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回流焊温度曲线的一般技术要求及测试方法

2015/4/17  人气:2092

一、 回流温度曲线在生产中地位:

回流焊接是在 SMT 工业组装基板上形成焊接点的主要方法, 在 SMT 工艺中回 流焊接是核心工艺。 因为表面组装 PCB 的设计,焊膏的印刷和元器件的贴装等产 生的缺陷, 最终都将集中表现在焊接中,而表面组装生产中所有工艺控制的目的 都是为了获得良好的焊接质量, 如果没有合理可行的回流焊接工艺,前面任何工 艺控制都将失去意义。 而回流焊接工艺的表现形式主要为回流温度曲线,它是指 PCB 的表面组装器件上测试点处温度随时间变化的曲线。因而回流温度曲线是决 定焊接缺陷的重要因素。 因回流曲线不适当而影响的缺陷形式主要有:部品爆裂 /破裂、翘件、锡粒、桥接、虚焊以及生半田、PCB 脱层起泡等。因此适当设计 回流温度曲线可得到高的良品率及高的可靠度,对回流温度曲线的合理控制,在 生产制程中有着举足轻重的作用。

二、回流温度曲线的一般技术要求及主要形式:

1.回流温度曲线各环节的一般技术要求: 一般而言,回流温度曲线可分为 三个阶段:预热阶段、回流阶段、冷却阶段。 ①预热阶段: 预热是指为了使锡 水活性化为目的和为了避免浸锡时进行急剧高温加热引起部品不具合为目的所 进行的加热行为。 •预热温度:依使用锡膏的种类及厂商推荐的条件设定。一般 设定在 80~160℃范围内使其慢慢升温(最佳曲线) ;而对于传统曲线恒温区在 140~160℃间,注意温度高则氧化速度会加快很多(在高温区会线性增大,在 150℃左右的预热温度下,氧化速度是常温下的数倍,铜板温度与氧化速度的关 系见附图) 预热温度太低则助焊剂活性化不充分。 •预热时间视 PCB 板上热容量 最大的部品、PCB 面积、PCB 厚度以及所用锡膏性能而定。一般在 80~160℃预 热段内时间为 60~120sec,由此有效除去焊膏中易挥发的溶剂,减少对元件的 热冲击, 同时使助焊剂充分活化, 并且使温度差变得较小。 •预热段温度上升率: 就加热阶段而言, 温度范围在室温与溶点温度之间慢的上升率可望减少大部分的 缺陷。对最佳曲线而言推荐以 0.5~1℃/sec 的慢上升率,对传统曲线而言要求

在 3~4℃/sec 以下进行升温较好。 ②回流阶段: •回流曲线的峰值温度通常是 由焊锡的熔点温度、 组装基板和元件的耐热温度决定的。一般最小峰值温度大约 在焊锡熔点以上 30℃左右(对于目前 Sn63 - pb 焊锡,183℃熔融点,则最低峰 值温度约 210℃左右) 。峰值温度过低就易产生冷接点及润湿不够,熔融不足而 致生半田, 一般最高温度约 235℃,过高则环氧树脂基板和塑胶部分焦化和脱 层易发生,再者超额的共界金属化合物将形成,并导致脆的焊接点(焊接强度影 响) 。 •超过焊锡溶点以上的时间:由于共界金属化合物形成率、焊锡内盐基金 属的分解率等因素, 其产生及滤出不仅与温度成正比,且与超过焊锡溶点温度以 上的时间成正比, 为减少共界金属化合物的产生及滤出则超过熔点温度以上的时 间必须减少, 一般设定在 45~90 秒之间,此时间限制需要使用一个快速温升率, 从熔点温度快速上升到峰值温度,同时考虑元件承受热应力因素,上升率须介于 2.5~3.5℃/see 之间,且最大改变率不可超过 4℃/sec。 ③冷却阶段: 高于焊 锡熔点温度以上的慢冷却率将导致过量共界金属化合物产生, 以及在焊接点处易 发生大的晶粒结构, 使焊接点强度变低,此现象一般发生在熔点温度和低于熔点 温度一点的温度范围内。 快速冷却将导致元件和基板间太高的温度梯度,产生热 膨胀的不匹配, 导致焊接点与焊盘的分裂及基板的变形,一般情况下可容许的最 大冷却率是由元件对热冲击的容忍度决定的。综合以上因素,冷却区降温速率一 般在 4℃/S 左右,冷却至 75℃即可。

