【doc】 回流焊温度曲线热容研究

【doc】 回流焊温度曲线热容研究 回流焊温度曲线热容研究 第l5卷第3期 2005年8月 华北航天工业学院 JournalofNorthChinaInstituteofAstronauticEngineerin Vo1.15NO.3 Aug.2005 回流焊温度曲线热容研究 曹白杨赵小青梁万雷 (北华航天工业学院电子工程系,河北廊坊065000) 摘要:本文全面的了回流焊温度曲线在回流焊工艺中的作用,回流焊工艺的工艺特点,影响回流焊温度 曲线的各种因素.如何从热容的思想建立回流焊温度曲线的方法?如何调整温度曲线通过控制温度曲线改善工 艺过程,减少回流焊工艺的缺陷? 关键词:回流焊;回流焊工艺;回流焊温度曲线 中图分类号:TN705文献标识码:A文章编号:1009—2145(2005)03—0006—04 回流焊接是面组装技术(SMT)特有的重要 工艺,焊接工艺质量的优劣不仅影响正常生产,也影 响最终产品的质量和可靠性.因此对回流焊工艺进 行深入研究,并据此开发合理的回流焊温度曲线,是 保证表面组装质量的重要环节. 影响回流焊工艺的因素很多,也很复杂,需要工 艺人员在生产中不断研究探讨,本文将从多个方面. 来进行探讨. 1回流焊设备 在电子制造业中,大量的表面组装组件(SMA) 通过回流焊进行焊接,按回流焊的热传递方式可将 其分为三类:远红外,全热风,红J,t,/热风. 1.1远红外回流焊 八十年代使用的远红外回流焊具有加热快,节 能,运行平稳等特点,但由于印制板及各种元器件的 材质,色泽不同而对辐射热吸收率有较大差异,造成 上各种不同元器件以及不同部位温度不均匀, 即局部温差.例如,集成电路的黑色塑料封装体上 会因辐射吸收率高而过热,而其焊接部位——银白 色引线上反而温度低产生虚焊.另外,印制板上热 辐射被阻挡的部位,例如在大(高)元器件阴影部位 的焊接引脚或小元器件会由于加热不足而造成焊接 不良. 1.2全热风回流焊 全热风回流焊是一种通过对流喷射管嘴或者耐 热风机来迫使气流循环,从而实现被焊件加热的焊 收稿日期:2005—06一O1 作者简介:曹白杨(1960一),男,江苏扬州人,副教授,从事电子 装联教学. 接方法,该类设备在90年代开始兴起.由于采用此 种加热方式,印制板(PCB)和元器件的温度接近给 定加热温区的气体温度,完全克服了红外回流焊的 局部温差和遮蔽效应,故目前应用较广. 在全热风回流焊设备中,循环气体的对流速度 至关重要.为确保循环气体作用于印制板的任一区 域,气流必须具有足够快的速度,这在一定程度上易 造成印制板的抖动和元器件的移位.此外,采用此 种加热方式的热交换效率较低,耗电较多. 1.3红外热风回流焊 这类回流焊炉是在红外炉基础上加上热风使炉 内温度更均匀,是目前较为理想的加热方式.这类 设备充分利用了红外线穿透力强的特点,热效率高, 节电;同时有效克服了红外回流焊的局部温差和遮 蔽效应,并弥补了热风回流焊对气体流速要求过快 而造成的影响,因此这种回流焊目前是使用得最普 遍的. 随着组装密度的提高,精细间距组装技术的出 现,还出现了氮气保护的回流焊炉.在氮气保护条 件下进行焊接可防止氧化,提高焊接润湿能力,对未 贴正的元件矫正力大,焊珠减少,更适合于免清洗工 艺. 2温度曲线分析与设计 温度曲线是指SMA通过回流炉时,SMA上某 一 点的温度随时间变化的曲线;其本质是SMA在 某一位置的热容状态.温度曲线提供了一种直观的 方法,来分析某个元件在整个回流焊过程中的温度 变化情况.这对于获得最佳的可焊性,避免由于超 温而对元件造成损坏以及保证焊接质量都非常重 要 —— 6—— 第3期曹白杨等:回流焊温度曲线热容研究2005年8月 2.1温度曲线热容分析 理想的温度曲线由四个部分组成,前面三个区 加热和最后一个区冷却.一个典型的温度曲线如图 1所示,其包含回流持续时间,锡膏活性温度,合金 熔点和所希望的回流最高温度等.回流焊炉的温区 越多,越能使实际温度曲线的轮廓达到理想的温度 曲线.