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深度解读-回流炉温度曲线与焊接质量的关系
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深度解读-回流炉温度曲线与焊接质量的关系

分类:
新闻中心
发布时间:
2020/05/20 14:08
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【摘要】:
优诺----行业焊锡研发生产领先企业,全面的焊锡产品以及专业技术支持,欢迎交流!

回流焊是SMT生产线中重要工艺环节,它是一种自动群焊过程,其焊接质量的优劣直接影响到产品的质量和可靠性,对于数字化的电子产品,产品的质量几乎就是焊接的质量。焊接质量受许多参数的影响,如锡膏、基板、元器件可焊性、印刷质量、贴装精度以及焊接工艺等,要控制好回流焊,我们都已知道关键是设定回流炉的炉温曲线,恰当的温度曲线可以避免或减少部品爆裂、竖立、沾锡粒、短路、假焊以及生半田、PCB脱层起泡等诸多常见的焊接缺陷。如何设定回流炉温度曲线呢?首先需要我们对所使用的锡膏中金属成分与熔点、助焊剂的活性温度等特性有一较详细的了解(现在我们都以客户提供的曲线条件为依据来打印);对回流炉的结构,包括加热温区的数量、热风系统、控温精度、加热区的长度、冷却区特点、传送系统等应有一个全面认识;以及对焊接对象---表面贴装组件(SMA)尺寸材质、元件大小及其分布了解清楚。不难看出,回流焊是SMT工艺中复杂而又关键的一环,它涉及到材料、设备、热传导、焊接等多方面的知识。

 

下面我们从分析典型的焊接温度曲线入手,较为详细地介绍如何恰当的设定回流炉温度曲线,以减少并解决生产中的诸多不良缺陷。

 

一. 回流炉的一般结构及组成部分

回流炉由六大部分组成:加热装置,鼓风机,传送装置,排气系统,冷却系统,电器及控制系统。

 

1.加热装置(发热管,即温区)

通常我们根据SMA浸锡的要求及过程分为四个区:预热,保温,回流,冷却。一般由两个或以上预热保温区,一个或一个以上回流加热区组成,冷却区在后部,各区无特定界线。

 

2.鼓风机(亦可作为加热装置的一部分)

即几台旋转的电扇,使炉内空气形成环流,环流空气吸收发热管发出的热量,使温区间各点热量趋向均衡。鼓风机转数越快,发热管发出的热量扩散的就越快,在炉内同一点的温度也会越高,即鼓风机的频率与炉温成正比。这就是我们常说的热风焊接,(红外线加热,红外+热风(组合),气相焊(VPS,)热型芯板(很少采用))

 

3.传送装置(输送网带,输送链条)

是将实装工程之半成品,从回流炉入口按一定速度输送到回流炉出口的传动装置之一,当贴装上零部件的基板从出口出来时,它的浸锡过程也就结束了.

 

4.排气系统

在回流炉的入口及尾部,各装有一组排气通道与车间外面的抽风机相连,使炉内强制冷却后的废气(如锡膏中溶剂助焊剂的挥发物及水蒸汽等)通过该排气通道排出车间外。

 

5.冷却系统

冷却系统主要是通过多组多翼扇的强制冷却,使浸锡后的焊锡温度按要求快速降低并凝固.有的多温区后部还加有单独的冷却区,用以得到良好的冷却效果。

 

6.电器及控制系统

现今大多数都使用电脑直接操作设定回流炉参数。

从实践中我们对回流炉的操作调试来看,我们改变回流温度曲线的方式主要就是对各温区温度,传送速度,鼓风机频率(即转速)这三个方面的设定值进行调节。

 

二. 回流温度曲线及其回流焊接过程

回流温度曲线反映了表面贴装基板及元器件(SMA)通过回流炉时,PCB上某一点的温度随时间变化的曲线关系,它能直观反映出该点在整个焊接过程中的温度变化情况,为获得最佳焊接效果提供了数据。从事SMT焊接的工程技术人员,应对理想的温度曲线有一个基本的认识。

 