2.目前应用较广泛的两种回流温度曲线模式: ①升温—保温方式(传统温 度曲线) •解说:由起始快速温度上升至 140~170℃范围内某一预热温度并保 持,TPHH—TPHL 要根据回流炉能力而定(±10℃程度) ,然后温度持平 40~120S 左右当作预热区,然后再快速升温至回流区,再迅速冷却进入冷却区(温度变化 速率要求在 4℃/sec 以下) 。 •特点:因为一般都取较低的预热温度,因而对部 品高温影响小 (给部品应力小) 故可延长其加热时间, 以便达到助焊剂的活性化。 同时因为从预热区到回流区, 其温度上升较为激剧,易使焊接流变性恶化而致移 位,且助焊剂活性化温度也低。 ②逐步升温方式(最佳温度曲线) : •解说:以 慢的上升率(0.5~1℃/sec)加热直到大约 175℃,然后在 20~30S 内梯度上升 到 180℃左右,再以 2.5~3.5℃/sec 快速上升到 220℃左右,最后以不超过 4℃

/sec 快速冷却下降。其管理要点是保持一定的预热温度上升率,预热的终点接 近锡的熔点温度。 •特点:部品不受激剧的温度变化,助焊剂的活性化温度可以 设定较高, 但助焊剂的活性化时间短, 同时预热温度高而使部品受高温影响。 ③ 比较以上两种回流温度曲线模式, 主要的不同是后者无高原结构 (即恒温加热区) 的温度曲线部分。④由于基板结构及其元件吸热性的差异,以及设备可控制加热 率的限制, 在穿过回流炉的基板不同点温度仍然会存在差异,借由一个减少温度 梯度的高原形式的平衡区, 在热点温度到焊锡溶点温度以下时,保持此温度一段 时间,则冷点温度将有力赶上它,在每个元件达到相同温度之后,另一个快温升 程序将使元件上升到峰值温度, 这样可有效避免局部生半田或局部高温焦化的现 象。 ⑤另一方面,前者高原结构的获得,则在室温至恒温预热段以及恒温段至 焊锡熔融段必然会出现一个快速升温的过程, 而此快速升温过程对因溅落而引起 的焊锡球,在焊锡融点前部品两侧润湿不平衡而引起翘件等不良又有密切关系, 很多品质问题都希望在室温到焊锡溶点之间采用线性上升加热温度曲线来预防 消除。

3.常见回流浸锡不良与温度曲线关系(仅是基于回流工艺的考虑) ①锡桥 接(短路)不良是焊锡热融落造成的结果,只发生在熔点以下的焊膏阶段。由于 分子热运动效应, 固定成份和化学结构的材料的粘度随温度上升而下降,在较高 温下粘度的下降将产生较大的热融落;另一方面,温度的上升常使助焊剂脱出较 多的溶剂并导致固态含量的增加而致使粘度上升。因为前者仅与温度有关,后者 即溶剂的总减少量是时间和温度的函数,在任一已知的温度下,低温升率的锡膏 粘度比高温升率回流曲线下的锡膏粘度要高, 因此我们在预热阶段的温升率一般 要求较低,从而减少短路不良的发生。 ②锡粒的产生:在预热阶段,伴随除去 焊膏中易挥发溶剂的过程, 焊膏内部会发生气化现象,这时如果焊膏中金属粉末 之间的粘结力小于气化产生的力,就会有少量焊膏从焊盘上流离开,有的则躲到 Chip 元件下面,回流时这部分焊膏也会熔化,而后从片状阻容元件下挤出,形 成焊锡珠。由其形成过程可见,预热温度越高,预热速度越快,就会加大气化现 象中飞溅,就越易形成锡珠。同时温度越高,焊锡的氧化会加速、焊锡粉表面的 氧化膜会阻止焊锡粉之间很好地熔融为一体,会产生焊锡球。但这一现象采用适

