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利用斜升式溫度曲線縮短回流焊時間

上網時間: 2001年09月29日  打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:thermal profile  溫度曲線  reflow  回流焊  solder paste 

我們熟悉的回流焊溫度曲線包括預熱、浸潤、回焊和冷卻四個部份,製程工程師們對此早已耳熟能詳並深信不疑,但這些過程是不是都一定是必須的呢?本文作者在此提出一種新思路,採用斜升式溫度曲線取消浸潤區,不僅能保持焊點的品質,還能顯著縮短回流焊時間。

設定溫度曲線就是確定PCB組件在回流焊過程中所必須經歷的一個溫度-時間關係,這種關係由焊膏特性決定,如焊料合金成分、錫粉顆粒尺寸、金屬含量以及焊膏中的化學成分等。對具體裝配組件而言,為達到所要求的溫度曲線,回流焊爐各溫區溫度和傳送速度的設定還必須考慮產品的大小、表面形狀複雜性及基板的熱傳導性能,同時也要考慮爐子能否提供足夠的熱能。爐子的熱傳遞效率及作業者經驗則只會影響到達溫度曲線前反覆實驗的次數。

針對某種使用的焊膏其溫度-時間關係通常都由製造商提供,一般在產品資料上可以找到。畢竟焊膏是製造商的配方,他們知道什麼樣的溫度曲線才能使之充分回焊。

裝配組件能承受的最高溫度是它上面所有零件或材料耐溫值的最低值,將這個溫度減去5℃可作為產品的最易受損溫度T2(MVC),回焊時溫度不能超過該值。組件上溫度的最大梯度為MVC減去合金熔化的液態溫度T1,該溫度也是理想的潤濕、回流焊或完全液化溫度,它一般比合金熔點高20到25℃。

既然回流焊的最高溫度範圍已經確定,那麼也就能夠定出產品允許的最大溫度梯度(T2-T1)。能否讓溫度曲線處在這個範圍之內取決於產品的大小、表面形狀複雜性、基板成分及所用爐子的熱傳遞效率。理想的狀態是希望溫度梯度盡量小,同時峰值溫度盡可能接近T1,以縮短液態保持時間和產品在高溫中的停留時間。

按傳統做法,回流焊溫度曲線的設定就是要讓液態保持時間最短,並與焊膏製造商要求的溫度-時間關係相符。液態保持時間太長會導致焊點內部合金過度生長,對焊點的長期可靠性造成影響,並使基板和元件性能下降。對於溫升速率,很多業內人士採用每隔20秒取一點的方式進行量測,溫升應在每秒4℃或更低。一個比較好的做法是使冷卻速率和加熱速率一樣或更低,以免對元件造成熱衝擊,也即爬升的速度與下降的一樣。

常見回流焊溫度曲線如圖1。前面100℃左右的加熱區是人們常說的預熱區,接下來板子進入回焊前的浸潤區,溫度基本保持不變(對Sn63/Pb37焊膏而言約為150∼170℃),最後,組件進入溫度高於熔點的回焊區,到達峰值溫度然後離開爐子加熱區域。藉由峰值溫度以後,板子進入到冷卻區。

十多年以前,當時任職泰瑞達的製程工程師Rob Rowland便對溫度曲線中大多數人認為理所當然的浸潤區提出了質疑,浸潤區對獲得良好焊點真的是不可缺少嗎?回焊前的浸潤區從熱機械角度來看有其重要性,它可使板子上溫度較低的部份能夠趕上溫度較高的部份達到溫度均衡,並降低板子的溫度梯度。

自從紅外線回流焊出現後,它就成為回流焊製程的主流,在對PCB組裝件加熱時,紅外爐和對流/紅外爐與汽相式傳導焊接相比在傳熱能力上不是很夠。因此焊膏製造商在設計焊膏的配方時要適應這個停留時間,最初是用中等活性樹脂(RMA)。

不過那時,我們正處於回流焊技術大變革的前夕,熱風對流(強制對流)爐已開始出現,這種爐主要採用對流傳熱,比它們的前代產品熱傳遞效率要高得多。所以我們都認為,除非組裝件非常非常大,需要浸潤區來得到希望的溫度梯度,否則為何一定要用這樣的曲線模式?為何不直接從預熱區直接爬升到回焊區?如圖2所示的溫度曲線那樣?

如今各廠家已全面使用強制對流爐,再使用“升溫-浸潤-回焊”溫度曲線就顯得有點本末倒置。很多人相信焊膏中的助焊劑配比要求有一個浸潤區,但實際上它只是為了適應舊的那種幾乎不再應用的對流/紅外爐。拿起任何一本有關表面貼裝製造的所謂權威性書籍,甚至包括最近的版本,他們仍不假思索地將“舊標準”的升溫-浸潤-回焊曲線畫在?面,因此謬誤一直在延續。

最近對一個回流焊數據記錄儀製造商進行了一項研究,所要求的溫度曲線都是為北美和歐洲主要供應商提供的焊膏而設計的。正如預料的那樣,市面上大多數RMA、免清洗和水溶性配方焊膏都能用斜升曲線達到焊接性能。實際上很多有機活性(OA)水溶性配方焊膏還希望浸潤時間盡可能短,它們的溶劑大部份是異丙醇,所以溶劑能夠很快地蒸發掉。幾年以前用過一種流行的OA配方焊膏,在對流/紅外爐中採用有浸潤區的溫度曲線效果非常好,但是完全一樣的溫度曲線使用在強制對流回焊爐時卻產生了大量的不熔和焊球。改用斜升式溫度曲線後,不僅使客戶得到極好的焊接效果,還節省了一分鐘的回流焊製程時間。

你是否也應該試著在你的產品上使用斜升式溫度曲線呢?應該先同焊膏製造商確認一下,如果能相容,則不妨一試。一些非常大或非常複雜的PCB裝配產品仍然需要浸潤區,但是對大多數其它產品和大多數爐子而言,都可以從斜升式溫度曲線中獲益。因此在對任何焊膏進行評估時,不管它是免清洗型還是水溶性,都應該把能否適用斜升式溫度曲線作為評估的一部份。

對於希望提高產量來說,斜升式溫度曲線可以使回流焊時間減少一到兩分鐘,也就是說減少百分之二十的回焊時間。而令人感到神奇的是縮短這些時間不需要任何代價,使用現有的機器而無須做任何改裝。另外其好處還遠胜過速度的提高,因為它同時縮短了玻璃環氧基板在玻璃轉換溫度之上停留的時間,可防止PCB基板性能下降並降低翹曲的可能性,而且你還會發現焊點良率也在提高。

[Circuits Assembly]




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