如何正確設定回流爐溫度曲線(xiàn)
紅外回流焊是SMT大生產(chǎn)中重要的工藝環(huán)節，它是一種自動(dòng)群焊過(guò)程，成千上萬(wàn)個(gè)焊點(diǎn)在短短幾分鐘內一次完成，其焊接質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，對于數字化的電子產(chǎn)品，產(chǎn)品的質(zhì)量幾乎就是焊接的質(zhì)量。做好回流焊，人們都知道關(guān)鍵是設定回流爐的爐溫曲線(xiàn)，有關(guān)回流爐的爐溫曲線(xiàn)，許多專(zhuān)業(yè)文章中均有報導，但面對一臺新的紅外回流爐，如何盡快設定回流爐溫度曲線(xiàn)呢？這就需要我們首先對所使用的錫膏中金屬成分與熔點(diǎn)、活性溫度等特性有一個(gè)全面了解，對回流爐的結構，包括加熱溫區的數量、熱風(fēng)系統、加熱器的尺寸及其控溫精度、加熱區的有效長(cháng)度、冷卻區特點(diǎn)、傳送系統等應有一個(gè)全面認識，以及對焊接對象--表面貼裝組件(SMA)尺寸、組件大小及其分布做到心中有數，不難看出，回流焊是SMT工藝中復雜而又關(guān)鍵的一環(huán)，它涉及到材料、設備、熱傳導、焊接等方面的知識?！ ”疚膶姆治龅湫偷暮附訙囟惹€(xiàn)入手，較為詳細地介紹如何正確設定回流爐溫度曲線(xiàn)，并實(shí)際介紹BGA以及雙面回流焊的溫度曲線(xiàn)的設定?！ ±硐氲臏囟惹€(xiàn)
圖1 理想的溫度曲線(xiàn)
圖1是中溫錫膏(Sn63/Sn62)理想的紅外回流溫度曲線(xiàn)，它反映了SMA通過(guò)回流爐時(shí)，PCB上某一點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，它能直觀(guān)反映出該點(diǎn)在整個(gè)焊接過(guò)程中的溫度變化，為獲得最佳焊接效果提供了科學(xué)的依據，從事SMT焊接的工程技術(shù)人員，應對理想的溫度曲線(xiàn)有一個(gè)基本的認識，該曲線(xiàn)由四個(gè)區間組成，即預熱區、保溫區/活性區、回流區、冷卻區，前三個(gè)階段為加熱區，最后一階段為冷卻區，大部分焊錫膏都能用這四個(gè)溫區成功實(shí)現回流焊。故紅外回流爐均設有4-5個(gè)溫度，以適應焊接的需要?！ 榱思由顚硐氲臏囟惹€(xiàn)的認識，現將各區的溫度、停留時(shí)間以及焊錫膏在各區的變化情況，介紹如下： (1)預熱區 預熱區通常指由室溫升至150℃左右的區域。在這個(gè)區域，SMA平穩升溫，在預熱區，焊膏中的部分溶劑能夠及時(shí)揮發(fā)，元器件特別是IC器件緩緩升溫，以適應以后的高溫。但SMA表面由于元器件大小不一，其溫度有不均勻現象，在預熱區升溫的速率通?？刂圃?/span>1.5℃-3℃/sec。若升溫太快，由于熱應力的作用，導致陶瓷電容的細微裂紋、PCB變形、IC芯片損壞，同時(shí)錫膏中溶劑揮發(fā)太快，導致飛珠的發(fā)生。爐子的預熱區一般占加熱信道長(cháng)度的1/4-1/3，其停留時(shí)間計算如下：設環(huán)境溫度為25℃，若升溫速率按3℃/sec計算則(150-25)/3即為42sec，若升溫速率按1.5℃/sec計算則(150-25)/ 1.5即為85sec。通常根據組件大小差異程度調整時(shí)間以調控升溫速率在2℃/sec以下為最佳?！ ?2)保溫區/活性區 保溫區又稱(chēng)活性區，在保溫區溫度通常維持在150℃±10℃的區域，此時(shí)錫膏處于熔化前夕，焊膏中的揮發(fā)物進(jìn)一步被去除，活化劑開(kāi)始激活，并有效地去除焊接表面的氧化物，SMA表面溫度受熱風(fēng)對流的影響，不同大小、不同質(zhì)地的元器件溫度能保持均勻，板面溫度差△T接近最小值，曲線(xiàn)形態(tài)接近水平狀，它也是評估回流爐工藝性的一個(gè)窗口，選擇能維持平坦活性溫度曲線(xiàn)的爐子將提高SMA的焊接效果，特別是防止立碑缺陷的產(chǎn)生。