SMT回流焊的設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理(下)

1、回流焊的設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理3.1?；亓骱附拥倪^程回流焊的基本原理比較簡單，它首先對PCB板的表面貼裝元件(SMD)焊盤印刷錫膏，然后通過自動貼片機把SMD貼放到預(yù)先印制好錫膏的焊盤上。最后，通過回流焊接爐，在回流焊爐中逐漸加熱，把錫膏融化，稱為回流(Reflow)，接著，把PCB板冷卻，焊錫凝固，把元件和焊盤牢固地焊接到一起(見圖9)。在回流焊中，焊盤和元件管腳都不融化。這是回流焊(ReflowSoldering)與金屬融焊(Welding)的不同。深入的了解回流焊就必須從焊錫膏的作用原理和焊接過程中發(fā)生的物理化學(xué)變化入手。錫膏的成分主要錫鉛合金的粉末和助焊劑混合而成。在受熱的條件下，融化的焊錫材

2、料中的錫原子和焊盤或焊接元件(主要成分是銅原子)的接觸界面原子相互擴散，形成金屬間化合物(IMC)，首先形成的Cu6Sn5,稱n-phase，它是形成焊接力的關(guān)鍵連接層，只有形成了n-phase,才表示有真正的可靠焊接。隨著時間的推移，在n-phase和銅層之間中會繼續(xù)生成Cu3Sn，稱為G-phase，它將減弱焊接力量和減低長期可靠性。在焊點剖面的金相圖中，可以清楚地看到這個結(jié)構(gòu)。電子掃描顯微鏡(SEM)顯示的Cu-SnIMC金屬間化合物是焊點強度的關(guān)鍵因素，因此許多人員專門研究金屬間化合物的變化對焊點的長期可靠性帶來的影響410。為了保護(hù)焊盤或元件管腳的可焊性，一般它們表面都鍍有錫鉛合金層

3、或有機保護(hù)層。對非銅的金屬材料的管腳一般在管腳鍍層和金屬之間加有鍍鎳層作為阻斷層防止金屬擴散。這個鎳鍍層還用來阻擋與焊錫不可焊或不相容的金屬與焊錫層的接觸5。另一個有關(guān)鍍層的問題是關(guān)于鍍金層的問題，有文章5指出如果焊點中金的成分達(dá)到34%以上，焊點有潛在的脆性增大的危險。3.2?；亓骱笢囟惹€要得到好的回流焊接效果必須有一個好的回流溫度曲線(Profile)。那么什么是一個好的回流曲線呢?一個好的回流曲線應(yīng)該是對所要焊接的PCB板上的各種表面貼裝元件都能夠達(dá)到良好的焊接，且焊點不僅具有良好的外觀品質(zhì)而且有良好的內(nèi)在品質(zhì)的溫度曲線。3.2.1?；亓鳡t的參數(shù)設(shè)定要得到一個爐溫曲線首先應(yīng)給回流爐一個

4、參數(shù)設(shè)定?；亓鳡t的參數(shù)設(shè)定一般稱為Recipe。Recipe一般包括爐子每區(qū)的溫度設(shè)定，傳送帶帶速設(shè)定，以及是使用空氣還是氮氣。下表是BTU爐的一個Recipe的設(shè)定。溫度設(shè)定：(單位：C)帶速設(shè)定：(單位：cm/分)氣體設(shè)定：表中1T7T,1B7B分別表示回流爐上下溫區(qū)的溫度設(shè)定，傳送帶帶速為75cm/分，焊接環(huán)境使用空氣，不使用氮氣。設(shè)定一個回流曲線要考慮的因素有很多，一般包括：所使用的錫膏特性，PCB板的特性，回流爐的特點等。下面分別討論。3.2.2。錫膏特性與回流曲線的重要關(guān)系錫膏特性決定回流曲線的基本特性。不同的錫膏由于助焊劑(Flux)有不同的化學(xué)組分，因此它的化學(xué)變化有不同的溫度

5、要求，對回流溫度曲線也有不同的要求。一般錫膏供應(yīng)商都能提供一個參考回流曲線，用戶可在此基礎(chǔ)上根據(jù)自己的產(chǎn)品特性優(yōu)化。圖11是一個典型的Sn63/Pb37錫膏的溫度回流曲線6(P3-7)。以此圖為例，來分析回流焊曲線。它可分為4個主要階段：1)把PCB板加熱到150C左右，上升斜率為1-3C/秒。稱預(yù)熱(Preheat)階段，2)把整個板子慢慢加熱到183C。稱均熱(Soak或Equilibrium)階段。時間一般為60-90秒。3）把板子加熱到融化區(qū)（183C以上），使錫膏融化。稱回流（ReflowSpike）階段。在回流階段板子達(dá)到最高溫度，一般是215C+/-10C?；亓鲿r間以45-60秒

