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              公司新聞

              回流焊的設備結構及原理

                一、回流焊接的過程
                  回流焊的基本原理比較簡單,它首先對PCB板的表面貼裝元件(SMD)焊盤印刷錫膏,然后通過自動貼片機把SMD貼放到預先印制好錫膏的焊盤上。最后,通過回流焊接爐,在回流焊爐中逐漸加熱,把錫膏融化,稱為回流(Reflow),接著,把PCB板冷卻,焊錫凝固,把元件和焊盤牢固地焊接到一起(見圖9)。在回流焊中,焊盤和元件管腳都不融化。這是回流焊(Reflow Soldering)與金屬融焊(Welding)的不同。 深入的了解回流焊就必須從焊錫膏的作用原理和焊接過程中發生的物理化學變化入手。錫膏的成分主要錫鉛合金的粉末和助焊劑混合而成。在受熱的條件下,融化的焊錫材料中的錫原子和焊盤或焊接元件(主要成分是銅原子)的接觸界面原子相互擴散,形成金屬間化合物(IMC),首先形成的Cu6Sn5,稱n-phase,它是形成焊接力的關鍵連接層, 只有形成了 n-phase,才表示有真正的可靠焊接。隨著時間的推移,在n-phase和銅層之間中會繼續生成Cu3Sn,稱為∈-phase,它將減弱焊接力量和減低長期可靠性。在焊點剖面的金相圖中,可以清楚地看到這個結構。 電子掃描顯微鏡(SEM)顯示的Cu-Sn IMC
                  金屬間化合物是焊點強度的關鍵因素,因此許多人員專門研究金屬間化合物的變化對焊點的長期可靠性帶來的影響 [4][10]。為了保護焊盤或元件管腳的可焊性,一般它們表面都鍍有錫鉛合金層或有機保護層。對非銅的金屬材料的管腳一般在管腳鍍層和金屬之間加有鍍鎳層作為阻斷層防止金屬擴散。這個鎳鍍層還用來阻擋與焊錫不可焊或不相容的金屬與焊錫層的接觸 [5]。另一個有關鍍層的問題是關于鍍金層的問題,有文章[5]指出如果焊點中金的成分達到3~4%以上,焊點有潛在的脆性增大的危險。
              二、回流焊溫度曲線
                 要得到好的回流焊接效果必須有一個好的回流溫度曲線(Profile)。那么什么是一個好的回流曲線呢?一個好的回流曲線應該是對所要焊接的PCB板上的各種表面貼裝元件都能夠達到良好的焊接,且焊點不僅具有良好的外觀品質而且有良好的內在品質的溫度曲線。
              三、回流爐的參數設定
                 要得到一個爐溫曲線首先應給回流爐一個參數設定?;亓鳡t的參數設定一般稱為Recipe。Recipe一般包括爐子每區的溫度設定,傳送帶帶速設定,以及是使用空氣還是氮氣。下表是BTU爐的一個Recipe的設定。
              溫度設定:(單位:℃) 
              帶速設定:(單位:cm/分)
              氣體設定:
              表中1T~7T,1B~7B分別表示回流爐上下溫區的溫度設定,傳送帶帶速為75 cm/分,焊接環境使用空氣,不使用氮氣。
              設定一個回流曲線要考慮的因素有很多,一般包括: 所使用的錫膏特性,PCB板的特性,回流爐的特點等。下面分別討論。