1)回流温度曲线的两种常用模式:(温度为PCB上测试点的实际打印温度。无铅锡膏回流温度根据品种不同有所提高)

 

①升温—保温方式(传统温度曲线)

说明:由起始快速温度上升至140~170℃范围内某一预热温度并保持,温度持平40~120S左右当作预热区,然后再快速升温至回流区,保持短时间后又迅速冷却进入冷却区(温度变化速率要求在4℃/sec以下)。(其保持能力要根据回流炉结构性能而定)

特点:一般都取较低的预热温度,因而对部品高温影响小(给部品应力小)故可延长其加热时间,以便达到助焊剂的活性化。同时因为从预热区到回流区,其温度上升较为激剧,易使锡膏因快速熔融而致移位,且助焊剂活性化温度也相对较低。

 

②逐步升温方式(最佳温度曲线):

说明:以慢的上升率(0.5~1℃/sec)加热直到大约175℃,然后在20~30S内再以2.5~3.5℃/sec梯度快速上升到220℃左右,最后以不超过4℃/sec的速率快速冷却下降。其管理要点是保持一定的预热温度上升率,预热的终点接近锡的熔点温度。

 

特点:部品不受激剧的温度变化,助焊剂的活性化温度可以设定较高,但助焊剂的活性化时间短,同时预热温度高而使部品受高温影响。

 

由于基板结构及其元件吸热性的差异,以及设备可控制加热率的限制,在穿过回流炉的基板不同点温度仍然会存在差异,借由一个减少温度梯度的高原形式的平衡区,在热点温度到焊锡溶点温度以下时,保持此温度一段时间,则冷点温度将有力赶上它,在每个元件达到相同温度之后,另一个快温升程序将使元件上升到峰值温度,这样可有效避免局部生半田或局部高温焦化的现象。

另一方面,前者高原结构的获得,则在室温至恒温预热段以及恒温段至焊锡熔融段必然会出现一个快速升温的过程,而此快速升温过程对因溅落而引起的沾锡粒,在焊锡融点前部品两侧润湿不平衡而引起翘件等不良又有密切关系,很多品质问题都希望在室温到焊锡溶点之间采用线性上升加热温度曲线来预防消除。

综合以上两种曲线的回流焊特点我们对有铅锡回流温度曲线的一般要求如下图:

2)锡膏的回流焊接过程

热风回流焊过程中,锡膏需经过以下几个阶段:溶剂挥发;焊剂清除焊件表面的氧化物;锡膏的熔融、再流动以及锡膏的冷却、凝固。

对应回流炉各温区:A预热区:锡膏中溶剂挥发;B均温区:助焊剂去除氧化物,蒸发多余水分;C回焊区:焊锡熔融;D冷却区:合金焊点形成,零件脚与焊盘接为一体。

a——使锡膏以及母材料表面形成酸化膜。

b——加热而溶化的锡膏中的锡和铅能自由移动,容易向铜箔内扩散,

c——由于锡水的作用,能除去锡膏以及母材表面的酸化膜, 使锡膏的金属原子直接反应。

d——锡膏中锡原子向母材中扩散同母材之间形成合金层, 同时母材金属原子也溶入溶化的锡中, 形成合金,待冷却后浸锡便完成了。

锡向Cu渗入的浸锡流程(在手工烙铁焊中我们可感知这一过程:加热-焊剂作用-锡膏熔融-铜箔浸锡-冷却凝固)

 

回流焊接工艺分区

①预热区

目的:使PCB和元器件预热 ,达到平衡,同时除去锡膏中的水份、溶剂,以防锡膏发生塌落和焊料飞溅。要保证升温比较缓慢,溶剂挥发较温和,对元器件的热冲击尽可能小,升温过快会造成对元器件的伤害,如会引起多层陶瓷电容器开裂。同时还会造成焊料飞溅形成锡粒以及焊料不足的焊点锡少。

预热温度:依使用锡膏的种类及厂商推荐的条件设定。一般设定在80~160℃范围内使其慢慢升温(最佳曲线);而对于传统曲线恒温区在140~160℃间,(注意温度高则氧化速度会加快很多)预热温度太低则助焊剂活性化不充分。

