焊接工艺技术模板.doc
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1、 3、焊接 基础冶金学和波峰焊接趋势 波峰焊接 - 还是可行 在波峰焊接优化中关键参数 电装工艺改善“短插一次波峰焊”工艺实践 电子组件波峰焊接工艺 片状元件波峰焊接难题 波峰焊接连续改善方法 分析无铅波峰焊接缺点 电子装配中超声喷雾出现和成长 打破焊接障碍 再流焊温度曲线统计器研究和应用 怎样设定锡膏回流温度曲线 得益于升温-到-回流回流温度曲线 Process Parameters Optimization For Mass Reflow Of 0201 Components 柔性电路脉冲加热回流焊接 开发通孔回流焊接工艺 穿孔回流焊一个新型焊接技术 下一代回流焊接技术 焊接工艺使用氮气理
2、由 SMT中氮气气氛下焊接 使用聚焦白光选择性焊接 基础培训:手工焊接 手工焊接和返修工具 选择性自动激光装配 焊接技术 Soldering 焊接技术 Soldering(2) 将溅锡影响减到最小 基础冶金学和波峰焊接趋势By Jason M. Smith本文介绍,为了使波峰焊接在电子工业中完全被接收,冶金学者、工业和主管机构必需一起工作,进行广泛研究。 自从开始,波峰焊接一直在不停地进化。在焊接中包含基础冶金学原理已经被很多非冶金人士所忽略,她们为了寻求满足今天要求和愈加环境友好合适材料。为了决定和了解对波峰焊接工艺中被广泛接收焊锡作“插入式”替换理论基础,作部分研究是必需。所以在这里有必需
3、回顾一下基础冶金学原理,开发和了解为未来提议使用替换材料。 波峰焊接进化从二十年代到四十年代,连接是使用焊接烙铁连线方法。印刷电路板(PCB)发展需要一个愈加经济和稳健形成焊接连接方法。最早大规模焊接概念是在英国浸焊(dip soldering)。在八十年代,开发出被称为波峰焊接概念。这个方法今天还广泛使用,不过机器和操作员控制已经变得愈加好了。焊接基础仍然是相同。焊接形成只是改变来满足设备要求;可是,化学成份和理论动力学还是基础和简单。附着方法基础上只需要助焊剂,热和焊锡,以形成冶金连接。助焊剂用来清洁需要焊接、已被氧化表面。加热去掉助焊剂载体和降低温度冲击,将增加热量加给组成电路装配非类似
4、材料。在一个装配上发觉材料包含:塑料、陶瓷、金属、涂料、化学品及其广泛不一样化学成份。大规模波峰焊接使用为元件可焊性提出一个关注问题,因为需要第一次就产生合适连接,并在装配上不进行返修,今天产品不如过去那些较不复杂装配那么宽容。需要第一次就正确形成可靠焊接点来经受PCB所暴露环境。在确保合适信号传输、消除串音和不可接收垂直波比同时,必需分析每一个情况中引发温度和机械应力。1最早浸焊方法有部分问题:极难重新产生所期望合格率;将板放在熔化焊锡上在底下夹住气体,干扰热传导和焊锡接触;焊锡只能熔湿(wet)到金属表面;锡渣(氧化物和燃烧助焊剂化合物)必需撇去,不停地阻碍生产2。这一整套问题造成波峰焊接
5、引入。该方法使用从锡锅升起熔化焊锡波或大块表面来汇合PCB,然后PCB从波上传送过去。波峰焊接缩短二分之一以上接触时间。传送带系统通常在一个角度上,所以当板经过波峰时,不会夹住任何东西在PCB下面。这么倾斜也许可熔化焊锡脱落进入锡锅,降低相邻焊接点之间桥接。因为熔化金属是从熔化池表面之下泵出,只有清洁、无氧化金属引入装配。 焊接动力学当产生一个焊接点时所发生反应在原理上是基础。焊锡合金加热到其液相线区域,以提升焊接点熔湿(wetting)。氧化物从金属表面去掉,以确保焊接点和带有助焊剂熔化焊锡之间清洁接触。然后助焊剂预热从PCB去掉助焊剂溶剂(通常为水或酒精)。需要增加热量来克服PCB和熔化焊
6、锡池之间温度差。加热PCB来赔偿温差差,不对元件引发伤害。PCB有必需暴露金属区域,从波峰上经过。焊锡以合适接合和熔湿角度熔湿到金属。表面能量和接触角度决定熔化焊锡对暴露金属附着。假如固体表面能量相当高于液态和固体/液态界面表面能量总和,那么液态熔湿并流走。毛细管作用使焊锡达成PCB圆形电镀孔顶面。在部分系统中,氮气惰性化焊接环境用来提升熔湿/毛细管作用。这些孔通常连接装配中等电路层,表明:1、液体在毛细管空间上升高度伴随表面分开降低而增加。 2、进入焊点流动速度伴随表面分开降低而降低。冶金学原因对焊锡连接相关键和常常是关键影响3。熔化焊锡在焊锡铅和加入形成连接熔化焊锡之间形成金属间化合层。在
