回流焊曲线讲解--FLASH

SMT回流焊曲线讲解PETeam2009.06.05目录回流焊接的定义测试回流曲线的意义锡膏的回流过程常见回流曲线分区及其作用如何来设定炉温曲线炉温曲线图解常见回流曲线类型介绍如何利用优化Profile曲线来提高产品制程良率回流焊接定义回流焊接就是使用回焊炉提供一种加热环境,使欲焊接的产品的焊锡膏受热融化,从而让表面贴装的元器件和PCB焊盘通过焊锡膏合金可靠的结合在一起的一种焊接工艺.回流焊接工艺到目前有两种加热模式,热风对流和红外线加热.测试回流曲线的意义⑴测试Profile是为某种PCB装配确定正确的工艺设定。⑵检验工艺的连续性，以保证可重复的结果，通过观察PCB在回流焊接炉中的实际温度（温度曲线），可以检验和纠正炉子的设定，以达到最终产品的最佳品质。⑶保证最终PCB装配的持续质量，降低报废率，提高PCB生产率和合格率。锡膏的回流过程1.用于达到所需粘度和丝印性能的溶剂开始蒸发，温度上升必需慢(大约每秒3°C)，以限制沸腾和飞溅，防止形成小锡珠，还有，一些元件对内部应力比较敏感，如果元件外部温度上升太快，会造成断裂.当锡膏至于一个加热的环境中，锡膏回流分为五个阶段2.助焊剂活跃，化学清洗行动开始，水溶性助焊剂和免洗型助焊剂都会发生同样的清洗行动，只不过温度稍微不同。将金属氧化物和某些污染从即将结合的金属和焊锡颗粒上清除。好的冶金学上的锡焊点要求“清洁”的表面。3.当温度继续上升，焊锡颗粒首先单独熔化，并开始液化和表面吸锡的“灯草”过程。这样在所有可能的表面上覆盖，并开始形成锡焊点。4.这个阶段最为重要，当单个的焊锡颗粒全部熔化后，结合一起形成液态锡，这时表面张力作用开始形成焊脚表面，如果元件引脚与PCB焊盘的间隙超过4mil，则极可能由于表面张力使引脚和焊盘分开，即造成锡点开路。5.冷却阶段，如果冷却快，锡点强度会稍微大一点，但不可以太快而引起元件内部的温度应力常见回流曲线分区及其作用常规的曲线由四个部分或区间组成，分别是预热区,恒温区,融锡区和冷却区,其中,前面三个区都是加热区、最后一个区为降温区。炉子的温区越多，越能使温度曲线的轮廓达到更准确和接近设定。大多数锡膏都能用四个基本温区成功回流,达到理想的焊接效果.预热区也叫斜坡区,用来将PCB的温度从周围环境温度提升到所须的活性温度.在这个区,产品的温度须以0.5~3°C/sec的速度连续上升。温度升的太快会引起某些缺陷，如陶瓷电容的细微裂纹；溶剂来不及挥发，造成slump效应，此时锡膏尚为固态状态，加上助焊剂成为一固、液态混合物，锡珠和坍塌效应比较容易产生，而温度上升慢，锡膏会感温过度，炉的预热区一般占到整个加热通道长度的25~33%此段温度点主要取决于溶剂的挥发温度以及松香的软化点。活性区该区有时叫做浸湿区，这个区一般占加热通道的33-50%，它有两个功用，第一是将PCB在相当稳定的温度下感温，允许不同质量的元件在温度上同质，减少它们的相对温差。第二个功能是，允许助焊剂活性化，挥发性物质从锡膏中挥发。一般普遍的活性温度范围是120~150°C。有时叫做峰值区或最后升温区。这个区的作用是将PCB装配的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度。活性温度总是比合金的熔点温度低一点，而峰值温度总是在熔点上。