SMT关键工序-再流焊工艺控制

SMT关键工序-再流焊工艺控制内容1.再流焊定义2.再流焊原理3.再流焊工艺特点4.再流焊的分类5.再流焊的工艺要求6.影响再流焊质量的因素7.如何正确测试再流焊实时温度曲线8.如何正确分析与优化再流焊温度曲线9.双面回流焊工艺控制10.再流焊炉的维护11.SMT焊接质量与常见的焊接缺陷分析及预防对策1.再流焊定义•再流焊Reflowsoldring，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。•印刷•注射滴涂•电镀•预制焊片•高速机•多功能高精机•异形专用机•手工贴片•热板•红外•热风•热风加红外•气相再流焊110℃130℃155℃185℃240℃250℃90℃PCB入口出口100℃130℃155℃185℃240℃250℃90℃传送带速度：60cm/min温度℃焊接时间峰值温度210~2301831501.2~3.5℃/s100冷却区＜2℃/s0.55~1℃/s＜4℃/s升温区预热区回流区时间min60~90s60~90s30~60s60~90s助焊剂浸润区（快速升温区）63Sn-37Pb铅锡焊膏再流焊温度曲线2.再流焊原理从温度曲线分析再流焊的原理：当PCB进入升温区（干燥区）时，焊膏中的溶剂、气体蒸发掉，焊膏软化、塌落、覆盖了焊盘，将焊盘、元件焊端与氧气隔离；PCB进入保温区时，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；在助焊剂活化区，焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元件焊端，并清洗氧化层；当PCB进入焊接区时，温度迅速上升使焊膏达到熔化状态，液态焊锡润湿PCB的焊盘、元件焊端，同时发生扩散、溶解、冶金结合，漫流或回流混合形成焊锡接点；PCB进入冷却区，使焊点凝固。此时完成了再流焊。3.再流焊工艺特点(a)自定位效应（selfalignment）—当元器件贴放位置有一定偏离时，由于熔融焊料表面张力作用，当其全部焊端或引脚与相应焊盘同时被润湿时，在表面张力作用下，自动被拉回到近似目标位置的现象；自定位效应（selfalignment）再流焊前再流焊后再流焊中(b)每个焊点的焊料成分与焊料量是固定的•再流焊工艺中，焊料是预先分配到印制板焊盘上的，每个焊点的焊料成分与焊料量是固定的，因此再流焊质量与工艺的关系极大。特别是印刷焊膏和再流焊工序，严格控制这些关键工序就能避免或减少焊接缺陷的产生。4.再流焊的分类1)按再流焊加热区域可分为两大类：•a对PCB整体加热；•b对PCB局部加热。2)对PCB整体加热再流焊可分为：•热板再流焊、红外再流焊、热风再流焊、热风加红外再流焊、气相再流焊。3)对PCB局部加热再流焊可分为：•激光再流焊、聚焦红外再流焊、光束再流焊、热气流再流焊。整体加热再流焊局部加热再流焊热丝回流焊热气流回流焊激光回流焊感应回流焊inductioncoileddycurrentHFcurrent储能回流焊传热的三种基本方式热传导、热对流和热辐射•传导——热板、热丝再流焊、气相再流•对流——热风、热气流再流焊•辐射——激光、红外、光束再流焊•实际情况下，所有传导方式都以不同的比例同时存在！实际情况下，所有传导方式都以不同的比例同时存在！•实际传热过程一般都不是单一的传热方式，如火焰对炉壁的传热，就是辐射、对流和传导的综合，而不同的传热方式则遵循不同的传热规律。为了分析方便，人们在传热研究中把三种传热方式分解开来，然后再加以综合。•热风炉是热对流和热传导的结果，还存在少量热辐射•红外炉主要是热辐射，也存在少量热对流和热传导在全热风回流焊炉中BGA：只有周边焊球有热对流，中间焊球主要是热传导红外炉与热风炉•红外炉主要是辐射传导，其优点是热效率高，温度陡度大，易控制温度曲线，双面焊时PCB上、下温度易控制。其缺点是温度不均匀。在同一块PCB上由于器件的颜色和大小不同、其温度就不同。