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SMT回流焊接工艺:有铅、无铅及焊接不良分析!

精益诺自动化 | 精益求精,一诺千金! 2021/10/21 13:31

炉温曲线分析(profile)

預热区: PCB与材料(元器件)預热,使被焊接材质达到热均衡,针对回流焊炉说的是前一到两个加热区间的加热作用。(更高預热,锡膏开始活动,助焊剂等成份受到温度上升而开始适量的挥发,此针对回流焊炉说的是第三到四个加热区间的加热作用)

恒温区: 除去表面氧化物,一些气流开始蒸发(开始焊接)温度达到焊膏熔点(此时焊膏处在将溶未溶状态),此针对回流焊炉的是第五六七三个加热区间的加热作用。

回焊区: 从焊料溶点至峰值再降至点,焊料的过程, PAD与焊料形成焊接,此针对回流焊炉的是第八、九、十、三个加区间的加热作用.

冷却区: 从焊料溶点降至50度左右,合金焊点的形成过程。

炉温要求平缓、平稳,让气流完全蒸发(急速升温和降温都会产生气泡,或是焊点粗糙,假焊,焊点有裂痕等现象)

有铅回流炉温工艺要求:

有铅制程( profile)

1,起始温度(40'C)到120℃时的温升1-3 с/s

2,120 ~175 ℃时的恒温时间要控制在60~120秒

3,高过183C的时间要控制在45~90秒之间

4,高过200℃的时间控制在10~20秒,最高峰值在220℃±5℃

5,降温率控制在3~5℃C/s之间为好

6,一般炉子的传送速度控制在70—90cm/Min佳

无铅回流炉温工艺要求:

无铅制程( profile)

1.起始温度(40C)到150 "c时的温升率为1—3c/s

2. 150 C~200 ℃时的恒温时间要控制在60~120秒

3.高过217 "C的时间要控制在30~70秒之间

4.高过230 ℃的时间控制在10~30秒,最高峰值在240 ℃±5℃

5.降温率控制在3~5℃/s之间为好

6.一般炉子的传送速度控制在70—90cm/Min为佳

在生产双面板或阴阳板时,贴第二面(二次)过炉时,相对应的下温区不易与上溫区设定参數值差异太大,一般在5—10℃左右.

a.如果差异太大了会导致錫膏内需要蒸发的气流不能完全的蒸发(产生气泡)

b.一般第一次焊接后的锡在第二次过炉时,它的溶点温度会比第一次高10%左右

c.气泡应控制在15%以内,不影响功能

BGA虚焊形成和处理

一般PCB上BGA位都会有凹(弯曲)現象, BGA在焊接时优先焊接的是BGA的四边,等四边焊完后才会焊接中間部位的錫球,这时可能因炉温的差异沒能使锡膏和BGA焊球完全的熔溶焊接上,这样就產生了虚焊或是冷焊现象,用熱吹風机加熱达到焊接温度时,可能再次重焊完成。

处理这种現象可加長回焊的焊接时間(183℃或是217℃的时間)。

特殊性的制程控制

一般在有铅锡膏和无铅无件混合制程时,回流焊炉的温区设定值(实测值)要比全有铅制程的高5—10℃,比全无铅制程的低5—10"c.混合制程的最高炉温峰值控制在230—238℃为佳。

手机主板制造工艺控制

手机主板制造工艺中,不良率较高的现象主要体现在类(连接器元件尺寸较大)、1类(屏蔽盖内BGAMC)、滤波器、音频供放(小型BGAQFN)假焊、连焊;整体来讲,以上不良产生的本质原因是温度的差异所造成的。

PCB在过炉时因元件大小不一,各元件吸热不同,会出现各元件升温速率不同, J类PCB PAD升温速率大于元件引脚升温的速率,焊膏内的助焊剂会快速地浸润PCB PAD最终导致焊料和整个PAD润湿过程。I类屏蔽盖设计会造成焊盘的热容量变大,导致升温滞后,出现润湿过程不同步;