6、為宜,最大不超過90秒。4）曲線由最高溫度點下降的過程。稱冷卻（Cooling）階段。一般要求冷卻的斜率為2-4C/秒。典型的回流焊接溫度曲預(yù)熱階段的目的是把錫膏中較低熔點的溶劑揮發(fā)走。錫膏中助焊劑的主要成分包括松香，活性劑，黏度改善劑，和溶劑。溶劑的作用主要作為松香的載體和保證錫膏的儲藏時間。預(yù)熱階段需把過多的溶劑揮發(fā)掉，但是一定要控制升溫斜率，太高的升溫速度會造成元件的熱應(yīng)力沖擊，損傷元件或減低元件性能和壽命，后者帶來的危害更大，因為產(chǎn)品已流到了客戶手里。另一個原因是太高的升溫速度會造成錫膏的塌陷，引起短路的危險，尤其對助焊劑含量較高（達(dá)10%）的錫膏5。均熱階段的設(shè)定主要應(yīng)參考焊錫膏供應(yīng)

7、商的建議和PCB板熱容的大小。因為均熱階段有兩個作用，一個是使整個PCB板都能達(dá)到均勻的溫度（175C左右），均熱的目的是為了減少進(jìn)入回流區(qū)的熱應(yīng)力沖擊，以及其它焊接缺陷如元件翹起，某些大體積元件冷焊等。均熱階段另一個重要作用就是焊錫膏中的助焊劑開始發(fā)生活性反應(yīng)，它將清除焊件表面的氧化物和雜質(zhì)，增大焊件表面潤濕性能（及表面能），使得融化的焊錫能夠很好地潤濕焊件表面。由于均熱段的重要性，因此均熱時間和溫度必須很好地控制，既要保證助焊劑能很好地清潔焊面，又要保證助焊劑到達(dá)回流之前沒有完全消耗掉。助焊劑要保留到回流焊階段是必需的，它能促進(jìn)焊錫潤濕過程和防止焊接表面的再氧化。尤其是目前使用低殘留，免清

8、洗（no-clean）的焊錫膏技術(shù)越來越多的情況下，焊膏的活性不是很強，且回流焊接的也多為空氣回流焊，更應(yīng)注意不能在均熱階段把助焊劑消耗光?；亓麟A段，溫度繼續(xù)升高越過回流線（183C）,錫膏融化并發(fā)生潤濕反應(yīng)，開始生成金屬間化合物層。到達(dá)最高溫度（215C左右），然后開始降溫，落到回流線以下，焊錫凝固?；亓鲄^(qū)同樣應(yīng)考慮溫度的上升和下降斜率不能使元件受到熱沖擊?；亓鲄^(qū)的最高溫度是由PCB板上的溫度敏感元件的耐溫能力決定的。在回流區(qū)的時間應(yīng)該在保證元件完成良好焊接的前提下越短越好，一般為30-60秒最好，過長的回流時間和較高溫度，如回流時間大于90秒，最高溫度大于230度，會造成金屬間化合物層增厚

9、，影響焊點的長期可靠性4。冷卻階段的重要性往往被忽視。好的冷卻過程對焊接的最后結(jié)果也起著關(guān)鍵作用。好的焊點應(yīng)該是光亮的，平滑的。而如果冷卻效果不好，會產(chǎn)生很多問題諸如元件翹起，焊點發(fā)暗，焊點表面不光滑，以及會造成金屬間化合物層增厚等問題。因此回流焊接必須提供良好的冷卻曲線，既不能過慢造成冷卻不良，又不能太快，造成元件的熱沖擊。3.2.3。PCB板的特性與回流曲線的關(guān)系回流曲線的設(shè)定，與要焊接的PCB板的特性也有重要關(guān)系。板子的厚薄，元件的大小，元件周圍有無大的吸熱部件，如金屬屏蔽材料，大面積的地線焊盤等，都對板子的溫度變化有影響。因此籠統(tǒng)地說一個回流曲線的好壞是無意義的。一個回流曲線必須是針對

