回流焊溫度曲線熱容研究

1、第15卷第3期華北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)Vol115No132005年8月JournalofNorthChinaInstituteofAstronauticEngineeringAug12005回流焊溫度曲線熱容研究曹白楊趙小青梁萬雷(北華航天工業(yè)學(xué)院電子工程系,河北廊坊065000)摘要:本文全面的分析了回流焊溫度曲線在回流焊工藝中的作用,回流焊工藝的工藝特點(diǎn)、影響回流焊溫度曲線的各種因素。如何從熱容的思想建立回流焊溫度曲線的方法?如何調(diào)整溫度曲線通過控制溫度曲線改善工藝過程,減少回流焊工藝的缺陷?關(guān)鍵詞:回流焊;回流焊工藝;回流焊溫度曲線中圖分類號(hào):TN705文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2

2、145(2005)03-0006-04回流焊接是表面組裝技術(shù)(SMT)特有的重要工藝,焊接工藝質(zhì)量的優(yōu)劣不僅影響正常生產(chǎn),也影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。深入研究,需要工,本文將從多個(gè)方面來進(jìn)行探討。1回流焊設(shè)備在電子制造業(yè)中,大量的表面組裝組件(SMA)通過回流焊進(jìn)行焊接,按回流焊的熱傳遞方式可將其分為三類:遠(yuǎn)紅外、全熱風(fēng)、紅外/熱風(fēng)。1.1遠(yuǎn)紅外回流焊八十年代使用的遠(yuǎn)紅外回流焊具有加熱快、節(jié)能、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn),但由于印制板及各種元器件的材質(zhì)、色澤不同而對(duì)輻射熱吸收率有較大差異,造成電路上各種不同元器件以及不同部位溫度不均勻,即局部溫差。例如,集成電路的黑色塑料封裝體上會(huì)因輻射吸收率高而過熱,

3、而其焊接部位銀白色引線上反而溫度低產(chǎn)生虛焊。另外,印制板上熱輻射被阻擋的部位,例如在大(高)元器件陰影部位的焊接引腳或小元器件會(huì)由于加熱不足而造成焊接不良。1.2全熱風(fēng)回流焊全熱風(fēng)回流焊是一種通過對(duì)流噴射管嘴或者耐熱風(fēng)機(jī)來迫使氣流循環(huán),從而實(shí)現(xiàn)被焊件加熱的焊收稿日期:2005-06-01作者簡介:曹白楊(1960-),男,江蘇揚(yáng)州人,副教授,從事電子裝聯(lián)教學(xué)。,。由于采用此(,故目前應(yīng)用較廣。在全熱風(fēng)回流焊設(shè)備中,循環(huán)氣體的對(duì)流速度至關(guān)重要。為確保循環(huán)氣體作用于印制板的任一區(qū)域,氣流必須具有足夠快的速度,這在一定程度上易造成印制板的抖動(dòng)和元器件的移位。此外,采用此種加熱方式的熱交換效率較低,耗

4、電較多。1.3紅外熱風(fēng)回流焊這類回流焊爐是在紅外爐基礎(chǔ)上加上熱風(fēng)使?fàn)t內(nèi)溫度更均勻,是目前較為理想的加熱方式。這類設(shè)備充分利用了紅外線穿透力強(qiáng)的特點(diǎn),熱效率高、節(jié)電;同時(shí)有效克服了紅外回流焊的局部溫差和遮蔽效應(yīng),并彌補(bǔ)了熱風(fēng)回流焊對(duì)氣體流速要求過快而造成的影響,因此這種回流焊目前是使用得最普遍的。隨著組裝密度的提高,精細(xì)間距組裝技術(shù)的出現(xiàn),還出現(xiàn)了氮?dú)獗Ｗo(hù)的回流焊爐。在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下進(jìn)行焊接可防止氧化,提高焊接潤濕能力,對(duì)未貼正的元件矯正力大,焊珠減少,更適合于免清洗工藝。2溫度曲線分析與設(shè)計(jì)溫度曲線是指SMA通過回流爐時(shí),SMA上某一點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的曲線;其本質(zhì)是SMA在某一位置的熱容狀態(tài)

