《电子技术应用》

回流焊接工艺

2016/12/17 0:00:00

本文介绍对于回流焊接工艺的经典的PCB温度曲线作图方法,分析了两种最常见的回流焊接温度曲线类型:保温型和帐篷型...。

经典印刷电路板(PCB)的温度曲线(profile)作图,涉及将PCB 装配上的热电偶连接到数据记录曲线仪上,并把整个装配从回流焊接炉中通过。作温度曲线有两个主要的目的:1)为给定的PCB 装配确定正确的工艺设定,2)检验工艺的连续性,以保证可重复的结果。通过观察PCB 在回流焊接炉中经过的实际温度(温度曲线),可以检验和/或纠正炉的设定,以达到最终产品的最佳品质。经典的PCB 温度曲线将保证最终PCB 装配的最佳的、持续的质量,实际上降低PCB 的报废率,提高PCB的生产率和合格率,并且改善整体的获利能力。

一、回流工艺

在回流工艺过程中,在炉子内的加热将装配带到适当的焊接温度,而不损伤产品。为了检验回流焊接工艺过程,人们使用一个作温度曲线的设备来确定工艺设定。温度曲线是每个传感器在经过加热过程时的时间与温度的可视数据集合。通过观察这条曲线,你可以视觉上准确地看出多少能量施加在产品上,能量施加哪里。温度曲线允许操作员作适当的改变,以优化回流工艺过程。

一个典型的温度曲线包含几个不同的阶段 -初试的升温(ramp)、保温(soak)、向回流形成峰值温度(spike to reflow)、回流(reflow)和产品的冷却(cooling)。作为一般原则,所希望的温度坡度是在2~4 °C范围内,以防止由于加热或冷却太快对板和/或元件所造成的损害。

在产品的加热期间,许多因素可能影响装配的品质。最初的升温是当产品进入炉子时的一个快速的温度上升。目的是要将锡膏带到开始焊锡激化所希望的保温温度。最理想的保温温度是刚好在锡膏材料的熔点之下 -对于共晶焊锡为183 °C,保温时间在30~90 秒之间。保温区有两个用途:1)将板、元件和材料带到一个均匀的温度,接近锡膏的熔点,允许较容易地转变到回流区,2)激化装配上的助焊剂。在保温温度,激化的助焊剂开始清除焊盘与引脚的氧化物的过程,留下焊锡可以附着的清洁表面。向回流形成峰值温度是另一个转变,在此期间,装配的温度上升到焊锡熔点之上,锡膏变成液态。

一旦锡膏在熔点之上,装配进入回流区,通常叫做液态以上时间(TAL time above liquidous)。回流区时炉子内的关键阶段,因为装配上的温度梯度必须最小,TAL 必须保持在锡膏制造商所规定的参数之内。产品的峰值温度也是在这个阶段达到的 -装配达到炉内的最高温度。

必须小心的是,不要超过板上任何温度敏感元件的最高温度和加热速率。例如,一个典型的钽电容具有的最高温度为230 °C 。理想地,装配上所有的点应该同时、同速率达到相同的峰值温度,以保证所有零件在炉内经历相同的环境。在回流区之后,产品冷却,固化焊点,将装配为后面的工序准备。控制冷却速度也是关键的,冷却太快可能损坏装配,冷却太慢将增加TAL,可能造成脆弱的焊点。

在回流焊接工艺中使用两种常见类型的温度曲线,它们通常叫做保温型(soak)和帐篷型(tent)温度曲线。在保温型曲线中(图一),如前面所讲到的,装配在一段时间内经历相同的温度。帐篷型温度曲线(图二)是一个连续的温度上升,从装配进入炉子开始,直到装配达到所希望的峰值温度。

所希望的温度曲线将基于装配制造中使用的锡膏类型而不同。取决于锡膏化学组成,制造商将建议最佳的温度曲线,以达到最高的性能。温度曲线的信息可以通过联系锡膏制造商得到。最常见的配方类型包括水溶性(OA)、松香适度激化型(RMA rosin mildly activated)和免洗型(no-clean)锡膏。

二、温度曲线的机制

经典的PCB 温度曲线系统元件

一个经典的PCB 温度曲线系统由以下元件组成:
· 数据收集曲线仪,它从炉子中间经过,从PCB 收集温度信息。
· 热电偶,它附着在PCB 上的关键元件,然后连接到随行的曲线仪上。
· 隔热保护,它保护曲线仪被炉子加热。
· 软件程序,它允许收集到的数据以一个格式观看,迅速确定焊接结果和/或在失控恶劣影响最终PCB产品之前找到失控的趋势。

