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回流焊基础与应用

2019-3-5 20:24:53                 来源:百安特科技 - 回流焊基础与应用

常用回流焊设备

1.技术产生背景

  由于电子产品PCB板不断小型化的需要,出现了片状元件,传统的焊接方法已不能适应需要。起先,只在混合集成电路板组装中采用了回流焊工艺,组装焊接的元件多数为片状电容、片状电感,贴装型晶体管及二极管等。随着SMT整个技术发展日趋完善,多种贴片元件(SMC)和贴装器件(SMD)的出现,作为贴装技术一部分的回流焊工艺技术及设备也得到相应的发展,其应用日趋广泛,几乎在所有电子产品领域都已得到应用。

2.发展阶段
  根据产品的热传递效率和焊接的可靠性的不断提升,回流焊大致可分为五个发展阶段。[2] 
第一代
    热板传导回流焊设备:热传递效率最慢,5-30 W/m2K(不同材质的加热效率不一样),有阴影效应。[2] 
第二代
  红外热辐射回流焊设备:热传递效率慢,5-30W/m2K(不同材质的红外辐射效率不一样),有阴影效应,元器件的颜色对吸热量有大的影响。[2] 
第三代
  热风回流焊设备:热传递效率比较高,10-50 W/m2K,无阴影效应,颜色对吸热量没有影响。[2] 
第四代
  气相回流焊接系统:热传递效率高,200-300 W/m2K,无阴影效应,焊接过程需要上下运动,冷却效果差。[2] 
第五代
  真空蒸汽冷凝焊接(真空汽相焊)系统:密闭空间的无空洞焊接,热传递效率最高,300 W-500W/m2K。焊接过程保持静止无震动。冷却效果优秀,颜色对吸热量没有影响。[2] 

3.品种分类
3.1 根据技术分类

3.1.1 热板传导回流焊:
    这类回流焊炉依靠传送带或推板下的热源加热,通过热传导的方式加热基板上的元件,用于采用陶瓷(Al2O3)基板厚膜电路的单面组装,陶瓷基板上只有贴放在传送带上才能得到足够的热量,其结构简单,价格便宜。中国的一些厚膜电路厂在80年代初曾引进过此类设备。

3.1.2 红外(IR)回流焊炉:

    此类回流焊炉也多为传送带式,但传送带仅起支托、传送基板的作用,其加热方式主要依红外线热源以辐射方式加热,炉膛内的温度比前一种方式均匀,网孔较大,适于对双面组装的基板进行回流焊接加热。这类回流焊炉可以说是回流焊炉的基本型。在中国使用的很多,价格也比较便宜。

3.1.3 气相回流焊接:

    气相回流焊接又称气相焊(VaporPhaseSoldering,VPS),亦名凝热焊接(condensationsoldering)。加热碳氟化物(早期用FC-70氟氯烷系溶剂),熔点约215℃,沸腾产生饱和蒸气,炉子上方与左右都有冷凝管,将蒸气限制在炉膛内,遇到温度低的待焊PCB组件时放出汽化潜热,使焊锡膏融化后焊接元器件与焊盘。美国最初将其用于厚膜集成电路(IC)的焊接,气柏潜热释放对SMA的物理结构和几何形状不敏感,可使组件均匀加热到焊接温度,焊接温度保持一定,无需采用温控手段来满足不同温度焊接的需要,VPS的气相中是饱和蒸气,含氧量低,热转化率高,但溶剂成本高,且是典型臭氧层损耗物质,因此应用上受到极大,的限制,国际社会现今基本不再使用这种有损环境的方法。

3.1.4 热风回流焊:

    热风式回流焊炉通过热风的层流运动传递热能,利用加热器与风扇,使炉内空气不断升温并循环,待焊件在炉内受到炽热气体的加热,从而实现焊接。热风式回流焊炉具有加热均匀、温度稳定的特点,PCB的上、下温差及沿炉长方向的温度梯度不容易控制,一般不单独使用。自20世纪90年代起,随着SMT应用的不断扩大与元器件的进一步小型化,设备开发制造商纷纷改进加热器的分布、空气的循环流向,并增加温区至8个、10个,使之能进一步精确控制炉膛各部位的温度分布,更便于温度曲线的理想调节。全热风强制对流的回流焊炉经过不断改进与完善,成为了SMT焊接的主流设备。

3.1.5 红外线+热风回流焊:

    20世纪90年代中期,在日本回流焊有向红外线+热风加热方式转移的趋势。它足按30%红外线,70%热风做热载体进行加热。红外热风回流焊炉有效地结合了红外回流焊和强制对流热风回流焊的长处,是21世纪较为理想的加热方式。它充分利用了红外线辐射穿透力强的特点,热效率高、节电,同时又有效地克服了红外回流焊的温差和遮蔽效应,弥补了热风回流焊对气体流速要求过快而造成的影响。