5、。溫度曲線提供了一種直觀的方法,來分析某個(gè)元件在整個(gè)回流焊過程中的溫度變化情況。這對(duì)于獲得最佳的可焊性,避免由于超溫而對(duì)元件造成損壞以及保證焊接質(zhì)量都非常重要。2.1溫度曲線熱容分析6 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期曹白楊等:回流焊溫度曲線熱容研究2005年8月理想的溫度曲線由四個(gè)部分組成,前面三個(gè)區(qū)加熱和最后一個(gè)區(qū)冷卻。一個(gè)典型的溫度曲線如圖1所示,其包含回流持續(xù)時(shí)間、錫膏活性溫度、合金薦的峰值溫度。活性溫度總是比合金的熔點(diǎn)溫度低一點(diǎn),而峰值溫度總是在

6、熔點(diǎn)上。典型的峰值溫度范圍是焊膏合金的熔點(diǎn)溫度加40左右,回流區(qū)工作時(shí)間范圍是20-50s。這個(gè)區(qū)的溫度設(shè)定太高會(huì)使其溫升斜率超過每秒25,或使回流峰值溫度比推薦的高,或工作時(shí)間太長可能引起PCB的過分卷曲、脫層或燒損,并損害元件的完整性。回流峰值溫度比推薦的低,工作時(shí)間太短可能出現(xiàn)冷焊等缺陷。4)冷卻區(qū),這個(gè)區(qū)中焊膏的錫合金粉末已經(jīng)熔化并充分潤濕被連接表面,應(yīng)該用盡可能快的速度來進(jìn)行冷卻,這樣將有助于合金晶體的形成,得到明亮的焊點(diǎn),。緩慢,從,其可能熔點(diǎn)和所希望的回流最高溫度等。回流焊爐的溫區(qū)越多,越能使實(shí)際溫度曲線的輪廓達(dá)到理想的溫度曲線。大多數(shù)錫膏都能用有四個(gè)基本溫區(qū)的溫度曲線完成回流焊

7、工藝過程。圖1理想的溫度曲線1)預(yù)熱區(qū),B。冷卻段降溫速率/S。2按工作熱容設(shè)計(jì)溫度曲線溫度曲線的本質(zhì)是描述SMA在某一位置的熱容狀態(tài),溫度曲線受多個(gè)參數(shù)影響,其中最關(guān)鍵的是傳輸帶速度和每個(gè)區(qū)溫度的設(shè)定。而傳輸帶速度和每個(gè)區(qū)溫度的設(shè)定取決與SMA的尺寸大小、元器件密度和SMA的爐內(nèi)密度。作溫度曲線首先考慮傳輸帶的速度設(shè)定,該設(shè)定值將決定PCB在加熱通道所花的時(shí)間。典型的錫膏要求34分鐘的加熱時(shí)間,用總的加熱通道長度除以總的加熱時(shí)間,即為準(zhǔn)確的傳輸帶速度。傳送帶速度決定PCB暴露在每個(gè)區(qū)所設(shè)定的溫度下的持續(xù)時(shí)間,增加持續(xù)時(shí)間可以使表面組裝組件接近該區(qū)的溫度設(shè)定。接下來必須確定各個(gè)區(qū)的溫度設(shè)定。由

8、于實(shí)際區(qū)間溫度不一定就是該區(qū)的顯示溫度,因此顯示溫度只是代表區(qū)內(nèi)熱敏電偶的溫度。如果熱電偶越靠近加熱源,顯示的溫度將比區(qū)間實(shí)際溫度高,熱電偶越靠近PCB的直接通道,顯示的溫度將越能反應(yīng)區(qū)間實(shí)際溫度。速度和溫度確定后,將參數(shù)輸入到焊爐的控制器,從而調(diào)整設(shè)定溫度、風(fēng)扇速度、強(qiáng)制空氣流量和惰性氣體流量等。爐子穩(wěn)定后,可以開始作曲線。一旦最初的溫度曲線圖產(chǎn)生,可以和錫膏制造商推薦的曲線進(jìn)行比較。首先,必須確定從環(huán)境溫度到回流峰值溫度的總時(shí)間和所希望的加熱時(shí)間相協(xié)調(diào),如果太長,按比,他們的實(shí)際溫度提升速率不同。電路板和元器件的溫度應(yīng)不超過每秒25速度連續(xù)上升,如果過快,會(huì)產(chǎn)生熱沖擊,電路板和元器件都可能