预热时间视PCB板上热容量最大的部品、PCB面积、PCB厚度以及所用锡膏性能而定。一般在80~160℃预热升温段内时间为60~120sec,由此有效除去锡膏中易挥发的溶剂,减少对元件的热冲击,同时使助焊剂充分活化,并且使温度差变得较小。

预热段温度上升率:就加热阶段而言,温度范围在室温与溶点温度之间慢的上升率可望减少大部分的缺陷。对最佳曲线而言推荐以0.5~1℃/sec的慢上升率,对传统曲线而言要求在3~4℃/sec以下进行升温较好。

SMT段因Reflow Profile设置不当,在快速升温降温时可能会引起元件发生微裂,主要在预热区,冷却区。

 

②保温区(预热区的后阶段,同属于回流焊的预热阶段)

目的:减少元件间的热不平衡现象;保证在达到再流温度之前焊料能完全干燥,同时还起着焊剂活化的作用,清除元器件、焊盘、焊粉中的金属氧化物。保温区温度范围一般在140~170℃,时间约60~120秒,根据焊料的性质有所差异。

 

③回流区(再流焊区)

目的:锡膏中的焊料开始熔化,流动状态的焊料与助焊剂有润湿作用,这种润湿作用导致焊料进一步扩展,对大多数焊料润湿时间为60~90秒。(有时也将该区域分为两个区,即熔融区和再流区。)

回流曲线的峰值温度即再流焊的温度通常是由焊锡的熔点温度、组装基板和元件的耐热温度决定的,一般最小峰值温度大约在焊锡熔点以上20-30℃左右(对于目前Sn63 - pb焊锡,183℃熔融点,则最低峰值温度约210℃左右)。峰值温度过低就易产生冷接点及润湿不够,熔融不足而致生半田,一般最高温度约235℃,过高则环氧树脂基板和塑胶部分焦化和脱层易发生,(过高时过多的共界金属化合物将形成,并导致脆的焊接点,影响焊接强度。)

·超过焊锡溶点以上的时间:(由于共界金属化合物形成率、焊锡内盐基金属的分解率等因素,其产生及滤出不仅与温度成正比,且与超过焊锡溶点温度以上的时间成正比,为减少共界金属化合物的产生及滤出)超过熔点温度以上的时间必须减少,一般设定在45~90秒之间,此时间限制需要使用一个快速温升率,从熔点温度快速上升到峰值温度,同时考虑元件承受热应力因素,上升率须介于2.5~3.5℃/see之间,且最大改变率不可超过4℃/sec。

 

④冷却区

焊料随温度的降低而凝固。使元件与焊料形成良好的接点,冷却速度要求同预热速度大致相同。一般情况下可容许的最大冷却率是由元件对热冲击的容忍度决定的。冷却区降温速率一般在4℃/S左右,冷却至75℃即可。

(高于焊锡熔点温度以上的慢冷却率将导致过量共界金属化合物产生,以及在焊接点处易发生大的晶粒结构,使焊接点强度变低,此现象一般发生在熔点温度和低于熔点温度一点的温度范围内。同时,快速冷却将导致元件和基板间太高的温度梯度,产生热膨胀的不匹配,导致焊接点与焊盘的分裂及基板的变形。)

 

如以中温锡膏Sn63的回流焊曲线图为例(图1),该曲线由四个区间组成,即预热区、保温区/活性区、回流区、冷却区,前三个阶段为加热区,最后一阶段为冷却区,我们所遇到的大部分锡膏都能用与这四个温区相似的曲线成功实现回流焊。

                       图1  Sn63理想的温度曲线

为了加深对此温度曲线的认识,现将各区的温度、停留时间以及锡膏在各区的变化情况,介绍如下:  

 

