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                SMT回流焊溫度曲線超詳細講解(中)

                發布時間:2022-06-30 12:36:44

                升溫-到-回流的回流溫度曲線

                許多舊式的爐傾向于以不同速率來加熱一個裝配上的不同零件,取決于回流焊接的零件和線路板層的顏色和質地。一個裝配上的某些區域可以達到比其它區域高得多的溫度,這個溫度變化叫做裝配的D T。如果D T大,裝配的有些區域可能吸收過多熱量,而另一些區域則熱量不夠。這可能引起許多焊接缺陷,包括焊錫球、不熔濕、損壞元件、空洞和燒焦的殘留物。

                為什么和什么時候保溫

                保溫區的唯一目的是減少或消除大的D T。保溫應該在裝配達到焊錫回流溫度之前,把裝配上所有零件的溫度達到均衡,使得所有的零件同時回流。由于保溫區是沒有必要的,因此溫度曲線可以改成線性的升溫-到-回流(RTS)的回流溫度曲線。

                應該注意到,保溫區一般是不需要用來激化錫膏中的助焊劑化學成分。這是工業中的一個普遍的錯誤概念,應予糾正。當使用線性的RTS溫度曲線時,大多數錫膏的化學成分都顯示充分的濕潤活性。事實上,使用

                RTS溫度曲線一般都會改善濕潤。

                升溫-保溫-回流

                升溫-保溫-回流(RSS)溫度曲線可用于RMA或免洗化學成分,但一般不推薦用于水溶化學成分,因為RSS保溫區可能過早地破壞錫膏活性劑,造成不充分的濕潤。使用RSS溫度曲線的唯一目的是消除或減少D T。

                RSS溫度曲線開始以一個陡坡溫升,在90秒的目標時間內大約150°C,最大速率可達2~3°C。隨后,在150~170°C之間,將裝配板保溫90秒鐘;裝配板在保溫區結束時應該達到溫度均衡。保溫區之后,裝配板進入回流區,在183°C以上回流時間為60(±15)秒鐘。

                整個溫度曲線應該從45°C到峰值溫度215(±5)°C持續3.5~4分鐘。冷卻速率應控制在每秒4°C。一般,較快的冷卻速率可得到較細的顆粒結構和較高強度與較亮的焊接點??墒?,超過每秒4°C會造成溫度沖擊。

                RTS溫度曲線可用于任何化學成分或合金,為水溶錫膏和難于焊接的合金與零件所首選。

                RTS溫度曲線比RSS有幾個優點。RTS一般得到更光亮的焊點,可焊性問題很少,因為在RTS溫度曲線下回流的錫膏在預熱階段保持住其助焊劑載體。這也將更好地提高濕潤性,因此,RTS應該用于難于濕潤的合金和零件。

                因為RTS曲線的升溫速率是如此受控的,所以很少機會造成焊接缺陷或溫度沖擊。另外,RTS曲線更經濟,因為減少了爐前半部分的加熱能量。此外,排除RTS的故障相對比較簡單,有排除RSS曲線故障經驗的操作員應該沒有困難來調節RTS曲線,以達到優化的溫度曲線效果。

                RTS曲線簡單地說就是一條從室溫到回流峰值溫度的溫度漸升曲線,RTS曲線溫升區其作用是裝配的預熱區,這里助焊劑被激化,揮發物被揮發,裝配準備回流,并防止溫度沖擊。RTS曲線典型的升溫速率為每秒0.6~1.8°C。升溫的最初90秒鐘應該盡可能保持線性。

                設定RTS溫度曲線

                RTS曲線的升溫基本原則是,曲線的三分之二在150°C以下。在這個溫度后,大多數錫膏內的活性系統開始很快失效。因此,保持曲線的前段冷一些將活性劑保持時間長一些,其結果是良好的濕潤和光亮的焊接點。

                RTS曲線回流區是裝配達到焊錫回流溫度的階段。在達到150°C之后,峰值溫度應盡快地達到,峰值溫度應控制在215(±5)°C,液化居留時間為60(±15)秒鐘。液化之上的這個時間將減少助焊劑受夾和空洞,增加拉伸強度。和RSS一樣,RTS曲線長度也應該是從室溫到峰值溫度最大3.5~4分鐘,冷卻速率控制在每秒4°C。

                排除RSS和RTS曲線的故障,原則是相同的:按需要,調節溫度和曲線溫度的時間,以達到優化的結果。時常,這要求試驗和出錯,略增加或減少溫度,觀察結果。以下是使用RTS曲線遇見的普遍回流問題,以及解決辦法。

                焊錫球

                許多細小的焊錫球鑲陷在回流后助焊劑殘留的周邊上。在RTS曲線上,這個通常是升溫速率太慢的結果,由于助焊劑載體在回流之前燒完,發生金屬氧化。這個問題一般可通過曲線溫升速率略微提高達到解決。焊錫球也可能是溫升速率太快的結果,但是,這對RTS曲線不大可能,因為其相對較慢、較平穩的溫升。

                經常與焊錫球混淆,焊錫珠是一顆或一些大的焊錫球,通常落在片狀電容和電阻周圍。雖然這常常是絲印時錫膏過量堆積的結果,但有時可以調節溫度曲線解決。和焊錫球一樣,在RTS曲線上產生的焊錫珠通常是升溫速率太慢的結果。這種情況下,慢的升溫速率引起毛細管作用,將未回流的錫膏從焊錫堆積處吸到元件下面?;亓髌陂g,這些錫膏形成錫珠,由于焊錫表面張力將元件拉向機板,而被擠出到元件邊。和焊錫球一樣,焊錫珠的解決辦法也是提高升溫速率,直到問題解決。

