SMT回流焊温度曲线设置与工艺流程

2022-04-23 18:35:21 Tony

SMT回流焊温度曲线设置与工艺流程 :

本文分享电子厂SMT回流焊工艺参数对回流焊温度曲线关键指标的影响,为回流焊接工艺参数的设置和调整提供借鉴 ; SMT表面黏著技術的回流焊溫度曲線包括預熱、浸潤、回焊和冷卻四个部份,以下为个人在互联网收集整理,如果有誤或偏差也请各位前辈不吝指教。


电子制造业的SMT回流炉焊接,是PCBA电子線路板组装作业中的重要工序,如果没有很好的掌握它,不但会出现许多“临时故障”还会直接影响焊点的寿命。

SMT回流焊测温仪几乎都有了,可是还有很多用户没有对所有产品进行测温认证、调整温度设置;有的用户使用测温了,却没有掌握焊接工艺要点,又无法优化工艺;这样一來,浪費了大量的电費,產品質量也得不到很好的保障!

正确设定回流炉温度曲线节能环保: 

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Esamber举例说,如上图,在回流焊工艺上,中国工厂的单焊点回流焊平均投入成本是德国的4倍,是美国的3倍,是日本的2倍多(此核算中不考虑中国较低廉的人工成本、各国的人工成本计算采取一致)。

而同时,中国也有不乏全球回流焊工艺及成本管控最好的SMT制造企业,比如华为,中兴、台达、法雷奥中国SMT工厂、戴尔(中国)等企业,在回流焊、波峰焊、选焊等工艺上不断追求工艺技术先进管控,从焊接零缺陷着手推动无人化闭环控制、定期全面体检防范未然、合理规划保养、工艺及设备的定期稽查、快速故障定位、先进的工艺检测技术、培育工艺专家群等一系列的手段,实现了设备高性能运作,高稼动率运作,长寿运作和人工投入最低化,最终实现综合成本最低化。

正确设定回流炉温度曲线
是获得优良焊接品质的关键 !

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那么什么是SMT回流焊呢?

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SMT回流焊是英文Reflow是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏装软钎焊料,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的软钎焊。回流焊是将元器件焊接到PCB板材上,回流焊是专门针对SMD表面贴装器件的。

   
回流焊是靠热气流对焊点的作用,胶状的焊剂在一定的高温气流下进行物理反应达到SMD的焊接;之所以叫"回流焊"是因为气体在焊机内循环来回流动产生高温达到焊接目的。

SMT电子贴片加工厂在选购SMT迴流焊的时候,都希望买到最好的SMT迴流焊 ; 术业有专攻,各有所长,各有优缺点。还有各公司的工艺指标侧重点不同,電子廠SMT贴片焊接车间在SMT生产流程中,回流炉参数设置的好坏是影响焊接质量的关键,通过温度曲线,可以为回流炉参数的设置提供准确的理论依据,在大多数情况下,温度的分布受组装电路板的特性、焊膏特性和所用回流炉能力的影响。

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全热风回流焊是SMT 大生产中重要的工艺环节,它是一种自动群焊过程,成千上万个焊点在短短几分钟内一次完成,其焊接质量的优劣直接影响到产品的质量和可靠性,对于数字化的电子产品,产品的质量几乎就是焊接的质量。

优化好SMT回流焊的焊接效果,人们都知道关键是设定回流炉的炉温曲线,有关回流炉的炉温曲线,许多专业文章中均有报导,但面对一台新的全热风回流炉,如何尽快设定回流炉温度曲线呢?这就需要我们首先对所使用的锡膏中金属成分与熔点、活性温度等特性有一个全面了解,对全热风回流炉的结构,包括加热温区的数量、热风系统、加热器的尺寸及其控温精度、加热区的有效长度、冷却区特点、传送系统等应有一个全面认识,以及对焊接对象--表面贴装组件(SMD)尺寸、元件大小及其分布做到心中有数,不难看出,回流焊是SMT 工艺中复杂而又关键的一环,它涉及到材料、设备、热传导、焊接等方面的知识。

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如何正确的设定回流焊温度曲线

首先我们要了解回流焊的几个关键的地方及温度的分区情况及回流焊的种类.

影响炉温的关键地方是:

1:各温区的温度设定数值

2:各加热马达的温差

3:链条及网带的速度

4:锡膏的成份

5:PCB板的厚度及元件的大小和密度

6:加热区的数量及回流焊的长度

7:加热区的有效长度及泠却的特点等

SMT回流焊炉温区的工作原理就是当组装PCB板在金属网式或双轨式输送带上,通过回焊炉各温区段的热冷行程(例如8热2冷之大型机,总长5-6m的无铅回焊炉),以达到锡膏熔融及冷却愈合成为焊点的目的

SMT回流焊的分区情况: 

1:预热区(又名:升温区)

2:恒温区(保温区/活性区)