预热区  

预热区通常指由室温升至150℃左右的区域。在这个区域,SMA平稳升温,预热区焊膏中的部分溶剂能够及时挥发,元器件特别是IC器件缓缓升温,以适应后续的高温。但SMA表面由于元器件大小不一,其温度会有不均匀现象,因此在预热区升温的速率通常控制在1.5℃-3℃/sec。若升温太快,由于热应力的作用,导致陶瓷电容的细微裂纹、PCB变形、IC芯片损坏,同时锡膏中溶剂挥发太快,易导致贱锡的发生。炉子的预热区一般占加热通道长度的1/4-1/3,其停留时间计算如下:设环境温度为25℃,若升温速率按3℃/sec计算则(150-25)/3即为42sec,若升温速率按1.5℃/sec计算则(150-25)/ 1.5即为85sec。通常根据组件大小差异程度调整时间以调控升温速率在2℃/sec以下为最佳。  

 

保温区/活性区

保温区又称活性区,在保温区温度通常维持在150℃±10℃的区域,此时锡膏处于熔点偏下,锡膏中的挥发物进一步被去除,活化剂开始激活,并有效地去除焊接表面的氧化物,SMA表面温度受热风对流的影响,不同大小、不同质地的元器件温度能保持均匀,板面温差△T接近最小值,曲线形态接近水平状。它也是评估回流炉工艺性的一个窗口,选择能维持平坦活性温度曲线的炉子将提高SMA的焊接效果,特别是防止元件竖立的缺陷产生。通常保温区从炉子的二、三区开始,根据回流炉的温区结构而有所推移,维持时间约60-120s,若时间过长也会导致锡膏氧化及助焊剂挥发过多问题,以致焊接后沾锡粒现象增多。 

 

回流区  

回流区的温度最高,SMA进入该区后迅速升温,并超出锡膏熔点约30℃-40℃(有时炉温更高),即板面温度瞬时达到215℃-225℃(此温度又称之为峰值温度),时间约为5-10sec,在回流区锡膏很快熔化,并迅速润湿焊盘,随着温度的进一步提高,焊料表面张力降低,焊料爬至组件引脚的一定高度,形成一个"弯月面"。(从微观材料学上看,此时焊料中的锡与焊盘中的铜或金由于扩散作用而形成金属间化合物,以锡铜合金为例,当锡膏熔化后,并迅速润湿铜层,锡原子与铜原子在其界面上互相渗透初期Sn-Cu合金的结构为 Cu6Sn5,其厚度为1-3μ,若时间过长、温度过高时,Cu原子进一步渗透到Cu6Sn5中,其局部组织将由Cu6Sn5转变为Cu3Sn合金,前者合金焊接强度高,导电性能好,而后者则呈脆性,焊接强度低、导电性能差),SMA在回流区停留时间过长或温度超高会造成PCB板面发黄、起泡、以致元器件损坏。SMA在理想的温度下回流,PCB色质保持原貌,焊点光亮。在回流区,锡膏熔化后产生的表面张力能适度校准由贴片过程中引起的元器件引脚偏移,但也会由于焊盘设计不正确引起多种焊接缺陷,如"竖立"、"短路"等。回流区的升温速率控制在2.5-3℃/sec,一般应在25sec-30sec内达到峰值温度。

 

冷却区  

SMA运行到冷却区后,焊点迅速降温,焊料凝固。我们从金属材料学可知,焊点迅速冷却可使焊料晶格细化,结合强度提高,焊点光亮,表面连续呈弯月面状。通常冷却的方法是在回流炉出口处安装风扇,强行冷却。新型的回流炉则设有冷却区,并采用水冷或风冷。理想的冷却曲线同回流区升温曲线呈镜面对称分布。  

在大量生产中,每个产品的实际工作曲线,应根据SMA大小、组件的多少及品种反复调节才能获得,从时间上看,整个回流时间为175sec-295sec即3分钟-5分钟左右,(不包括进入第一温区前的时间,无铅锡因其熔点温度高在时间和温度上有所升高)。

 

