回流焊温度的解析

随着当今电子产品的飞速发展,对电子产品的质量也有更高的要求。回流炉焊接是我们生产制程中特殊并且十分重要的工序,也是电子制造业中最终实现SMT工艺的工序,更是PCBA电子线路板组装作业中的重要特殊的工序。 

一、回流焊的原理及发展阶段

回流焊技术在电子制造领域必不可少,是通过熔化预先分配到印制板焊盘上的膏状软钎焊料,实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接。回流炉是SMT(表面贴装技术)最后一个关键工序,是一个实时过程控制,其过程变化比较复杂,涉及许多工艺参数,其中温度曲线的设置最为重要,直接决定回流焊接质量。回流焊是靠热气流对焊点的作用,之所以叫"回流焊"是因为气体在焊机内循环流动产生高温达到焊接目的。

 

根据产品的热传递效率和焊接的可靠性的不断提升,回流焊大致可分为五个发展阶段:

第一代:热板传导回流焊设备:热传递效率最慢,5-30 W/m2K(不同材质的加热效率不一样),有阴影效应。

第二代:红外热辐射回流焊设备:热传递效率慢,5-30W/m2K(不同材质的红外辐射效率不一样),有阴影效应,元器件的颜色对吸热量有大的影响。

第三代:热风回流焊设备:热传递效率比较高,10-50 W/m2K,无阴影效应,颜色对吸热量没有影响。

第四代:气相回流焊接系统:热传递效率高,200-300 W/m2K,无阴影效应,焊接过程需要上下运动,冷却效果差。

第五代:真空蒸汽冷凝焊接(真空汽相焊)系统:密闭空间的无空洞焊接,热传递效率最高,300W-500W/m2K。焊接过程保持静止无震动。冷却效果优秀,颜色对吸热量没有影响。目前使用最多的是热风回流焊设备。

 

二、炉温曲线的分析

回流焊的温区一共分为四个温区:预热区、恒温区、回流区、冷却区。 

 

预热区:焊膏中的溶剂、气体蒸发掉,同时助焊剂润湿焊盘、元器件端头和引脚,焊膏软化、塌落、覆盖焊盘;炉温起始温度控制在40℃到150 ℃时,炉温曲线升率为1~4℃/s;

恒温区:使 PCB 和元器件得到充分的预热,以防止 PCB 突然进入焊接高温区而损坏 PCB 和元器件;此时炉温应控制在150 ℃~180 ℃,其恒温时间也要控制在60~120秒;

回流区:温度迅速上升使焊膏达到熔化状态,液态焊锡对 PCB 的焊盘、元器件端头和引脚润湿、扩散、漫流或回流混合形成焊锡接点;上升温度应高过于217 ℃,时间要控制在30~90秒之间;当温度到达230 ℃时,时间控制在10~30秒,最高峰值温度应在240 ℃~250℃;

冷却区: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。此区推荐降温率控制在-1~-4℃/s之间为好;若降温斜率越大,焊点越光亮,硬度也越大,容易产生锡裂现象,降温斜率越小,焊点越灰暗,硬度也越小,影响产品外观。

 

三、常见焊接不良结合炉温制程的分析;

1.锡珠:一般是一颗或一些大的焊锡球。

产生原因:升温速率过快,金属粉末随溶剂蒸汽飞溅形成焊锡球;预热区温度过低,突然进入焊接区,也容易产生焊锡球。

改善方案:适当降低升温斜率,分段尝试,直到解决为止。

 

2.立碑:一般阻容元件较多,元件一端与PCB PAD良好焊接而另一点没有形成焊接。

 

产生原因:它通常是不相等的溶湿力的结果,使得回流后元件在一端上站立起来。

改善方案:可以通过将被焊组件在炉腔内以145°C--150°C的温度预热1-2分钟,然后在汽相焊的平衡区内再预热1分钟左右,最后缓慢进入饱和蒸汽区焊接。

 

3.不浸润,也叫润湿不良或润湿不均匀。

 

总锡量正常,但未充分润湿焊盘或被焊者的焊接面,它也是有多种原因造成的,炉温曲线方面体现在:回流时间过长,或过于平缓的冷却斜率。回流时间过长及降温时间过长、斜率过慢,都容易引起二次氧化,从而导致成品焊点光洁度不够、甚至浸润不良。

改善方案:一般目前常用的锡膏和炉温都将合金熔点以上的回流时间控制在60--90秒之间,冷却速率控制在4°C/S以下,基本上绘制的炉温曲线通过最高Peak 顶点画射线为抛物线中心线,则回流区的上升曲线与冷却的下降曲线成镜象线即可。

 

4.空洞,指正常的锡点内存在的气泡或杂质空隙。空洞缺陷用目视检查法是比较困难的,通常使用X--RAY成像判断或进行切片分析后可以得到论证。

空洞引起的危害也是非常大的,空洞达到一定尺寸后容易引起锡裂,小型的空洞也会降低产品的使用稳定性。

 

发生原因:过长的恒温时间,反复氧化。

改善方案:降低回流炉起始温度,适当缩短恒温时间到最小,减少二次氧化概率,减少清氧残渣。缩短预热到回流的时间,普通的产品可以将炉温曲线从预热到熔融优化成接近直线的曲线,但不建议其斜率超过2.5°C/S

 

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