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小型台式回流焊炉温度曲线设置指导
作者:管理员    发布于:2013-12-13 11:51:13    文字:【】【】【
摘要:红外回流焊接是SMT生产中十分重要的工艺过程,它是一种自动群焊过程,PCB上所有的焊点在短短几分钟之内一次完成,其焊接质量的好坏直接影响到产品的质量和可靠性,对于大多数电子产品,焊接质量基本上决定了产品质量。

为了保证焊接质量,关键就是设置好回流炉的温度曲线,面对一台新的小型台式回流炉,如何尽快设置合理的温度曲线呢?这就需要首先对回流焊接原理有充分的了解,其次对所使用的锡膏中金属成分与熔点、活性温度等特性有全面的了解,对回流炉的结构,包括可控加热段数、每段加热时间、可控最高温度、热风循环路径、加热器的大小及控温精度等有一个全面的认识,以及对焊接对象——表面贴装组件(SMA)尺寸、PCB层数、元件大小及元件分布有所了解。

本文将从分析回流焊接的工艺原理入手,结合典型的焊接温度曲线,详细地介绍如何正确设置小型台式回流炉的温度曲线。

.回流焊接原理:

焊接学中,根据焊料的熔点,钎焊分为软钎焊和硬钎焊,熔点高于450℃的焊接为硬钎焊,熔点低于450℃的焊接为软钎焊。钎焊是采用比焊件(被焊接金属,或称母材)熔点低的金属材料作为钎料,将焊件和钎料加热到高于钎料熔点,低于焊件熔化温度,利用液态钎料润湿焊件,填充接头间隙并与焊件表面相互扩散实现焊接的方法。目前我们采用的回流焊都属于软钎焊。

在回流焊工艺中,一个完整焊点形成的过程如下:

1.表面清洁

随着温度上升,焊锡膏中溶剂逐渐挥发完全,助焊剂开始呈现活化作用,清理焊接界面,清除PCB焊盘和元件焊接端子上的氧化膜和污物。

2.活化润湿

随着温度继续上升,助焊剂的活化作用提升,助焊剂沿着焊盘表面和元件焊接端子扩散,润湿焊接界面。

3.锡膏熔化

随着温度上升到锡膏熔点,金属分子具备一定的动能,熔融的液态焊料在金属表面漫流铺展。

4.形成结合层

熔融的液态焊料在短时间内完成润湿、扩散、溶解,通过毛细作用和冶金结合,形成结合层,即IMC(金属间化合物)。

5.冷却凝固

随着温度下降到焊料的固相温度以下,焊料冷却凝固后形成具有一定机械强度的焊点。整个焊接过程完成。 

.理想温度曲线

1是常用无铅锡膏(SAC305)理想的红外回流温度曲线,它反映了SMA在整个回流焊接过程中PCB上某一点的温度随时间变化的曲线,它直观反映出该点在整个焊接过程中的温度变化,为获得最佳焊接效果提供了科学的依据。该曲线由五个温度区间组成,即升温区,预热区,快速升温区,回流区和冷却区,大部分焊锡膏都能用这五个温区成功实现回流焊。

 

 

1 理想温度曲线

 

详细了解各温区的温度、SMA受热时间以及锡膏在各温区的变化情况,有助于更深入的理解理想温度曲线的意义。

1.升温区

升温区通常指从室温(25℃)上升到160℃左右的区域,在这个加热区域SMA平稳受热升温,焊锡膏中的溶剂缓慢挥发,各种元件尤其是IC元件缓慢升温,以适应后面焊接温度的要求。但是PCB上元件大小不一,各种元件的温度上升速度也不完全一样,所以在升温区温度上升的速度要求控制在0.5—2.0℃/s,推荐速度在1.0—1.5℃/s

如果升温速度过快,由于热应力作用,可能会导致陶瓷电容产生细微裂缝、PCB变形、IC芯片损坏,同时焊锡膏中的溶剂挥发过快,导致锡珠不良发生。

如果升温速度太慢,SMA及各种元件的温度不足,导致焊接时锡膏无法润湿元件产生虚焊,同时焊锡膏中溶剂不能完全挥发,在回流区爆沸产生锡珠。

2.预热区

预热区又称保温区,指温度从160℃上升到180℃左右的区域,焊锡膏中残留的溶剂挥发完毕,焊锡膏中的助焊剂活性随着温度的上升而逐渐增强,将PCB焊盘和元件端子表面的氧化物和污物清除。SMA缓慢升温,不同大小,不同材料的元件基本保持相同的温度上升速度。