通常保溫區在爐子的二、三區之間，維持時(shí)間約60-120s，若時(shí)間過(guò)長(cháng)也會(huì )導致錫膏氧化問(wèn)題，以致焊接后飛珠增多?！ ?3)回流區 回流區的溫度最高，SMA進(jìn)入該區后迅速升溫，并超出錫膏熔點(diǎn)約30℃-40℃，即板面溫度瞬時(shí)達到215℃-225℃(此溫度又稱(chēng)之為峰值溫度)，時(shí)間約為5-10sec，在回流區焊膏很快熔化，并迅速潤濕焊盤(pán)，隨著(zhù)溫度的進(jìn)一步提高，焊料表面張力降低，焊料爬至組件引腳的一定高度，形成一個(gè)"彎月面"。從微觀(guān)上看，此時(shí)焊料中的錫與焊盤(pán)中的銅或金由于擴散作用而形成金屬間化合物，以錫銅合金為例，當錫膏熔化后，并迅速潤濕銅層，錫原子與銅原子在其界面上互相滲透初期Sn-Cu合金的結構為 Cu6Sn5，其厚度為1-3μ，若時(shí)間過(guò)長(cháng)、溫度過(guò)高時(shí)，Cu原子進(jìn)一步滲透到Cu6Sn5中，其局部組織將由Cu6Sn5轉變?yōu)?/span>Cu3Sn合金，前者合金焊接強度高，導電性能好，而后者則呈脆性，焊接強度低、導電性能差，SMA在回流區停留時(shí)間過(guò)長(cháng)或溫度超高會(huì )造成PCB板面發(fā)黃、起泡、以致元器件損壞。SMA在理想的溫度下回流，PCB色質(zhì)保持原貌，焊點(diǎn)光亮。在回流區，錫膏熔化后產(chǎn)生的表面張力能適度校準由貼片過(guò)程中引起的元器件引腳偏移，但也會(huì )由于焊盤(pán)設計不正確引起多種焊接缺陷，如"立碑"、"橋聯(lián)"等?；亓鲄^的升溫速率控制在2.5-3℃/ sec，一般應在25sec-30sec內達到峰值溫度。 (4)冷卻區 SMA運行到冷卻區后，焊點(diǎn)迅速降溫，焊料凝固。焊點(diǎn)迅速冷卻可使焊料晶格細化，結合強度提高，焊點(diǎn)光亮，表面連續呈彎月面狀。通常冷卻的方法是在回流爐出口處安裝風(fēng)扇，強行冷卻。新型的回流爐則設有冷卻區，并采用水冷或風(fēng)冷。理想的冷卻曲線(xiàn)同回流區升溫曲線(xiàn)呈鏡面對稱(chēng)分布?！ ≡诖笊a(chǎn)中，每個(gè)產(chǎn)品的實(shí)際工作曲線(xiàn)，應根據SMA大小、組件的多少及品種反復調節才能獲得，從時(shí)間上看，整個(gè)回流時(shí)間為175sec-295sec即3分鐘-5分鐘左右，(不包括進(jìn)入第一溫區前的時(shí)間)?！ 囟惹€(xiàn)的設定 1、測試工具： 在開(kāi)始測定溫度曲線(xiàn)之前，需要有溫度測試儀，以及與之相配合的熱電偶，高溫焊錫絲、高溫膠帶以及待測的SMA，當然有的回流爐自身帶有溫度測試儀，(設在爐體內)，但因附帶的熱電偶較長(cháng)，使用不方便，不如專(zhuān)用溫度測試記錄儀方便。特別這類(lèi)測試儀所用的小直徑熱電偶，熱量小、響應快、得到的結果精確?！ ?/span>2、熱電偶的位置與固定 熱電偶的焊接位置也是一個(gè)應認真考慮的問(wèn)題，其原則是對熱容量大的組件焊盤(pán)處別忘了放置熱電偶，見(jiàn)圖2，此外對熱敏感組件的外殼，PCB上空檔處也應放置熱電偶，以觀(guān)察板面溫度分布狀況。
圖2 熱電偶的位置
