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      PCB回流焊溫度曲線的設(shè)定及優(yōu)化

      2018-08-10 10:47:16孫小勇
      科學(xué)與財(cái)富 2018年16期
      關(guān)鍵詞:回流焊熱電偶

      孫小勇

      摘 要:本文介紹了回流焊各溫區(qū)溫度曲線,詳細(xì)介紹了實(shí)際溫度曲線的設(shè)置和優(yōu)化處理,為回流焊參數(shù)設(shè)置提供了理論依據(jù),從而避免了焊接過程中缺陷的發(fā)生,保證了焊接質(zhì)量,提高產(chǎn)品的合格率。

      關(guān)鍵詞:回流焊 回流爐 溫度曲線 SMT 熱電偶

      1 引言

      最近幾年,SMT生產(chǎn)技術(shù)已發(fā)生了巨大的變化,回流焊機(jī)作為SMT中一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備,它的正確使用無疑能夠進(jìn)一步確保產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。雖然PCB的回流焊接工藝被認(rèn)為是一種非常成熟的技術(shù),但是隨著產(chǎn)品變的越來越復(fù)雜,元件尺寸從01005到50X50都有,且分布在組裝密度非常高的雙面PCB上,從而新的挑戰(zhàn)也不斷出現(xiàn)。實(shí)踐證明,優(yōu)化合格的回流焊溫度曲線可大大減少焊接缺陷,提高產(chǎn)品的直通率。不合格的回流焊溫度曲線會產(chǎn)生不可接受的焊點(diǎn)、失效的元件和整體更低的可靠性。所以探討回流焊溫度曲線設(shè)置和優(yōu)化非常有必要的。本文將描述回流焊溫度曲線設(shè)置和優(yōu)化的一些方法和技巧。

      2 回流焊溫度曲線各個(gè)區(qū)段介紹

      通常把這個(gè)曲線分成四個(gè)區(qū)域,就得到了PCB在通過回流焊爐時(shí)某一個(gè)區(qū)域所經(jīng)歷的時(shí)間。在這里斜率表示PCB受熱后升溫的速率,它是溫度曲線中重要的工藝參數(shù)。圖1中四個(gè)區(qū)段,分別為定義為升溫區(qū),預(yù)熱恒溫區(qū),焊接區(qū),冷卻區(qū)。

      2.1升溫區(qū)

      PCB進(jìn)入回流焊鏈條,從室溫開始受熱到l50℃的區(qū)域叫做升溫區(qū)。升溫區(qū)的時(shí)間設(shè)置在60-90S,斜率控制在 1-3℃/S之間。

      2.2預(yù)熱恒溫區(qū)

      預(yù)熱恒溫區(qū)PCB表面溫度由150℃平緩上升至200℃,時(shí)間窗口在 60S-120S之間。PCB板上各個(gè)部分緩緩受到熱風(fēng)加熱,溫度隨時(shí)間緩慢上升,斜率在0.3-0.8℃/S之間。

      2.3焊接區(qū)

      回流區(qū)的溫度最高,SMA進(jìn)入該區(qū)后迅速升溫,并超出錫膏熔點(diǎn)約30-40℃,即板面溫度瞬時(shí)達(dá)到210-230℃ (此溫度又稱之為峰值溫度),時(shí)間約為20-30S。

      2.4冷卻區(qū)

      焊點(diǎn)溫度從液相線開始向下降低的區(qū)段稱為冷卻區(qū)。這一區(qū)域錫膏中的鉛粉已經(jīng)熔化并充分潤濕了被焊接的表面,快速冷卻會得到明亮的焊點(diǎn)并有良好的外形及低的接觸角。冷卻速率一般為3-10℃/S。

      3 回流焊溫度曲線測試

      3.1熱電偶使用說明

      熱電偶是溫度控制和達(dá)到工藝路線的必備工具,分為溫區(qū)熱偶和曲線測試熱偶,溫區(qū)熱偶位于不銹鋼熱風(fēng)加熱室,固定不動,曲線熱偶一般要求與PCB表面連接,否則會導(dǎo)致熱電偶的測量值偏離PCB表面度,從而測試出不適合的溫度曲線。另外熱電偶的靈敏度應(yīng)是較大的,需要熱容小、尺寸細(xì)小的熱偶,否則將直接影響熱電偶測量值的真實(shí)性。