典型的峰值温度范围是有铅:205~230°C，无铅:230~250°C,这个区的温度设定太高会使其温升斜率超过每秒2~5°C，或达到回流峰值温度比推荐的高。这种情况可能引起PCB的过分卷曲、脱层或烧损，并损害元件的完整性。回流区理想的冷却区曲线应该是和回流区曲线成镜像关系。越是靠近这种镜像关系，焊点达到固态的结构越紧密，得到焊接点的质量越高，结合完整性越好。此区推荐降温斜率1slope4度/秒,降温斜率越大,焊点越光亮,硬度也越大,容易产生锡裂异常,降温斜率越小,焊点越灰暗,硬度也越小,影响产品外观.冷却区1.制作温度曲线第一个需要考虑的参数是传输带的速度，该设定将决定PCB在加热通道所花的时间。常规的锡膏制造厂参数要求3~4分钟的加热曲线，用总的加热通道长度除以总的加热感温时间，即为准确的传输带速度，例如，当锡膏要求四分钟的加热时间，使用六英尺加热通道长度，计算为：6英尺÷4分钟=每分钟1.5英尺=每分钟18英寸。2.制作温度曲线第二个需要考虑的参数是各个区的温度设定，相临两个温区的设定温差不能超过60°C,单个温区的最高温度—有铅产品不能超过280°C,无铅产品不能超过300°C.3.设置好炉温,待炉温达到预设温度后,使用相关测温板和测温仪器进行测试,每项参数必须符合相关产品的工艺要求,如果达不到相关工艺要求需要从新优化.设定锡膏回流温度曲线方法曲线图解常见回流焊接炉温曲线⑴升温--保温--回流（RSS）俗称”保温型温度曲线”升温--保温--回流（RSS）俗称“保温型温度曲线”。保温区的唯一目的是减少或消除大的ΔT，保温应该在装配在达到焊锡回，流之前，把装配上所有零件的温度达到均衡，使所有的零件同时回流。适用于RMA或免洗化学成分，但一般不推荐用于水溶化学成分，因为RSS保温区可能过早地破坏锡膏活性剂，造成不充分的润湿。开始以一个陡坡升温，在90秒内达到150°C，最大速率可达，2~3°C/秒，随后在150~170°C间，将装配保温90秒，保证所有类型元件都达到横温，保温区后，进入回流区，在183°C以上回流60（+/-15）秒。并在210~220°C的峰值阶段持续35~40秒钟。最后冷却速率控制在4°C/秒左右。一般，较快的冷却速率可得到较小的颗粒结构和较高的强度和较亮的焊点，可是超过4°C/秒会引起温度的冲击，应该避免！保温型温度曲线常见回流焊接炉温曲线⑵升温--到--回流（RTS）俗称“帐篷型温度曲线”帐篷型温度曲线升温--到--回流（RTS）俗称“帐篷型温度曲线”,RTS可用于任何化学成分及合金，为水溶锡膏和难于焊接的合金与零件所首选，而且随着电子装配趋势的发展，微型、甚至超微型电子的普遍推广，RTS是必然的首选，如果PCB上存在较大ΔT，例如电源板的变压器、众多的连接器，或工序中使用了夹具或效率低的回流焊炉，那么RTS可能不为适当的温度曲线选择。简单的说，RTS是一条从室温到回流峰值的温度渐升曲线，RTS曲线升温区是预热，在这里助焊剂被激化、挥发物被挥发、并防止温度冲击，RTS典型的升温速率为0.6~1.8°C/秒。升温的最初的90秒应尽可能保持线性。常见炉温异常的排除方法锡珠（Solderbead)锡珠一般是一颗或一些大的焊锡球，通常出现在片状电阻或电容旁边或密间距芯片引脚周围。产生原因:锡膏印刷过量、被焊体可焊性差、升温过慢等,过慢的升温速度，引起毛细管作用，将未回流的锡膏回吸到元件下面，而后在回流期间，这些锡膏熔融，这时由于不同面积的表面张力及其差力的剪切力，这些液态锡被挤出并聚集在元件旁边。