回流焊接温度曲线工艺技术模板.doc
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1、回流焊接温度曲线作温度曲线(profiling)是确定在回流整个周期内印刷电路板(PCB)装配必需经受时间/温度关系过程。它决定于锡膏特征,如合金、锡球尺寸、金属含量和锡膏化学成份。装配量、表面几何形状复杂性和基板导热性、和炉给出足够热能能力,全部全部影响发烧器设定和炉传送带速度。炉热传输效率,和操作员经验一起,也影响反复试验所得到温度曲线。锡膏制造商提供基础时间/温度关系资料。它应用于特定配方,通常可在产品数据表中找到。可是,元件和材料将决定装配所能忍受最高温度。包含第一个温度是完全液化温度(full liquidus temperature)或最低回流温度(T1)。这是一个理想温度水平,在
2、这点,熔化焊锡可流过将要熔湿来形成焊接点金属表面。它决定于锡膏内特定合金成份,但也可能受锡球尺寸和其它配方原因影响,可能在数据表中指出一个范围。对Sn63/Pb37,该范围平均为200 225C。对特定锡膏给定最小值成为每个连接点必需取得焊接最低温度。这个温度通常比焊锡熔点高出大约15 20C。(只要达成焊锡熔点是一个常见错误假设。) 回流规格第二个元素是最脆弱元件(MVC, most vulnerable component)温度(T2)。正如其名所表示,MVC就是装配上最低温度“痛苦”忍耐度元件。从这点看,应该建立一个低过5C“缓冲器”,让其变成MVC。它可能是连接器、双排包装(DIP,
3、dual in-line package)开关、发光二极管(LED, light emitting diode)、或甚至是基板材料或锡膏。MVC是随应用不一样而不一样,可能要求元件工程人员在研究中帮助。在建立回流周期峰值温度范围后,也要决定贯穿装配最大许可温度改变率(T2-T1)。是否能够保持在范围内,取决于诸如表面几何形状量和复杂性、装配基板化学成份、和炉热传导效率等原因。理想地,峰值温度尽可能靠近(但不低于)T1可望得到最小温度改变率。这帮助降低液态居留时间和整个对高温漂移暴露量。传统地,作回流曲线就是使液态居留时间最小和把时间/温度范围和锡膏制造商所制订相符合。连续时间太长可造成连接处过
4、多金属间增加,影响其长久可靠性和破坏基板和元件。就加热速率而言,多数实践者运行在每秒4C或更低,测量怎样20秒时间间隔。一个良好做法是,保持相同或比加热更低冷却速率来避免元件温度冲击。图一是最熟悉回流温度曲线。最初100C是预热区,跟着是保温区(soak or preflow zone),在这里温度连续在150 170C之间(对Sn63/Pb37)。然后,装配被加热超出焊锡熔点,进入回流区,再到峰值温度,最终离开炉加热部分。一旦经过峰值温度,装配冷却下来。温度热电偶安装合适地将热电偶安装于装配上是关键。热电偶或是用高温焊锡合金或是用导电性胶来安装,提供定时检测板温度曲线精度和可反复性工具。对很
5、低数量和高混合技术板,也可使用非破坏性和可再使用接触探头。应该使用装配了元件装配板来经过炉膛。除非是回流光板(bare board),不然应该避免使用没有安装元件板来作温度曲线。热电偶应该安装在那些代表板上最热和最冷连接点上(引脚到焊盘连接点上)。最热元件通常是在板角或板边周围低质量元件,如电阻。最冷点可能在板中心周围高质量元件,如QFP(quad flat pack)、PLCC(plastic leaded chip carrier)或BGA(ball grid array)。其它热电偶应该放在热敏感元件(即MVC)和其它高质量元件上,以确保其被足够地加热。假如用前面已经焊接装配板,则必需从