7、冷却以后,保持焊接点。 金属间化合形成和增加直到连接冷却到能够处理,金属间化合层还在增加。增加速度是和在特定温度时间平方根和温度指数成线性。这说明增加是经过交互原子向界面扩散来控制。这个金属间化合层通常是 1 mCu6Sn5。Cu来自于PCB连接面,而Sn来自于焊锡合金。金属间化合物含有从金属和共价键混合物升起特征。这些键因为有高分子而强度高。所以,自扩散系数和更大扩散控制特征稳定性是强键结合和有序结构结果4。这个接合对连接是好,直到其增加完全支配焊接点特征;这时,这么焊点对装配就是有害。焊接材料今天,波峰焊接工艺首选合金是共晶(eutectic)合金: Sn63/Pb37,因为其价格和可取得
8、量。Sn提供连接特征,而Pb是作为填充材料使用。产量增强要求使用快速固化和能够在几秒钟内形成数百焊接点材料。给共晶焊锡一般名称是令人误解。指定组成成份不是真正共晶成份。共晶成份按重量百分比是61.9%Sn,图一所表示。这个 差异来自于早期对共晶成份错误计算。更高Sn含量合成物不能调整成本增加和电子装配性能改善之间关系。只有当装配使用在腐蚀性环境时,成本才调整过来。在冶金学上,焊锡可看作是组成二元合金纯金属简单混合。其合金图是二元合金系统经典图,适适用于基础冶金学原理。正如所料,当偏离共晶时,多种合金特征是不一样。伴随合金中Sn含量降低,液化温度增加、密度增加、硬度降低、温度膨胀系数(CTE)增
9、加、温度和电气传导性降低。非共晶成份当考虑非共晶合金时,假设由+共晶组成,从图二扛杆定律支配比值。有实例证实,没有树枝状晶体出现固化是可能,整体微结构符合共晶。合成物是一个平均成份。怎样在非共晶合成物中取得共晶结构?固化冷却速率快于转化动能。当超出固体可溶性极限成份在室温下冷却时,相平均成份结核。转换固相转化动能被固体转变远远超出。当室内空气冷却固溶体时,剩下液体可能经历共晶反应,在室温下在非共晶成份中给出共晶微结构。当共晶成份纯二元液体冷冻时,形成固体平均成份和液体是一致。据报道,在片之前没有溶质集结和结构集结,在片之前溶质耗损。这些溶质轮廓可产生结构过冷,尽管这个现象不是平面不稳性充足条件
10、5。在微结构中,有时使用名词微组元(microconstituent)是方便,即,含有可确定和有特征结构微结构元素。在图二中,关键微组元颗粒结核,形成共晶微组元百分率大于焊锡合金当量条件。伴随波峰焊接机器中焊锡锅长时机运行,暴露给全部金属焊锡可能含有和原来不一样作用。氧化和金属间化合形成伴随时间改变着焊锡锅中成份,也改变了特征。温度设定点必需改变和监测,以控制可能因为锡锅合金成份冶金改变而出现缺点。 无铅波峰焊接世界上,大约每十二个月使用60,000吨焊锡。即使电子装配不是关键使用者,但还是有世界范围日益增加对降低铅使用关注,因为其毒性和再生利用处理不妥6。转换到无铅不是被工业所广泛接收。在电
11、子装配中消除铅关键理由 是机器操作员环境暴露。锡渣副产品处理可能对环境有严重影响,假如处理、运输、再生不妥话。假如不遵照合适卫生要求,对铅烟雾呼吸和手工焊接时直接接触也相关键影响。对要接收无铅替换品,必需提供下列: 有足够数量起源 和现有工艺可兼容 足够熔化温度 良好焊点强度 热和电传导性类似Sn/Pb 轻易修理 非毒性 低成本 很多企业正在开发适宜替换合金,作为“插入式”替换品,以遵守欧洲和日本法令。这些法令提议到在装配中降低铅,到消除铅。 在北美国家电子制造协会(NEMI, National Electronics Manufacturing Initiative)目标是到用生产无铅替换品