3)温度曲线的测定及锡炉设置

回流温度曲线的测定在SMT工艺过程中有着非常重要的意义,其测定温度的准确性及真实性将直间影响到我们对回流效果的判定,以及对回流炉各参数的设定,从而影响回流焊接的焊接质量。为了快而准确的打印出恰当的合格温度曲线图,我们对回流温度曲线的相关知识要有一个全面的了解。

 

1,测试工具及材料:

在开始测定温度曲线之前,需要有温度测试仪,以及与之相配合的热电偶,高温焊锡丝、高温胶带以及待测的SMA。当然有的回流炉自身带有温度测试仪,(设在炉体主机箱内),但因附带的热电偶较长,使用不方便,不如专用温度测试记录仪方便。特别这类测试仪所用的小直径热电偶,热量小、响应快、得到的结果精确。

 

2, 温度曲线标本热电偶的接线方法

附页1《回流温度曲线标本的作成》一文较为详细的说明了制作曲线标本的一般方法及过程,在工作中我们可以此作为参考。接线的过程中我们还要注意以下几点:

热电偶的焊接位置是一个应该认真考虑的问题,其原则是对热容量大的元件焊盘处别忘了放置热电偶,见图2,此外对热敏感元件的外壳,PCB上空位处也应放置热电偶,以观察板面温度分布状况。                              

                      图2 热电偶的位置

将热电偶固定在PCB上最好的方法是采用高温焊料(Sn96Ag4)焊接在所需测量温度的地方,此外还可用高温胶带固定,但效果没有直接焊接的效果好,现在我们一般用红胶作为热电偶固定的粘接剂。一般根据SMA大小以及复杂度设有3个或更多的电偶。电偶数量越多,其对了解SMA板面的受热情况越全面。  

 

3,锡膏性能  

对于所使用锡膏的性能参数也是必须考虑的因素之一,首先是考虑到其合金的熔点,即回流区设定温度应高于合金熔点的30-40℃以上。其次应考虑锡膏的活性温度以及持续的时间,有条件时应与锡膏供应商了解,也可以参考供应商提供的温度曲线(我们一般都是根据客户提供的温度曲线条件进行曲线的测试)。 

 

4, 回流炉的结构认识:  

回流炉的大致结构部分我们在前面已经作了简单介绍,但型号不同其具体细节也有所区别。如看一看有几个温区,有几块发热体,是否能独立控温。炉内热电偶放置在何处。热风的形成与特点,是否构成温区内循环,风速是否可调节。每个加热区的长度以及加热温区的总长度。目前使用的回流炉,一般每个加热区有上下独立发热体。热风循环系统各不相同,但基本上能保持各温区独立循环。冷却温区一般为炉外强制冷风,近几年来也出现将冷却区设在炉内,并采用水冷却系统,还有的回流炉增设了充氮气的系统,当然这类炉子其温区相应增多,以至出现八温区以上的回流炉。随着温区的增多,其温度曲线的轮廓与炉子的温度设置将更加接近,这将会方便于炉温的调节。但随着炉子温区增多,在生产能力增加的同时其能耗增大、费用增多。  

 

5,回流炉的传送速度:  

设定温度曲线的第一个考虑的参数是传输带的速度设定,故应首先测量炉子的加热区总长度,再根据所加工的SMA尺寸大小、元器件多少以及元器件大小或热容量的大小决定SMA在加热区所运行的时间。正如前节所说,理想炉温曲线所需的焊接时间约为3-5分钟,因此不难看出有了加热区的长度,以及所需时间,就可以方便地推算出回流炉运行速度。  

 

6,各区温度设定:  

接下来必须设定各个区的温度,通常回流炉仪表显示的温度仅代表各加热器内热电偶所处位置的温度,并不等于SMA经过该温区时其板面上的温度。如果热电偶越靠近加热源,显示温度会明显高于相应的区间温度,热电偶越靠近PCB的运行空间,显示温度将越能反应区间温度,因此可打开回流炉上盖了解热电偶所设定的位置。当然也可以用一块试验板进行模拟测验,找出PCB上温度与表温设定的关系,通过几次反复试验,最终可以找出规律。当速度与温度确定后,再适当调节其它参数如冷却风扇速度,强制空气或N2流量,并可以正式使用所加工的SMA曲线标本进行测试,并根据实测的结果与理论温度曲线相比较或与锡膏供应商提供的曲线相比较。并结合环境温度、回流峰值温度、焊接效果、以及生产能力适当的协调。最后将炉子的参数记录或储存以备后用。虽然这个过程开始较慢和费力,但最终可以以此为依据取得熟练设定炉温曲线的能力。 

