SMT回流焊工艺控制分享课程

1SMT回流焊工艺控制分享课程金众电子SMT事业一三部学习培训资料汇编：陶小军2回流焊的定义及原理回流焊温度曲线分析及基本工艺要求SMT回流焊接分析回流焊接工艺及调试回流焊接中常见的焊接缺陷分析与预防对策目录3一、回流焊定义及原理回流焊，也称为再流焊Reflowsoldring，是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏状软钎焊料，实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。4100200温度：℃2501234567温区时间：S温度曲线示意图5250℃1234567温区温度：℃时间：S1002002506从温度曲线示意图，分析回流焊的原理：当PCB进入升温区（干燥区）时，焊膏中的溶剂、气体蒸发掉，同时，焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元器件端头和引脚，焊膏软化、塌落、覆盖了焊盘，将焊盘、元器件引脚与氧气隔离；PCB进入保温区（恒温区）时，使PCB和元器件得到充分的预热，以防PCB突然进入焊接高温区而损坏PCB和元器件；当PCB进入焊接区时，温度迅速上升使焊膏达到熔化状态，液态焊锡对PCB的焊盘、元器件端头和引脚润湿、扩散、漫流或回流混合形成焊锡接点；PCB进入冷却区，使焊点凝固。此时完成了回流焊。7二、炉温曲线分析（profile）理论上理想温度曲线8炉温曲线分析（profile）40℃120℃175℃183℃200℃0℃PH1PH2PH3PH4最高峰值220℃±5℃时间(sec)有铅制程（profile）有铅回流炉温工艺要求:1.起始温度(40℃)到120℃时的温升率为1~3℃/s2.120℃~175℃时的恒温时间要控制在60~120秒3.高过183℃的时间要控制在45~90秒之间4.高过200℃的时间控制在10~20秒,最高峰值在220℃±5℃5.降温率控制在1~4℃/s之间为好6.一般炉子的传送速度控制在70~90cm/Min为佳温度(℃)（图一）9炉温曲线分析（profile）40℃130℃200℃217℃230℃0℃PH1PH2PH3PH4最高峰值240℃±5℃时间(sec)无铅制程（profile）无铅回流炉温工艺要求:1.起始温度(40℃)到150℃时的温升率为1~3℃/s2.150℃~200℃时的恒温时间要控制在60~120秒3.高过217℃的时间要控制在30~70秒之间4.高过230℃的时间控制在10~30秒,最高峰值在240℃±5℃5.降温率控制在1~4℃/s之间为好6.一般炉子的传送速度控制在70~90cm/Min为佳温度(℃)（图二）10炉温曲线分析（profile）红胶制程炉温曲线最高温(Peaktemp):145-155度145度以上时间(timeabove145度)：90－120sec最高温(Peaktemp):145-155度145度以上时间(timeabove145度)：90－120sec最高温(Peaktemp):145-155度最高温度145-155度,固化时间90-120S11预热区：预热区温度：室温~150℃，升温斜率1-3℃/秒。将PCB的温度从室温提升到所需的活性温度，适当挥发Flux中的溶剂。针对回流焊炉说的是前一到三个加热区间的加热作用．注意事项从室温到150℃，升温速率在1-3℃/Sec.1、太快，会引起热敏组件的破裂2、太慢，锡膏会感温过度，没有足够的时间使PCB达到活性温度12恒温区：恒温区段温度150~180℃，时间：60~120Sec使PCB上的所有零件达到均温，避免热补偿不足在回流区段时有热冲击现象产生。促使Flux及其活性剂转成液态开始作用，去除PCBPAD及零件脚金属表面的氧化层及异物，保护组件脚及PAD在高温下不被氧化。此针对回流焊炉的是第四五六七4个加热区间的加热作用．