6、那些热电偶将要安装连接点上去掉焊锡。因为板可能是用Sn63/Pb37焊接,而现在将要用Sn10/Pb90,用后者来简单焊接热电偶将会产生一个“神秘”合金,或一个不能维持测试板所要求多个温度改变合金。在去掉老焊锡后,用少许助焊剂,跟着用少许而足够高温焊锡。假如用导电性胶来安装热电偶,一样步骤去掉下面Sn63/Pb37(或其它合金)。这是为了避免破坏热电偶胶合附着,从而可能造成回流期间托焊。推荐使用K型、30 AWG 热电偶线,最好预先焊接。在安装以后,热电偶引线引到PCB装配后面(相对行进方向)。有些人宁愿用一个接头接在热电偶引线尾沿。这么测量设备可很快连接和分开。开普敦(Kapton)胶带(一
7、个耐高温胶带)用来在合适位置固定热电偶引线。多数回流机器装备有机上作温度曲线软件,许可热电偶引线插在炉子上,实时地从系统显示器幕上跟踪。有些人宁愿使用数据统计设备,和测试装配板一起从炉中经过,以可编程时间间隔从多个热电 偶统计温度。这些系统是作为“运行和读数(run-and-read)”或数据发送单元来使用,许可实时地观察温度曲线。对后者,系统必需不受射频干扰(RFI, radio frequency interference)、电磁干扰(EMI, electromagnetic interference)和串扰(crosstalk)影响,所以当来自发射机数据还没有来时,不会去“猜测”温度。不
8、管用哪一个数据统计器,定时校准是必需。 渐升式温度曲线(Ramp profile)保温区(soak zone)有热机械(thermomechanical)关键性,它许可装配较冷部分“赶上”较热部分,达成温度平衡或在整个板上很低温度差异。在红外(IR, infrared)回流焊接开始使用以来,这个曲线是常见。在加热PCB装配中,SMT早期红外和对流红外炉实际上缺乏热传导能力,尤其是和今天对流为主(convection-dominant)炉相比较。这么,锡膏制造商们配制它们几乎松香温和活性(RMA, rosin mildly active)材料,来满足回流前居留时间要求,尝试降低温度差异(图二)。
9、其次,以对流为关键热机制对流为主(convection-dominant)炉通常比其前期炉含有高得多热传导效率。所以,除非装配元件实在太多,需要保温来取得所期望温度差异,不然回流前保温区是多出,甚至可能是是有害,假如温度高于基板玻璃态转化温度(substrate glass-transition)Tg时间过长。在大多数应用中,渐升式温度曲线(ramp profile)是很好(图三)。尽管有些人认为锡膏助焊剂配方要求回流前保温(preflow soak),实际上,这只是为了能够接纳那些老、现在几乎绝种、对流/IR炉技术。一项最近相关锡膏配方调查显示,大多数RMA、免洗和水溶性材料全部将在渐升式温
10、度曲线上 达成要求要求1。实际上,很多有机酸(OA, organic acid)水溶性配方地使用保温时间也要尽可能小 因为有大量异丙醇含量作为溶剂,它们轻易很快挥发。在使用渐升式温度曲线(ramp profile)之前,应该咨询锡膏制造商,以确保兼容性。即使部分很量大或复杂PCB装配还将要求回流前保温,但大多数装配(即,那些关键在线)将受益于渐升式温度曲线(ramp profile)。实际上,后者应该是怎样锡膏评定程序中部分,不管是免洗,还是水溶性。 氮气环境一个焊接现有问题是相关在回流焊接炉中使用氮气环境好处。这不是一个新问题 最少二分之一十年前安装回流炉被指定要有氮气容器。而且,最近和制造
11、商交谈也显示还有一样百分比存在,尽管使用氮气关键理由可能现在还未被证实。首先,关键是了解使回流环境惰性化是怎样影响焊接过程。焊接中助焊剂目标是从要焊接表面,即元件引脚和PCB焊盘,去掉氧化物。当然,热是氧化催化剂。因为,依据定义,热是不可能从基础温度回流焊接过程中去掉,那么氧 氧化另一元素 经过惰性氮气替换而降低。除了大大地降低,假如没有消除,可焊接表面深入氧化,这个工艺也改善熔锡表面张力。在八十年代中期,免洗焊锡膏成为可行替换品。理想配方是外观可接收(光亮、稀薄和无粘性)、腐蚀和电迁移良性、和足够薄以致于不影响ICT(in-circuit test)针床测试探针。残留很低锡膏助焊剂(固体含量