解决方案：适当提高升温斜率，分段尝试，直到解决为止。锡球（SolderBall)锡球一般是一些大的焊锡球，通常出现在焊盘边沿，它跟锡珠是有本质区别的，锡珠往往只有一颗出现在CHIP件等的本体边上，而锡球往往有好几颗，而且是在焊盘旁或测试点上.发生原因:过快的升温速度，导致锡膏内助焊成分及少许水分来不及挥发，在进入熔融阶段导致锡爆产生，微小的融金颗粒爆离在焊盘周围，而后有牵引力和张力使其聚拢，形成锡珠。解决方案：适当降低升温斜率，拉长预热时间，分段尝试，直到解决为止。立碑（Tombstone)立碑一般出现在0402、0603元件较多,元件一端与PCBPAD良好焊接而另一点没有形成焊接。产生原因:它通常是不相等的溶湿力的结果，使得回流后元件在一端上站立起来,从而产生立碑现象。解决方案：我们可以通过将被焊组件在炉腔内以145°C--150°C的温度预热1-2分钟，然后在汽相焊的平衡区内再预热1分钟左右，最后缓慢进入饱和蒸汽区焊接.桥接（Bridge)桥接，俗称短路，它是指原本不相导通的两个或几个电极或电路由于种种原因相互导通了。发生原因:也是多种多样的。过快的预热升温斜率。温度与锡膏的自身粘度是成正比的，过快的升温斜率，使得锡膏粘度在瞬间减低，引起塔陷；同时也容易因为锡爆而短路。解决方案：保证炉温在预热区的斜率控制在0.5-3.0°C/S不浸润（Poorwetting)不浸润，也叫润湿不良或润湿不均匀。总锡量正常，但未充分润湿焊盘或被焊者的焊接面，它也是有多种原因造成的,炉温曲线方面体现在:回流时间过长，或过于平缓的冷却斜率。回流时间过长及降温时间过长、斜率过慢，都容易引起二次氧化，从而导致成品焊点光洁度不够、甚至浸润不良。解决方案：一般目前常用的锡膏和炉温都将合金熔点以上的回流时间控制在60--90秒之间，冷却速率控制在4°C/S以下，基本上绘制的炉温曲线通过最高Peak顶点画射线为抛物线中心线，则回流区的上升曲线与冷却的下降曲线成镜象线即可。空洞（Voiding)空洞，指的是在正常的锡点内存在的气泡或杂质的空隙。空洞缺陷用目视检查法是比较困难的，通常使用X--RAY或5D/3DX进行切片分析后可以得到论证。空洞引起的危害也是非常大的，空洞达到一定尺寸后容易引起锡裂，小型的空洞也会降低产品的使用稳定性。发生原因:不当使用RSS保温类型曲线，过长的恒温时间，反复氧化。解决方案：降低Profile起始温度，适当使用RTS温度曲线，缩短恒温时间到最小，减少二次氧化概率，减少清氧残渣。缩短预热到回流的时间，普通的产品可以将炉温曲线从预热到熔融优化成接近直线的曲线，意其预热--共温--润湿--共晶连续直线完成，但不建议其斜率超过2.5°C/S反浸润（Dewetting)反浸润，也叫反润湿或灯芯作用。它是指焊锡在熔融后，并不润湿被焊的两介质，只是依附在其一。发生原因:预热到熔融间的温度上升过于平直，稍大的元件与不同厚度的PCB或偏厚的PCB未与不同元件做到衡温。解决方案：优化Profile，在原先RTS的基础上让175--183°C间保留一小平台，使得材料与PCB达到共温。结论SMT炉温曲线的设置与优化，要根据产品性质、辅料特性、设备性能等等的因素来综合进行！没有最好，只有更好、更合适，关键在于要有方向感地去尝试；归纳、比对、探讨与总结结果！