    这类回流焊炉是在IR炉的基础上加上热风使炉内温度更加均匀,不同材料及颜色吸收的热量是不同的,即Q值是不同的,因而引起的温升AT也不同。例如,lC等SMD的封装是黑色的酚醛或环氧,而引线是白色的金属,单纯加热时,引线的温度低于其黑色的SMD本体。加上热风后可使温度更加均匀,而克服吸热差异及阴影不良情况,红外线+热风回流焊炉在国际上曾使用得很普遍。
    由于红外线在高低不同的零件中会产生遮光及色差的不良效应,故还可吹入热风以调和色差及辅助其死角处的不足,所吹热风中又以热氮气最为理想。对流传热的快慢取决于风速,但过大的风速会造成元器件移位并助长焊点的氧化,风速控制在1.Om/s~1.8ⅡI/S为宜。热风的产生有两种形式:轴向风扇产生(易形成层流,其运动造成各温区分界不清)和切向风扇产生(风扇安装在加热器外侧,产生面板涡流而使各个温区可精确控制)。
3.1.6 热丝回流焊:
    热丝回流焊是利用加热金属或陶瓷直接接触焊件的焊接技术,通常用在柔性基板与刚性基板的电缆连接等技术中,这种加热方法一般不采用锡膏,主要采用镀锡或各向异性导电胶,并需要特制的焊嘴,因此焊接速度很慢,生产效率相对较低。
3.1.7 热气回流焊:
    热气回流焊指在特制的加热头中通过空气或氮气,利用热气流进行焊接的方法,这种方法需要针对不同尺寸焊点加工不同尺寸的喷嘴,速度比较慢,用于返修或研制中。
3.1.8 激光回流焊,光束回流焊:
    激光加热回流焊是利用激光束良好的方向性及功率密度高的特点,通过光学系统将激光束聚集在很小的区域内,在很短的时间内使被加热处形成一个局部的加热区,常用的激光有C02和YAG两种,是激光加热回流焊的工作原理示意图。
    激光加热回流焊的加热,具有高度局部化的特点,不产生热应力,热冲击小,热敏元器件不易损坏。但是设备投资大,维护成本高。
3.1.9 感应回流焊:
    感应回流焊设备在加热头中采用变压器,利用电感涡流原理对焊件进行焊接,这种焊接方法没有机械接触,加热速度快;缺点是对位置敏感,温度控制不易,有过热的危险,静电敏感器件不宜使用。
3.1.10 聚红外回流焊:
    聚焦红外回流焊适用于返修工作站,进行返修或局部焊接。[3] 
3.2 根据形状分类
3.2.1 台式回流焊炉:
    台式设备适合中小批量的PCB组装生产,性能稳定、价格经济(大约在4-8万人民币之间),国内私营企业及部分国营单位用的较多。
3.2.2 立式回流焊炉:

    立式设备型号较多,适合各种不同需求用户的PCB组装生产。设备高中低档都有,性能也相差较多,价格也高低不等(大约在8-80万人民币之间)。国内研究所、外企、知名企业用的较多。[4] 

3.3 根据温区分类

    回流焊炉的温区长度一般为45cm~50cm,温区数量可以有3、4、5、6、7、8、9、10、12、15甚至更多温区,从焊接的角度,回流焊至少有3个温区,即预热区、焊接区和冷却区,很多炉子在计算温区时通常将冷却区排除在外,即只计算升温区、保温区和焊接区。[3]


4.工艺流程

回流焊加工的为表面贴装的板,其流程比较复杂,可分为两种:单面贴装、双面贴装。[5]

4.1 单面贴装

预涂锡膏 →贴片(分为手工贴装和机器自动贴装) → 回流焊 → 检查及电测试。[5]

4.2 双面贴装

A面预涂锡膏 → 贴片(分为手工贴装和机器自动贴装) → 回流焊 →B面预涂锡膏 →贴片(分为手工贴装和机器自动贴装)→ 回流焊 → 检查及电测试。[5]

温度曲线

温度曲线是指SMA通过回炉时,SMA上某一点的温度随时间变化的曲线。温度曲线提供了一种直观的方法,来分析某个元件在整个回流焊过程中的温度变化情况。这对于获得最佳的可焊性,避免由于超温而对元件造成损坏,以及保证焊接质量都非常有用。[6](详情请见“温度曲线测试仪”百科词条中就“温度曲线”的相关介绍)

影响工艺因素

在SMT回流焊工艺造成对元件加热不均匀的原因主要有:回流焊元件热容量或吸收热量的差别,传送带或加热器边缘影响,回流焊产品负载等三个方面。
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。[7]