三、热电偶(Thermalcouples)

在电子工业中最常使用的是K 型热电偶。有各种技术将热电偶附着于PCB 的元件上。使用的方法决定于正在处理的PCB 类型,以及使用者的偏爱。

四、热电偶附着

高温焊锡,它提供很强的连接到PCB 。这个方法通常用于可以为作曲线和检验工艺而牺牲一块专门的参考板的运作。应该注意的是保证最小的锡量,以避免影响曲线。

胶剂,可用来将热电偶固定在PCB 上。胶剂的使用通常得到热电偶对装配的刚性物理连接。缺点包括胶剂可能在加热过程中失效的可能性、作完曲线后取下时在装配上留下残留物。还有,应该注意使用最小的胶量,因为增加热质量可能影响温度曲线的结果。

开普顿(Kapton)或铝胶带,它最容易使用,但是最不可靠的固定方法。使用胶带作温度曲线经常显示很参差不齐的曲线,因为热电偶连接点在加热期间从接触表面提起。容易使用和不留下影响装配的残留物,使得开普顿或铝胶带成为一个受欢迎的方法。

压力型热电偶,夹持在线路板的边缘,使用弹力将热电偶连接点牢固地接触固定到正在作温度曲线的装配上。压力探头快速、容易地使用,对PCB 没有破坏性。

五、热电偶的放置

因为一个装配的外边缘和角上比中心加热更快,较大热质量的元件比较小热质量的元件加热满,所以至少推荐使用四个热电偶的放置位置。一个热电偶放在装配的边缘或角上,一个在小元件上,另一个在板的中心,第四个在较大质量的元件上。另外还可以增加热电偶在板上其它感兴趣的零件上,或者温度冲击或温度损伤最危险的元件上。

六、读出与评估温度曲线数据

锡膏制造商一般对其锡膏配方专门有推荐的温度曲线。应该使用制造商的推荐来确定一个特定工艺的最佳曲线,与实际的装配结果进行比较。然后可能采取步骤来改变机器设定,以达到特殊装配的最佳结果(图三)。



对于PCB 装配制造商,现在有新的工具,它使得为锡膏和回流炉的特定结合设计目标曲线来得容易。一旦设计好以后,这个目标曲线可以由机器操作员机遇这个专门的PCB 装配简单地调用,自动地在回流焊接炉上运行。

七、何时作温度曲线

当开始一个新的装配时,作温度曲线是特别有用的。必须决定炉的设定,为高品质的结果优化工艺。作为一个诊断工具,曲线仪在帮助确定合格率差和/或返工高的过程中是无价的。

作温度曲线可以发现不适当的炉子设定,或者保证对于装配这些设定是适当的。许多公司或工厂在标准参考板上作温度曲线,或者每天使用机器的品质管理曲线仪。一些工厂在每个班次的开始作温度曲线,以检验炉子的运行,在问题发生前避免潜在的问题。这些温度曲线可以作为一个硬拷贝或通过电子格式存储起来,并且可用作ISO 计划的一部分,或者用来进行对整个时间上机器性能的统计过程控制(SPC statistical process control)的操作。

用于作温度曲线的装配应该小心处理。该装配可能由于处理不当或者重复暴露在回流温度之下而降级。作曲线的板可能随时间过去而脱层,热电偶的附着可能松动,这一点应该预计到,并且在每一次运行产生损害之前应该检查作曲线的设备。关键是要保证测量设备能够得到精确的结果。

八、经典PCB 温度曲线与机器的品质管理曲线

虽然温度曲线的最普遍类型涉及使用一个运行的曲线仪和热电偶,来监测PCB 元件的温度,作温度曲线也用来保证回流焊接炉以最佳的设定连续地工作运行。现有各种内置的机器温度曲线仪,提供对关键回流炉参数的日常检测,包括空气温度、热流与传送带速度。这些仪器也提供机会,在失控因素影响最终PCB装配质量之前,迅速找到任何失控趋势。

九、总结

做温度曲线是PCB 装配中的一个关键元素,它用来决定过程机器的设定和确认工艺的连续性。没有可测量的结果,对回流工艺的控制是有限的。咨询一下锡膏供应商,查看一下元件规格,为一个特定的工艺确定最佳的曲线参数。通过实施经典PCB 温度曲线和机器的品质管理温度曲线的一个正常的制度,PCB 的报废率将会降低,而质量与产量都会改善。结果,总的运作成本将减低。

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