   
     
    無鉛焊接的五個步驟
     
     
    1、選擇適當的材料和方法   
    在無鉛焊接工藝中,焊接材料的選擇是最具挑戰性的。因為對于無鉛焊接工藝來說,無鉛焊料、焊膏、助焊劑等材料的選擇是最關鍵的,也是最困難的。在選擇這些材料時還要考慮到焊接元件的類型、線路板的類型,以及它們的表面涂敷狀況。選擇的這些材料應該是在自己的研究中證明了的,或是權威機構或文獻推薦的,或是已有使用的經驗。把這些材料列成表以備在工藝試驗中進行試驗,以對它們進行深入的研究,了解其對工藝的各方面的影響。   
     
    對于焊接方法,要根據自己的實際情況進行選擇,如元件類型:表面安裝元件、通孔插裝元件;線路板的情況;板上元件的多少及分布情況等。對于表面安裝元件的焊接,需采用回流焊的方法;對于通孔回流焊插裝元件,可根據情況選擇波峰焊、浸焊或噴焊法來進行焊接。波峰焊更適合于整塊板(大型)上通孔插裝元件的焊接;浸焊更適合于整塊板(小型)上或板上局部區域通孔插裝元件的回流焊焊接;局部噴焊劑更適合于板上個別元件或少量通孔插裝元件的回流焊焊接。另外,還要注意的是,無鉛回流焊焊接的整個過程比含鉛焊料的要長,而且所需的焊接溫度要高,這是由于無鉛焊料的熔點比含鉛焊料的高,而它的浸潤性又要差一些的緣故。   在焊接方法選擇好后,其焊接工藝的類型就確定了。這時就要根據焊接工藝要求選擇設備及相關的工藝控制和工藝檢查儀器,或進行升級。焊接設備及相關儀器的選擇跟焊接材料的選擇一樣,也是相當關鍵的。   
     
    2、確定工藝路線和工藝條件   
    在第一步完成后,就可以對所選的焊接材料進行焊接工藝試驗。通過試驗確定工藝路線和工藝條件。在試驗中,需要對列表選出的焊接材料進行充分的試驗,以了解其特性及對工藝的影響。這一步的目的是開發出無鉛焊接的樣品。   
     
    3、開發健全焊接工藝   
    這一步是第二步的繼續。它是對第二步在工藝試驗中收集到的試驗數據進行分析,進而改進材料、設備或改變工藝,以便獲得在實驗室條件下的健全工藝。在這一步還要弄清無鉛合金焊接工藝可能產生的沾染如何預防、測定各種焊接特性的工序能力(CPK)值,以及與原有的錫/鉛工藝進行比較。通過這些研究,就可開發出焊接工藝的檢查和測試程序,同時也可找出一些工藝失控的處理方法。   
     
    4、焊接樣品可靠性試驗
    還需要對焊接樣品進行可靠性試驗,以鑒定產品的質量是否達到要求。如果達不到要求,需找出原因并進行解決,直到達到要求為止。一旦焊接產品的可靠性達到要求,無鉛焊接工藝的開發就獲得成功,這個工藝就為規模生產做好了準準備就緒后的操作一切準備就緒,現在就可以從樣品生產轉變到工業化生產。在這時,仍需要對工藝進行以維持工藝處于受控狀態。   
     
    5、控制和改進工藝   
    無鉛焊接工藝是一個動態變化的舞臺。工廠必須警惕可能出現的各種問題以避免出現工藝失控,同時也還需要不斷地改進工藝,以使產品的質量和合格良率不斷得到提高。對于任何無鉛焊接工藝來說,改進焊接材料,以及更新設備都可改進產品的焊接性能。
     
     
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