另外,鼓风机产生的空气环流对炉温的影响较大,而鼓风机频率的大小也将直间影响SMA的焊接质量.当鼓风机频率过大时,有时会引起凸立部品的脱落与移位,同时会有引起短路不良甚至于整枚SMA报废的可能.因此我们在调节回流炉鼓风机频率时需考虑环流空气对元件及PCB的影响。

 

三.温度曲线图与焊接质量的关系及影响

1)两种特别的温度曲线设定  

1, BGA焊接温度的设定  

BGA是近几年使用较多的组装元件,它的引脚均处于封装本体的下方,因为焊点间距较大(1.27mm左右)焊接后不易出现短路缺陷,但也带来一些新问题     

                 图3 BGA表面与焊点的温度曲线

即焊点易出现空洞或气泡,修复也很困难,而在QFP或PLCC元件的焊接中,这类缺陷相对的要少得多。就其原因来说这与BGA焊点在其下部阴影效应大有关系。故会出现实际焊接温度比其它元器件焊接温度要低的现状,此时锡膏中溶剂得不到有效的挥发,包裹在焊料中。图3为实际测量到的BGA器件焊接温度。图中,第一根温度曲线为BGA外侧表面,第二根温度曲线为BGA焊盘上,它是通过在PCB上开一小槽,并将热电偶伸入其中,两温度上升为同步上升,但第二根温度曲线显示出的温度要低8℃左右(有的相差更远),这是BGA体积较大,其热容量也较大的缘故,故反映出组件体内的温度要低。这就告诉我们,尽管热电偶放在BGA体的外侧仍不能如实地反映出BGA焊点处的温度。因此实际工作中应尽可能地将热电偶伸入到BGA体下方,并调节BGA的焊接温度使它与其它元件温度相兼容。

 

2, 双面板焊接温度的设定  

一般的双面板回流焊接时,通常要求设计人员将大的元件放在PCB的一侧,而将阻容组件放在另一侧,其目的是防止第二面焊接时元件在二次高温时会脱落。

 

                图4 双面板焊接温度曲线

但随着布线密度的增大或SMA功能的增多,PCB双面布有大元件的产品越来越多,这就要求我们在调节炉温曲线时,不仅在焊接面设定热电偶而且在反面也应设定热电偶,并做到在焊接面的温度曲线符合要求的同时,SMA反面的温度最高值不应超过锡膏熔化温度(有铅锡一般在179℃左右),见图4 

从图中看出当焊接面的温度达到215℃时反面最高温度仅为165℃,未达到锡膏熔化温度。此时SMA反面即使有大的元器件,也不会出现脱落现象。  

 

2)沾锡粒,竖立,短路等不良的改善方法

1.锡粒

回流焊接中出现的沾锡粒,常常处于矩形片式元件两端之间的侧面或细距引脚之间,它的形成有多个方面的原因:

一方面,在元件贴装过程中,锡膏被置于片式元件的引脚与焊盘之间,随着PCB穿过回流炉,锡膏熔化变成液体,如果与焊盘和元件引脚等润湿不良,液态焊锡会因收缩而使所有焊料颗粒不能聚合成一个焊点,部分液态焊锡从焊缝流出,形成锡粒。因此,焊锡与焊盘和器件引脚润湿性差是导致锡粒形成的根本原因,为此我们除了在设计上改善焊盘及部品电极的润湿性外,必须有效的控制助焊剂的预热温度及时间,以提高助焊剂的活化性能。