      3.2曲線測試

      回流溫度曲線的測試,一般采用能隨電路板一同進(jìn)入爐內(nèi)的爐溫測試儀進(jìn)行測試,測試后將數(shù)據(jù)通過輸出接口輸入計(jì)算機(jī),通過專用測試軟件進(jìn)行曲線數(shù)據(jù)分析處理,然后打印出溫度曲線。測試注意事項(xiàng): ①測試點(diǎn)一般至少選取三點(diǎn),能反映電路板組件上高、中、低溫部位的溫度變化。②回流爐開啟后至少運(yùn)行30分鐘方可進(jìn)行溫度曲線的測試和生產(chǎn)。③由于各個(gè)測試點(diǎn)的溫度曲線會存在差異,所以要依據(jù)預(yù)熱的溫度時(shí)間、回流峰值溫度、回流時(shí)間以及升降溫速率等綜合因素考慮對設(shè)備的調(diào)整。④在設(shè)備變更、產(chǎn)品變更時(shí),要重新進(jìn)行溫度曲線的測試。

      3 回流溫度曲線的設(shè)定分析

      溫度曲線是施加于電路板上的溫度對時(shí)間的函數(shù),幾個(gè)參數(shù)影響曲線的形狀 ,其中最關(guān)鍵的是傳送帶速度和每個(gè)區(qū)的溫度設(shè)定。帶速決定基板暴露在每個(gè)區(qū)所設(shè)定的溫度下的持續(xù)時(shí)間,增加持續(xù)時(shí)間可以允許更多時(shí)間使基板接近該區(qū)的溫度設(shè)定。

      決定每個(gè)區(qū)的溫度設(shè)定 ,必須要了解實(shí)際的區(qū)間溫度不一定就是該區(qū)的顯示溫度。顯示溫度只是該區(qū)內(nèi)熱敏電阻的溫度 ,如果熱電偶越靠近熱源 ,顯示的溫度將比區(qū)間溫度高 ,熱電偶越靠近電路板的直接通道,顯示的溫度將越能反映區(qū)間溫度。實(shí)際操作中要了解清楚顯示溫度與實(shí)際區(qū)間溫度的關(guān)系。錫膏特性參數(shù)表也是必要的 ,其包含的信息對溫度曲線至關(guān)重要。如:所希望的溫度曲線持續(xù)時(shí)間、 錫膏活性溫度、合金熔點(diǎn)和所希望的回流最高溫度。大多數(shù)錫膏都能用四個(gè)溫區(qū)成功回流。當(dāng)最后的曲線圖盡可能與所希望的圖形相吻合時(shí),應(yīng)該把爐的參數(shù)記錄并儲存以備后用。

      4 回流焊溫度曲線各個(gè)區(qū)段優(yōu)化分析

      4.1升溫區(qū)溫度與時(shí)間關(guān)系分析優(yōu)化

      該區(qū)的目標(biāo)是在達(dá)到兩個(gè)特定目的的同時(shí)。 把板子從室溫盡快地加熱和提升。但快速加熱不能快到造成板子或零件的損壞,也不應(yīng)引起助焊劑溶劑的爆失。對大多數(shù)的助焊劑來說,這些溶劑不會迅速地?fù)]發(fā),因?yàn)樗鼈儽仨氂凶銐蚋叩姆悬c(diǎn)來防止這焊膏在印刷過程中變干。

      通常電路板和元器件的加熱速率為1-3℃/s連續(xù)上升 , 如果過快,會產(chǎn)生熱沖擊,電路板和元器件都可能受損,如陶瓷電容的細(xì)微裂紋。而溫度上升太慢 ,錫膏會感溫過度,溶劑揮發(fā)不充分,影響焊接質(zhì)量。通常零件制造商會推薦加熱速率的極限值。一般都規(guī)定一個(gè)最大的值 4℃/s以防止熱應(yīng)力造成的零件損壞。更普遍的加熱速率一般是1-3℃/s 。