PCB在预热区的加热时间在40—70秒左右,温度上升速度在0.5℃/s以下。

如果加热时间太短,焊锡膏中的溶剂没有完全挥发,回流焊时会爆沸产生锡珠。

如果加热时间太长,助焊剂活性消失后还没有进行回流焊,在焊接时容易产生润湿不良,同时焊锡膏金属颗粒容易氧化,出现锡珠。

3.快速升温区

快速升温区是指温度从180℃上升到锡膏熔点(217℃)的区域,在此区域,SMA在10—20秒内迅速上升到焊接温度,温度上升速度要求大于2℃/s。焊锡膏也迅速升温接近熔化状态。

4.回流区

回流区是指温度从217℃上升到240℃,然后逐渐下降到217℃的区域。在回流区,焊锡膏熔化成液态,并迅速润湿焊盘,随着温度的进一步升高,焊料表面张力降低,焊料沿元件引脚爬升,形成一个弯月面。此时焊料中的锡与PCB焊盘上的铜形成金属间化合物,锡原子与铜原子在其界面上相互渗透,初期Cu-Sn合金的结构为Cu6Sn5,厚度约为1—3um,如果回流时间过长,温度过高,铜原子进一步渗透到Cu6Sn5中,其局部组织将从Cu6Sn5变成Cu3Sn,前者合金焊接强度高,导电性好,而后者则呈脆性,焊接强度低、导电性差,所以要抑制Cu3Sn产生。

 

如果SMA在回流区时间过长或温度过高会造成PCB板面烧焦、起泡,以致损坏元件。SMA在理想的温度下回流,PCB颜色能保持原貌,焊点光亮。在回流时,焊锡膏熔化后产生的表面张力能适度校准由于贴片过程中引起的元件引脚偏移,同时也会由于焊盘设计不合理引起多种焊接不良,如“立碑”,“桥联”等。

回流区的最高温度为240±5℃,SMA在回流区停留的时间为50—60秒。

5.冷却区

加热程序运行到冷却区后,焊点迅速降温,焊料凝固。焊点迅速冷却可以使焊料晶格细化,结合强度提高,焊点表面光亮,表面连续成弯月面。冷却区的降温速度要求大于4℃/s.QHL360小型台式无铅回流焊采用强制排热降温,降温速度可以达到8℃/s. 

.如何正确设置回流温度曲线

1.测试工具

在开始设置温度曲线之前,需要准备温度测试仪,以及与之相匹配的热电偶,高温焊锡丝、高温胶带和待测的SMAQHL360小型台式回流炉自身带有温度测试仪,在控制面板上可以清楚的看到炉腔内温度的变化,使得测试温度曲线非常方便。不过为了对应不同的SMA,需要使用不同的测温样板,使用专用的热电偶,这类测试仪所用的小直径热电偶,热量小、响应快,测量结果精确。

2.热电偶的位置与固定方法

热电偶究竟焊接在何处?如何焊接?原则上是对热容量大的组件焊盘处要设置热电偶,此外,对热敏感器件的外壳,PCB空档处也应该设置热电偶,以观察版面温度分布状况。

将热电偶固定在PCB上最好的方法是用高温焊锡膏(Sn96Ag4)焊接在所需测量温度的地方,也可以使用高温胶带固定,不过效果不如用高温焊锡膏固定的好。根据SMA的大小以及复杂程度,在PCB上对称的设置5个或者以上的热电偶,就可以准确的了解SMA板面的受热情况。

3.锡膏性能

为了正确的设置回流温度曲线,对所使用的锡膏的性能参数也是必须考虑的因素之一。首先是合金的熔点,回流区的最高温度是根据合金的熔点确定的,即高于合金熔点3040℃。其次还要考虑锡膏的活性温度及持续时间,以便于设置预热区的温度和持续时间,保证回流焊接时助焊剂仍然保持较好的活性。

4.回流炉的结构

对于初次使用的小型台式回流炉,应首先了解炉子的内部结构及加热特点,看看有几个加热温度段,每个加热段能最多持续多长时间,最高能达到多少温度,热电偶放置的位置,热风形成特点,风速如何调节,热风循环路径等。了解这些关键参数,对设置回流温度曲线有很大帮助。

使用QHL360小型台式回流炉时,SMA处于全静止状态,各温区的加热时间完全由加热程序决定,能给每个加热区域确定准确无误的加热时间。 

.各区温度设置

QHL360回流炉仪表显示的温度仅代表个加热器内热电偶所在位置的温度,并不完全等于SMA板面上的温度。每台回流炉出厂之前都进行了严格调试,显示温度与SMA板面上的温差在3以内,基本可以以显示温度为依据。

QHL360回流炉总共有20段可控加热区域,每段加热时间最大为9999秒,最高温度为300,几乎可以满足所有的SMA产品回流焊接。因为加热温区非常多,调节温度曲线非常方便,只需要调节各段的加热时间和温度就能设置出满足各种SMA的回流温度曲线。

标签:回流焊
 
 
脚注信息
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