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SMT回流焊知識

點擊:1553  發(fā)布時間:2018-04-11

工藝流程

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回流焊加工的為表面貼裝的板,其流程比較復(fù)雜,可分為兩種:單面貼裝、雙面貼裝。 [5] 

單面貼裝

預(yù)涂錫膏 →貼片(分為手工貼裝和機(jī)器自動貼裝) → 回流焊 → 檢查及電測試。 [5] 

雙面貼裝

A面預(yù)涂錫膏 → 貼片(分為手工貼裝和機(jī)器自動貼裝) → 回流焊 →B面預(yù)涂錫膏 →貼片(分為手工貼裝和機(jī)器自動貼裝)→ 回流焊 → 檢查及電測試。 [5] 

溫度曲線

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溫度曲線是指SMA通過回爐時,SMA上某一點的溫度隨時間變化的曲線。溫度曲線提供了一種直觀的方法,來分析某個元件在整個回流焊過程中的溫度變化情況。這對于獲得最佳的可焊性,避免由于超溫而對元件造成損壞,以及保證焊接質(zhì)量都非常有用。 [6]  (詳情請見“溫度曲線測試儀”百科詞條中就“溫度曲線”的相關(guān)介紹)

影響工藝因素

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在SMT回流焊工藝造成對元件加熱不均勻的原因主要有:回流焊元件熱容量或吸收熱量的差別,傳送帶或加熱器邊緣影響,回流焊產(chǎn)品負(fù)載等三個方面。
1.通常PLCC、QFP與一個分立片狀元件相比熱容量要大,焊接大面積元件就比小元件更困難些。
2.在回流焊爐中傳送帶在周而復(fù)使傳送產(chǎn)品進(jìn)行回流焊的同時,也成為一個散熱系統(tǒng),此外在加熱部分的邊緣與中心散熱條件不同,邊緣一般溫度偏低,爐內(nèi)除各溫區(qū)溫度要求不同外,同一載面的溫度也差異。
3.產(chǎn)品裝載量不同的影響;亓骱傅臏囟惹的調(diào)整要考慮在空載,負(fù)載及不同負(fù)載因子情況下能得到良好的重復(fù)性。負(fù)載因子定義為:LF=L/(L+S);其中L=組裝基板的長度,S=組裝基板的間隔。
回流焊工藝要得到重復(fù)性好的結(jié)果,負(fù)載因子愈大愈困難。通;亓骱笭t的最大負(fù)載因子的范圍為0.5~0.9。這要根據(jù)產(chǎn)品情況(元件焊接密度、不同基板)和再流爐的不同型號來決定。要得到良好的焊接效果和重復(fù)性,實踐經(jīng)驗很重要。

焊接缺陷

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橋聯(lián)

焊接加熱過程中也會產(chǎn)生焊料塌邊,這個情況出現(xiàn)在預(yù)熱和主加熱兩種場合,當(dāng)預(yù)熱溫度在幾十至一百范圍內(nèi),作為焊料中成分之一的溶劑即會降低粘度而流出,如果其流出的趨勢十分強(qiáng)烈,會同時將焊料顆粒擠出焊區(qū)外形成含金顆粒,在溶融時如不能返回到焊區(qū)內(nèi),也會形成滯留焊料球。
除上面的因素外SMD元件端電極是否平整良好,電路線路板布線設(shè)計與焊區(qū)間距是否規(guī)范,助焊劑涂敷方法的選擇和其涂敷精度等會是造成橋接的原因。

立碑

又稱曼哈頓現(xiàn)象。片式元件在遭受急速加熱情況下發(fā)生的翹立,這是因為急熱元件兩端存在的溫差,電極端一邊的焊料完全熔融后獲得良好的濕潤,而另一邊的焊料未完全熔融而引起濕潤不良,這樣促進(jìn)了元件的翹立。因此,加熱時要從時間要素的角度考慮,使水平方向的加熱形成均衡的溫度分布,避免急熱的產(chǎn)生。
防止元件翹立的主要因素以下幾點:
1.選擇粘力強(qiáng)的焊料,焊料的印刷精度和元件的貼裝精度也需提高。
2.元件的外部電極需要有良好的濕潤性濕潤穩(wěn)定性。推薦:溫度400C以下,濕度70%RH以下,進(jìn)廠元件的使用期不可超過6個月。
3.采用小的焊區(qū)寬度尺寸,以減少焊料溶融時對元件端部產(chǎn)生的表面張力。另外可適當(dāng)減小焊料的印刷厚度,如選用100um。
4.焊接溫度管理條件設(shè)定對元件翹立也是一個因素。通常的目標(biāo)是加熱要均勻,特別是在元件兩連接端的焊接圓角形成之前,均衡加熱不可出現(xiàn)波動。

