手工无铅焊接控制过程

ProcessControlwithLeadFreeHandSolderingJoeCurcioOKInternational手工无铅焊接控制过程讨论的题目手工焊接的过程控制传统的Pb-Sn含铅焊料的手工焊接目前的PbFree无铅手工焊接必须重新考虑的特殊性焊接的热能量的讨论如何确保手工焊接的过程控制焊接要达到的目的形成可靠的焊点(产品可靠性Reliability)产品废品率低(Yield,minimizerejects)生产效率高(Productivitythroughput)所有上述三点的获得均与焊接的过程控制有紧密联系PbFree无铅焊接的控制参数要求更严格正确的焊接温度(ProperConnectionTemperature)MIL-STD/IPCRuleofThumb(美军标)焊点的温度为焊锡溶点温度加40C(72F),烙铁头停留在焊点的时间为2-5秒钟焊锡+40C(MP)+72F(MP)60/40223C(183C)433F(361)Sn3.8Ag0.7Cu257C(217C)495F(423)Sn0.7Cu267C(227C)513F(441)LFrequirementis52Fto70Fhigher无铅焊接的温度比有铅焊接高出52Fto70F焊接过程焊接过程是热能量从热源向被焊物的热能量转移过程(从烙铁头通过焊锡,助焊剂,管脚形成热能量转移)1.加热的烙铁头接触焊盘和焊锡烙铁头上存储的热能量传递给焊盘,被焊物的管脚和焊锡升温到焊接温度关注点:一旦烙铁头接触到焊盘,其存储热能量的供应是非控制的.2.助焊剂活化区(FluxActivationPhase)热能量传递到焊盘,助焊剂开始活化,开始去除被焊物上的氧化层使确保能够形成很好的焊接润湿过程关注点:存储热能量过大将瞬间烧掉助焊剂,焊接过程没有助焊剂活化区3.形成合金焊点区(IntermetallicBondFormationPhase)热能量继续传递给被焊物直到温度达到焊锡溶点温度加上40°C焊锡在被焊物表面流动,填充间隙形形成合金焊点关注点:是否使用的烙铁加热体能够补充失去的存储热能量的同时不产生温度过冲4.降温区(CoolDownPeriod)烙铁头从被焊物离开关注点:操作人员是否能掌控在3-5秒中离开焊盘是需要充足的焊接经验的.如何形成热能量源加热体热能量HEATERSourcedEnergyTipPlacedonPadThermalEnergyDemandFullyStoredThermalEnergyCondition1:SystematIdlet=0Condition2:SystematInitialPadContactt0TipUn-TerminatedNoThermalEnergyFlowHEATERSourcedEnergyTransferringStoredThermalEnergy•热能量源(ThermalEnergySources)–加热体,烙铁头存储能量•在闲置时,系统对烙铁头存储热能量•存储热能量=f(烙铁头金属密度,烙铁头设置的闲置温度)此时存储热能量传递到焊点,加热体热能量开始对被焊物补充热能量状态1.烙铁头处闲置状态状态2.烙铁头接触被焊物瞬间状态烙铁头没有接触被焊物体时烙铁头接触被焊物体时加热体热能量存储的热能量传递的热能量给出加热体热能量时(HeaterEnergyatt0)T=0(Tipcontactspad)OptimumStoredEnergyExcessiveStoredEnergyLargeTiporTooHighIdleTempTimeHeaterPower最佳的存储热能量过量的存储热能量,过大的烙铁头密度和过高的设定的闲置温度烙铁头接触焊盘时间加热体热能量助焊剂活化区FluxActivationZone形成手工焊接的回流焊曲线焊接回流焊接区助焊剂活化区传递的第一部分热能量=烙铁头存储的热能量(热能量值取决于烙铁头密度和设置的烙铁头闲置温度)温度时间3-5秒钟传递给焊盘的加热体能量(HeaterEnergyTransfertoPad)T=0(Tipcontactspad)OptimumStoredEnergyPadConnectionTemperaturePadTemperatureFluxActiveZoneExcessiveStoredEnergyLargeTiporTooHighIdleTempTimeHeaterPower焊盘温度过量的存储热能量由于过大的烙铁头密度和过高的设置闲置温度最佳的烙铁头存储热能量焊盘温度时间加热体热能量回流焊和合金焊点形成区Reflow&Inter-metallicZone形成手工焊接的回流焊曲线形成焊锡回流焊接并保持一定时间形成合金焊点需要可控制的加热体热能量输出给焊盘助焊剂活化区温度时间3-5秒钟正确的焊接过程助焊剂活化区回流焊接区3-5秒钟PAD(LOAD)TemperatureGradientCURIEPOINTHEATER12nInfiniteTemperatureSensorsandControlLoopsPAD(LOAD)EnergyGradientTHERMALENERGYFLOWMPUControlHEATERControlPointTempSensorSensorFeedbackSolderingPointThermalEnergyDemandENERGYFLOWOperatorSetPointFundamentalDefiningEquation:T2-T1(temperaturedifference)=PowerXRt(ThermalResistance)TipIdleTemperatureControlTechnology:T2=HeatertemperatureT1=Sensortemperature(Note-Padtemperatureispredicted&secondary)Result=SystemrespondstoSensorTemperature(temperaturegradient)&AppliedPowerdefinedbygeneralizedCPUalgorithmPower(ThermalEnergy)ControlTechnology:T2=TH1….THn=InfinitelayersofHeatertemperaturecontrolloops(eachrespondingtoanincrementaltempdifference)T1=PADtemperaturedirectlyResult:SystemrespondstoPadThermalEnergyDemand&AppliedPowerisdirectlyrelatedtoPadtemperaturerequirementENERGYFLOWSolderingPointThermalEnergyDemandControlPointThermalDemand温度梯度变化闲置温度控制技术:T2=加热体温度,T1=传感器测量温度(注释:焊盘温度是预测和估计的)结果:系统控制是根据传感器温度(温度梯度和多大功率补充是CPU取样控制结果)设置闲置温度传感器反馈焊点所需热能量温度控制点焊点所需热能量所需热能量温度控制点能量的梯度变化功率(热能量)技术:T2=是很薄的磁性材料形成原子级温度控制单对焊盘温度进行热能量输出反馈T1=焊盘的温度结果:系统对焊盘热能量的需求量进行反馈,热能量的供应是根据焊盘的需求供应的.公式定义:T2-T1(温度差别)=Power(热能量)xRt(热阻)THERMALPOWERCONTROL751752753754755756757758750102030405060708090TEMPERATUREFPWRHTRPWRTIPPADCERAMICHEATERTHERMOUCOUPLEIDLECONTROL721722723724725726727728720102030405060708090TEMPERATUREFHTRTIPPADREFLOW433C传统陶瓷加热体温度控制式烙铁功率控制式烙铁烙铁头温度加热体温度加热体温度烙铁头温度焊盘温度焊盘温度总结:Pb-Sn有铅与PbFree无铅的过程控制存储热能量的烙铁头接触到焊盘时存储的热能量以失控的状态将热能量立即供给焊盘助焊剂活化区氧化层被清掉,改善焊接润湿合金焊点形成区焊点温度上升到焊锡溶点加40°C焊锡回流焊形成合金焊点降温区焊点冷却soldersolidifies无铅焊接和有铅焊接的焊点形成方式无变化,但焊锡的溶点不同:高溶点(从183°C上升到217°C)造成损坏的最高温度没有变化(~290°C)因此,焊接的加工窗口变小了烙铁头存储能量和加热体热能量传递给焊盘的过程T=0(Tipcontactspad)HeaterPowerPadConnectionTemperatureStoredEnergyCombinationStored+HeaterEnergyHeaterEnergyPadTemperature存储热能量存储和加热体热能量加热体热能量加热体热能量焊盘温度焊盘的焊接温度曲线Pb-Snvs.SACProcessWindow0501001502002503003504004500123456FR-4PadDelaminationZoneExcessiveEnergyFailZoneInsufficientEnergyFailZoneSACFluxActiveZone60-40FluxActivZone60-40OptReflowZoneLowEnergyFailZoneSACOptReflowZonePb-SnProcessWindowSACProcessWindowPb-SnSAC有铅加工窗口,接回流焊无铅加工窗口,回流焊红色区代表PCB损坏粉色区代表器件损坏绿色区代表回流焊区表示助焊剂活化区虚线代表焊锡溶点温度无铅曲线有铅曲线PbFree–无铅焊接的过程控制步骤1:-助焊剂活化区FluxActivationControl目的:控制烙铁头上存储的热能量(最佳为在进入助焊剂活化区时消耗掉大部分存储的热能量)控制两个基本因素:烙铁头的选择–使存储热能量在进入助焊剂活化区时及时消耗掉烙铁头闲置温度的设置危险性在盲目提高闲置温度(造成de-wetting,tiplife,board&componentrisks)步骤2–形成合金焊点区的控制(ReflowControl)目标:控制加热体热能量的传递控制的基本因素:烙铁头几何形状的正确选择–确保最大化的使热能量从烙铁头能快速传递给焊盘注意烙铁头的保养–确保烙铁头同焊盘能够有效传递热能量烙铁应该采用热能量控制型–确保能够满足最佳热能量的传递对烙铁系统的技术要求确保能够对每个焊盘提供所需要的热能量而同时热能量不要超过加工窗口系统的热能量控制是根据焊盘所需要的热能量,而不时通过中间温度传感器的温度判断得出的热能量结论.系统取保能够有很好的热能量传导特性烙铁头设计同时满足助焊剂活化和形成合金焊点烙铁头密度应该适合储存最佳的存储热能量烙铁头几何形状提供最佳的热能量传递给焊盘TOOLOWTOOHIGHINCREASINGTEMPERATURE接触温度Connection(NotTip)TemperatureOptimumtime-temptoactivateflux&causewetting适宜的时间和温度活化助焊剂达到润湿Highenoughtomeltsolder&forminter-metallic充足的温度使焊料熔化形成合金焊点LowenoughtoavoiddamagetocomponentsandPCBs低温可以避免构成或PCB破坏Thermalenergytransfermanagementiscritical热量传导的