將熱電偶固定在PCB上最好的方法是采用高溫焊料(Sn96Ag4)焊接在所需測量溫度的地方，此外還可用高溫膠帶固定，但效果沒(méi)有直接焊接的效果好?！ 】傊鶕?/span>SMA大小以及復雜成度設有3個(gè)或更多的電偶。電偶數量越多，其對了解SMA板面的受熱情況越全面?！ ?/span>3、錫膏性能 對于所使用錫膏的性能參數也是必須考慮的因素之一，首先是考慮到其合金的熔點(diǎn)，即回流區溫度應高于合金熔點(diǎn)的30-40℃。其次應考慮錫膏的活性溫度以及持續的時(shí)間，有條件時(shí)應與錫膏供應商了解，也可以參考供應商提供的溫度曲線(xiàn)。
圖3 BGA溫度測試點(diǎn)的選擇
4、爐子的結構： 對于首次使用的回流爐，應首先考察一下?tīng)t子的結構?？匆豢从袔讉€(gè)溫區，有幾塊發(fā)熱體，是否獨立控溫。熱電偶放置在何處。熱風(fēng)的形成與特點(diǎn)，是否構成溫區內循環(huán)，風(fēng)速是否可調節。每個(gè)加熱區的長(cháng)度以及加熱溫區的總長(cháng)度。目前使用的紅外回流爐，一般有四個(gè)溫區，每個(gè)加熱區有上下獨立發(fā)熱體。熱風(fēng)循環(huán)系統各不相同，但基本上能保持各溫區獨立循環(huán)。通常第一溫區為預熱區，第二、三溫區為保溫區，第四溫區為回流區，冷卻溫區為爐外強制冷風(fēng)，近幾年來(lái)也出現將冷卻區設在爐內，并采用水冷卻系統。當然這類(lèi)爐子其溫區相應增多，以至出現八溫區以上的回流爐。隨著(zhù)溫區的增多，其溫度曲線(xiàn)的輪廓與爐子的溫度設置將更加接近，這將會(huì )方便于爐溫的調節。但隨著(zhù)爐子溫區增多，在生產(chǎn)能力增加的同時(shí)其能耗增大、費用增多。 5、爐子的帶速： 設定溫度曲線(xiàn)的第一個(gè)考慮的參數是傳輸帶的速度設定，故應首先測量爐子的加熱區總長(cháng)度，再根據所加工的SMA尺寸大小、元器件多少以及元器件大小或熱容量的大小決定SMA在加熱區所運行的時(shí)間。正如前節所說(shuō)，理想爐溫曲線(xiàn)所需的焊接時(shí)間約為3-5分鐘，因此不難看出有了加熱區的長(cháng)度，以及所需時(shí)間，就可以方便地計算出回流爐運行速度?！ 「鲄^溫度設定： 接下來(lái)必須設定各個(gè)區的溫度，通?；亓鳡t儀表顯示的溫度僅代表各加熱器內熱電偶所處位置的溫度，并不等于SMA經(jīng)過(guò)該溫區時(shí)其板面上的溫度。如果熱電偶越靠近加熱源，顯示溫度會(huì )明顯高于相應的區間溫度，熱電偶越靠近PCB的運行信道，顯示溫度將越能反應區間溫度，因此可打開(kāi)回流爐上蓋了解熱電偶所設定的位置。當然也可以用一塊試驗板進(jìn)行模擬測驗，找出PCB上溫度與表溫設定的關(guān)系，通過(guò)幾次反復試驗，最終可以找出規律。當速度與溫度確定后，再適當調節其它參數如冷卻風(fēng)扇速度，強制空氣或N2流量，并可以正式使用所加工的SMA進(jìn)行測試，并根據實(shí)測的結果與理論溫度曲線(xiàn)相比較或與錫膏供應商提供的曲線(xiàn)相比較。并結合環(huán)境溫度、回流峰值溫度、焊接效果、以及生產(chǎn)能力適當的協(xié)調。最后將爐子的參數記錄或儲存以備后用。雖然這個(gè)過(guò)程開(kāi)始較慢和費力，但最終可以以此為依據取得熟練設定爐溫曲線(xiàn)的能力。 兩種典型的溫度曲線(xiàn)設定 1、BGA焊接溫度的設定 BGA是近幾年使用較多的封裝器件，由于它的引腳均處于封裝體的下方，因為焊點(diǎn)間距較大(1.27mm)焊接后不易出現橋連缺陷，但也帶來(lái)一些新問(wèn)題，即焊點(diǎn)易出現空洞或氣泡，而在QFP或PLCC器件的焊接中，這類(lèi)缺陷相對的要少得多。就其原因來(lái)說(shuō)這與BGA焊點(diǎn)在其下方陰影效應大有關(guān)。