12、能力装备北美。该组织正计划和其它机构联合为其可制造性开发标准,其它机构方向集中在选择替换品,编写世界范围数据库和搜集材料特征数据。 工艺上关注问题 国际锡研究协会(ITRI, International Tin Research Institute)创办了SOLDERTEC,一个无铅焊接技术中心,来传输前缘信息和收缩可利用选择。 表一列出合金和多个选择,分别以一到十来表示好坏。 表一、焊锡合金比较* Sn/3.5Ag Sn/Ag/Cu Sn/Ag/Cu/Sb Sn/0.7Cu Sn/Bi/Ag Sn/Zn/Bi 过程温度 5 3.5 3.5 6 2 1 焊角耸立阻力 2.5 2.5 2.5 2
13、.5 5.5 5.5 可焊性 4 2 3 5 1 10 可处理性 3 1.5 1.5 5 4 10 可靠性 3 1.5 1.5 4 5 6 可再生性 2.5 2.5 2.5 2.5 5 6 成本 4.5 4.5 4.5 1.5 4.5 1.5 可利用性 1.5 3 4 1.5 5 6 总分 26 21 23 28 32 46 * 本表为SOLDERTEC所准许 所相有合金在得到接收之前全部必需考虑下面原因。 在制造产品中使用材料 当在运行中使用产品时材料消耗 在制造产品和过程中使用能量 在产品寿命终止时可再生性和反复利用性 在包含材料提取、制造和报废/再生整个生命周期中辐射 在制造废料流中可再
14、生性 Sn/0.7Cu合金选作波峰焊接工艺应用材料,关键是因为其低金属成本和起源。该提议替换金属金相图图三所表示。在极度富锡区域,0.7%重量铜有一个共晶点,这使得这种合金和用于当今装配中现有材料兼容。固化类似于在Sn/Pb共晶合金系统中见到。铜和锡两种金属全部是起源丰富,该二元系统降低当使用三元合金成份时出现低熔化相。 规格冶金学者很想知道当多种金属开始在熔化焊锡锅中累积时候发生什么,集合体特征将受到怎样影响。很高量污染可看作第三元素。有集团已经开始提议污染限制,在这个限定之内,还能够提供可接收焊接结果,而无须完全了解在微结构上发生什么事情。发觉引发大多数负作用不纯净金属是那些金属,它们或和
15、Sn在合金中形成金属间化合物或以特征改变方法来改变合金成份。不纯净能够和加入低三元素产生一样影响,大家发觉这么会降低焊锡熔湿(wetting)特征。 结论在对所提议焊锡替换合金冶金学研究方面有很多工作要做。对焊接应用工业标准共晶焊锡研究已经开展多时,大部分能够接收。可是,这似乎对那些不可避免要出现新时期焊接合金不一定是正确。回到冶金学基础上面来是未来估计系统方法,因为寻求更环境友好材料动力是政府法规所追求和所要求。冶金学者、工业和政府机构必需携手合作,找出更稳健处理方案。 波峰焊接 - 还是可行By Les Hymes本文介绍,新材料、设计、程序和态度正重新燃起对这个成熟工艺爱好。波峰焊接,作
16、为批量焊接技术长久伙伴,可能已经不会得到象回流焊接那么多注意了。可是,它继续得到和其复杂性克服一起而来尊重,这个复杂性是经过所包含变量输入数量和类型来权衡。伴随产品设计和技术进化,作为对新工艺需求反应,波峰焊接继续以良好结果适应和完成新任务。达成这个工艺表现是因为新材料、设计、程序和态度。结果,对问题和由这个“陈旧但良好”工艺所提供处理方案爱好还在 继续。对该工艺输入最近在现场碰到尤其关注是和底面装配表面贴装电阻元件和顶面安装连接器桥接相关焊接问题。在焊接方向线上间隔近焊盘桥接是存在多时一个问题。在很多情况中,把焊盘从方形到圆形设计转变可降低或处理该问题。另一个方法,使用非活性、靠近在线最终焊
17、盘后面“掠锡”焊盘常常达成目标。两种方法全部从熔化焊锡表面张力和能力平衡着手。对于方形焊盘,当焊盘离开熔化焊锡时,焊锡不能够展现一个低能量外形。焊锡从平整边缘断开,造成桥接。掠锡焊盘为焊锡提供一个“断开”地方,或许预防了危害。这个方法假设了足够元件和印制线路板(PWB, printed wiring board)可焊性和受控上助焊剂、预热和焊接工艺。锡膏-通孔(PIH, pin/paste-in-hole)工艺是用来降低在制造部分混合技术装配中工艺步骤一个方法。和该方法经验表明,使用PIH工艺消除波峰焊接温度巡回通常是有好处。其中一个优点是消除了大通孔(through-hole)连接器所出现桥