注意事项1、一定要平稳的升温；2、该区时间太长或温度太高，活性剂会提前挥发完成，容易导致虚焊、焊点发暗且伴有粒状物或锡珠13回流区：此区段温度：217℃最高温度：235~250℃回流区段时间：30~60sec。从焊料溶点至峰值再降至溶点，焊料熔溶的过程，PAD与焊料形成焊接（有机化合物），此针对回流焊炉的是第八、九、十、三个加区间的加热作用．注意事项1、时间太短，热补偿不足、焊锡效果差、焊点不饱满。2、时间太长，会产生氧化物，导致焊点不持久及易造成组件损坏3、温度太高，残留物会被烧焦。14冷却区：从焊料溶点降至50度左右，合金焊点的形成过程。此区斜率：-1~-4℃/Sec（针对冷却区）注意事项较快的冷却速率可得到较细的颗粒结构和较高强度与较亮的焊接点。但超过每秒4℃会造成温度冲击。15三、SMT回流焊接分析¤在生产双面板或阴阳板时,贴第二面(二次)过炉时,相对应的下溫区不易与上溫区设定參數值差异太大,一般在5~10℃左右.a.如果差异太大了会导致錫膏內需要蒸发的气流不能完全的蒸发(产生气泡)b.一般第一次焊接后的錫在第二次过炉时,它的溶点溫度会比第一次高10%左右c.气泡应控制在15%以内,不影响功能16SMT回流焊接分析●BGA虛焊形成和处理（此内容保留，属个人观点）一般PCB上BGA位都会有凹(弯曲)現象（回流高温过程中，材料开始弯曲，比较大的热膨胀系数差异）。BGA在焊接时优先焊接的是BGA的四边,等四边焊完后才会焊接中間部位的錫球,这时可能因炉溫的差异沒能使锡膏和BGA焊球完全的熔溶焊接上,这样就產生了虛焊.或是冷焊现象,用熱吹風机加熱达到焊接溫度时,可能再次重焊完成.处理这种現象：1、可加長回焊的焊接时間(183℃或是217℃的时間).2、依据焊料特性，调制合理的恒温区时间，促使Flux及其活性剂转成液态开始作用，除去金属表面的氧化层及异物，保护组件脚及PAD在高温下不被氧化。手机主板蔽屏盖内BGA（无铅），230℃以上时间应在30-50之间为宜17CPU枕头缺陷回流焊内成因SMT回流焊接分析18回流焊接枕头缺陷，因BGA或PCB材料的翘曲。回流高温过程中，材料开始弯曲（比较大的热膨胀系数差异）。由于弯曲，使得BGA的锡球与印刷在电路板上的锡膏分开，在锡球与锡膏达到液相点以上时，锡膏与锡球熔化，但彼此不接触。在冷却阶段，锡球与锡膏也各自从熔融状态凝结回常态，BGA的载板与电路板的翘曲也慢慢的恢复，弯曲开始缩小，最终使得锡膏与锡球能够有机会接触，就形成枕头形状的焊接。另外，如果在熔融焊料的表面有一层氧化层，氧化层将阻止他们的接触，会加重忱头缺陷的产生；回流焊接CPU枕头缺陷问题：SMT回流焊接分析19SMT回流焊接分析●特殊性的制程控制一般在有铅锡膏和无铅无件混合制程时,回流焊炉的温区设定值(实测值)要比全有铅制程的高5~10℃,比全无铅制程的低5~10℃.混合制程的最高炉温峰值控制在230~238℃为佳.『混合制程中,不良率较高的现象主要体现在虚焊方面,因这种特殊性制程很难去控制有铅与无铅完全熔溶的最佳温度.只能在调整炉温时以最重要的元件去考虑如何设定各温区值.在BGA/IC等芯片级元件焊接正常后去观察其它元件的变化,再做适当的调动.』20SMT回流焊接分析●手机主板制造工艺控制（此内容保留，属个人观点）手机主板制造工艺中，不良率较高的现象主要体现在J类（连接器元件尺寸较大）、I类（屏蔽盖内BGA/IC）、滤波器、音频供放（小型BGA\QFN)假焊、连焊;整体来讲，以上不良产生的本质原因是温度的差异所造成的。PCB在过炉时因元件大小不一，各元件吸热不同，会出现各元件升温速率不同，J类PCBPAD升温速率大于元件引脚升温的速率，焊膏内的助焊剂会快速地浸润PCBPAD最终导致焊料和整个PAD润湿过程。I类屏蔽盖设计会造成焊盘的热容量变大，导致升温滞后，出现润湿过程不同步；元件尺寸及焊盘大小差异很大时,需要一定的升温速率和恒温区域来保障二者同时达到某一工艺温度的需求21热风炉充氮气优点：氮气保护时生成氧化物的可能性大大减小;•降低峰值温度；•氮气中焊点光亮无污点，残留程度较小；•增加了锡膏润湿性，减短了润湿时间，可以消除一些无铅工艺的不利影响，增大工艺窗口；•氮气中减少细间距材料桥连的可能；•氮气增加锡膏焊接润湿角，焊角减小，过渡更圆滑、产生更小的结晶组织，可靠性更强。