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锡膏回流温度曲线的设定与测量  

2013-05-25 16:26:26|  分类: SMT技术文章 |  标签: |举报 |字号 订阅

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摘要:回流焊接是表面组装技术(SMT)中所特有的工艺。本文主要介绍了锡膏工艺回流温度曲线的设定方法和回流温度曲线的测量方法。 
关键词:   温度曲线、回流焊、温区
引言:
自80年代以来,电子产品以惊人的速度向轻薄短小和高性能化方向发展,在这个过程中表面组装技术(SMT)的普及应用起了关键的作用。在目前业内的印刷和贴片设备、技术相差不大的情况下,回流焊接技术的好坏对于最终产品的质量和可靠性显得至关重要。因此对回流焊工艺进行深入研究、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。
回流焊设备的发展
在电子行业中,大量的表面组装组件(SMA)通过回流焊进行焊接,目前回流焊设备的种类以热传递方式划分有红外线、全热风、红外线加热风三种类型。

  红外线:红外线回流焊是以红外线辐射的方式实现被焊元器件加热的焊接方式。具有加热快,节能,运行平稳的特点。但由于印刷线路板及各种元器件因材质,色泽的不同对红外线辐射的热吸收率存在着很大的差异,因此造成印刷线路板上各种不同元件之间,以及相同元件的不同区域之间存在温度不均匀的现象。 
     全热风:全热风回流焊是通过对流喷射管嘴或者耐热风机来迫使炉内热气流循环,从而实现被焊元器件加热的焊接方式。这种加热方式印刷线路板上元器件的温度接近设定的加热温区的气体温度,完全克服了红外线回流焊的温差和遮蔽效应,但在全热风回流焊设备中循环气体的对流速度至关重要,为确保炉内的循环气体能够作用于印刷线路板上的每一个区域,气流必须具有足够的速度,这在一定程度上易造成印刷线路板的抖动和元器件的移位。此外这种加热方式就热交换而言效率差、能耗高。 
     红外加热风:红外加热风回流焊是在红外线加热的基础上追加了热风的循环,通过红外线和热风双重作用来实现被焊元器件加热的焊接方式。这种加热方式使炉内的温度更均匀,充分利用了红外线穿透力强,具有热效率高,能耗低的特点,同时又有效地克服了红外线加热方式的温差和遮蔽效应,弥补了热风加热方式对气体流动速度要求过快而造成不良影响。 
温度曲线 
温度曲线是施加于装配元件上的温度对时间的函数Y=F(T),体现为回流过程中印刷线路板上某一给定点的温度随时间变化的一条曲线。如图 1 所示,(图 1 给出的是一条较典型的RSS温度曲线)。图中横轴是时间,纵轴是温度,曲线Y是一条随时间的增加温度不断发生变化的曲线。曲线Y在OtT坐标系中所包围的面积为被测点在整个回流焊接过程中所接收到的能量的总和。用能量的概念表示的温度曲线函数为 Y=∫ d(T)。温度曲线又可分为 RSS曲线和RTS曲线。
     RSS曲线:(如图2)是一种由升温、保温、回流、冷却四个温度区间组成的温度曲线。其每个温度区间在整个回流焊接过程中扮演着不同的角色。升温区:通过缓慢加热的方式使印刷线路板从室温加热至135-170℃(SN63/PB37),升温速度一般在1-3℃/S。保温区:通过保持相对稳定的温度使锡膏内的助焊剂发挥作用并适当散发。回流区:炉内的温度达到最高点,使锡膏液化,印刷线路板的焊盘和元器件的焊极之间形成合金,完成焊接过程。冷却区:对完成焊接的印刷线路板进行降温。 
     RTS曲线:(如图3)是一种从升温至回流的温度曲线。可分为升温区和冷却区。升温区:占整个回流焊接过程的2/3,速度平缓一般为0.5-1.5℃/S。使印刷线路板的温度从室温升至峰值温度。冷却区:对完成焊接的印刷线路板进行降温。 
     RSS曲线与RTS曲线的比较: <袐{?? 