      4.2預(yù)熱恒溫區(qū)溫度與時(shí)間分析優(yōu)化

      預(yù)熱恒溫區(qū)最主要的目的是保證電路板上的全部元件在進(jìn)入焊接區(qū)之前達(dá)到相同的溫度,電路板上的元件吸熱能力通常有很大差別,有時(shí)需延長保溫周期,但是太長的保溫周期可能導(dǎo)致助焊劑的喪失,導(dǎo)致在焊接區(qū)器件與焊料無法充分的結(jié)合與潤濕,減弱焊膏的上錫能力 ,太快的溫度上升速率會導(dǎo)致溶劑的快速氣化,可能引起吹孔、錫珠等缺陷。而過短的保溫周期又無法使活性劑充分發(fā)揮功效 ,也可能造成整個(gè)電路板預(yù)熱溫度的不平衡,從而導(dǎo)致不沾錫、焊后斷開、焊點(diǎn)空洞等缺陷 ,所以應(yīng)根據(jù)電路板的設(shè)計(jì)情況及回流爐的對流加熱能力來決定保溫周期的長短及溫度值。一般保溫區(qū)的溫度在150-200℃ 之間,上升的速率低于2℃/s,這個(gè)區(qū)的加熱時(shí)間一般占整個(gè)溫度曲線時(shí)間的 30%~50%。

      4.3焊接區(qū)溫度與時(shí)間分析優(yōu)化

      焊接區(qū)是把電路板帶入鉛錫粉末熔點(diǎn)之上,讓鉛錫粉末微粒結(jié)合成一個(gè)錫球并使被焊金屬表面充分潤濕。結(jié)合和潤濕是在助焊劑幫助下進(jìn)行的,溫度越高助焊劑效率越高,粘度及表面張力則隨溫度的升高而下降 ,這促使焊錫更快地濕潤。但過高的溫度可能使電路板承受熱損傷,并可能引起鉛錫粉末再氧化加速、焊膏殘留物燒焦、電路板變色、元件失去功能等問題的產(chǎn)生。而過低的溫度會使助焊劑效率低下,可能使鉛錫粉末處于非焊接狀態(tài)而增加生焊、虛焊發(fā)生的機(jī)率,因此應(yīng)通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)找到理想的峰值與時(shí)間的最佳結(jié)合。在焊接區(qū)曲線的峰值一般為210-230℃,超過鉛錫合金熔點(diǎn)溫度179℃的持續(xù)時(shí)間應(yīng)維持在20-30s之間。這個(gè)區(qū)的加熱速率一般為1.2-3.5℃/s,加熱時(shí)間一般占整個(gè)溫度曲線時(shí)間的 30%~50%。

      4.4冷卻區(qū)溫度與時(shí)間分析優(yōu)化

      冷卻區(qū)焊膏中的鉛錫粉末已經(jīng)熔化并充分潤濕了被焊接表面,快速度地冷卻會得到明亮的焊點(diǎn)并有好的外形及低的接觸角度。緩慢冷卻會使板材溶于焊錫中而生成灰暗和毛糙的焊點(diǎn),并可能引起沾錫不良以及減弱焊點(diǎn)結(jié)合力的問題。冷卻區(qū)降溫速率一般為3~10℃/ s,冷卻至 75℃即可 ,此區(qū)冷卻時(shí)間占整個(gè)溫度曲線時(shí)間的15%左右。

      5結(jié)論

      隨著電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,高集成度、 高可靠性已經(jīng)成為電子行業(yè)的主流技術(shù)。在這種趨勢的推動下,SMT也得到了進(jìn)一步的推廣和發(fā)展。很多電子產(chǎn)品在生產(chǎn)和研發(fā)中已經(jīng)大量的應(yīng)用了SMT工藝和表面貼裝元器件,因此焊接過程也就無法避免地大量使用回流焊機(jī)。根據(jù)回流焊原理,設(shè)置及優(yōu)化好合理的溫度曲線是保證焊接質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)之一。通過對溫度曲線的建立,可以為回流爐參數(shù)的設(shè)置提供準(zhǔn)確的理論依據(jù),不合理的溫度曲線會出現(xiàn)虛焊、立碑、錫球多等焊接缺陷 ,直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。

      參考文獻(xiàn):

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