另外在预热阶段,伴随除去锡膏中易挥发溶剂的过程,锡膏内部会发生气化现象,有的被挤到Chip元件下面,回流时这部分锡膏也会熔化,而后从片状阻容元件下挤出,形成锡珠。由其形成过程可见,预热温度越高,预热速度越快,就会加大气化现象中锡膏飞溅的可能,就越易形成锡珠。同时温度越高,焊锡的氧化会加速、焊锡粉表面的氧化膜会阻止焊锡粉之间很好地熔融为一体,会产生锡粒。这一现象采用适当的预热温度与预热速度可有效控制。

锡膏的回流是温度与时间的函数,如果未到达足够的温度或时间,锡膏就不会回流。预热区温度上升速度过快,达到持平温度的时间过短,使锡膏内部的水分、溶剂未完全挥发出来,到达回流焊温区时,引起水分、溶剂沸腾,溅出焊锡粒。实践证明,将预热区温度的上升速度控制在1~3°C/s是较理想的。 

粒子的氧化,焊剂变质、活性降低,会导致焊膏不回流,    如果回流焊预热的时间过长,或从贴装到回流的时间过长,则因锡膏中焊料锡粒则会增多。(选用工作寿命长一些的焊膏(至少4小时),则会减轻这种影响。)

图5所示的温度曲线表明,助焊剂的活性区温度过低,此时易引起锡膏中溶剂得不到充分挥发,当到回流区时锡膏中溶剂受高温易引起激烈挥发,其结果会导致贱锡的形成。  

 

图5 活性区温度过低

 

沾锡粒现象是表面贴装(SMT)过程中的主要缺陷,锡粒的直径大致在0.2mm~0.4mm 之间,对产品的质量埋下了隐患。焊膏的印刷厚度、锡膏的组成及氧化度、网板的制作及开口、锡膏是否吸收了水分、元件贴装压力、元器件及焊盘的可焊性、再流焊温度的设置、外界环境的影响都可能是锡粒产生的原因。(A、当金属含量增加时,锡膏的黏度增加,印刷后的″塌落″减少,不易产生锡粒。B、锡膏中金属粉末的粒度越小,锡膏的总体表面积就越大,从而导致较细粉末的氧化度较高 焊剂的活性小时,焊剂的去氧化能力弱。免清洗锡膏的活性较松香型和水溶型锡膏要低,因此就更有可能产生焊锡珠。C、锡膏容易吸收水分,在回流焊时飞溅而产生锡粒。D、印刷到阻焊层上,从而在再流焊时产生锡粒(把模板的开口比焊盘的实际尺寸减小10%,更改开口的外形,但元件电极间距大时应注意部品移位竖立及未焊锡。)E、PCB可以在120℃-150℃的干燥箱中烘烤12-14h去除P板内的水汽。) 

综上可见,锡粒的产生是一个极复杂的过程,我们在调整参数时应综合考虑,在生产中摸索经验,达到对锡粒的最佳控制。

 

2.元件竖立(立碑)

元件两端受热不均匀,锡膏熔化有先后所致。 

部品竖立是片状元件常见的焊接缺陷,引起的原因是由于元件焊盘(即铜箔)上的锡膏熔化时润湿力不平衡,导致元件两端的力距不平衡引起。引起竖立的原因有多方面,其中两焊盘上的温度不一致是其原因之一。图6所示的温度曲线表明活性区温度梯度过大,这意味着PCB板面温度差过大,特别是靠近大器件四周的阻容组件两端温度受热不平衡,锡膏熔化时间有一个延迟故易引起竖立缺陷。解决的方法是调整活性区的温度

 

3.短路

细间距引脚短路问题 应从网板的制作、印刷工艺、回流焊工艺等关键工序的质量控制入手。在回流焊中短路不良是焊锡热融落造成的结果,只发生在熔点以下的锡膏阶段。在任一已知的温度下,低温升率的锡膏粘度比高温升率回流曲线下的锡膏粘度要高,因此我们在预热阶段的温升率一般要求较低,从而减少短路不良的发生。

