理解锡膏的回流过程Word文档下载推荐.docx
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每个区所花的持续时间总和决定总共的处理时间。
每个区的温度设定影响PCB的温度上升速度,高温在PCB与区的温度之间产生一个较大的温差。
增加区的设定温度允许机板更快地达到给定温度。
因此,必须作出一个图形来决定PCB的温度曲线。
接下来是这个步骤的轮廓,用以产生和优化图形。
在开始作曲线步骤之前,需要下列设备和辅助工具:
温度曲线仪、热电偶、将热电偶附着于PCB的工具和锡膏参数表。
可从大多数主要的电子工具供应商买到温度曲线附件工具箱,这工具箱使得作曲线方便,因为它包含全部所需的附件(除了曲线仪本身)。
现在许多回流焊机器包括了一个板上测温仪,甚至一些较小的、便宜的台面式炉子。
测温仪一般分为两类:
实时测温仪,即时传送温度/时间数据和作出图形;
而另一种测温仪采样储存数据,然后上载到计算机。
热电偶必须长度足够,并可经受典型的炉膛温度。
一般较小直径的热电偶,热质量小响应快,得到的结果精确。
有几种方法将热电偶附着于PCB,较好的方法是使用高温焊锡如银/锡合金,焊点尽量最小。
另一种可接受的方法,快速、容易和对大多数应用足够准确,少量的热化合物(也叫热导膏或热油脂)斑点覆盖住热电偶,再用高温胶带(如Kapton)粘住。
还有一种方法来附着热电偶,就是用高温胶,如氰基丙烯酸盐粘合剂,此方法通常没有其它方法可靠。
附着的位置也要选择,通常最好是将热电偶尖附着在PCB焊盘和相应的元件引脚或金属端之间。
(图一、将热电偶尖附着在PCB焊盘和相应的元件引脚或金属端之间)
锡膏特性参数表也是必要的,其包含的信息对温度曲线是至关重要的,如:
所希望的温度曲线持续时间、锡膏活性温度、合金熔点和所希望的回流最高温度。
开始之前,必须理想的温度曲线有个基本的认识。
理论上理想的曲线由四个部分或区间组成,前面三个区加热、最后一个区冷却。
炉的温区越多,越能使温度曲线的轮廓达到更准确和接近设定。
大多数锡膏都能用四个基本温区成功回流。
(图二、理论上理想的回流曲线由四个区组成,前面三个区加热、最后一个区冷却)
预热区,也叫斜坡区,用来将PCB的温度从周围环境温度提升到所须的活性温度。
在这个区,产品的温度以不超过每秒2~5°
C速度连续上升,温度升得太快会引起某些缺陷,如陶瓷电容的细微裂纹,而温度上升太慢,锡膏会感温过度,没有足够的时间使PCB达到活性温度。
炉的预热区一般占整个加热通道长度的25~33%。
活性区,有时叫做干燥或浸湿区,这个区一般占加热通道的33~50%,有两个功用,第一是,将PCB在相当稳定的温度下感温,允许不同质量的元件在温度上同质,减少它们的相当温差。
第二个功能是,允许助焊剂活性化,挥发性的物质从锡膏中挥发。
一般普遍的活性温度范围是120~150°
C,如果活性区的温度设定太高,助焊剂没有足够的时间活性化,温度曲线的斜率是一个向上递增的斜率。
虽然有的锡膏制造商允许活性化期间一些温度的增加,但是理想的曲线要求相当平稳的温度,这样使得PCB的温度在活性区开始和结束时是相等的。
市面上有的炉子不能维持平坦的活性温度曲线,选择能维持平坦的活性温度曲线的炉子,将提高可焊接性能,使用者有一个较大的处理窗口。
回流区,有时叫做峰值区或最后升温区。
这个区的作用是将PCB装配的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度。
活性温度总是比合金的熔点温度低一点,而峰值温度总是在熔点上。
典型的峰值温度范围是205~230°
C,这个区的温度设定太高会使其温升斜率超过每秒2~5°
C,或达到回流峰值温度比推荐的高。
这种情况可能引起PCB的过分卷曲、脱层或烧损,并损害元件的完整性。
今天,最普遍使用的合金是Sn63/Pb37,这种比例的锡和铅使得该合金共晶。