大多数锡膏都能用有四个基本温区的温度曲 线完成回流焊工艺过程. 液化阶段t 时_日J(速度的幽数)———+’ 图1理想的温度曲线 1)预热区,也叫斜坡区,用来将PCB的温度从 周围环境温度提升到所须的活性温度.在这个区, 电路板和元器件的热容不同,他们的实际温度提升 速率不同.电路板和元器件的温度应不超过每秒2 — 5?速度连续上升,如果过快,会产生热冲击,电路 板和元器件都可能受损,如陶瓷电容的细微裂纹. 而温度上升太慢,锡膏会感温过度,溶剂挥发不充 分,影响焊接质量.炉的预热区一般占整个加热区 长度的15,25%. 2)活性区,有时叫做干燥或浸湿区,这个区一般 占加热区的3050%.活性区的主要目的是使 SMA内各元件的温度趋于稳定,尽量减少温差.在 这个区域里给予足够的时间使热容大的元器件的温 度赶上较小元件,并保证焊膏中的助焊剂得到充分 挥发.到活性区结束,焊盘,焊料球及元件引脚上的 氧化物被除去,整个电路板的温度达到平衡.应注 意的是SMA上所有元件在这一区结束时应具有相 同的温度,否则进入到回流区将会因为各部分温度 不均产生各种不良焊接现象.一般普遍的活性温度 范围是120—150~(2,如果活性区的温度设定太高, 助焊剂没有足够的时间活性化,温度曲线的斜率是 一 个向上递增的斜率.虽然有的锡膏制造商允许活 性化期间一些温度的增加,但是理想的温度曲线应 当是平稳的温度. 区的作用是将PCB的温度从活性温度提高到所推 荐的峰值温度.活性温度总是比合金的熔点温度低 一 点,而峰值温度总是在熔点上.典型的峰值温度 范围是焊膏合金的熔点温度加40~C左右,回流区工 作时间范围是20—50s.这个区的温度设定太高会 使其温升斜率超过每秒2—5?,或使回流峰值温度 比推荐的高,或工作时间太长可能引起PCB的过分 卷曲,脱层或烧损,并损害元件的完整性.回流峰值 温度比推荐的低,工作时间太短可能出现冷焊等缺 陷. 4)冷却区,这个区中焊膏的锡合金粉末已经熔 化并充分润湿被连接表面,应该用尽可能快的速度 来进行冷却,这样将有助于合金晶体的形成,得到明 亮的焊点,并有较好的外形和低的接触角度.缓慢 冷却会导致电路板的杂质更多分解而进入锡中,从 而产生灰暗粗糙的焊点.在极端的情形下,其可能 引起沾锡不良和减弱焊点结合力.冷却段降温速率 一 般为310?/s. 2.2按工作热容设计温度曲线 温度曲线的本质是描述SMA在某一位置的热 容状态,温度曲线受多个参数影响,其中最关键的是 传输带速度和每个区温度的设定.而传输带速度和 每个区温度的设定取决与SMA的尺寸大小,元器 件密度和SMA的炉内密度. 作温度曲线首先考虑传输带的速度设定,该设 定值将决定PCB在加热通道所花的时间.典型的 锡膏要求3—4分钟的加热时间,用总的加热通道长 度除以总的加热时间,即为准确的传输带速度. 传送带速度决定PCB暴露在每个区所设定的 温度下的持续时间,增加持续时间可以使表面组装 组件接近该区的温度设定. 接下来必须确定各个区的温度设定.由于实际 区间温度不一定就是该区的显示温度,因此显示温 度只是代表区内热敏电偶的温度.如果热电偶越靠 近加热源,显示的温度将比区间实际温度高,热电偶 越靠近PCB的直接通道,显示的温度将越能反应区 间实际温度. 速度和温度确定后,将参数输入到焊炉的控制 器,从而调整设定温度,风扇速度,强制空气流量和 惰性气体流量等.炉子稳定后,可以开始作曲线. 一 旦最初的温度曲线图产生,可以和锡膏制造商推 荐的曲线进行比较. 3)回流区,有时叫做峰值区或最后升温区,这个首先,必须确定从环境 温度到回流峰值温度的 ——1—— 温温 值流性 峰回活旺 ?T???显 2005年8月华北航天工业学院第15卷 总时间和所希望的加热时间相协调,如果太长,按比 例地增加传送带速度,如果太短,则相反. 下一步,图形曲线的形状必须和所希望的(如图 1所示)相比较,如果形状不协调,则同下面的图形 (如图2,5所示)进行比较.选择与理论图形形状 最相协调的曲线.