18、接。高密度安装混合技术装配增加,驱使很多工艺创新。特制“点”或“面”波峰焊接设备数量越来越多。选择性焊接托盘(pallet)现在更广泛地用于传统波峰焊接机器上。这些托盘针对那些在装配底面上有已经焊接、大型、温度敏感有源元件、球栅阵列(BGA, ball grid array)和QFP(quad flat pack)通孔元件。对于进化和较旧两种PWB设计,新不一样可焊性保护剂正得到波峰焊接和回流焊接工艺亲眛。传统热风焊锡均涂(HASL, hot air solder leveling)工艺,即使通常对焊接性能有好处,但和进化设计和工艺存在一个问题。在进入PWB中,可能在阻焊层(solder re
19、sist)中吸收HASL助焊剂残留物对免洗工艺是有问题。要求用来从小通孔中清除过量焊锡空气压力,或在涂镀两个表面上压力差,有时引发面和面之间HASL涂层厚度不一样。这个不一样可能造成在部分要焊接表面特征上很薄涂层。可能回造成不足可焊性和不满意焊接表现,甚至当使用有侵蚀性焊接助焊剂。为了达成在任何焊接工艺中低缺点率,PWB和元件端子表面最终涂层全部必需提供持久可焊性。涂层必需经受焊接之前储存时间和环境,和数次温度巡回而不退化。在焊接工艺中短熔湿(wetting)时间要求用来表面元件损伤和部分焊接缺点。因为PWB为每个焊接连接提供表面二分之一,它必需表现出连续和足够可焊性特征。有机可焊性保护剂(O
20、SP, organic solderability preservative)和多种经过电解和浸镀工艺施用金属涂料在很多情况中证实是最满意。任何使用可焊性保护剂全部必需连续地满足装配和焊接工艺需求和所要求产品可靠性。助焊剂、上助焊剂和预热图一中所说明,助焊剂用来提升能量水平,改善要焊接表面可熔湿性。用来焊接电子助焊剂范围从侵蚀性强有机酸到传统松香基材料到弱有机酸,低残留物、低活性、免清洗助焊剂。松香基助焊剂可能在侵蚀性上改变很大,取决于卤化物类型和含量。侵蚀性水溶性强有机酸助焊剂残留物必需经过焊接以后清洗来去掉。有些松香基材料残留物能够留在焊接装配上。松香包围活性剂,所以预防反应,这种反应可能
21、使装配可操作性降级。松香对活性剂含量比率可决定活性剂密封有多好。今天使用大多数免洗波峰焊接助焊剂是基于弱有机酸配方,琥珀或脂肪酸用乙醇或水作溶剂。装配操作环境关键决定是否免洗助焊剂能够留在装配上。当清洗装配密度高装配时,从部分元件之间和下面清除全部助焊剂残留物是困难。低残留物助焊剂因为留下残留物对电路危害可能性很小。她们留下少数较良性残留物。所以,免洗助焊剂可能是一个好选择,甚至是必需清洗。注意,使用低残留物助焊剂,可焊性特征必需是好。这些助焊剂不提供较高活性材料所含有对可焊性差帮助。对于成功波峰焊接,应用助焊剂涂层必需是均匀,厚度上受控。为了有效,助焊剂必需渗透孔内和涂在引脚上。一个喷雾上助
22、焊剂装置,跟着空气刀,提供确保在要焊接表面均匀施用助焊剂正确数量最有些和受控方法。空气刀帮助将助焊剂流到孔内,在装配上更均匀地分布助焊剂,并帮助去掉过多材料。在经过波峰焊接之前预热装配,有多个理由。第一,提升要焊接表面温度,所以从波峰上要求较少温带能量,这么有利于助焊剂/表面反应和愈加快速焊接。预热也降低对元件温带冲击,当元件暴露在忽然温度梯度下时可能被减弱或变成不能运行。第三、预热加紧挥发性物质从装配上蒸发速度。这些挥发性物质关键来自于助焊剂,但也可能来自较早操作、储存条件和处理。挥发物在波峰上出现可能引发焊锡飞溅和在装配上锡球。控制和了解加热速率、在波峰焊接各个阶段温度、和在给定温度或以上
23、时间长度对于达成和在生产良好焊接结果是关键。确保助焊剂出现 - 在合适时间正确地激发和保持直到装配离开波峰 - 不能过分担心。预热必需将装配带到足够高温度,以提供正在使用特殊助焊剂活性化。多数助焊剂供给商公布推荐温度上升率和最大/最小顶面和底面预热温度。对于任何装配,最好时间/温度曲线是取决于很多原因,而不是助焊剂化学成份。这些原因包含板设计、在波峰上接触长度、焊锡温度、锡波速度和形状。部分助焊剂和两步升温表现最好,结合一个活性化和反应保温或稳定阶段方法。其它则推荐一个连续升温,这常常和特殊助焊剂固体含量相关。对于任何助焊剂,不足预热时间和温度将造成较多残留物留下,或许活性不足,造成熔湿(we
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