电子产业之所以蓬勃发展,是因为表面焊接技术(SMT、SurfaceMount Technology)的发明和精进做出了巨大贡献。另一方面,回流焊Reflow是表面焊接技术中最重要的技术之一。这裡试着说明几个技术和温度设定的问题。
(▲Soaking type典型浸润式回流焊温度曲线)
(▲Slumping type梯度式回流焊温度曲线)
回流焊的温度曲线中包含预热、吸热、回流焊和冷却4个模块。
预热区域Pre-heat zone
预热区域通常指温度从常温上升到150deg。在C左右的区域中,该区域温度缓慢上升,锡糊剂中的溶剂和水分的一部分迅速挥发,电子部件(特别是IC部件)逐渐升温,淮河省为适应后的高温而准备。但是PCB表面的部件的大小不同,吸热裎度也不同,为了避免部件内外或不同部件之间温度不均匀的现象,预热区域的升温速度通常控制在1.5deg。C~3deg;C/sec之间。使预热区域均匀加热的另一个目的是使锡膏中的溶剂适度挥发,使其活性化助焊剂。C上下。
快速升温有助于助焊剂快速实现软化温度,因此助焊剂可以快速扩散至最大区域的焊接点并覆盖,并且可以在实际合金的液体中嵌入若干活化剂。但是,如果升温过快,则由于热应力的作用,陶瓷容量的细微裂纹(micro crack)、PCB受到热不均而变形Warpage、空洞或IC晶片有可能损坏,同时锡膏中的溶剂的挥发速度过快,造成陷落的危险。
较慢的温度上升允许更多溶剂的挥发或气体的逃逸,助焊剂可以接近焊接点,减少扩散和塌陷的可能性。但是,升温过慢的话,会导致过氧化助焊剂的活性降低。
炉的预热区一般占加热通道长度的1/41/3,其滞留时间如下计算:假设环境温度为25deg;C、如果升温梯度为3deg;在C/sec计算中(150-25)/3是42sec,例如升温梯度是1.5deg。在C/sec计算中(150-25)/1.5是85sec。通常,根据组件大小的不同程度调整时间,并且将升温斜率控制为2deg。C/sec以下最佳。
另外,一些不良现象与预热区的升温有关,以下进行说明。
1.汇总:
这主要发生在锡糊剂熔化前的糊状阶段,锡糊剂的粘度随着温度的升高而降低。这是因为随着温度的升高,材料中的分子由于热而更加剧烈地振动。另外,如果温度急速上升,则溶剂(Solvent)没有适当地挥发的时间,粘度会更快地降低。准确地说,温度上升使溶剂挥发,增加粘度,但溶剂挥发量与时间和温度成比例,即给予一定的温度上升,时间长,溶剂挥发量多。因此,升温慢的锡膏的粘度比升温快的锡膏的粘度要高,锡膏也很难嵌入。
2. 锡珠:
急速挥发的气体一起带出锡膏,在小间隙的部件下形成分离的锡膏块,回流焊时分离的锡膏块熔化从部件下方飞出形成锡珠。
3.锡球:
升温过快的话,溶剂气体会从锡高中急速挥发,锡膏会四处飞散。延缓升温的速度可以有效地控制锡球的产生。但是,升温过慢的话,会导致过氧化助焊剂的活性降低。
4.灯芯感应现象:
这种现象是在焊接材料浸湿销后,焊接材料从焊接点区域沿着销上升,焊接点出现焊接材料不足和空焊的问题。这可能是因为在熔融阶段,部件的脚的温度比PCB的垫温度高。PCB可以通过增加底部温度或延长锡膏熔点附近的时间来改善,最好在焊接材料沾湿之前实现部件脚和焊接垫的温度平衡。但是,焊接材料浸湿在焊盘上的话,焊接材料的形状就不容易变化,这种情况也不会受到温度上升速度的影响。
5.湿不良:
一般的润湿不良可以通过减少锡糊剂在预热时吸收过多的热量来改善,这是由于在焊接过程中锡粉过度氧化。理想的回流焊时间必须尽量缩短。如果存在不能缩短加热时间的其他因素,建议采取从室温到锡糊剂熔点的线性温度,从而在回流焊时可以降低锡粉的氧化可能性。
6.虚焊或ldquo;枕头效果rdquo;(Head-In-pillow):
缺焊的主要原因是灯芯的虹膜现象和不湿。灯芯虹膜现象可以参照灯芯虹膜现象的解决方法。如果是不湿的问题,即枕效应,这种现象是部件的脚浸入焊接材料中,但没有形成真正的共金或湿,这个问题通常可以减少氧化来改善,可以参考湿不良的解决方法。
7.墓碑效果及失真:
这是由于部品两端的湿不均,如灯芯感应现象那样,通过延长锡膏熔点附近的时间来改善,或降低升温速度,可以在锡膏熔点之前平衡部品两端的温度。另一个需要注意的是PCB的垫设计,如果明显的大小不同、不对称性或者一个垫有接地ground、未设计热阻thermalthief,则另一个垫没有接地,都很容易在垫的两端出现不同的温度,一个垫先熔化后由于表面张力的拉伸,零部件变得笔直(墓碑),倾斜。
8.空洞Voids:
主要是因为助焊剂中的溶剂或水分急速氧化,在焊接材料硬化之前不会立即释放。
暖气设备
一般将该区域翻译为“浸润区”,通过白老师的纠正,正确的名字被称为“吸热区”,也被称为“活性区”,接近该恒温区的温度通常维持在150plusmn。10deg;在C区域,斜率温度通常为150?190克。在C之间,此时,在焊料糊剂熔化之前,进一步除去焊料糊剂中的挥发性物质,启动活化剂,有效地除去焊料表面的氧化物,PCB表面温度受到热风对流的影响,大小和材质不同的零组件温度能够保持均匀的温度板面温度差△T接近最小值。
PCB的部件简单,复杂的部件不多的情况下,BGA或大的部件容易吸热,或是不容易吸的部件,即部件间的温度容易变得均匀,所以建议使用“倾斜曲线”。现代科学技术进步了,一部分回流焊炉效率高,所有部件的温度都能快速均匀,还可以考虑“梯度曲线”。“斜率曲线”的优点是确保在锡膏熔化锡时所有焊接点同时溶锡,从而达到最佳焊接效果。)
温度曲线的形态接近水平状,回流焊也是评价炉过程的窗口,如果选择能够维持平坦的活性温度曲线的炉,焊接的效果就会提高,特别能够防止立碑缺陷的发生。由于熔解锡不易产生不同的时间差,所以部件的两端也没有应力不同的问题。
恒温区在普通炉的两三个区之间,时间约为60?维持120s,时间过长松香过度挥发,锡膏有过度氧化的问题,回流焊接合时失去活性和保护功能,焊接后出现虚焊、焊点残留物变黑、焊接点不亮等问题。
当该区域的温度过高时,锡膏中的松香((助焊剂)急速膨胀挥发,通常,松香逐渐从锡膏之间的间隙散开,如果松香的挥发速度过快,就会发生气孔、爆锡、锡珠等质量问题。
回流焊区域(Reflow zone
回流焊区域是整个段回流焊的温度最高的区域,通常也称为“液体保持时间(TAL、time abve liquids”。此时,焊料中的锡或镍和焊盘上的铜因扩散作用而成为金属间的化合物Cu5Sn6或Ni3Sn4。以OSP的表面处理为例,当锡膏熔化时,铜层急速润湿,锡原子和铜原子相互渗透到其介表面,初期Sn?Cu合金的结构良好Cu6Sn5,其厚度为1~3mu。回流焊因为是炉内的重要阶段,组装上的温度梯度必须最小,所以TAL必须保持在锡膏製造商所中规定的参数内。产品的峰值温度也在这个阶段达成(组装到炉内的最高温度),时间太长的话Cu3Sn的不良IMC会持续发生。ENIG表面处理的板初始生成Ni3Sn4的IMC,不生成Cu6Sn5。
注意不要超过板上温度敏感元件的最高温度和加热速度。例如,典型地适合无铅製程的平坦容量的最高温度是260deg。C最多只能持续10秒。理想地,为了保证所有部件在炉内都经历相同的环境,所有焊接点应同时以相同的速度达到相同的峰值温度。
回流焊的峰值温度通常取决于焊料的熔点温度和组装部件能够承受的温度。一般的峰值温度应该比锡糊剂的正常熔点温度高约25~30deg。C,终于可以顺利完成焊接工作。如果低于该温度,很有可能导致冷焊或湿敷不良。
冷却区(Cooling zone)
回流焊区域后,冷却产品,使焊接点硬化,然后在PCBA组装的工序淮进行制备。冷却速度的控制也很重要,冷却过快的话组件会损坏,冷却过慢的话TAL,可能会带来脆弱的焊接点。
冷却区域应迅速降温使焊接材料凝固。即使快速冷却,也能得到细的结晶结构,提高焊接点的强度,使焊接点发光,表面可以连续弯曲成月面状,缺点是容易产生孔,一部分气体无法逃走。
相反,在熔点以上缓慢的冷却容易导致过剩的介金属化合物产生以及大的结晶粒子的产生,导致抗疲劳强度降低。採用相对快的冷却速度可以有效地威胁介金属化合物的生成。
在加速冷却速度的同时要注意部件承受冲击的能力。一般容量允许的最大冷却速度约为4deg。C/min。快速冷却速度很可能引起应力的影响而产生裂缝。作为具有部件、焊料、焊锡、焊锡各自不同的热膨胀系数以及收缩率的结果,有时会引起焊锡垫和PCB或者焊锡垫和焊锡点的剥离。一般推荐的降温速度为2~5deg。C/s之间。