焊接缺陷

7.1 桥联

焊接加热过程中也会产生焊料塌边,这个情况出现在预热和主加热两种场合,当预热温度在几十至一百范围内,作为焊料中成分之一的溶剂即会降低粘度而流出,如果其流出的趋势十分强烈,会同时将焊料颗粒挤出焊区外形成含金颗粒,在溶融时如不能返回到焊区内,也会形成滞留焊料球。
除上面的因素外SMD元件端电极是否平整良好,电路线路板布线设计与焊区间距是否规范,助焊剂涂敷方法的选择和其涂敷精度等会是造成桥接的原因。[7]

7.2 立碑

又称曼哈顿现象。片式元件在遭受急速加热情况下发生的翘立,这是因为急热元件两端存在的温差,电极端一边的焊料完全熔融后获得良好的湿润,而另一边的焊料完全熔融而引起湿润不良,这样促进了元件的翘立。因此,加热时要从时间要素的角度考虑,使水平方向的加热形成均衡的温度分布,避免急热的产生。
7.3 防止元件翘立的主要因素以下几点:
1.选择粘力强的焊料,焊料的印刷精度和元件的贴装精度也需提高。
2.元件的外部电极需要有良好的湿润性湿润稳定性。推荐:温度400C以下,湿度70%RH以下,进厂元件的使用期不可超过6个月。

3.采用小的焊区宽度尺寸,以减少焊料溶融时对元件端部产生的表面张力。另外可适当减小焊料的印刷厚度,如选用100um。

4.焊接温度管理条件设定对元件翘立也是一个因素。通常的目标是加热要均匀,特别是在元件两连接端的焊接圆角形成之前,均衡加热不可出现波动。[7]

7.4 润湿不良

润湿不良是指焊接过程中焊料和电路基板的焊区(铜箔),或SMD的外部电极,经浸润后不生成相互间的反应层,而造成漏焊或少焊故障。其中原因大多是焊区表面受到污染或沾上阻焊剂,或是被接合物表面生成金属化合物层而引起的。譬如银的表面有硫化物,锡的表面有氧化物都会产生润湿不良。另外焊料中残留的铝、锌、镉等超过0.005%以上时,由于焊剂的吸湿作用使活化程度降低,也可发生润湿不良。因此在焊接基板表面和元件表面要做好防污措施。选择合适和焊料,并设定合理的焊接温度曲线。
回流焊接是SMT工艺中复杂而关键的工艺,涉及到自动控制、材料、流体力学和冶金等多种科学、要获得优良的焊接质量,必须深入研究焊接工艺的方方面面。[7]

工艺发展趋势

近几年来,随着众多电子产品向小型、轻型、高密度方向发展,特别是手持设备的大量使用,在元器件材料工艺方面都对原有SMT技术提出了严峻的挑战,也因此使SM得到了飞速发展的机会。lC引脚脚距发展到0.5mm、0.4mm、0.3mm,BGA已被广泛采用,CSP也崭露头角,并呈现出快速上涨趋势,材料上免清洗、低残留锡膏得到广泛应用。所有这些都给回流焊工艺提出了新的要求,一个总的趋势就是要求回流焊采用更先进的热传递方式,达到节约能源,均匀温度,适合双面板PCB和新型器件封装方式的焊接要求,并逐步实现对波峰焊的全面代替。总体来讲,回流焊炉正朝着高效、多功能和智能化方向发展,主要有以下发展途径,在这些发展领域回流焊引领了未来电子产品的发展方向。[8]

8.1 充氮

在回流焊中使用惰性气体保护,已经有一段时间了,并已得到较大范围的应用,由于价格的考虑,一般都是选择氮气保护。氮气回流焊有以下优点。
(1)防止减少氧化。
(2)提高焊接润湿力,加快润湿速度。
(3)减少锡球的产生,避免桥接,得到良好的焊接质量。[8]

8.2 双面回流

双面PCB已经相当普及,并在逐渐变得复杂起来,它得以如此普及,主要原因是它给设计者提供了极为良好的弹性空间,从而设计出更为小巧、紧凑的低成本产品。双面板一般都有通过回流焊接上面(元器件面),然后通过波峰焊来焊接下面(引脚面)。而有一个趋势倾向于双面回流焊,但是这个工艺制程仍存在一些问题。大板的底部元件可能会在第二次回流焊过程中掉落,或者底部焊接点的部分熔融而造成焊点的可靠性问题。[8]
8.2 通孔插装元器件
通孔回流焊有时也称为分类元器件回流焊,正在逐渐兴起,它可以去除波峰焊环节,而成为PCB混装技术中的一个工艺环节,这项技术的一个最大的好处就是可以在发挥表面贴装制造工艺优点的同时使用通孔插件来得到较好的机械连接强度,对于较大尺寸的PCB板的平整度不能够使所有表面贴装元器件的引脚都能和焊盘接触,同时,就算引脚和焊盘都能接触上,它所提供的机械强度也往往是不够大的,很容易在产品的使用中脱开而成为故障点。[8]