    RSS曲线:重视温度与时间的结合,曲线的区间划分祥细,生产效率高,适应能力一般。适用于印刷线路板尺寸偏小,板上元器件体积较小、种类较少的产品。 
     RTS曲线:重视升温速率,曲线的区间划分模糊,生产效率不高,适应能力强。适用于印刷线路板尺寸较大,板上元器件体积较大、种类较多的产品。 
温度曲线的设定 
温度曲线是由回流焊炉的多个参数共同作用的结果,其中起决定性作用的两个参数是传送带速度和温区的温度设定。传送带速度决定了印刷线路板暴露在每个温区的持续时间,增加持续时间可以使印刷线路板上元器件的温度更加接近该温区的设定温度。每个温区所用的持续时间的总和又决定了整个回流过程的处理时间。每个温区的温度设定影响印刷线路板通该温区时温度的高低。印刷线路板在整个回流焊接过程中的升温速度则是传送带速和各温区的温度设定两个参数共同作用的结果。因此只有合理的设定炉温参数才能得到理想的炉温曲线。
现以最为常用的RSS曲线为例介绍一下炉温曲线的设定方法。 
    链速的设定:设定温度曲线时第一个要考虑参数是传输带的速度设定,该设定将决定印刷线路板通过加热通道所花的时间。传送带速度的设定可以通过计算的方法获得。这里要引入一个指标,负载因子。负载因子:F=L/(L+s) L=基板的长,S=基板与基板间的间隔。负载因子的大小决定了生产过程中炉内的印刷线路板对炉内温度的影响程度。负载因子的数值越大炉内的温度越不稳定,一般取值在0.5~0.9之间。在权衡了效率和炉温的稳定程度后建议取值为0.7-0.8。在知道生产的板长和生产节拍后就可以计算出传送带的传送速度(最慢值)。传送速度(最慢值)=印刷线路板长/0.8/生产节拍。传送速度(最快值)由锡膏的特性决定,绝大多数锡膏要求从升温开始到炉内峰值温度的时间应不少于180秒。这样就可以得出传送速度(最大值)=炉内加热区的长度/180S。在得出两个极限速度后就可以根据实际生产产品的难易程度选取适当的传送速度一般可取中间值。
     温区温度的设定:一个完整的RSS炉温曲线包括四个温区(如图2)。分别为: 
     预热区:其目的是将印刷线路板的温度从室温提升到锡膏内助焊剂发挥作用所需的活性温度135℃,温区的加热速率应控制在每秒1~3℃,温度升得太快会引起某些缺陷,如陶瓷电容的细微裂纹。
    保温区:其目的是将印刷线路板维持在某个特定温度范围并持续一段时间,使印刷线路板上各个区域的元器件温度相同,减少他们的相对温差,并使锡膏内部的助焊剂充分的发挥作用,去除元器件电极和焊盘表面的氧化物,从而提高焊接质量。一般普遍的活性温度范围是135-170℃(以SN63PB37为例),活性时间设定在60-90秒。如果活性温度设定过高会使助焊剂过早的失去除污的功能,温度太低助焊剂则发挥不了除污的作用。活性时间设定的过长会使锡膏内助焊剂的过度挥发,致使在焊接时缺少助焊剂的参与使焊点易氧化,润湿能力差,时间太短则参与焊接的助焊剂过多,可能会出现锡球,锡珠等焊接不良。从而影响焊接质量。
     回流区:其目的是使印刷线路板的温度提升到锡膏的熔点温度以上并维持一定的焊接时间,使其形成合金,完成元器件电极与焊盘的焊接。该区的温度设定在183℃以上,时间为30-90秒。(以SN63PB37为例)峰值不宜超过230℃,200℃以上的时间为20-30秒。如果温度低于183℃将无法形成合金实现不了焊接,若高于230℃会对元器件带来损害,同时也会加剧印刷线路板的变形。如果时间不足会使合金层较薄,焊点的强度不够,时间较长则合金层较厚使焊点较脆。 
     冷却区:其目的是使印刷线路板降温,通常设定为每秒3-4℃。如速率过高会使焊点出现龟裂现象,过慢则会加剧焊点氧化。理想的冷却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。
了解了温度曲线各个温区的特性后就可以根据产品的特点来设定回流焊炉每个温区的温度了。一但温区的温度设定以后回流焊炉内的热容量就确定了下来。在生产过程中通过炉内的产品会不断的吸收热量,随着炉内产品数量的不断增加被吸收的热量也在不断的增加。如果回流焊炉所能补允的热量小于产品所吸收的热量时就不能够保证产品的品质。而实际生产中是不可能对炉温进行实时更新的,因此这就要求设定的温度曲线具有一定的适应能力或针对不同的产品种类设定不同的温度曲线。如,印刷线路板的尺寸较小,元器件体积较小的产品,因这种产品对热量的吸收较小,元器件本身的升温速度也相对较快,所以曲线升温区的升温速率可以适当加大,保温区的保温时间可以相对缩短。而对于印刷线路板的尺寸较大,元器体积较大的产品,其对热量吸收的要求较高,元器件本身的内外部温差较大,所以其升温区的升温速率应降低,保温区的保温时间应加长以保证板面上各种元器件及元器件的每个部位之间的温差最小。
典型区间温度设定(SN63PB37) 
区间     温度     时间     速率 
升温     室温~135℃     大于30S     1~3℃/S 
保温     135~170℃     60-90S     0.5~1℃/S
回流     183~183℃     60~90S     1~3℃/S 2