10、某一個或某一類產(chǎn)品而測量得到的。因此如何準(zhǔn)確測量回流曲線，來反映真實的回流焊接過程是非常重要的。常用的測量回流焊曲線的方法有三種：1）用回流爐本身配備的長熱偶線（一般常用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是K型熱偶線），熱偶線的一端焊接到PCB板上，另一端插到設(shè)備的預(yù)設(shè)熱偶插口上。把板放進(jìn)爐內(nèi)，當(dāng)板子從爐另一端出來時，用熱偶線把板子從出口端拉回來。在測量的同時溫度曲線就可顯示到設(shè)備的顯示器上。一般回流爐都帶有多個K型熱偶插口，因此可連接多根熱偶線，同時測量PCB板幾個點的溫度曲線。2）用一個小的溫度跟蹤記錄器。它能夠跟隨待測PCB板進(jìn)入回流爐。記錄器上也有多個熱偶插口,可因此可連接多根熱偶線。記錄器里存放的溫度數(shù)據(jù)，

11、只有在出爐后，才可輸?shù)诫娔X里分析或從打印機中輸出。3）帶無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏囟雀櫽涗浧?。與第2種方法相同，只是多了一個無線傳輸功能。當(dāng)它在爐內(nèi)測溫時，在存儲溫度數(shù)據(jù)的同時把數(shù)據(jù)用無線方式傳到外面的接受器上，接受器與電腦相連。三種方法本質(zhì)都是一樣的，用戶可根據(jù)習(xí)慣來選擇采用那種方法。熱偶線的安裝有一般兩種，一是高溫焊錫絲，溫度在300C以上（高于回流最高溫度）。另一種方法是用膠或是高溫膠帶把它粘住。這樣熱偶線就不會在回流區(qū)脫落。焊點的位置一般為選取元件的焊腳和焊盤接觸的地方。焊點不能太大，以焊牢為準(zhǔn)。焊點大，溫度反應(yīng)遲后，不能準(zhǔn)確反映溫度變化，尤其是對QFP等細(xì)間距焊腳。對特殊的器件如BGA還需要

12、在PCB板下鉆孔，把熱偶線穿到BGA下面。圖12說明了QFP和BGA元件的熱偶線焊接方法。熱偶線的安裝位置一般根據(jù)PCB板的工藝特點來選取，如雙面板應(yīng)在板上下都安裝熱偶線，大的IC芯片腳要安裝，BGA元件要安裝，某些易造成冷焊的元件（如金屬屏蔽罩周圍，散熱器周圍元件）一定要放置。還有就是你認(rèn)為要研究的焊接出了問題的元件。3.2.4?；亓鳡t設(shè)備的特點與回流曲線的關(guān)系因為回流曲線的實現(xiàn)是在回流爐中完成的，因此它與回流爐的具體特點有關(guān)。不同的爐因加熱區(qū)的數(shù)目和長短不同，氣流的大小不同，爐溫的容量不同，對回流曲線都會造成影響。設(shè)備對回流曲線的影響可歸納為下面幾點：1）加熱區(qū)數(shù)目的因素。對加熱區(qū)多的回流

13、爐（8個加熱區(qū)），由于每一個爐區(qū)都能單獨設(shè)定爐溫，因此調(diào)整回流溫度曲線比較容易。對要求較復(fù)雜的回流曲線同樣可以做到。但短爐子（4個加熱區(qū)），因為它只有四個可調(diào)溫區(qū)，要想得到復(fù)雜的曲線比較難，但對于沒有特別要求的SMT焊接，短爐子也能滿足要求，而且價錢便宜。另一個方面，長爐子的優(yōu)點是傳送帶的帶速可以比短爐子提高至少1倍以上，這樣長爐的產(chǎn)量至少能達(dá)到短爐的1倍以上。當(dāng)大批量生產(chǎn)線追求產(chǎn)能時，這一點是至關(guān)重要的。2）熱風(fēng)氣流的因素。由于目前大多數(shù)回流爐以風(fēng)扇強制驅(qū)動熱風(fēng)循環(huán)為主，因此風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速決定了風(fēng)量的大小。在相同的帶速和相同的溫度設(shè)定下，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高，回流曲線的溫度越高。當(dāng)風(fēng)扇馬達(dá)出現(xiàn)故障時，

14、如停轉(zhuǎn)，即使?fàn)t溫顯示正常，爐溫的曲線測量也會比正常曲線低很多，若故障馬達(dá)在回流區(qū)，則PCB板極易產(chǎn)生冷焊，若故障馬達(dá)在冷卻區(qū)，則PCB板的冷卻效果就下降。因此對馬達(dá)轉(zhuǎn)速是可編程調(diào)節(jié)的回流焊接爐，如VITRONICS,風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速也是需要經(jīng)常檢查的參數(shù)之一。3）爐溫的容量的因素。回流焊接有時會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，當(dāng)焊接一塊小尺寸的PCB板時，焊接結(jié)果非常好，而焊接一塊大尺寸的PCB板時，某些溫區(qū)爐溫會出現(xiàn)稍微下降的現(xiàn)象。這就是由于大板子吸熱較多，爐子的熱容量不足引起的。一般可以通過加大風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。但是爐溫的容量主要是由爐體結(jié)構(gòu)，加熱器功率等設(shè)計因素決定的，因此是爐子廠家設(shè)計時已經(jīng)固定了的。用戶在選