共晶合金是在一个特定温度下熔化的合金,非共晶合金有一个熔化的范围,而不是熔点,有时叫做塑性装态。
本文所述的所有例子都是指共晶锡/铅,因为其使用广泛,该合金的熔点为183°
C。
理想的冷却区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。
作温度曲线的第一个考虑参数是传输带的速度设定,该设定将决定PCB在加热通道所花的时间。
典型的锡膏制造厂参数要求3~4分钟的加热曲线,用总的加热通道长度除以总的加热感温时间,即为准确的传输带速度,例如,当锡膏要求四分钟的加热时间,使用六英尺加热通道长度,计算为:
6英尺÷
4分钟=每分钟1.5英尺=每分钟18英寸。
接下来必须决定各个区的温度设定,重要的是要了解实际的区间温度不一定就是该区的显示温度。
显示温度只是代表区内热敏电偶的温度,如果热电偶越靠近加热源,显示的温度将相对比区间温度较高,热电偶越靠近PCB的直接通道,显示的温度将越能反应区间温度。
明智的是向炉子制造商咨询了解清楚显示温度和实际区间温度的关系。
本文中将考虑的是区间温度而不是显示温度。
表一列出的是用于典型PCB装配回流的区间温度设定。
表一、典型PCB回流区间温度设定
区间
区间温度设定
区间末实际板温
预热
210°
C(410°
F)
140°
C(284°
活性
177°
C(350°
150°
C(302°
回流
250°
C(482°
C)
速度和温度确定后,必须输入到炉的控制器。
看看手册上其它需要调整的参数,这些参数包括冷却风扇速度、强制空气冲击和惰性气体流量。
一旦所有参数输入后,启动机器,炉子稳定后(即,所有实际显示温度接近符合设定参数)可以开始作曲线。
下一部将PCB放入传送带,触发测温仪开始记录数据。
为了方便,有些测温仪包括触发功能,在一个相对低的温度自动启动测温仪,典型的这个温度比人体温度37°
C(98.6°
F)稍微高一点。
例如,38°
C(100°
F)的自动触发器,允许测温仪几乎在PCB刚放入传送带进入炉时开始工作,不至于热电偶在人手上处理时产生误触发。
一旦最初的温度曲线图产生,可以和锡膏制造商推荐的曲线或图二所示的曲线进行比较。
首先,必须证实从环境温度到回流峰值温度的总时间和所希望的加热曲线居留时间相协调,如果太长,按比例地增加传送带速度,如果太短,则相反。
下一步,图形曲线的形状必须和所希望的相比较(图二),如果形状不协调,则同下面的图形(图三~六)进行比较。
选择与实际图形形状最相协调的曲线。
应该考虑从左道右(流程顺序)的偏差,例如,如果预热和回流区中存在差异,首先将预热区的差异调正确,一般最好每次调一个参数,在作进一步调整之前运行这个曲线设定。
这是因为一个给定区的改变也将影响随后区的结果。
我们也建议新手所作的调整幅度相当较小一点。
一旦在特定的炉上取得经验,则会有较好的“感觉”来作多大幅度的调整。
图三、预热不足或过多的回流曲线
图四、活性区温度太高或太低
图五、回流太多或不够
图六、冷却过快或不够
当最后的曲线图尽可能的与所希望的图形相吻合,应该把炉的参数记录或储存以备后用。
虽然这个过程开始很慢和费力,但最终可以取得熟练和速度,结果得到高品质的PCB的高效率的生产。
得益于升温-到-回流的回流温度曲线
如果遵循某些指引,和对回流过程中可能遇见的参数有很强的理解,经常和温度曲线联系在一起的苦恼可以大大减轻。
许多旧式的炉倾向于以不同速率来加热一个装配上的不同零件,取决于回流焊接的零件和线路板层的颜色和质地。
一个装配上的某些区域可以达到比其它区域高得多的温度,这个温度变化叫做装配的DT。
如果DT大,装配的有些区域可能吸收过多热量,而另一些区域则热量不够。
这可能引起许多焊接缺陷,包括焊锡球、不熔湿、损坏元件、空洞和烧焦的残留物。
较新式的回流焊接炉
大多数新式的回流焊接炉,叫做强制对流式,将热空气吹到装配板上或周围。
这种炉的一个优点是可以对装配板逐渐地和一致地提供热量,不管零件的颜色和质地。