12、大约为2.1 2.8%)满足前两个标准,但通常影响ICT。只有固体含量低于2.0%超低残留材料才可看作和测试探针兼容。可是,低残留好处伴伴随低侵蚀性助焊剂处理成本代价,需要它所能得到全部帮助,包含回流期间预防深入氧化形成。这个要用氮气加入到回流过程来完成。假如使用超低残留焊锡膏,那么需要氮气环境。可是,多年来,也可买到超低残留焊锡膏,在室内环境(非氮气)也表现得很好。 原来有机可焊性保护层(OSP, organic solderability preservative)在热环境中有效地消失,对双面装配,要求氮气回流环境来维持第二面可焊性。现在OSP也会在有助焊剂和热时候消失,但第二面保护剂保持
13、完整,直到印有锡膏,所以回流时不要求惰性气体环境。氮气回流焊接最古老动机就是前面所提到改善表面张力优点,经过降低缺点而改善焊接合格率即是归功于它。其它好处包含:较少锡球形成、愈加好熔湿、和更少开路和锡桥。早期SMT手册提倡密间距连接使用氮气,这是基于科学试验得出结论。可是,这测试是试验室试验,即,“烧杯试验”和实际生产关系,没有把使用氮气成本计算在内。应该记住,在过去十五年,炉制造商已经花了很多钱在开发(R&D)之中,来完善不漏气气体容器。即使当使用诸如对流为主(convection-dominant)这类紊流空气时,不轻易将气体消耗减到最小,不过有些制造商使用高炉内气体流动和低氮气总消耗,已
14、经达成很低氧气水平。这么做,她们已经大大地减低了使用氮气成本。伴随连接密度增加,过程窗口变小。在这个交接口,在有CSP(chip scale package)和倒装芯片(flip chip)应用中使用氮气是很好确保。 双面回流焊接大家早就认识到SMT一个优点是,元件能够贴装在基板两面。可是,问题立即出现了:怎样将前面回流焊接元件保持在反过来一面上完好无损,假如第二面也要回流焊接?大家已经采取了无数方法来处理这个困难: 一个方法是有胶将元件粘在板上,这个方法只用于波峰焊接无源元件(passive component)、小型引脚晶体管(SOT)和小型引脚集成电路(SOIC)。可是,这个方法包含增加
15、步骤和设备来滴胶和固化胶。 另一个方法是为装配顶面和底面使用两种不一样焊锡合金,第二面锡膏熔点较低。 第三个方法是企图在炉内装配板顶面和底面之间产生一个温度差。可是,因为温度差,基板Z轴方向产生应力可能对PCB结构,包含通路孔和内层,有损耗作用。在有些应用中,即使这种应力可能是有名无实,但还是需要小心处理。 实际上,有更实际处理措施。大家不要低估熔化金属粘性能力 它远比锡膏粘性强。 记住这一点,元件绑解表面积越大,保持它掉落力就越大。 为了决定哪些元件可用作底面贴附和随即“回流”,导出了一个比率,评定元件质量和引脚/元件焊盘接触面积之间关系2: 元件重量(克) 焊盘配合总面积(平方英寸) 这里
16、,第二面每平方英寸克必需小于或等于30。 侵入式焊接(Intrusive Soldering)波峰焊接是一个昂贵工艺,因为伴伴随越来越多对其废气排放研究 这也是工业为何要降低波峰焊接需求一个理由。另一个理由是伴随表面贴装元件(SMD)使用,放用回流焊接传统通孔元件(尤其是连接器)爱好越来越多。取消波峰焊接不仅经济上和制造上有好处,而且消除了一个处理中心,经过降低周期时间和占地面积使得装配线更流畅。从工艺见解来看,PCB降低一次加热过程,这一点对潜在温度损害和金属间增加是很关键。侵入式焊接(即通孔回流through-hole reflow、单中心回流焊接single-center reflow
17、soldering、引脚插入锡膏pin-in-paste,等)是一个表面贴装和通孔元件全部在回流焊接系统中焊接工艺。采取该工艺可降低波峰和手工焊接。这不是一个“插入式(drop-in)”工艺 #151; 因为沉积焊锡用来连接SMD和传统两种元件,控制锡量是必需。有些人用模板(stencil)来将锡膏印刷到孔内。这里,小心是很关键,以确保插入通孔元件引脚不会带走太多锡膏。其它使用者将焊锡预成型结合到工业中,来提供足够锡量给插入元件。可是,这是一个昂贵选择,而且不太适合于自动过程。一个更优异方法是调整围绕电镀通孔周围焊盘直径和几何形状。最关键问题是多少锡量才达成“足够”通孔连接(和“最好”锡膏沉积