              四、錫膏特性與回流曲線的重要關系
                 錫膏特性決定回流曲線的基本特性。不同的錫膏由于助焊劑(Flux)有不同的化學組分,因此它的化學變化有不同的溫度要求,對回流溫度曲線也有不同的要求。一般錫膏供應商都能提供一個參考回流曲線,用戶可在此基礎上根據自己的產品特性優化。 圖11是一個典型的Sn63/Pb37錫膏的溫度回流曲線[6](P3-7)。 以此圖為例,來分析回流焊曲線。它可分為4個主要階段:
              1)把PCB板加熱到150℃左右,上升斜率為1-3 ℃/秒。 稱預熱(Preheat)階段。
              2)把整個板子慢慢加熱到183 ℃。稱均熱(Soak或Equilibrium)階段。時間一般為60-90秒。
              3)把板子加熱到融化區(183 ℃以上),使錫膏融化。稱回流(Reflow Spike)階段。在回流階段板子達到最高溫度,一般是215 ℃ +/-10 ℃?;亓鲿r間以45-60秒為宜,最大不超過90秒。
              4)曲線由最高溫度點下降的過程。稱冷卻(Cooling)階段。一般要求冷卻的斜率為2 -4℃/秒。
              典型的回流焊接溫度曲線
                 預熱階段的目的是把錫膏中較低熔點的溶劑揮發走。錫膏中助焊劑的主要成分包括松香,活性劑,黏度改善劑,和溶劑。溶劑的作用主要作為松香的載體和保證錫膏的儲藏時間。預熱階段需把過多的溶劑揮發掉,但是一定要控制升溫斜率,太高的升溫速度會造成元件的熱應力沖擊,損傷元件或減低元件性能和壽命,后者帶來的危害更大,因為產品已流到了客戶手里。另一個原因是太高的升溫速度會造成錫膏的塌陷,引起短路的危險,尤其對助焊劑含量較高(達10%)的錫膏[5]。
                  均熱階段的設定主要應參考焊錫膏供應商的建議和PCB板熱容的大小。因為均熱 階段有兩個作用,一個是使整個PCB板都能達到均勻的溫度(175℃左右),均熱的目的是為了減少進入回流區的熱應力沖擊,以及其它焊接缺陷如元件翹起,某些大體積元件冷焊等。均熱階段另一個重要作用就是焊錫膏中的助焊劑開始發生活性反應,它將清除焊件表面的氧化物和雜質,增大焊件表面潤濕性能(及表面能),使得融化的焊錫能夠很好地潤濕焊件表面。由于均熱段的重要性,因此均熱時間和溫度必須很好地控制,既要保證助焊劑能很好地清潔焊面,又要保證助焊劑到達回流之前沒有完全消耗掉。助焊劑要保留到回流焊階段是必需的,它能促進焊錫潤濕過程和防止焊接表面的再氧化。尤其是目前使用低殘留,免清洗(no-clean)的焊錫膏技術越來越多的情況下,焊膏的活性不是很強,且回流焊接的也多為空氣回流焊,更應注意不能在均熱階段把助焊劑消耗光。
                  回流階段,溫度繼續升高越過回流線(183℃),錫膏融化并發生潤濕反應,開始生成金屬間化合物層。到達最高溫度(215 ℃左右),然后開始降溫,落到回流線以下,焊錫凝固?;亓鲄^同樣應考慮溫度的上升和下降斜率不能使元件受到熱沖擊?;亓鲄^的最高溫度是由PCB板上的溫度敏感元件的耐溫能力決定的。在回流區的時間應該在保證元件完成良好焊接的前提下越短越好,一般為30-60秒最好,過長的回流時間和較高溫度,如回流時間大于90秒,最高溫度大于230度,會造成金屬間化合物層增厚,影響焊點的長期可靠性[4]。
                  冷卻階段的重要性往往被忽視。好的冷卻過程對焊接的最后結果也起著關鍵作用。好的焊點應該是光亮的,平滑的。而如果冷卻效果不好,會產生很多問題諸如元件翹起,焊點發暗,焊點表面不光滑,以及會造成金屬間化合物層增厚等問題。因此回流焊接必須提供良好的冷卻曲線,既不能過慢造成冷卻不良,又不能太快,造成元件的熱沖擊。
              五、PCB板的特性與回流曲線的關系
                 回流曲線的設定,與要焊接的PCB板的特性也有重要關系。板子的厚薄,元件的大小,元件周圍有無大的吸熱部件,如金屬屏蔽材料,大面積的地線焊盤等,都對板子的溫度變化有影響。因此籠統地說一個回流曲線的好壞是無意義的。一個回流曲線必須是針對某一個或某一類產品而測量得到的。因此如何準確測量回流曲線,來反映真實的回流焊接過程是非常重要的。常用的測量回流焊曲線的方法有三種:
              1)用回流爐本身配備的長熱偶線(一般常用的工業標準是K型熱偶線),熱偶線的一端焊接到PCB板上,       另一端插到設備的預設熱偶插口上。把板放進爐內,當板子從爐另一端出來時,用熱偶線把板子從出口端拉回來。在測量的同時溫度曲線就可顯示到設備的顯示器上。一般回流爐 都帶有多個K型熱偶插口,因此可連接多根熱偶線,同時測量PCB板幾個點的溫度曲線。
              2)用一個小的溫度跟蹤記錄器。它能夠跟隨待測PCB板進入回流爐。記錄器上也有多個熱偶插口,可因此可連接多根熱偶線。記錄器里存放的溫度數據,只有在出爐后,才可輸到電腦里分析或從打印機中輸出。
              3)帶無線數據傳輸的溫度跟蹤記錄器。與第2種方法相同,只是多了一個無線傳輸功能。當它在爐內測溫時,在存儲溫度數據的同時把數據用無線方式傳到外面的接受器上,接受器與電腦相連。
                 三種方法本質都是一樣的,用戶可根據習慣來選擇采用那種方法。熱偶線的安裝有一般兩種,一是高溫焊錫絲,溫度在300℃以上(高于回流最高溫度)。 另一種方法是用膠或是高溫膠帶把它粘住。這樣熱偶線就不會在回流區脫落。焊點的位置一般為選取元件的焊腳和焊盤接觸的地方。焊點不能太大,

                  以焊牢為準。焊點大,溫度反應遲后,不能準確反映溫度變化,尤其是對QFP等細間距焊腳。對特殊的器件如BGA還需要在PCB板下鉆孔,把熱偶線穿到BGA下面。圖12說明了QFP和BGA元件的熱偶線焊接方法。熱偶線的安裝位置一般根據PCB板的工藝特點來選取,如雙面板應在板上下都安裝熱偶線,大的IC芯片腳要安裝,BGA元件要安裝,某些易造成冷焊的元件(如金屬屏蔽罩周圍,散熱器周圍元件)一定要放置。還有就是你認為要研究的焊接出了問題的元件。 

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