为了使深颜色器件周围的焊点和大体积元器件达到焊接温度，必须提高焊接温度。•热风炉主要是对流传导。其优点是温度均匀、焊接质量好。缺点是PCB上、下温差以及沿焊接炉长度方向温度梯度不易控制。汽相回流焊(VPS)接技术原理：将含有碳氟化物的液体加热至沸点（约215℃）汽化后产生蒸汽。利用蒸汽做为传热媒介。将完成贴片的基板放入蒸汽炉中，通过凝结的蒸汽将热量（潜热）传递热量进行焊接。•先在烘箱中预热130～150℃→放下吊篮VPS中20～40s→吊篮上升加热器碳氟化物液体冷却水控温系统（7～15℃）2级或3级冷凝管过虑净化系统立式VPS炉原理示意图回流蒸汽温度215℃覆盖层蒸汽温度47～48℃适合批量生产传送带流水式汽相回流焊炉汽相回流焊的优缺点优点：（汽相回流焊可能成为无铅回流焊的一种选择）•温度控制准确，并可以采用不同沸点的加热介质满足各种产品不同的焊接温度。•无氧环境，整个SMA温度均匀，不受元件布局影响，焊接质量好，适用于航天、军工等高可靠和复杂产品。最早用于厚膜电路。•热转换效率高，可快速加温。缺点：•成本高（材料损失，设备成本高，被焊接的SMA需要预热）。•覆盖层蒸汽是透明无色的，目视检查困难。•较易发生立碑和吸锡等问题。•可能会产生有毒气体，例如氢氟酸（HF）及多种氟稀类物质。5.再流焊的工艺要求1)设置合理的温度曲线并定期做温度曲线的实时测试。2)要按照PCB设计时的焊接方向进行焊接。3)焊接过程中严防传送带震动。4)必须对首块印制板的焊接效果进行检查。•检查焊接是否充分、焊点表面是否光滑、焊点形状是否呈半月状、锡球和残留物的情况、连焊和虚焊的情况。还要检查PCB表面颜色变化等情况。并根据检查结果调整温度曲线。•在整批生产过程中要定时检查焊接质量。高质量＝高直通率＋高可靠（寿命保证）•不提倡检查-返修或淘汰的-贯做法，更不容忍错误发生。•任何返修工作都可能给成品质量添加不稳定的因素。再流焊质量要求返修的潜在问题返修工作都是具有破坏性的…特别是当前组装密度越来越高，组装难度越来越大尽量避免返修，或控制其不良后果！返修会缩短产品寿命过去我们通常认为，补焊和返修，使焊点更加牢固，看起来更加完美，可以提高电子组件的整体质量。但这一传统观念并不正确。6.影响再流焊质量的因素•再流焊是SMT关键工艺之一。表面组装的质量直接体现在再流焊结果中。但再流焊中出现的焊接质量问题不完全是再流焊工艺造成的。因为再流焊接质量除了与焊接温度（温度曲线）有直接关系以外，还与生产线设备条件、PCB焊盘和可生产性设计、元器件可焊性、焊膏质量、印制电路板的加工质量、以及SMT每道工序的工艺参数、甚至与操作人员的操作都有密切的关系。影响焊接质量的主要因素(1)PCB设计(2)焊料的质量：合金成份及其氧化程度无论有铅、无铅都应选择共晶或近共晶焊料合金(3)助焊剂质量(4)被焊接金属表面的氧化程度（元件焊端、PCB焊盘）(5)工艺：印、贴、焊（正确的温度曲线）(6)设备(7)管理(1)PCB焊盘设计对再流焊质量的影响SMT的组装质量与PCB焊盘设计有直接的、十分重要的关系。如果PCB焊盘设计正确，贴装时少量的歪斜可以在再流焊时，由于熔融焊锡表面张力的作用而得到纠正（称为自定位或自校正效应）；相反，如果PCB焊盘设计不正确，即使贴装位置十分准确，再流焊后反而会出现元件位置偏移、吊桥等焊接缺陷。正确的焊盘图形结构是实现优良焊点的基本条件主焊点•Chip元件焊盘设计应掌握以下关键要素：•a对称性——两端焊盘必须对称，才能保证熔融焊锡表面张力平衡。•b焊盘间距——确保元件端头或引脚与焊盘恰当的搭接尺寸。•c焊盘剩余尺寸——搭接后的剩余尺寸必须保证焊点能够形成弯月面。•d焊盘宽度——应与元件端头或引脚的宽度基本一致。••BSA——焊盘宽度•AB——焊盘的长度•G——焊盘间距•GS——焊盘剩余尺寸•矩形片式元件焊盘结构示意图a当焊盘间距G过大或过小时，再流焊时由于元件焊端不能与焊盘搭接交叠，会产生吊桥、移位。