虽然,由于不同的厚度和元件密度,热量的吸收可能不同,但强制对流式炉逐渐地供热,其DT没有太大的差别。
另外,这种炉可以严格地控制给定温度曲线的最高温度和温度速率,其提供了更好的区到区的稳定性,和一个更受控的回流过程。
为什么和什么时候保温
保温区的唯一目的是减少或消除大的DT。
保温应该在装配达到焊锡回流温度之前,把装配上所有零件的温度达到均衡,使得所有的零件同时回流。
由于保温区是没有必要的,因此温度曲线可以改成线性的升温-到-回流(RTS)的回流温度曲线。
应该注意到,保温区一般是不需要用来激化锡膏中的助焊剂化学成分。
这是工业中的一个普遍的错误概念,应予纠正。
当使用线性的RTS温度曲线时,大多数锡膏的化学成分都显示充分的湿润活性。
事实上,使用RTS温度曲线一般都会改善湿润。
升温-保温-回流
升温-保温-回流(RSS)温度曲线可用于RMA或免洗化学成分,但一般不推荐用于水溶化学成分,因为RSS保温区可能过早地破坏锡膏活性剂,造成不充分的湿润。
使用RSS温度曲线的唯一目的是消除或减少DT。
如图一所示,RSS温度曲线开始以一个陡坡温升,在90秒的目标时间内大约150°
C,最大速率可达2~3°
C。
随后,在150~170°
C之间,将装配板保温90秒钟;
装配板在保温区结束时应该达到温度均衡。
保温区之后,装配板进入回流区,在183°
C以上回流时间为60(±
15)秒钟。
整个温度曲线应该从45°
C到峰值温度215(±
5)°
C持续3.5~4分钟。
冷却速率应控制在每秒4°
一般,较快的冷却速率可得到较细的颗粒结构和较高强度与较亮的焊接点。
可是,超过每秒4°
C会造成温度冲击。
图一、典型的升温-保温-回流温度曲线(点按图形可将图形放大)
升温-到-回流
RTS温度曲线可用于任何化学成分或合金,为水溶锡膏和难于焊接的合金与零件所首选。
如果装配上存在较大的DT,例如工序中使用了夹具或效率低的回流焊接炉,那么RTS可能不为适当的温度曲线选择。
RTS温度曲线比RSS有几个优点。
RTS一般得到更光亮的焊点,可焊性问题很少,因为在RTS温度曲线下回流的锡膏在预热阶段保持住其助焊剂载体。
这也将更好地提高湿润性,因此,RTS应该用于难于湿润的合金和零件。
因为RTS曲线的升温速率是如此受控的,所以很少机会造成焊接缺陷或温度冲击。
另外,RTS曲线更经济,因为减少了炉前半部分的加热能量。
此外,排除RTS的故障相对比较简单,有排除RSS曲线故障经验的操作员应该没有困难来调节RTS曲线,以达到优化的温度曲线效果。
图二、典型的升温-到-回流温度曲线,从室温到峰值温度线性上升(点按图形可将图形放大)
设定RTS温度曲线
如图二所示,RTS曲线简单地说就是一条从室温到回流峰值温度的温度渐升曲线,RTS曲线温升区其作用是装配的预热区,这里助焊剂被激化,挥发物被挥发,装配准备回流,并防止温度冲击。
RTS曲线典型的升温速率为每秒0.6~1.8°
升温的最初90秒钟应该尽可能保持线性。
RTS曲线的升温基本原则是,曲线的三分之二在150°
C以下。
在这个温度后,大多数锡膏内的活性系统开始很快失效。
因此,保持曲线的前段冷一些将活性剂保持时间长一些,其结果是良好的湿润和光亮的焊接点。
RTS曲线回流区是装配达到焊锡回流温度的阶段。
在达到150°
C之后,峰值温度应尽快地达到,峰值温度应控制在215(±
C,液化居留时间为60(±
液化之上的这个时间将减少助焊剂受夹和空洞,增加拉伸强度。
和RSS一样,RTS曲线长度也应该是从室温到峰值温度最大3.5~4分钟,冷却速率控制在每秒4°
某些机板镀层可能会增加曲线峰值温度,如果焊接“金盖镍”镀层的焊盘,峰值温度至少应达到220°
C;
这样可以防止回流后温度可靠性问题,因为锡和金在217°
C形成第二种共晶合金。
如果焊接有机表面防护剂涂层(OSP)的焊盘,可能要求达到225°
C的峰值温度,以完全渗透涂层。
使用哪一种温度曲线都有必要调节峰值温度。
排除RTS曲线的故障
排除RSS和RTS曲线的故障,原则是相同的:
按需要,调节温度和曲线温度的时间,以达到优化的结果。
时常,这要求试验和出错,略增加或减少温度,观察结果。
以下是使用RTS曲线遇见的普遍回流问题,以及解决办法。
焊锡球
许多细小的焊锡球镶陷在回流后助焊剂残留的周边上。
在RTS曲线上,这个通常是升温速率太慢的结果,由于助焊剂载体在回流之前烧完,发生金属氧化。
这个问题一般可通过曲线温升速率略微提高达到解决。
焊锡球也可能是温升速率太快的结果,但是,这对RTS曲线不大可能,因为其相对较慢、较平稳的温升。
焊锡珠
经常与焊锡球混淆,焊锡珠是一颗或一些大的焊锡球,通常落在片状电容和电阻周围(图三)。
虽然这常常是丝印时锡膏过量堆积的结果,但有时可以调节温度曲线解决。
和焊锡球一样,在RTS曲线上产生的焊锡珠通常是升温速率太慢的结果。
这种情况下,慢的升温速率引起毛细管作用,将未回流的锡膏从焊锡堆积处吸到元件下面。
回流期间,这些锡膏形成锡珠,由于焊锡表面张力将元件拉向机板,而被挤出到元件边。
和焊锡球一样,焊锡珠的解决办法也是提高升温速率,直到问题解决。
图三、可看到电容旁边的焊锡珠(点按图形可将图形放大)
熔湿性差
熔湿性差(图四)经常是时间与温度比率的结果。
锡膏内的活性剂由有机酸组成,随时间和温度而退化。
如果曲线太长,焊接点的熔湿可能受损害。
因为使用RTS曲线,锡膏活性剂通常维持时间较长,因此熔湿性差比RSS较不易发生。
如果RTS还出现熔湿性差,应采取步骤以保证曲线的前面三分之二发生在150°
C之下。
这将延长锡膏活性剂的寿命,结果改善熔湿性。
图四、熔湿性差可能是由时间和温度比所引起(点按图形可将图形放大)
焊锡不足
焊锡不足通常是不均匀加热或过快加热的结果,使得元件引脚太热,焊锡吸上引脚。
回流后引脚看到去锡变厚,焊盘上将出现少锡。
减低加热速率或保证装配的均匀受热将有助于防止该缺陷。
墓碑
墓碑通常是不相等的熔湿力的结果,使得回流后元件在一端上站起来(图五)。
一般,加热越慢,板越平稳,越少发生。
降低装配通过183°
C的温升速率将有助于校正这个缺陷。
图五、不平衡的熔湿力使元件立起来(点按图形可将图形放大)
空洞
空洞是锡点的X光或截面检查通常所发现的缺陷。
空洞是锡点内的微小“气泡”(图六),可能是被夹住的空气或助焊剂。
空洞一般由三个曲线错误所引起:
不够峰值温度;
回流时间不够;
升温阶段温度过高。
由于RTS曲线升温速率是严密控制的,空洞通常是第一或第二个错误的结果,造成没挥发的助焊剂被夹住在锡点内。
这种情况下,为了避免空洞的产生,应在空洞发生的点测量温度曲线,适当调整直到问题解决。
图六、空洞是由于空气或助焊剂被夹住而形成(点按图形可将图形放大)
无光泽、颗粒状焊点
一个相对普遍的回流焊缺陷是无光泽、颗粒状焊点(图七)。
这个缺陷可能只是美观上的,但也可能是不牢固焊点的征兆。
在RTS曲线内改正这个缺陷,应该将回流前两个区的温度减少5°
峰值温度提高5°
如果这样还不行,那么,应继续这样调节温度直到达到希望的结果。
这些调节将延长锡膏活性剂寿命,减少锡膏的氧化暴露,改善熔湿能力。
图七、无光泽和颗粒状焊点可能是脆弱的焊点(点按图形可将图形放大)
烧焦的残留物
烧焦的残留物,虽然不一定是功能缺陷,但可能在使用RTS温度曲线时遇见。
为了纠正该缺陷,回流区的时间和温度要减少,通常5°
结论
RTS温度曲线不是适于每一个回流焊接问题的万灵药,也不能用于所有的炉或所有的装配。
可是,采用RTS温度曲线可以减少能源成本、增加效率、减少焊接缺陷、改善熔湿性能和简化回流工序。
这并不是说RSS温度曲线已变得过时,或者RTS曲线不能用于旧式的炉。
无论如何,工程师应该知道还有更好的回流温度曲线可以利用。
注:
所有温度曲线都是使用Sn63/Pb37合金,183°
C的共晶熔点。
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- 关 键 词:
- 理解 回流 过程