潤濕不良

潤濕不良是指焊接過程中焊料和電路基板的焊區(qū)(銅箔),或SMD的外部電極,經(jīng)浸潤后不生成相互間的反應(yīng)層,而造成漏焊或少焊故障。其中原因大多是焊區(qū)表面受到污染或沾上阻焊劑,或是被接合物表面生成金屬化合物層而引起的。譬如銀的表面有硫化物,錫的表面有氧化物都會產(chǎn)生潤濕不良。另外焊料中殘留的鋁、鋅、鎘等超過0.005%以上時,由于焊劑的吸濕作用使活化程度降低,也可發(fā)生潤濕不良。因此在焊接基板表面和元件表面要做好防污措施。選擇合適和焊料,并設(shè)定合理的焊接溫度曲線。
回流焊接是SMT工藝中復(fù)雜而關(guān)鍵的工藝,涉及到自動控制、材料、流體力學(xué)和冶金等多種科學(xué)、要獲得優(yōu)良的焊接質(zhì)量,必須深入研究焊接工藝的方方面面。

工藝發(fā)展趨勢

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近幾年來,隨著眾多電子產(chǎn)品向小型、輕型、高密度方向發(fā)展,特別是手持設(shè)備的大量使用,在元器件材料工藝方面都對原有SMT技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),也因此使SM得到了飛速發(fā)展的機(jī)會。lC引腳腳距發(fā)展到0.5mm、0.4mm、0.3mm,BGA已被廣泛采用,CSP也嶄露頭角,并呈現(xiàn)出快速上漲趨勢,材料上免清洗、低殘留錫膏得到廣泛應(yīng)用。所有這些都給回流焊工藝提出了新的要求,一個總的趨勢就是要求回流焊采用更先進(jìn)的熱傳遞方式,達(dá)到節(jié)約能源,均勻溫度,適合雙面板PCB和新型器件封裝方式的焊接要求,并逐步實現(xiàn)對波峰焊的全面代替?傮w來講,回流焊爐正朝著高效、多功能和智能化方向發(fā)展,主要有以下發(fā)展途徑,在這些發(fā)展領(lǐng)域回流焊引領(lǐng)了未來電子產(chǎn)品的發(fā)展方向。 [7] 

充氮

在回流焊中使用惰性氣體保護(hù),已經(jīng)有一段時間了,并已得到較大范圍的應(yīng)用,由于價格的考慮,一般都是選擇氮氣保護(hù)。氮氣回流焊有以下優(yōu)點。
(1)防止減少氧化。
(2)提高焊接潤濕力,加快潤濕速度。
(3)減少錫球的產(chǎn)生,避免橋接,得到良好的焊接質(zhì)量。 [7] 

雙面回流

雙面PCB已經(jīng)相當(dāng)普及,并在逐漸變得復(fù)雜起來,它得以如此普及,主要原因是它給設(shè)計者提供了極為良好的彈性空間,從而設(shè)計出更為小巧、緊湊的低成本產(chǎn)品。雙面板一般都有通過回流焊接上面(元器件面),然后通過波峰焊來焊接下面(引腳面)。而有一個趨勢傾向于雙面回流焊,但是這個工藝制程仍存在一些問題。大板的底部元件可能會在第二次回流焊過程中掉落,或者底部焊接點的部分熔融而造成焊點的可靠性問題。 [7] 
通孔插裝元器件
通孔回流焊有時也稱為分類元器件回流焊,正在逐漸興起,它可以去除波峰焊環(huán)節(jié),而成為PCB混裝技術(shù)中的一個工藝環(huán)節(jié),這項技術(shù)的一個最大的好處就是可以在發(fā)揮表面貼裝制造工藝優(yōu)點的同時使用通孔插件來得到較好的機(jī)械連接強(qiáng)度,對于較大尺寸的PCB板的平整度不能夠使所有表面貼裝元器件的引腳都能和焊盤接觸,同時,就算引腳和焊盤都能接觸上,它所提供的機(jī)械強(qiáng)度也往往是不夠大的,很容易在產(chǎn)品的使用中脫開而成為故障點。 [7] 

綠色無鉛

出于對環(huán)保的考慮,鉛在21世紀(jì)將會被嚴(yán)格限用,雖然電子工業(yè)中用鉛量極小,不到全部用量1%,但也屬于禁用之列,在發(fā)展趨勢中將會被逐步淘汰,許多地方正在開發(fā)可靠而又經(jīng)濟(jì)的無鉛焊料,所開發(fā)出的多種替代品一般都具有比錫鉛合金高40屯左右的熔點溫度,這就意味著回流焊必須在更高的溫度下進(jìn)行,氮氣保護(hù)可以部分消除因溫度提高而增加的氧化和對PCB本身的損傷。 [7] 