图7焊盘间距G过大或过小b当焊盘尺寸大小不对称，或两个元件的端头设计在同一个焊盘上时，由于表面张力不对称，也会产生吊桥、移位。图8焊盘不对称，或两个元件的端头设计在同一个焊盘上c导通孔设计在焊盘上，焊料会从导通孔中流出，会造成焊膏量不足。不正确正确印制导线图9导通孔示意图举例1：矩形片式元器件焊盘设计(a)0805、1206矩形片式元器件焊盘尺寸设计原则•L•W•H•BT•A•G•焊盘宽度：A=Wmax-K•电阻器焊盘的长度：B=Hmax+Tmax+K•电容器焊盘的长度：B=Hmax+Tmax-K•焊盘间距：G=Lmax-2Tmax-K•式中：L—元件长度,mm；•W—元件宽度,mm；•T—元件焊端宽度,mm；•H—元件高度(对塑封钽电容器是指焊端高度),mm；•K—常数，一般取0.25mm。a)焊盘中心距等于引脚中心距；b)单个引脚焊盘设计的一般原则Y=T+b1+b2=1.5~2mm（b1=b2=0.3～0.5mm）X=（1~1.2）W•c)相对两排焊盘内侧距离按下式计算（单位mm）：•G=A/B-K•式中：G—两排焊盘之间距离•A/B—元器件壳体封装尺寸•K—系数，一般取0.25mmG举例2：QFP设计总则•SOJ与PLCC的引脚均为J形，典型引脚中心距为1.27mm；•a)单个引脚焊盘设计（0.50～0.80mm）×（1.85～2.15mm）；•b)引脚中心应在焊盘图形内侧1/3至焊盘中心之间；•c)SOJ相对两排焊盘之间的距离（焊盘图形内廓）A值一般为5、6.2、7.4、8.8(mm)；•d)PLCC相对两排焊盘外廓之间的距离：•J=C+K（单位mm）•式中：J—焊盘图形外廓距离；•C—PLCC最大封装尺寸；•K—系数，一般取0.75。举例3：SOJ与PLCC的设计总则(2)焊膏质量、及焊膏的正确使用对再流焊质量的影响•焊膏中的金属微粉含量、颗粒度、金属粉末的含氧量、黏度、触变性都有一定要求。焊膏质量•如果金属微粉含量高,再流焊升温时金属微粉随着溶剂、气体蒸发而飞溅；•颗粒过大，印刷时会影响焊膏的填充和脱膜；•如金属粉末的含氧量高，还会加剧飞溅，形成焊锡球，同时还会引起不润湿等缺陷；•另外，如果焊膏黏度过低或焊膏的保形性（触变性）不好，印刷后焊膏图形会塌陷，甚至造成粘连，再流焊时也会形成焊锡球、桥接等焊接缺陷。焊膏使用不当•例如从低温柜取出焊膏直接使用，由于焊膏的温度比室温低，产生水汽凝结，再流焊升温时，水汽蒸发带出金属粉末，在高温下水汽会使金属粉末氧化，飞溅形成焊锡球，还会产生润湿不良、等问题。焊膏的正确使用与管理a)必须储存在2~10℃的条件下；b)要求使用前一天从冰箱取出焊膏，待焊膏达到室温后才能打开容器盖，防止水汽凝结；c)使用前用不锈钢搅拌棒将焊膏搅拌均匀，搅拌棒一定要清洁；d)添加完焊膏后，应盖好容器盖；e)免清洗焊膏不能使用回收的焊膏，如果印刷间隔超过1小时，须将焊膏从模板上拭去。将焊膏回收到当天使用的容器中；f)印刷后尽量在4小时内完成再流焊。g)免清洗焊膏修板后(如果不使用助焊剂)不能用酒精檫洗；h)需要清洗的产品，再流焊后应当天完成清洗；i)印刷操作时，要求拿PCB的边缘或带手套，以防污染PCB。j)回收的焊膏与新焊膏要分别存放(3)元器件焊端和引脚、印制电路基板的焊盘质量对再流焊质量的影响•当元器件焊端和引脚、印制电路基板的焊盘氧化或污染，或印制板受潮等情况下，再流焊时会产生润湿不良、虚焊，焊锡球、空洞等焊接缺陷。解决措施•措施1：采购控制•措施2：元器件、PCB、工艺材料的存放、保管、发放制度•措施3：元器件、PCB、材料等过期控制（过期的物料原则上不允许使用，必须使用时需要经过检测认证，确信无问题才能使用）(4)焊膏印刷质量•据资料统计，在PCB设计正确、元器件和印制板质量有保证的前提下，表面组装质量问题中有70%的质量问题出在印刷工艺。少印粘连塌边错位合格印刷图形与回流焊质量的关系保证贴装质量的三要素：a元件正确b位置准确c压力（贴片高度）合适。(5)贴装元器件正确不正确贴片压力（吸嘴高度）吸嘴高度合适吸嘴高度过高吸嘴高度过低（H等于