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得益于升温-到-回流的回流温度曲线 -- smt培训资料  

2013-05-23 16:38:28|  分类: SMT技术文章 |  标签: |举报 |字号 订阅

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许多旧式的炉倾向于以不同速率来加热一个装配上的不同零件,取决于回流焊接的零件和线路板层的颜色和质地。一个装配上的某些区域可以达到比其它区域高得多的温度,这个温度变化叫做装配的D T。如果D T大,装配的有些区域可能吸收过多热量,而另一些区域则热量不够。这可能引起许多焊接缺陷,包括焊锡球、不熔湿、损坏元件、空洞和烧焦的残留物。

较新式的回流焊接炉

大多数新式的回流焊接炉,叫做强制对流式,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,不管零件的颜色和质地。虽然,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,其D T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。

为什么和什么时候保温

保温区的唯一目的是减少或消除大的D T。保温应该在装配达到焊锡回流温度之前,把装配上所有零件的温度达到均衡,使得所有的零件同时回流。由于保温区是没有必要的,因此温度曲线可以改成线性的升温-到-回流(RTS)的回流温度曲线。

应该注意到,保温区一般是不需要用来激化锡膏中的助焊剂化学成分。这是工业中的一个普遍的错误概念,应予纠正。当使用线性的RTS温度曲线时,大多数锡膏的化学成分都显示充分的湿润活性。事实上,使用 RTS温度曲线一般都会改善湿润。

升温-保温-回流

升温-保温-回流(RSS)温度曲线可用于RMA或免洗化学成分,但一般不推荐用于水溶化学成分,因为RSS保温区可能过早地破坏锡膏活性剂,造成不充分的湿润。使用RSS温度曲线的唯一目的是消除或减少D T。

如图一所示,RSS温度曲线开始以一个陡坡温升,在90秒的目标时间内大约150° C,最大速率可达2~3° C。随后,在150~170° C之间,将装配板保温90秒钟;装配板在保温区结束时应该达到温度均衡。保温区之后,装配板进入回流区,在183° C以上回流时间为60(± 15)秒钟。

整个温度曲线应该从45° C到峰值温度215(± 5)° C持续3.5~4分钟。冷却速率应控制在每秒4° C。一般,较快的冷却速率可得到较细的颗粒结构和较高强度与较亮的焊接点。可是,超过每秒4° C会造成温度冲击。


图一、典型的升温-保温-回流温度曲线

升温-到-回流

RTS温度曲线可用于任何化学成分或合金,为水溶锡膏和难于焊接的合金与零件所首选。如果装配上存在较大的D T,例如工序中使用了夹具或效率低的回流焊接炉,那么RTS可能不为适当的温度曲线选择。

RTS温度曲线比RSS有几个优点。RTS一般得到更光亮的焊点,可焊性问题很少,因为在RTS温度曲线下回流的锡膏在预热阶段保持住其助焊剂载体。这也将更好地提高湿润性,因此,RTS应该用于难于湿润的合金和零件。因为RTS曲线的升温速率是如此受控的,所以很少机会造成焊接缺陷或温度冲击。另外,RTS曲线更经济,因为减少了炉前半部分的加热能量。此外,排除RTS的故障相对比较简单,有排除RSS曲线故障经验的操作员应该没有困难来调节RTS曲线,以达到优化的温度曲线效果。


图二、典型的升温-到-回流温度曲线,从室温到峰值温度线性上升

设定RTS温度曲线

如图二所示,RTS曲线简单地说就是一条从室温到回流峰值温度的温度渐升曲线,RTS曲线温升区其作用是装配的预热区,这里助焊剂被激化,挥发物被挥发,装配准备回流,并防止温度冲击。RTS曲线典型的升温速率为每秒0.6~1.8° C。升温的最初90秒钟应该尽可能保持线性。

RTS曲线的升温基本原则是,曲线的三分之二在150° C以下。在这个温度后,大多数锡膏内的活性系统开始很快失效。因此,保持曲线的前段冷一些将活性剂保持时间长一些,其结果是良好的湿润和光亮的焊接点。

RTS曲线回流区是装配达到焊锡回流温度的阶段。在达到150° C之后,峰值温度应尽快地达到,峰值温度应控制在215(± 5)° C,液化居留时间为60(± 15)秒钟。液化之上的这个时间将减少助焊剂受夹和空洞,增加拉伸强度。和RSS一样,RTS曲线长度也应该是从室温到峰值温度最大3.5~4分钟,冷却速率控制在每秒4° C。