3:回流区

4 :却区

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对于SMT无铅回流焊来说温度曲线的调整是个热门讨论的问题,也是一个技术复杂难题,这个温度曲线一般的锡膏厂家在都会提供一个参考的曲线,但实际上由于smt无铅回流焊的质量千差万别导致很难达到他们参考炉温曲线的焊接效果,咱们不光要知道smt无铅回流焊炉温曲线该怎么调节还要知道锡膏和smt无铅回流焊炉的作用原理,下面我们就来一起探讨SMT回流焊工艺技術,为大家简要的分析讲解一下SMT无铅回流焊温度曲线的技术原理讲解。图片关键词

SMT回流焊炉一直采用传统的炉温曲线测试方法,即每一个产品转一次机就需要人工测试一次炉温曲线,工序繁锁;耗时长,目前平均单次测温时间约30分钟;图片关键词

另外还有几种不良現象都与預熱區的升溫有关系,下面一一說明:

1. 塌陷:

這主要是發生在錫膏融化前的膏狀階段,錫膏的黏度會隨著溫度的上升而下降,這是因為溫度的上升使得材料內的分子因熱而震動得更加劇烈所致;另外溫度迅速上升會使得溶劑(Solvent)沒有時間適當地揮發,造成黏度更迅速的下降。正確來說,溫度上升會使溶劑揮發,並增加黏度,但溶劑揮發量與時間及溫度皆成正比,也就是說給一定的溫升,時間較長者,溶劑揮發的量較多。因此升溫慢的錫膏黏度會比升溫快的錫膏黏度來的高,錫膏也就必較不容易產生塌陷。

2. 錫珠:

迅速揮發出來的氣體會連錫膏都一起往外帶,在小間隙的零件下會形成分離的錫膏區塊,迴焊時分離的錫膏區塊會融化並從零件底下冒出而形成錫珠。

3. 錫球:

升溫太快時,溶劑氣體會迅速的從錫高中揮發出來並把飛濺錫膏所引起。減緩升溫的速度可以有效控制錫球的產生。但是升溫太慢也會導致過度氧化而降低助焊劑的活性。

4. 燈蕊虹吸現象:

這個現象是焊料在潤濕引腳後,焊料從焊點區域沿引腳向上爬升,以致焊點產生焊料不足或空銲的問題。其可能原因是錫膏在融化階段,零件腳的溫度高於PCB的銲墊溫度所致。可以增加PCB底部溫度或是延長錫膏在的熔點附近的時間來改善,最好可以在焊料潤濕前達到零件腳與焊墊的溫度平衡。一但焊料已經潤濕在焊墊上,焊料的形狀就很難改變,此時也不在受溫升速率的影響。

5. 潤濕不良:

一般的潤濕不良是由於焊接過程中錫粉被過度氧化所引起,可經由減少預熱時錫膏吸收過多的熱量來改善。理想的回焊時間應儘可能的短。如果有其他因素致加熱時間不能縮短,那建議從室溫到錫膏熔點間採線性溫度,這樣迴焊時就能減少錫粉氧化的可能性。

6. 虛焊或“枕頭效應”(Head-In-Pillow):

虛焊的主要原因可能是因為燈蕊虹吸現象或是不潤濕所造成。燈蕊虹吸現象可以參照燈蕊虹吸現象的解決方法。如果是不潤濕的問題,也就是枕頭效應,這種現象是零件腳已經浸入焊料中,但並未形成真正的共金或潤濕,這個問題通常可以利用減少氧化來改善,可以參考潤濕不良的解決方法。

7. 墓碑效應及歪斜:

這是由於零件兩端的潤濕不平均所造成的,類似燈蕊虹吸現象,可以藉由延長錫膏在的熔點附近的時間來改善,或是降低升溫的速率,使零件兩端的溫度在錫膏熔點前達到平衡。另一個要注意的是PCB的焊墊設計,如果有明顯的大小不同、不對稱、或是一方焊墊有接地(ground)又未設計熱阻(thermal thief)而另一方焊墊無接地,都容易造成不同的溫度出現在焊墊的兩端,當一方焊墊先融化後,因表面張力的拉扯,會將零件立直(墓碑)及拉斜。

8. 空洞(Voids):

主要是因為助焊劑中的溶劑或是水氣快速氧化,且在焊料固化前未即時逸出所致。浸潤區浸潤區又稱活性區﹐在恆溫區溫度通常維持在150℃±10的區域﹐此時錫膏處于融化前夕﹐焊膏中的揮發物進一步被去除﹐活化劑開始啟動﹐並有效的去除焊接表面的氧化物﹐PCB表面溫度受熱風對流的影響﹐不同大小﹐質地不同的零組件溫度能保持均勻﹐板面溫度差△T接近最小值。曲線形態接近水平狀﹐它也是評估回流爐工藝的一個窗口﹐選擇能維持平坦活性溫度曲線的爐子將提高焊接的效果﹐特別是防止立碑缺陷的產生。通常恆溫區在爐子的2﹐3區之間﹐維持時間約為60~~120s﹐若時間過長也會導致錫膏氧化問題﹐以致焊接後飛珠增多。

SMT回流焊焊接影响工艺的因素:

1.通常PLCC、QFP与一个分立片状元件相比热容量要大,焊接大面积元件就比小元件更困难些。

2.在回流焊炉中传送带在周而复使传送产品进行回流焊的同时,也成为一个散热系统,此外在加热部分的边缘与中心散热条件不同,边缘一般温度偏低,炉内除各温区温度要求不同外,同一载面的温度也差异。

3.产品装载量不同的影响。回流焊的温度曲线的调整要考虑在空载,负载及不同负载因子情况下能得到良好的重复性。负载因子定义为: LF=L/(L+S);其中L=组装基板的长度,S=组装基板的间隔。回流焊工艺要得到重复性好的结果,负载因子愈大愈困难。通常回流焊炉的最大负载因子的范围为0.5~0.9。这要根据产品情况(元件焊接密度、不同基板)和再流炉的不同型号来决定。要得到良好的焊接效果和重复性,实践经验很重要的。

图片关键词一、初步SMT回流焊炉温设定 :

1、 看锡膏类型,有铅还是无铅?还要考虑锡膏特性,焊膏是由合金粉末、糊状助焊剂均匀混和而成的膏体。焊膏中的助焊剂 (点击助焊剂的特性)主要由溶剂、松香或合成树脂、活性剂及抗垂流剂四类原物质构成。溶剂决定了焊膏所需的干燥时间,为了增加焊膏的粘度使之具备良好流变性加入了合成树脂或松香,活性剂是用来除去合金所产生的氧化物以清洁板面焊盘,抗垂流剂的加入有助于合金粉末在焊膏中呈现悬浮状态,避免沉降现象。

衡量焊膏品质的因素很多,在实际生产中应重点考虑以下的焊膏特性。

(1)根据电路板表面清洁度的要求决定焊膏的活性与合金含量;

(2)根据锡膏印刷设备及生产环境决定焊膏的粘度、流变性及崩塌特性;

(3)根据工艺要求及元件所能承受的温度决定焊膏的熔点;

(4)根据焊盘的最小脚间距决定焊膏合金粉末的颗粒大小。

2、 看PCB板厚度是多少?此时结合以上1、2点,根据经验就有个初步的炉温了;

3、 再看PCB板材,具体细致设定一下回流区的炉温;

4、 再看PCB板上的各种元器件,考虑元件大小的不同、特殊元件、厂家要求的特殊元件等方面,再仔细设定一下炉温;

5、 还的考虑一下炉子的加热效率,因为当今汇流炉有很多种,其加热效率是各个不一样的,所以这一点不应忽视掉;

结合以上5方面,就可以设定出初步的炉温了。

图片关键词二、炉温的详细设定及热电偶的安装步骤:

  1, 感应温度用的热电偶,在使用和安装过程中,应确保除测试点外,无短接现象发生,否则无法保证试精度。

  2, 热电偶在与记忆装置或其它测试设备相连接时,其极性应与设备要求一致,热电偶将温度转变为电动势,,以连接时有方向要求。

  第二,测试点的选取,一般至少三点,能代表PCB组件上温度变化的测试点(能反映PCB组件上高、中低温部位的温度变化); 一般情况下,最高温度部位在PCB与传送方向相垂直的无元件边缘中心处,最低温度在PCB 靠近中心部位的大型元件之半田端子处(PLCC.QFP等),另外对耐热性差部品表面要有测试点,以及客户的特定要求。

图片关键词回流温度曲线各区间的推荐设定值:

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图片关键词图片关键词图片关键词图片关键词图片关键词SMT迴流焊的峰值溫度,通常取決於焊料的熔點溫度及組裝零件所能承受的溫度。首先要考虑你的元件,与PCB板,是否能受此温,因为有铅锡膏和无铅的成份不同,有铅的成份为:锡:63%,铅:37%,熔点一般为183.峰值为205--230而无铅的是:锡96.5%;银:3%;铜:0.5%,所以熔点高一般为:217,峰值为:245---250 ; 一般的峰值溫度應該比錫膏的正常熔點溫度要高出約25~30°C,才能順利的完成焊接作業。如果低於此溫度,則極有可能會造成冷焊潤濕不良的缺點。

4 回流焊接缺陷与不良温度曲线的关系:

以下表2仅列出不良温度曲线所引起的回流焊接缺陷,其它影响回流焊接质量的因素还包括丝印质量的优劣、贴片的准确性和压力、焊膏的品质及环境的控制等,本文不做阐述。

回流焊接的缺陷 温度曲线的不良之处

吹孔

1、保温段预热温度不足;

2、保温段温度上升速度过快。

焊点灰暗 冷却段冷却速度过缓。

不沾锡

1、焊接段熔焊温度低;

2、保温段保温周期过长;

3、保温段温度过高。

焊后断开 保温段保温周期短。

锡珠

1、保温段温度上升速度过快;

2、保温段温度低;

3、保温周期短。

空洞

1、保温段温度低;

2、保温周期短。

生焊

1、焊接段熔焊温度低;

2、焊接段熔焊周期短。

板面或元件变色

1、焊接段熔焊温度过高;

2、焊接段熔焊周期太长。