連續(xù)回流焊

特殊的爐子已經(jīng)被開發(fā)出來處理貼裝有SMT元件的連續(xù)柔性板,與普通回流爐最大的不同點是這種爐子需要特制的軌道來傳遞柔性板。當(dāng)然,這種爐子也需要能處理連續(xù)板的問題,對于分離的PCB板來講,爐中的流量與前幾段工位的狀況無依賴關(guān)系,但是對于成卷連續(xù)的柔性板,柔性板在整條線上是連續(xù)的,線上任何一個特殊問題,停頓就意味著全線必須停頓,這樣就產(chǎn)生一個特殊問題,停頓在爐子中的部分會因過熱而損壞,因此,這樣的爐子必須具備應(yīng)變隨機(jī)停頓的能力,繼續(xù)處理完該段柔性板,并在全線恢復(fù)連續(xù)運轉(zhuǎn)時回到正常工作狀態(tài)。 [7] 

垂直烘爐

市場對于縮小體積的需求,使CSP、MPM甚至POP得到較多應(yīng)用,這樣元器件貼裝后具有更小的占地面積和更高的信號傳遞速率。填充或灌膠被用來加強(qiáng)焊點結(jié)構(gòu),使其能抵受住由于硅片與PCB材料的熱脹系數(shù)不一致而產(chǎn)生的應(yīng)力,一般常會采用上滴或圍填法來把晶片用膠封起來。 [7] 

曲線仿真優(yōu)化

使用計算機(jī)技術(shù)對回流焊焊接工藝進(jìn)行仿真的方法得到了廣泛的關(guān)注,此方法可以大大縮短工藝準(zhǔn)備時間,降低實驗費用,提高焊接質(zhì)量,減小焊接缺陷。
通過使用PCBCAD數(shù)據(jù)的產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)建立,回流焊工藝仿真模型,可以替代傳統(tǒng)的在線參數(shù)的設(shè)置過程,甚至可以用來在生產(chǎn)前確保PCB設(shè)計與回流焊工藝的兼容性,指導(dǎo)可制造性設(shè)計(DFM),該仿真模型也可以消除使用熱電偶測試時無法稷蓋全部產(chǎn)品區(qū)域的缺陷,PCB組件模型求解器和構(gòu)建的回流焊爐模型,對于特定的工藝設(shè)置,可以較精確地預(yù)測PCB組件的回流焊溫度曲線。使用該方法在PCB設(shè)計階段來進(jìn)行新產(chǎn)品的工藝優(yōu)化,可以很簡單地確保產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)備的相容性。 [7] 

可替換裝配

可替換裝配和回流焊技術(shù)工藝(AlternativeAssemblyandReflowTechnology,AART)引起了PCB組裝業(yè)的興趣。AART工藝可以同時進(jìn)行通孔元器件和表面貼裝元器件的回流焊接,省去了波峰焊和手工焊,與傳統(tǒng)的AART工藝相比具有更少的成本、周期和缺陷率。通過AART工藝,可以建立復(fù)雜的PCB組裝工藝。AART必須考慮材料、設(shè)計和影響它的工藝因素。一個決策系統(tǒng)(DecisionSupportSystem,DSS)可以幫助工程師實施AART工藝。 [7] 
回流焊過程控制
智能化再流爐內(nèi)置計算機(jī)控制系統(tǒng),在Window視窗操作環(huán)境下可以很方便地輸入各種數(shù)據(jù),可迅速地從內(nèi)存中取出或更換回流焊工藝曲線,節(jié)省調(diào)整時間,提高生產(chǎn)效率。
過程控制的目的是實現(xiàn)所要求的質(zhì)量和盡可能低的成本這兩個目標(biāo)。以前,過程控制主要集中于對缺陌的檢測,以提高質(zhì)量;經(jīng)發(fā)展,控制的最根本的內(nèi)涵是對各種工藝進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)控,并尋找出不符合要求的偏差。過程控制是一種獲得影響最終結(jié)果的特定操作中相關(guān)數(shù)據(jù)的能力,一旦潛在的問題出現(xiàn),就可實時地接收相關(guān)信息,采取糾正措施,并立即將工藝調(diào)整到最佳狀況。監(jiān)控實際工藝過程數(shù)據(jù),才算是真正的工藝過程控制,這在回流焊工藝控制中,也就意味著要對制造的每塊板子的熱曲線進(jìn)行監(jiān)控。
一種能夠連續(xù)監(jiān)控回流焊爐的自動管理系統(tǒng),能夠在實際發(fā)生工藝偏移之前指示其工藝是否偏移失控,此即自動回流焊管理(AutomaticReflowManagement,ARM)系統(tǒng),此系統(tǒng)把連續(xù)的SPC直方圖、線路平衡網(wǎng)絡(luò)、文件編制和產(chǎn)品跟蹤組成完整的軟件包,并能自動實時榆測工藝數(shù)據(jù),并做出判斷來影響產(chǎn)品成本和質(zhì)量,自動回流焊管理系統(tǒng)的基本功能是精確地自動檢測和收集通過爐子的產(chǎn)品數(shù)據(jù),它提供下列功能:不需要驗證工藝曲線;自動搜集回流焊工藝數(shù)據(jù);對零缺陷生產(chǎn)提供實時反饋和報警;提供回流焊工藝的自動SPC圖表和修正過程能力指數(shù)(ComplexProcessCapabilityindex,Cpk)變量報警

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