                熔濕性差

                熔濕性差經常是時間與溫度比率的結果。錫膏內的活性劑由有機酸組成,隨時間和溫度而退化。如果曲線太長,焊接點的熔濕可能受損害。因為使用RTS曲線,錫膏活性劑通常維持時間較長,因此熔濕性差比RSS較不易發生。如果RTS還出現熔濕性差,應采取步驟以保證曲線的前面三分之二發生在150°C之下。這將延長錫膏活性劑的壽命,結果改善熔濕性。

                焊錫不足

                焊錫不足通常是不均勻加熱或過快加熱的結果,使得元件引腳太熱,焊錫吸上引腳?;亓骱笠_看到去錫變厚,焊盤上將出現少錫。減低加熱速率或保證裝配的均勻受熱將有助于防止該缺陷。

                墓碑

                墓碑通常是不相等的熔濕力的結果,使得回流后元件在一端上站起來。一般,加熱越慢,板越平穩,越少發生。降低裝配通過183°C的溫升速率將有助于校正這個缺陷??斩?/p>

                空洞是錫點的X光或截面檢查通常所發現的缺陷??斩词清a點內的微小“氣泡” ,可能是被夾住的空氣或助焊劑??斩匆话阌扇齻€曲線錯誤所引起:不夠峰值溫度;回流時間不夠;升溫階段溫度過高。由于RTS曲線升溫速率是嚴密控制的,空洞通常是第一或第二個錯誤的結果,造成沒揮發的助焊劑被夾住在錫點內。這種情況下,為了避免空洞的產生,應在空洞發生的點測量溫度曲線,適當調整直到問題解決。

                無光澤、顆粒狀焊點

                一個相對普遍的回流焊缺陷是無光澤、顆粒狀焊點。這個缺陷可能只是美觀上的,但也可能是不牢固焊點的征兆。在RTS曲線內改正這個缺陷,應該將回流前兩個區的溫度減少5°C;峰值溫度提高5°C。如果這樣還不行,那么,應繼續這樣調節溫度直到達到希望的結果。這些調節將延長錫膏活性劑壽命,減少錫膏的氧化暴露,改善熔濕能力。燒焦的殘留物

                燒焦的殘留物,雖然不一定是功能缺陷,但可能在使用RTS溫度曲線時遇見。為了糾正該缺陷,回流區的時間和溫度要減少,通常5°C。

                結論

                RTS溫度曲線不是適于每一個回流焊接問題的萬靈藥,也不能用于所有的爐或所有的裝配??墒?,采用RTS溫度曲線可以減少能源成本、增加效率、減少焊接缺陷、改善熔濕性能和簡化回流工序。這并不是說RSS溫度曲線已變得過時,或者RTS曲線不能用于舊式的爐。無論如何,工程師應該知道還有更好的回流溫度曲線可以利用。

                注:所有溫度曲線都是使用Sn63/Pb37合金,183°C的共晶熔點。

                群焊的溫度曲線

                作溫度曲線是一個很好的直觀化方法,保持對回流焊接或波峰焊接工藝過程的跟蹤。通過繪制當印刷電路裝配(PCA)穿過爐子時的時間溫度曲線,可以計算在任何給定時間所吸收的熱量。只有當所有涉及的零件在正確的時間暴露給正確的熱量時,才可以使群焊達到完善。這不是一個容易達到的目標,因為零件經常有不同的熱容量,并在不同的時間達到所希望的溫度。

                經常我們看到在一個PCA上不只一種大小的焊點,同一個溫度曲線要熔化不同數量的焊錫。需要考慮PCA的定位與方向、熱源位置與設備內均勻的空氣循環,以給焊接點輸送正確的熱量。許多人從經驗中了解到,大型元件底部與PCA其它位置的溫度差別是不容忽視的。

                為什么得到正確的熱量是如此重要呢?當焊接點不得到足夠的熱量,助焊劑可能不完全激化,焊接合金可能未完全熔化。在最終產品檢查中,可能觀察到冷焊點(cold solder)、元件豎立(tomb-stoning)、不濕潤(non-wetting)、錫球/飛濺(solder ball/ splash)等結果。另一方面,如果吸收太多熱量,元件或板可能被損壞。最終結果可能是元件爆裂或PCB翹曲,同時不能經受對長期的產品可靠性的影響。

                對于波峰焊接,裝配已經部分地安裝了回流焊接的表面貼裝元件。已回流的焊接點可能回到一個液化階段,降低固態焊點的位置精度。

                除了熱的數量之外,加熱時間也是重要的。PCA溫度必須以預先決定的速率從室溫提高到液化溫度,而不能給裝配帶來嚴重的溫度沖擊。這個預熱,或升溫階段也將在助焊劑完全被激化之前讓其中的溶劑蒸發。重要的是要保證,裝配上的所有零件在上升到焊接合金液化溫度之前,以最大的預熱溫度達到溫度平衡。這個預熱有時叫作“駐留時間”或“保溫時間”。

                對于蒸發錫膏內的揮發性成分和激化助焊劑是重要的。在達到液化溫度之后,裝配應該有足夠的時間停留在該溫度之上,以保證裝配的所有區域都達到液化溫度,適當地形成焊接點。如果在裝配中有表面貼裝膠要固化,固化時間和溫度必須與焊接溫度曲線協調。

                在焊接點形成之后,裝配必須從液化溫度冷卻超過150°C到室溫。同樣,這必須一預先確定的速度來完成,以避免溫度沖擊。穩定的降溫將給足夠的時間讓熔化的焊錫固化。這也將避免由于元件與PCB之間的溫度膨脹系數(CTE)不同所產生的力對新形成的焊接點損壞。

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