某些机板镀层可能会增加曲线峰值温度,如果焊接“金盖镍”镀层的焊盘,峰值温度至少应达到220° C;这样可以防止回流后温度可靠性问题,因为锡和金在217° C形成第二种共晶合金。如果焊接有机表面防护剂涂层(OSP)的焊盘,可能要求达到225° C的峰值温度,以完全渗透涂层。使用哪一种温度曲线都有必要调节峰值温度。

排除RTS曲线的故障

排除RSS和RTS曲线的故障,原则是相同的:按需要,调节温度和曲线温度的时间,以达到优化的结果。时常,这要求试验和出错,略增加或减少温度,观察结果。以下是使用RTS曲线遇见的普遍回流问题,以及解决办法。

焊锡球

许多细小的焊锡球镶陷在回流后助焊剂残留的周边上。在RTS曲线上,这个通常是升温速率太慢的结果,由于助焊剂载体在回流之前烧完,发生金属氧化。这个问题一般可通过曲线温升速率略微提高达到解决。焊锡球也可能是温升速率太快的结果,但是,这对RTS曲线不大可能,因为其相对较慢、较平稳的温升。

焊锡珠

经常与焊锡球混淆,焊锡珠是一颗或一些大的焊锡球,通常落在片状电容和电阻周围(图三)。虽然这常常是丝印时锡膏过量堆积的结果,但有时可以调节温度曲线解决。和焊锡球一样,在RTS曲线上产生的焊锡珠通常是升温速率太慢的结果。这种情况下,慢的升温速率引起毛细管作用,将未回流的锡膏从焊锡堆积处吸到元件下面。回流期间,这些锡膏形成锡珠,由于焊锡表面张力将元件拉向机板,而被挤出到元件边。和焊锡球一样,焊锡珠的解决办法也是提高升温速率,直到问题解决。


图三、可看到电容旁边的焊锡珠

熔湿性差

熔湿性差(图四)经常是时间与温度比率的结果。锡膏内的活性剂由有机酸组成,随时间和温度而退化。如果曲线太长,焊接点的熔湿可能受损害。因为使用RTS曲线,锡膏活性剂通常维持时间较长,因此熔湿性差比RSS较不易发生。如果RTS还出现熔湿性差,应采取步骤以保证曲线的前面三分之二发生在150° C之下。这将延长锡膏活性剂的寿命,结果改善熔湿性。


图四、熔湿性差可能是由时间和温度比所引起

焊锡不足

焊锡不足通常是不均匀加热或过快加热的结果,使得元件引脚太热,焊锡吸上引脚。回流后引脚看到去锡变厚,焊盘上将出现少锡。减低加热速率或保证装配的均匀受热将有助于防止该缺陷。

墓碑

墓碑通常是不相等的熔湿力的结果,使得回流后元件在一端上站起来(图五)。一般,加热越慢,板越平稳,越少发生。降低装配通过183° C的温升速率将有助于校正这个缺陷。


图五、不平衡的熔湿力使元件立起来

空洞

空洞是锡点的X光或截面检查通常所发现的缺陷。空洞是锡点内的微小“气泡”(图六),可能是被夹住的空气或助焊剂。空洞一般由三个曲线错误所引起:不够峰值温度;回流时间不够;升温阶段温度过高。由于RTS曲线升温速率是严密控制的,空洞通常是第一或第二个错误的结果,造成没挥发的助焊剂被夹住在锡点内。这种情况下,为了避免空洞的产生,应在空洞发生的点测量温度曲线,适当调整直到问题解决。


图六、空洞是由于空气或助焊剂被夹住而形成

无光泽、颗粒状焊点

一个相对普遍的回流焊缺陷是无光泽、颗粒状焊点(图七)。这个缺陷可能只是美观上的,但也可能是不牢固焊点的征兆。在RTS曲线内改正这个缺陷,应该将回流前两个区的温度减少5° C;峰值温度提高5° C。如果这样还不行,那么,应继续这样调节温度直到达到希望的结果。这些调节将延长锡膏活性剂寿命,减少锡膏的氧化暴露,改善熔湿能力。


图七、无光泽和颗粒状焊点可能是脆弱的焊点

烧焦的残留物

烧焦的残留物,虽然不一定是功能缺陷,但可能在使用RTS温度曲线时遇见。为了纠正该缺陷,回流区的时间和温度要减少,通常5° C。

结论

RTS温度曲线不是适于每一个回流焊接问题的万灵药,也不能用于所有的炉或所有的装配。可是,采用RTS温度曲线可以减少能源成本、增加效率、减少焊接缺陷、改善熔湿性能和简化回流工序。这并不是说RSS温度曲线已变得过时,或者RTS曲线不能用于旧式的炉。无论如何,工程师应该知道还有更好的回流温度曲线可以利用。

注:所有温度曲线都是使用Sn63/Pb37合金,183° C的共晶熔点。


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