18、方法),该工艺还处于试验阶段。侵入式焊接(Intrusive soldering)也要求回流系统比日常多加热能力。工艺中增加通孔元件数量对回流系统热传送效率要求更高。很多混合技术装配复杂表面几何形状要求一个很高热传送系数,以可接收温度差来充足地回流装配。即使大多数对流为主炉可胜任这个任务,在一些装配上一些元件热敏感性可能阻碍其经过回流焊系统。这个情况可能在使用较高熔点无铅焊锡时,变得更富挑战性。可是,对大多数应用,侵入式焊接含有很大吸引力,理所当然应该得到考虑。 结论即使本文关键在量回流焊接上面,但相同标准和通例对其它(选择性)回流工艺,包含激光,全部是可应用。即使回流焊接是一个高要求工艺,但
19、它不是“火箭科技” 必需控制但很可受。合适设备和材料选择,和了解关键热、化学和冶金工艺,将向高合格率焊接工艺迈出一大步。 溅锡影响减到最小罗丝.伯恩逊、大卫.斯比罗里和杰弗里.安卫勒(美) 在回流以后,内存模块连接器“金手指”可能出现溅锡污染,这意味着产品品质和可靠性问题和制造步骤问题。 溅锡只是表面污染一个,其它类型包含水渍污染和助焊剂飞溅。这些影响较小,但因为焊锡飞溅,焊锡已实际上熔湿了“金手指”表面。 “小爆炸” 溅锡有很多原因,不一定是回流焊接时热或熔化焊锡爆发性排气结果。比如,经过观察过程,以确保锡膏丝印时最好清洁度,溅锡问题能够降低或消除。 任何方法,假如使锡膏粉球可能沉积在金手指
20、上,并在回流过程时仍存在,全部能够产生溅锡。包含: 在丝印期间没有擦拭模板底面(模板脏) 误印后不合适清洁方法 丝印期间不小心处理 机板材料和污染物中过多潮汽 极快温升斜率(超出每秒4 C) 在后面原因中,助焊剂猛烈排气可能引发熔化焊接点中小爆炸,促进焊锡颗粒变成在回流腔内空中乱飞,飞溅在PCB上,污染连接器“金手指”。PCB材料内夹住潮气情况是一样,和助焊剂排气有相同效果。类似地,板表面上外来污染也引发溅锡。 溅锡影响 即使大家对溅锡可能对连接器接口有有害影响关注,还没有得到证实,但它仍然是个问题,因为轻微飞溅“锡块”产生对连接器金手指平面破坏。这些锡块是不柔顺,锡本身比金导电性差,尤其是遭
21、受氧化以后。 第一个最轻易消除溅锡方法是在锡膏模板丝印过程。假如这个过程是产生溅锡原因话,那么经过良好设备管理及保养来得到控制,包含合适丝印机设定和操作员培训。假如原因不在这里,那么必需检验其它方面。 水印污染:其根本原因还未完全了解,即使可能包含很多根源。因为已经显示清洁、未加工、无锡膏和没有加元件板,在回流后也会产生水印污染,所以其中包含了很多原因:PCB制造残留、炉中凝结物、干助焊剂飞溅、清洗板残留和导热金变色等。 水印污染常常难于发觉,但其对连接器接口似乎并无影响。实际上内存模块使用者并不关心这类表面污染,常常看作为金变色。 助焊剂飞溅:通常了解为,助焊剂水滴在回流炉中变成空中乱飞,分
22、散和附着在整个板上,包含金手指。有两种理论试图说明助焊剂飞溅:溶剂排放理论和合并理论(丝印期间清洁再次认为有影响,但可控制)。 溶剂排放理论:认为锡膏助焊剂中使用溶剂必需在回流时蒸发。假如使用过高温度,溶剂会“闪沸”成气体(类似于在热锅上滴水),把固体带到空中,随机散落到板上,成为助焊剂飞溅。 为了证实或反驳这个理论,使用热板对样板进行导热性试验,并作测试。使用温度设定点分别为190 C,200 C和220 C。膏状助焊剂(不含焊锡粉末)在任何情况下全部不出现飞溅。可是,锡膏(含有粉末助焊剂)在焊锡熔化和焊接期间一直全部有飞溅。表一和表二是结果。 表一、溶剂排气模拟试验 测试描述 材料 结果
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