15、擇回流爐時必須考慮這個因素。熱容量越大越好，當(dāng)然爐子消耗的功率也越多。3.3。氮氣回流焊與空氣回流焊氮氣回流焊的使用主要是為了增強焊接質(zhì)量，使焊接發(fā)生在氧含量極少(100PPM)以下的環(huán)境下，可避免元件的氧化問題。因此氮氣回流焊的主要問題是保證氧氣含量越低越好。氧含量的控制對用戶來講主要是保證氮氣氣源的純度，一般工業(yè)用氮氣純度可達(dá)5PPM，爐內(nèi)氧含量主要跟爐子的密封設(shè)計的好壞有關(guān)。爐體由于兩邊的進(jìn)出板口會漏空氣進(jìn)入，因此兩邊的氧含量會比爐體中間區(qū)高。許多文章都專門討論過對氧含量對焊接的影響。但隨著焊錫膏技術(shù)和元件焊腳鍍層技術(shù)的不斷更新，空氣中回流的焊接已經(jīng)占據(jù)了主流。因為空氣焊接有許多優(yōu)點例如

16、取消氮氣，降低成本;氣體控制無需再考慮氧含量的控制;爐子的造價下降。因此目前多數(shù)的回流焊接都在使用空氣回流焊，只有個別的特別怕氧化的元件才考慮用氮氣焊接。3.4?；亓骱傅娜毕莺秃附淤|(zhì)量檢驗3.4.1回流焊的常見缺陷和可能原因回流焊的焊接質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)一般可采用IPC標(biāo)準(zhǔn)IPC-A-610,電子裝聯(lián)的接受標(biāo)準(zhǔn)。其中包括了SMT焊接元件的焊接檢驗標(biāo)準(zhǔn)?；亓骱赋Ｒ姷娜毕菀话愕脑蚝徒ㄗh解決措施可歸納為下表，可同時參考IPC-S-8169：3.4.2回流焊后的質(zhì)量檢驗方法回流焊的焊接質(zhì)量的方法目前常用的有目檢法，自動光學(xué)檢查法(AOI),電測試法(ICT),X-光檢查法，以及超聲波檢測法。1)目檢法簡單

17、，低成本。但效率低，漏檢率高，還與人員的經(jīng)驗和認(rèn)真程度有關(guān)。2)自動光學(xué)檢查法(AOI)自動化。避免人為因素的干擾。無須模具?？蓹z查大多數(shù)的缺陷，但對BGA，DCA等焊點不能看到的元件無法檢查。3)電測試法(ICT)自動化?？梢詸z查各種電氣元件的正確連接。但需要復(fù)雜的針床模具，價格高，維護(hù)復(fù)雜。對焊接的工藝性能，例如焊點光亮程度，焊點質(zhì)量等無法檢驗。另外，隨著電子產(chǎn)品裝連越來越向微型化，高密度以及BGA，CSP方向發(fā)展，ICT的測針方法受到越來越多的局限。4)X-光檢查法自動化?？梢詸z查幾乎全部的工藝缺陷。通過X-Ray的透視特點，檢查焊點的形狀，和電腦庫里標(biāo)準(zhǔn)的形狀比較，來判斷焊點的質(zhì)量。尤

18、其對BGA，DCA元件的焊點檢查，作用不可替代。無須測試模具。但對錯件的情況不能判別。缺點價格目前相當(dāng)昂貴。5)超聲波檢測法自動化。通過超聲波的反射信號可以探測元件尤其時QFP,BGA等IC芯片封裝內(nèi)部發(fā)生的空洞，分層等缺陷。它的缺點是要把PCB板放到一種液體介質(zhì)才能運用超聲波檢驗法。較適合于實驗室運用。對于各種檢查方法，既各有特色，又相互覆蓋，它們的相互關(guān)系可用圖13來說明。由圖中可以看出，BGA，元件外觀，及元件值的檢驗分別為X光，自動光學(xué)，及ICT檢測法特有的檢查手段，其余的功能都相互有交叉。例如，用光學(xué)檢查方法解決表面可見的焊盤焊點和元件對錯識別，用X-Ray檢查不可見的元件焊點如BGA,DCA，插件過孔的焊錫情況，但如果不用ICT，元件值錯無法檢查;又例如，用ICT檢查開路，短路等電性能，用X-Ray檢查所有元件的焊點質(zhì)量，但如果不用光學(xué)