故會(huì )出現實(shí)際焊接溫度比其它元器件焊接溫度要低的現狀，此時(shí)錫膏中溶劑得不到有效的揮發(fā)，包裹在焊料中。圖3為實(shí)際測量到的BGA器件焊接溫度?！ D中，第一根溫度曲線(xiàn)為BGA外側，第二根溫度曲線(xiàn)為BGA焊盤(pán)上，它是通過(guò)在PCB上開(kāi)一小槽，并將熱電偶伸入其中，兩溫度上升為同步上升，但第二根溫度曲線(xiàn)顯示出的溫度要低8℃左右，這是BGA體積較大，其熱容量也較大的緣故，故反映出組件體內的溫度要低，這就告訴我們，盡管熱電偶放在BGA體的外側仍不能如實(shí)地反映出BGA焊點(diǎn)處的溫度。因此實(shí)際工作中應盡可能地將熱電偶伸入到BGA體下方，并調節BGA的焊接溫度使它與其它組件溫度相兼容?！ ?/span>2、雙面板焊接溫度的設定 早期對雙面板回流焊接時(shí)，通常要求設計人員將器件放在PCB的一側，而將阻容組件放在另一側，其目的是防止第二面焊接時(shí)組件在二次高溫時(shí)會(huì )脫落。但隨著(zhù)布線(xiàn)密度的增大或SMA功能的增多，PCB雙面布有器件的產(chǎn)品越來(lái)越多，這就要求我們在調節爐溫曲線(xiàn)時(shí)，不僅在焊接面設定熱電偶而且在反面也應設定熱電偶，并做到在焊接面的溫度曲線(xiàn)符合要求的同時(shí)，SMA反面的溫度最高值不應超過(guò)錫膏熔化溫度(179℃)，見(jiàn)圖4
圖4 雙面板焊接溫度曲線(xiàn)
從圖中看出當焊接面的溫度達到215℃時(shí)反面最高溫度僅為165℃，未達到焊膏熔化溫度。此時(shí)SMA反面即使有大的元器件，也不會(huì )出現脫落現象?！ 〕Ｒ?jiàn)有缺陷的溫度曲線(xiàn) 下列溫度曲線(xiàn)是設定時(shí)常見(jiàn)的缺陷： 1、活性區溫度梯度過(guò)大 立碑是片式組件常見(jiàn)的焊接缺陷，引起的原因是由于組件焊盤(pán)上的錫膏熔化時(shí)潤濕力不平衡，導致組件兩端的力距不平衡故易引起組件立碑。引起立碑的原因有多方面，其中兩焊盤(pán)上的溫度不一致是其原因之一。圖5所示的溫度曲線(xiàn)表明活性區溫度梯度過(guò)大，這意味著(zhù)PCB板面溫度差過(guò)大，特別是靠近大器件四周的阻容組件兩端溫度受熱不平衡，錫膏熔化時(shí)間有一個(gè)延遲故易引起立碑缺陷。解決的方法是調整活性區的溫度。
圖5 活性區溫度梯度過(guò)大
2、活性區溫度過(guò)低 圖6所示的溫度曲線(xiàn)表明，活性區溫度過(guò)低，此時(shí)易引起錫膏中溶劑得不到充分揮發(fā)，當到回流區時(shí)錫膏中溶劑受高溫易引起激烈揮發(fā)，其結果會(huì )導致飛珠的形成?！ ?/span>3、回流區溫度過(guò)高或過(guò)低 圖7中曲線(xiàn)1所示的溫度曲線(xiàn)表明回流溫度過(guò)高，易造成PCB以及元器件損傷，應降低回流區溫度，而曲線(xiàn)2所示的溫度表明回流溫度過(guò)低。此時(shí)焊料雖已熔化，但流動(dòng)性差。焊料不能充分潤濕，故易引起虛焊或冷焊。
圖6 活性區溫度過(guò)低
4、熱電偶出故障 圖8所示溫度曲線(xiàn)，曲線(xiàn)出現明顯抖動(dòng)，曲線(xiàn)如鋸齒狀，這通常是由于用來(lái)測試溫度的熱電偶出現故障?！ 【C上所述，面對首次使用的回流爐，當測試溫度曲線(xiàn)時(shí)，應對回流爐的結構、錫膏性能、SMA的大小及元器件的分布等全面了解。首先設定帶速，然后調節溫度，并與理想溫度曲線(xiàn)比較，反復調節，就能得到實(shí)際產(chǎn)品所需要的溫度曲線(xiàn)和滿(mǎn)意的焊接效果。正點(diǎn)~~~~~~~！