SMT回流焊接分析22四、回流焊接工艺及调试运输速度从生产效率的角度来看，炉子的速度愈快，单位时间炉内通过的产品数量越多。但考虑到元件的耐热冲击性以及每一种炉子的热补偿能力，运输速度只能是在满足标准锡膏曲线的前提下尽量提升。20406080100120140160180200220240260050100150200250300Temperatur(C)Aktivierungszone50-70Sek.typicalReflowZone50-60Sek.typischPeakTemp.(235-245oC)Vorheizzone40-70Sek.typischVorheizzone=110-150°CoAktivierungszone=150-220°CoReflowZone=220°CoAnstiegstemp.0.5-Aktivierung:50-70sec.Peak:235°C–245°C20sec20secProfil:(SnAgCu)Reflow:50-60sec.10°C10°C10°C10°C23运输速度运输和热补偿性能结合在一起可直接作为一个恒量炉子性能好坏的指标。一般来讲，我们在满足生产正常产量的情况下，炉子的最高温度设定与PCB板面实测温度越接近，我们说这台炉子的热补偿性能好。24对于PCB板来讲，过快或过慢的速度会使元件经历太长或太短的加热时间，造成助焊剂的挥发和焊点吃锡性的变化，超过元件所允许的升温速率也将会对元件造成一定程度的损伤。所以在炉子的运输速度方面，在不同的客户处，我们是在满足标准曲线的前提下，在尽最大可能满足生产要求的前提下，调整出适当的运输速度。AB其次满足元器件升温速率25风速炉体热风马达的转速快慢将直接改变单位面积内的热风流速。在热风回流焊中，风速的高低在某些PCB焊接中可以作为一个可调节的工艺因素，但是在目前的发展趋势下，电子元器件的小型化，微型化在逐步得到广泛的应用，较强的风速将会导致小型元件的位置偏移和掉落炉膛内部。从表面来看，风速的变化会影响炉子的热传导能力，但在实际的生产中，风机马达和加热器的失效才是减少炉膛内相对热流量的主要因素。所以我们在某些程序上牺牲了风机速度的可调节性，但我们保证了生产中不出现掉件状况。0402020126助焊剂在回流焊接工艺中，助焊剂在高温下挥发所产生的烟雾会有一部分残留在炉膛内，过量的残留物累积在炉膛内会堵塞风孔因而导致热交换率的降低或降低冷却器的热交换率。27另外它也会造成气体的流动方式改变，而导致温度的均匀性差，影响焊接的品质造成焊接不良；在制冷方面降低了PCB的冷却速率，造成焊点的性质不良，影响焊点的机械性能，所以炉膛内部的清洁是炉子日常保养的一个重要环节。CRACK28冷焊或焊点暗淡在回流焊接工艺中，焊点光泽暗淡和锡膏未完全融现象的产生本质，原因是润湿性差。当涂敷了焊膏的PCB通过高温气体对流的炉膛时，如果锡膏的峰值温度不能达到或回流时间不足够，助焊剂的活性将不能够被释放出来，，焊盘和元件引脚表面的氧化物和其它物质不能得到净化，从而造成焊接时的润湿不良。OKNGNG29较为严重的情况是由于设定的温度不够，PCB表面锡膏的焊接温度不能达到锡膏内金属焊料发生相变所必须达到的温度，从而导致焊点处冷焊现象的产生。或者讲由于温度不够，锡膏熔融时内部的一些残留助焊剂得不到挥发，在经过冷却时沉淀在焊点内部，造成焊点的光泽暗淡。另一方面，由于锡膏本身性质较差，即使其它的相关条件能够达到曲线的要求，但是焊接后的焊点的机械性以及外观不能达到焊接工艺的要求。引脚上锡不良,机械强度差30冷却在无铅回流焊接工艺中，元件的升温速率与降温速率是两个重要的技术指标。由于无铅焊接的普及，制冷的重要性被日益受到重视。无铅工艺中，由于无铅焊锡的共相区过长，焊点表面易氧化，易产生裂痕；另一方面由于高温状态下的锡与PC