应该考虑从左到右(顺序)的 偏差,例如,如果预热和回流区中存在差异,首先将 预热区的差异调整,一般最好每次调一个参数,在作 进一步调整之前运行这个曲线设定.这是因为一个 给定区的改变也将影响随后区的结果. 当最后的曲线图尽可能的与所希望的图形相吻 合,应该把炉的参数记录或储存以备后用. 在作实际温度曲线之前,需要准备下列设备和 辅助工具:温度曲线测试仪,热电偶,将热电偶附着 于PCB的工具和锡膏参数表等. 预热太多, 减少预热区 温度 三瑶恭繁狸占珲替i温度…’. 的回流曲线I….I 卜.卜_—_}加热通道_十——一l}预热区{活性区}回流区l冷却区 时间(速度的函数)———- 图2预热不足或过多的回流曲线 图3活性区温度太高或太低 设定 低活 时间(速度的函数)—— 图4回流太多或不够 d) ? l回流温度 l活性温度 温度 速度 时间(速度的幽教)———’ 图5冷却过快或不够 测量回流焊温度曲线时需使用温度曲线测试仪, 其由测温仪和微型热电偶探头组成.测量时,微型热 电偶探头可用焊料,胶粘剂,高温胶带固定在测试点 上.热电偶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(如图6所示).打开测温仪上的开关,测温仪随同 被测印制板一起进入炉腔,自动按内编时间程序进行 采样记录.测试记录完毕,将测试仪与计算机连接, 由相关应用软件进行处理得到相应的温度曲线. 热电偶f引脚 ,_____/ 焊盘 ???????—PcB 图6温度曲线测试 在使用温度曲线测试仪时,应注意以下几点: 1)测定时,必须使用已完全装配过的板.首先 对印制板元器件进行热特性分析,由于印制板受热 性能不同,元器件体积大小及材料差异等原因,各点 实际受热升温不相同,找出最热点,最冷点,分别设 置热电偶便可测量出最高温度与最低温度. 2)尽可能多设置热电偶测试点,以求全面反映 印制板各部分真实受热状态.例如印制板中心与边 缘受热程度不一样,大体积元件与小型元件热容量 不同及热敏感元件都必须设置测试点. 3)热电偶探头外形微小,必须用指定高温焊料 或胶粘剂固定在测试位置,否则受热松动,偏离预定 测试点,引起测试误差. 3结论 在SMT回流焊工艺造成对元件加热不均匀的 原因主要有:回流焊元件热容量的差别,传送带或加 热器边缘影响,回流焊炉上的负载等三个方面.通 常PLCC,QFP,BGA,屏蔽罩等器件热容量大,焊接 面积大,焊接困难;在回流焊炉中传送带在周而复始 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 8一 度度 温温 流性回活破 温温 流性 回活蔓b?? 温温 流性 回活度c?t??日m 第3期曹白杨等:回流焊温度曲线热容研究2005年8月 一 般温度偏低,炉内除各温区温度要求不同外,同一 载面的温度也有差异;产品装载量不同的影响.回 流焊温度曲线的调整要考虑在空载,负载及不同负 载因子(负载因子定义为:Ls=S1/S;其中S1=组装 基板的面积,S=炉内加热区的有效面积)情况下能 得到良好的重复性.回流焊工艺要得到重复性好的 结果,必须控制负载因子.负载因子愈大,焊接质量 愈难控制.通常回流焊炉的最大负载因子的范围为 0.3,0.5.这要根据产品情况(元件焊接密度,不同 基板)和回流炉的性能来决定;同时,要得到良好的 焊接效果和重复性,实践经验很重要. 与回流焊相关的焊接缺陷很多,主要有:桥接, 立碑(曼哈顿现象),润湿不良等.究其原因多数与 温度曲线有关.设定合理的焊接温度曲线,选择合 适的焊料,应用合理的工艺是保证质量的关键. 回流焊接是SMT工艺中复杂而关键的工艺, 涉及到自动控制,材料,流体力学和冶金学等多种科 学.