9、受損,如陶瓷電容的細(xì)微裂紋。而溫度上升太慢,錫膏會(huì)感溫過度,溶劑揮發(fā)不充分,影響焊接質(zhì)量。爐的預(yù)熱區(qū)一般占整個(gè)加熱區(qū)長度的1525%。2)活性區(qū),有時(shí)叫做干燥或浸濕區(qū),這個(gè)區(qū)一般占加熱區(qū)的3050%。活性區(qū)的主要目的是使SMA內(nèi)各元件的溫度趨于穩(wěn)定,盡量減少溫差。在這個(gè)區(qū)域里給予足夠的時(shí)間使熱容大的元器件的溫度趕上較小元件,并保證焊膏中的助焊劑得到充分揮發(fā)。到活性區(qū)結(jié)束,焊盤、焊料球及元件引腳上的氧化物被除去,整個(gè)電路板的溫度達(dá)到平衡。應(yīng)注意的是SMA上所有元件在這一區(qū)結(jié)束時(shí)應(yīng)具有相同的溫度,否則進(jìn)入到回流區(qū)將會(huì)因?yàn)楦鞑糠譁囟炔痪a(chǎn)生各種不良焊接現(xiàn)象。一般普遍的活性溫度范圍是120150,如果

10、活性區(qū)的溫度設(shè)定太高,助焊劑沒有足夠的時(shí)間活性化,溫度曲線的斜率是一個(gè)向上遞增的斜率。雖然有的錫膏制造商允許活性化期間一些溫度的增加,但是理想的溫度曲線應(yīng)當(dāng)是平穩(wěn)的溫度。3)回流區(qū),有時(shí)叫做峰值區(qū)或最后升溫區(qū),這個(gè)區(qū)的作用是將PCB的溫度從活性溫度提高到所推7 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2005年8月華北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)第15卷例地增加傳送帶速度,如果太短,則相反。下一步,圖形曲線的形狀必須和所希望的(如圖1所示)相比較,如果形狀不協(xié)調(diào),則同下面的圖形(如

11、圖25所示)進(jìn)行比較。選擇與理論圖形形狀最相協(xié)調(diào)的曲線。應(yīng)該考慮從左到右(流程順序)的偏差,例如,如果預(yù)熱和回流區(qū)中存在差異,首先將預(yù)熱區(qū)的差異調(diào)整,一般最好每次調(diào)一個(gè)參數(shù),在作進(jìn)一步調(diào)整之前運(yùn)行這個(gè)曲線設(shè)定。這是因?yàn)橐粋€(gè)給定區(qū)的改變也將影響隨后區(qū)的結(jié)果。當(dāng)最后的曲線圖盡可能的與所希望的圖形相吻合,應(yīng)該把爐的參數(shù)記錄或儲(chǔ)存以備后用。在作實(shí)際溫度曲線之前,需要準(zhǔn)備下列設(shè)備和輔助工具:溫度曲線測試儀、熱電偶、將熱電偶附著于PCB的工具和錫膏參數(shù)表等。圖5冷卻過快或不夠測量回流焊溫度曲線時(shí)需使用溫度曲線測試儀,其由測溫儀和微型熱電偶探頭組成。測量時(shí),微型熱電偶探頭可用焊料、膠粘劑、高溫膠帶固定在測試

12、點(diǎn)上。熱電偶附著的位置也要選擇,B)。,測溫儀隨同,將測試儀與計(jì)算機(jī)連接,圖6溫度曲線測試圖2預(yù)熱不足或過多的回流曲線圖3活性區(qū)溫度太高或太低圖4回流太多或不夠在使用溫度曲線測試儀時(shí),應(yīng)注意以下幾點(diǎn):1)測定時(shí),必須使用已完全裝配過的板。首先對(duì)印制板元器件進(jìn)行熱特性分析,由于印制板受熱性能不同,元器件體積大小及材料差異等原因,各點(diǎn)實(shí)際受熱升溫不相同,找出最熱點(diǎn)、最冷點(diǎn),分別設(shè)置熱電偶便可測量出最高溫度與最低溫度。2)盡可能多設(shè)置熱電偶測試點(diǎn),以求全面反映印制板各部分真實(shí)受熱狀態(tài)。例如印制板中心與邊緣受熱程度不一樣,大體積元件與小型元件熱容量不同及熱敏感元件都必須設(shè)置測試點(diǎn)。3)熱電偶探頭外形微

13、小,必須用指定高溫焊料或膠粘劑固定在測試位置,否則受熱松動(dòng),偏離預(yù)定測試點(diǎn),引起測試誤差。3結(jié)論在SMT回流焊工藝造成對(duì)元件加熱不均勻的原因主要有:回流焊元件熱容量的差別,傳送帶或加熱器邊緣影響,回流焊爐上的負(fù)載等三個(gè)方面。通常PLCC、QFP、BGA、屏蔽罩等器件熱容量大,焊接面積大,焊接困難;在回流焊爐中傳送帶在周而復(fù)始傳送產(chǎn)品進(jìn)行回流焊的同時(shí),也成為一個(gè)散熱系統(tǒng),此外在加熱部分的邊緣與中心散熱條件不同,邊緣一8 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期曹白楊