当的预热温度与预热速度可有效控制。 ③毛细管现象:是指溶融焊锡润湿到元 件引脚且远离接点区,造成假焊,其原因是在焊锡熔融阶段引脚的温度高于 PCB 焊盘温度。 改善办法:使用较多的底面加热(上、下加热方式回流炉)或非常 慢的温升率(在预热至焊锡溶点温度附近) ,使焊锡润湿发生前引脚与焊盘温度 达到平衡。

三、回流温度曲线的测试 :

回流温度曲线的测试, 一般采用能随 PCB 板一同进入炉膛内的温度采集器(即温 度记忆装置)进行测试,测量采用 K 型热电偶(依测量温度范围及精度而采用不 同材质制成各种类型热电偶) , 偶丝直径 0.1~0.3mm 为宜,测试后将记忆装置数据 输入 PC 专用测试软件,进行曲线数据分析处理,打印出 PCB 组件温度曲线。

1. 热电偶的安装 a. 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,测试点尽可能小. b. 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,所以连接时有方向要求.(目前我们使用的热电偶插头有正负极 区分)

2. 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.

3. 测试点安装:热电偶与测试位置要可靠连接,否则会产生热阻,另外与热 电偶接触的材料以及固定热电偶的材料应是最小的,因其绝热或吸热作用将直接 影响热电偶测量值的真实性。常用的四种热电偶连接方式:

A 高温焊料 :熔点高于 290℃,导热性好,热电偶与 PCB 表面之间热阻小,机 械强度高,连接可靠测量误差小,可连续测试. 焊接技术难度大,改变测试点不方 便,容易因过热而损坏 PCB 焊盘或元器件,不能将热电偶与不浸锡表面连接. 适 用于固定点连续测试。

B 胶粘剂: 可将热电偶与不浸锡表面连接,能经受几个周期的再流焊温度. 粘接后固化,操作不便,残留胶清除困难. 适用于固定点连续测试。

C 高温胶带: 可将热电偶与不浸锡表面连接,改变测试点简单方便. 随着温 度升高,胶带粘着力下降,热电偶偏离测试点,引起测试误差,不能将热电偶固定 在狭小位置. 适用于多点测试。

D 机械连接: 连接结实可靠,经得住反复测试,可对狭小位置进行测试 机械 部件增加了热电偶附近热容量,测试成本高. 适用于高密度多点连续测试。

目前我们采用的多是高温焊料方式,用高温焊料贴片胶或高温胶带纸将记忆 装置的热电偶测试头分别固定到 PCB 的测试点部位,再用高温度胶带/胶水把热 电偶丝固定,以免因其移动影响测量数据 ,焊接固定时,焊接量尽量小和均匀,固 定用胶水也尽量是很薄一层.

4. 测试板的要求 a. 原则上要采用本机种的完整的回流后产品来制作,以 保证真实地反映该产品在回流炉内的温度变化情况 b. 采用其他代替测试板要 符合以下要求:基板材质相同,基板外形尺寸要相同,基板厚度相同,贴片部品数 大致相当以及吸热或耐热性近部品.

5. 其他注意事项 a. 将测试板与记忆装置一起放入炉膛时,注意记忆装置 距测试 PCB 板距离在 100mm 以上,以免热量干扰. b. 相关实验数据表明:回流炉 在开机 30mim 后才能达到炉体热平衡,因此要求在开启炉子至少运行 30mim 后才 可进行温度曲线的测试及生产. c. 温度曲线图打印出来后依预热的温度时间 ,

回流峰值温度,回流时间以及升降温速率等综合考虑调整设备至满足温度曲线要 求,因测试点热容量的不同以及表征回流炉性能的温度不均匀性因素 ,三个测试 点温度曲线将会存在一定差异. d. 温度曲线的记录:除打印出的温度曲线外,要 表明各参数要求的范围及实际值 ;设备的设定值;测试点位置分布及测试板投入 方向以及测定时间及结果判定等. e. 测定频度:原则上每周一次(客户别要求时 依客户要求执行),在设定变更,产品变更时,视需要进行温度曲线的测试.