8.4 绿色无铅

出于对环保的考虑,铅在21世纪将会被严格限用,虽然电子工业中用铅量极小,不到全部用量1%,但也属于禁用之列,在发展趋势中将会被逐步淘汰,许多地方正在开发可靠而又经济的无铅焊料,所开发出的多种替代品一般都具有比锡铅合金高40屯左右的熔点温度,这就意味着回流焊必须在更高的温度下进行,氮气保护可以部分消除因温度提高而增加的氧化和对PCB本身的损伤。[8]

8.5 连续回流焊

特殊的炉子已经被开发出来处理贴装有SMT元件的连续柔性板,与普通回流炉最大的不同点是这种炉子需要特制的轨道来传递柔性板。当然,这种炉子也需要能处理连续板的问题,对于分离的PCB板来讲,炉中的流量与前几段工位的状况无依赖关系,但是对于成卷连续的柔性板,柔性板在整条线上是连续的,线上任何一个特殊问题,停顿就意味着全线必须停顿,这样就产生一个特殊问题,停顿在炉子中的部分会因过热而损坏,因此,这样的炉子必须具备应变随机停顿的能力,继续处理完该段柔性板,并在全线恢复连续运转时回到正常工作状态。[8]

8.6 垂直烘炉

市场对于缩小体积的需求,使CSP、MPM甚至POP得到较多应用,这样元器件贴装后具有更小的占地面积和更高的信号传递速率。填充或灌胶被用来加强焊点结构,使其能抵受住由于硅片与PCB材料的热胀系数不一致而产生的应力,一般常会采用上滴或围填法来把晶片用胶封起来。[8]

8.7 曲线仿真优化

使用计算机技术对回流焊焊接工艺进行仿真的方法得到了广泛的关注,此方法可以大大缩短工艺准备时间,降低实验费用,提高焊接质量,减小焊接缺陷。
通过使用PCBCAD数据的产品模型结构建立,回流焊工艺仿真模型,可以替代传统的在线参数的设置过程,甚至可以用来在生产前确保PCB设计与回流焊工艺的兼容性,指导可制造性设计(DFM),该仿真模型也可以消除使用热电偶测试时无法稷盖全部产品区域的缺陷,PCB组件模型求解器和构建的回流焊炉模型,对于特定的工艺设置,可以较精确地预测PCB组件的回流焊温度曲线。使用该方法在PCB设计阶段来进行新产品的工艺优化,可以很简单地确保产品设计与工艺设备的相容性。[8]

8.8 可替换装配

可替换装配和回流焊技术工艺(AlternativeAssemblyandReflowTechnology,AART)引起了PCB组装业的兴趣。AART工艺可以同时进行通孔元器件和表面贴装元器件的回流焊接,省去了波峰焊和手工焊,与传统的AART工艺相比具有更少的成本、周期和缺陷率。通过AART工艺,可以建立复杂的PCB组装工艺。AART必须考虑材料、设计和影响它的工艺因素。一个决策系统(DecisionSupportSystem,DSS)可以帮助工程师实施AART工艺。[8]
8.9 回流焊过程控制
智能化再流炉内置计算机控制系统,在Window视窗操作环境下可以很方便地输入各种数据,可迅速地从内存中取出或更换回流焊工艺曲线,节省调整时间,提高生产效率。
过程控制的目的是实现所要求的质量和尽可能低的成本这两个目标。以前,过程控制主要集中于对缺陌的检测,以提高质量;经发展,控制的最根本的内涵是对各种工艺进行连续的监控,并寻找出不符合要求的偏差。过程控制是一种获得影响最终结果的特定操作中相关数据的能力,一旦潜在的问题出现,就可实时地接收相关信息,采取纠正措施,并立即将工艺调整到最佳状况。监控实际工艺过程数据,才算是真正的工艺过程控制,这在回流焊工艺控制中,也就意味着要对制造的每块板子的热曲线进行监控。
一种能够连续监控回流焊炉的自动管理系统,能够在实际发生工艺偏移之前指示其工艺是否偏移失控,此即自动回流焊管理(AutomaticReflowManagement,ARM)系统,此系统把连续的SPC直方图、线路平衡网络、文件编制和产品跟踪组成完整的软件包,并能自动实时榆测工艺数据,并做出判断来影响产品成本和质量,自动回流焊管理系统的基本功能是精确地自动检测和收集通过炉子的产品数据,它提供下列功能:不需要验证工艺曲线;自动搜集回流焊工艺数据;对零缺陷生产提供实时反馈和报警;提供回流焊工艺的自动SPC图表和修正过程能力指数(ComplexProcessCapabilityindex,Cpk)变量报警。

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