14、等:回流焊溫度曲線熱容研究2005年8月般溫度偏低,爐內(nèi)除各溫區(qū)溫度要求不同外,同一載面的溫度也有差異;產(chǎn)品裝載量不同的影響?；亓骱笢囟惹€的調(diào)整要考慮在空載、負(fù)載及不同負(fù)載因子(負(fù)載因子定義為:Ls=S1/S;其中S1=組裝基板的面積,S=爐內(nèi)加熱區(qū)的有效面積)情況下能得到良好的重復(fù)性。回流焊工藝要得到重復(fù)性好的結(jié)果,必須控制負(fù)載因子。負(fù)載因子愈大,焊接質(zhì)量愈難控制。通?；亓骱笭t的最大負(fù)載因子的范圍為0.30.5。這要根據(jù)產(chǎn)品情況(元件焊接密度、不同基板)和回流爐的性能來決定;同時(shí),要得到良好的焊接效果和重復(fù)性,實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)很重要。與回流焊相關(guān)的焊接缺陷很多,主要有:橋接、立碑(曼哈頓現(xiàn)象)、潤

15、濕不良等。究其原因多數(shù)與溫度曲線有關(guān)。設(shè)定合理的焊接溫度曲線,選擇合適的焊料,應(yīng)用合理的工藝是保證質(zhì)量的關(guān)鍵。回流焊接是SMT工藝中復(fù)雜而關(guān)鍵的工藝,涉及到自動(dòng)控制、材料、流體力學(xué)和冶金學(xué)等多種科學(xué)。要獲得優(yōu)質(zhì)的焊接質(zhì)量,必須深入研究回流焊接工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)、溫度場的影響、元器件的影響、焊接材料影響、焊接設(shè)備等方方面面。ReflowSolderProfileDevelopmentCAOBai2yangZHAOXiao2qingLIANGWan2lei(ElectronicsEngineeringDepartment,NorthChinaInstituteof)Abstract:Inthispap

16、er,weanalyzethefunctionofthethermalreflow,reflowprocess,factorsofthermalreflowprofile.HowtobuildupmethodsofinHowtoadjustthermalreflowprofile.Wecontrolthermalreflowprofileoffailuresofreflowprocess.Keywords:(上接第5頁)(2)物料管理:對(duì)于有鉛、無鉛兩種工藝并存的企業(yè),務(wù)必注意制定嚴(yán)格的物料管理制度,千萬不能把有鉛、無鉛的焊膏和元器件混淆。(3)無鉛印刷要提高印刷精度;提高貼片精度。(4)嚴(yán)格

17、控制溫度曲線,盡量降低峰值溫度;對(duì)(6)在N2中焊接比在空氣中焊接的質(zhì)量好,尤潮濕敏感元件進(jìn)行去潮烘烤。(5)復(fù)雜和高可靠產(chǎn)品采用耐高溫的PCB材料(FR5或其他)。其波峰焊采用N2可以減少高溫焊料氧化,減少殘?jiān)?節(jié)省焊料。5結(jié)語無論從環(huán)保、立法、市場競爭和產(chǎn)品可靠性等方面來看,無鉛化勢在必行。目前無鉛焊接還處于過渡和起步階段,從理論到應(yīng)用都還不成熟,迫切需要加快對(duì)無鉛焊接技術(shù)從理論到應(yīng)用的研究。無鉛時(shí)代即將到來,我們應(yīng)該做好充分準(zhǔn)備。ApplicationandDevelopmentofSurfaceMountTechnologyGUAi2yun1ZHAODong2ming2CAOBai2y

18、ang3(1.TheMinistryofSecurityofPRCtheFirstResearchInstitute,Beijing100000;2.LangfangNormalCollege,Langfang065000;3.ElectronicsEngineeringDepartment,NorthChinaInstituteofAstronauticEngineering,Langfang065000,China)Abstract:Itisinthespecialstagetotransferfromleadsoldertolead2freesolder.Thethingssuchaslead2freematerial、PCB、component、ex2aminationandreliabilityhavenocommonstandard.Inthispaper,theactualityoflead2freesolderanditscharacteristicsandcountermeasuresareintroducedindetail,otherwise,themainproblemsoflead2freesolderan