另一方面,细间距引线间的间距小、焊盘面积小、印刷的锡膏量较少,在焊接时,如果预热区温度较高、时间较长,会将较多的活化剂在达到回流焊峰值温度区域前就被耗尽。然而,只有当在峰值区域内有充足的活化剂释放被氧化的焊粒,使焊粒快速熔化,从而湿润金属引脚表面,才能形成良好的焊点。免清洗锡活化程度比要清洗的锡膏低,所以如果预热温度和预热时间设置稍不恰当,便会出现焊接细间引线端子短路的现象。我们通过降低预热温度和缩短预热时间控制锡膏中活化剂的挥发,从上文可知,沾锡粒和部品竖立也与预热温度和预热时间有关,因此在实际生产当中我们必须权衡三者的关系,重要的是得到良好的焊接质量。

(锡膏在进行回流焊之前,若出现坍塌,成型的锡膏图形边缘不清晰,在贴放元器件或进入回流焊预热区时,由于锡膏中的助焊剂软化,则也会造成引脚短接。锡膏的坍塌是由于使用了不合适的焊料焊剂和不宜的环境条件,如较高的室温会造成锡膏坍塌。有关试验得知,温度越高,锡膏粘度越小。因此,为获得较高的粘度,我们将环境温度控制20±5℃。我们认为印刷细间距线较理想的工艺参数是:印刷速度保持在10mm/s-25mm/s;脱模速率控制在2s左右;模板与PCB的最小间隙小于等于0.2mm。)

 

4.其它不良

a吹孔   焊点中所出现的孔洞,大者称为吹孔,小者叫做针孔,皆由膏体中的溶剂或水分快速氧化所致。

•调整预热温度,以赶走过多的溶剂。 

b零件移位及偏斜   造成零件焊后移位的原因可能有:锡膏印不正、厚度不均、零件贴装不当、热传不均、焊盘或极脚之焊锡性不良,助焊剂活性不足,焊盘比极脚大的太多等,情况较严重时甚至会形成竖立。

•调整预热及熔焊的参数。

•改进零件或焊盘的可焊性。

•增强锡膏中助焊剂的活性。

c 焊点灰暗   可能有金属杂质污染或给锡成份不在共熔点,或冷却太慢,使得表面不亮。

•防止焊后SMA在冷却中发生震动。

•焊后加速SMA的冷却率。

d不沾锡   极脚或焊盘之可焊性太差,或助焊剂活性不足,或热量不足所致。

•提高熔焊温度。

•增加助焊剂的活性。

e 焊后断开   常发生于J型极脚与焊盘之间,其主要原因是各脚的可焊性不好,以及极脚与焊盘之间的热容量相差太多所致(焊盘比部品端子不容易加热及蓄热)。

•调整预热,以改善极脚与焊盘之间的热量差。

•增加锡膏中助焊剂之活性。

•减少焊盘面积,接近与极脚在受热上的差距。

•调整熔焊方法。 

f 生半田:

设定温度较低(预热区、回流区),需重新检讨;

CV速度较快,根据产品要求调整;

鼓风机电机频率较低;

抽风开关打得过大(温区较少而短锡炉)

g毛细管现象:是指溶融焊锡润湿到元件引脚且远离接点区,造成假焊,其原因是在焊锡熔融阶段引脚的温度高于PCB焊盘温度。

改善办法:使用较多的底面加热(上、下加热方式回流炉)或非常慢的温升率(在预热至焊锡溶点温度附近),使焊锡润湿发生前引脚与焊盘温度达到平衡。

 

表面贴装基板回流温度曲线的打印与调试工作在生产实践中有着一定的困难,而温度曲线的准确性及恰当与否又将直间影响回流焊接的焊接品质,与此同时,引起焊接品质不良的因素包括许多方面,因此,我们在调节回流炉各参数而又无法减少不良缺陷时就必须从其他方面寻找原因及解决的办法,而不是简单的从温度曲线图的合格与修改上寻找解决之道。值得大家注意的是,生产中回流焊接产生的不良大多都是对前工程品质的一种体现,而较低的回流预热升温率及恰当的保温过程可以减少大部分的回流焊不良。

 

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