要获得优质的焊接质量,必须深入研究回流焊 接工艺参数的设计,温度场的影响,元器件的影响, 焊接材料影响,焊接设备等方方面面. ReflowSolderProfileDevelopment CAOBai--yangZHAOXiao--qingLIANGWan--lei (ElectronicsEngineeringDepartment,NorthChinaInstituteofAstronauticE ngineering,Lang~ng065000,China) Abst 喇:Inthispaper.weanalyzethefunctionofthethermalreflowprofileinreflowpr ocess,characteristicsofreflowprocess.fac— torsofthermalreflowprofile.Howtobuildupmethodsofthermalreflowprofil eintheideaofthermalcapacity.Howtoadjustther— malreflowprof’de.Wecontrolthermalreflowprofileforincreasingqualityof reflowprocessanddecreasingfailuresofreflowprocess. Keywords:reflowsoldering;reflowprocess;thermalreflowprofile ),,,),),,;,,,;,户,,t),p),),p,) (上接第5页) (2)物料管理:对于有铅,无铅两种工艺并存的 企业,务必注意制定严格的物料#管理#,千万不能 把有铅,无铅的焊膏和元器件混淆. (3)无铅印刷要提高印刷精度;提高贴片精 度. (4)严格控制温度曲线,尽量降低峰值温度;对 潮湿敏感元件进行去潮烘烤. (5)复杂和高可靠产品采用耐高温的PCB材料 (FR5或其他). (6)在N中焊接比在空气中焊接的质量好,尤 其波峰焊采用N可以减少高温焊料氧化,减少残 渣,节省焊料. 5结语 无论从环保,立法,市场竞争和产品可靠性等方 面来看,无铅化势在必行.目前无铅焊接还处于过 渡和起步阶段,从理论到应用都还不成熟,迫切需要 加快对无铅焊接技术从理论到应用的研究.无铅时 代即将到来,我们应该做好充分准备. ApplicationandDevelopmentofSurfaceMountTechnology GUAi—yunZHAODong—mingCAOBai—yang (1.TheMinistryofSecurityofPRCtheFirstResearchInstitute,Beijing100000; 2.Lang~ngNormalCoHege,Lang~ng065000; 3.ElectronicsEngineeringDepartment,NorthChinaInstituteofAstronauticEngineering,Lang~ng065000,China) Abs:Itisinthespecialstagetotransferfromleadsoldertolead—freesolder.Th ethingssuchaslead—freematerial,PCB,compo— nent,examinationandreliabilityhavenocommonstandard.Inthispaper,theactualityoflead—freesolderanditscharacteristicsand countermeasuresareintroducedindetail,otherwise,themainproblemsoflead-freesolderandtheproblemswhenleadsolderandlead— freesolderwereusedtogetherthatshouldbepaidattentiontoduringthetransferstagearealsoanalyzedentirely. v,eywords:lead—freesolder;lead—freecomponent;lead—freePCB;lead —freereliability 一 9一