冷却               1~4℃/S *KO,e7Q2  
温度曲线的测量   
因回流焊设备的结构和工作原理决定了温区的设定温度反映到生产的产品上时会有不小的差异。回流焊设备上显示的区间温度并不是实际的区间温度,显示温度只是代表该温区内热敏电偶所感应到的环境温度,如果热电偶靠近加热源,显示的温度将相应比温区内其它区域的温度高,热电偶越靠近印刷线路板的传送轨道,显示的温度将越能反映产品的实际温度。因此在设定了温度之后还必需对产品进行实际的测量以得到产品实际的温度,并对设定的温度进行分析,修改以得到一条针对某种产品的最佳温度曲线。 
     炉温曲线测量需要的设备和辅助工具:   
     温度曲线仪:测温仪一般分为两类:实时测温仪,能够即时传送温度、时间数据并作出图形。另一种非实时测温仪,通过采样、储存,然后将采集来的数据上载到计算机进行分析。
    热电偶:用于感受环境温度的介质。其工作原理是由两种不同成分的导体组成回路,当测温端和参比端存在温差时回路中就会产生热电流,通过电流的大小来反映外界温度的变化。热电偶一般要求较小直径,因为较小直径的热电偶热质量小、响应快,得到的结果较为精确。
     将热电偶附着于印刷线路板上的工具:焊料,胶粘剂,高温胶带。 
    测试点的选择:实际在生产一块印刷线路板过程中,板面上各个区域所承载的各种元器件的温度是不尽相同的。炉内的热空气在热风机的作用下在炉内流动(从上、下 两个加热板向传输轨道方向流动,当遇到阻隔时就沿着印刷线路板的表面向板的边缘扩散,这样板的中心区域就变成了温度最低的地方)。元器件体积的大小也决定着温度的高低,体积小的元器件温度高,体积大的元器件温度低。因此在实际测量中要较真实,较全面的反映被测产品的真实温度被测点的选取尤为重要。一般遵循以下几个原则。 
1)     在条件允许的条件下尽量多的选取被点。
2)     被测点的选择尽量在同一纵轴线上。
3)     对温度有特殊要求的元器件。
4)     板面温度最高的位置。
5)     板面温度最低的位置。 
     热电偶的固定:选择好被测点后则需在被测点安置热电偶,一般有以下几种方法: 
1)     使用焊料固定,一般使用PB含量较高的高温焊料将热电偶固定在被测点。要求焊点要尽可能的小,因为高温焊料的可焊性不高所以对焊接的技能要求较高,由于是高温焊接所以对元器件的热冲击也较大。测温效果较好。
2)     使用胶粘剂固定,一般使用环氧树脂类的胶粘剂将热电偶固定在被测点。要求胶点要尽可能的小。测温效果一般。 
3)     使用高温胶带固定,一般使用具有耐高温、导热性能好的胶带将热电偶固定在被测点。要求要尽可能的将热电偶靠近被测点。这种方法操作方便,但测量效果最差。 
每种方法都应该将热电偶的测量端尽可能的靠近被测点,这样才能够得到较真实的测量结果。
     测量方法:
1)     对被测的印刷线路板进行热性能分析选择被测点。  
2)     将热电偶附着在被测的印刷线路板上。为了保证测量结果的准确性被测的印刷线路板应选用完全贴装的产品。  
3)     触发测温仪开始记录数据并将测温仪连同被测的印刷线路板一同放入回流焊炉内。这里要注意两点。第一点:测温仪有两种,一种是触发后立即开始记录数据,这就要求在触发后在最短的时间内将测温仪放入回流焊炉,以保证所测回流时间的准确性。另一种测温仪为温感型,当环境温度升高到40℃(一般高于人体的体温,用于保证在操作阶段不会记录数据。)以上时才开始记录数据,这种测温仪对放入时间就没有什么要求。第二点:为了最大限度的还原生产时的实际环境,在被测板的前方要保证正常生产时的过板数量。在被测板放入炉腔后不可再放入产品,避免意外发生。 
4)     最后将从炉中采集好数据的测温仪接入计算机,生成温度曲线。 
n     曲线分析与炉温调整:分析温度曲线之前需掌握几个控制点的数据。
1)     确定从环境温度到回流峰值温度的总时间。 
2)     各温区的工艺参数(温度、时间、升温速度)。 
具体调整方法如下:首先通过调整传送带速度来满足从环境温度到回流峰值温度的总时间与所希望的加热曲线居留时间相区配。下一步,应以从左到右的顺序调整曲线的偏差(流程顺序),来保证整体曲线的形状和各温区的工艺参数、给定的标准相符。例:如果预热区和回流区中存在差异,首先应将预热区的差异调整正确,最好一次调整一个参数,在作进一步调整之前应先运行调整后的曲线并测出新的曲线后再参照新的曲线进行调整。因为一个给定温区的温度改变将影响其随后温区的温度变化。应以循序渐进的原则进行炉温曲线的调整。 
结论: 温度曲线是通过设定、测量、调整三个步骤得来的。而在实际的操作中要得到一条适合产品特点的温度曲线是要经过很多次的测量和调整才能够实现的。一条完美的锡膏回流温度曲线不仅可以得到光亮的、结构紧密的焊点,而且还能够对印刷、贴片等工序造成的不良起到一定的修复作用。因此,温度曲线的设定及正确的测量方法是一个合格的SMT工程师所必需具备专业知识。


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