元件尺寸及焊盘大小差异很大时,需要一定的升温速率和恒温区域来保障二者的同时达到某一工艺温度的需求。

运输速度

从生产效率的角度来看,炉子的速度愈快,单位时间炉内通过的产品数量越多。但考虑到元件的耐热冲击性以及每一种炉子的热补偿能力,运输速度只能是在满足标准锡膏曲线的前提下尽量提升。

运输和热补偿性能结合在一起可直接作为一个恒量炉子性能好坏的指标。一般来讲,我们在满足生产正常产量的情况下,炉子的最高温度设定与PCB板面实测温度越接近,我们说这台炉子的热补偿性能好。

对于PCB板来讲,过快或过慢的速度会使元件经历太长或太短的加热时间,造成助焊剂的挥发和焊点吃锡性的变化,超过元件所允许的升温速率也将会对元件造成一定程度的损伤。所以在炉子的运输速度方面,在不同的客户处,我们是在满足标准曲线的前提下,在尽最大可能满足客户生产要求的前提下,调整出适当的运输速度。

风速

炉体热风马达的转速快慢将直接改变单位面积内的热风流速。在热风回流焊中,风速的高低在某些PCB焊接中可以作为一个可调节的工艺因素,但是在目前的发展趋势下,电子元器件的小型化,微型化在逐步得到广泛的应用,较强的风速将会导致小型元件的位置偏移和掉落炉膛内部。

从表面来看,风速的变化会影响炉子的热传导能力,但在实际的生产中,风机马达和加热器的失效才是减少炉膛内相对热流量的主要因素。所以我们在某些程序上牺牲了风机速度的可调节性,但我们保证了生产中不出现掉件状况。

助焊剂

在回流焊接工艺中,助焊剂在高温下挥发所产生的烟雾会有一部分残留在炉膛内,过量的残留物累积在炉膛内会堵塞风孔因而导致热交换率的降低或降低冷却器的热交换率。

另外它也会造成气体的流动方式改变,而导致温度的均匀性差,影响焊接的品质造成焊接不良;在制冷方面降低了PCB的冷却速率,造成焊点的性质不良,影响焊点的机械性能,所以炉膛内部的清洁是炉子日常保养的一个重要环节。

冷焊或焊点暗淡

在回流焊接工艺中,焊点光泽暗淡和锡膏未完全融现象的产生本质,原因是润湿性差。

当涂敷了焊膏的PCB通过高温气体对流的炉膛时,如果锡膏的峰值温度不能达到或回流时间不足够,助焊剂的活性将不能够被释放出来,焊盘和元件引脚表面的氧化物和其它物质不能得到净化,从而造成焊接时的润湿不良。

较为严重的情况是由于设定的温度不够, PCB表面锡膏的焊接温度不能达到锡膏内金属焊料发生相变所必须达到的温度,从而导致焊点处冷焊现象的产生。或者讲由于温度不够,锡膏熔融时内部的一些残留助焊剂得不到挥发,在经过冷却时沉淀在焊点内部,造成焊点的光泽暗淡。另一方面,由于锡膏本身性质较差,即使其它的相关条件能够达到曲线的要求,但是焊接后的焊点的机械性以及外观不能达到焊接工艺的要求。

冷却

在无铅回流焊接工艺中,元件的升温速率与降温速率是两个重要的技术指标。由于无铅焊接的普及,制冷的重要性被日益受到重视。无铅工艺中,由于无铅焊锡的共相区过长,焊点表面易氧化,易产生裂痕;另一方面由于高温状态下的锡与PCB在冷却时两者的冷却速率不一致,会造成焊盘与PCB板的剥离。而在强制制冷的环境下,使焊点快速脱离高温区,就可以避免上述情况的出现。就目前一些客户来看,所要求的冷却速率为3—5C/s.产生裂缝,强度变低。

焊料球

指焊点或PCB上形成的球形颗粒。在生产工艺里,如果PCB表面升温速度过快,焊膏内部的液态物质由于急剧受热,体积膨胀导致爆裂溅起锡膏,从而在PCB上产生锡珠。此故障需要重新调校各温区参数设置,让板面温度缓慢上升,从而消除此现象。

另一方面,由于锡膏必须冷藏才可保证其质量,所以当我们从冷柜中拿出锡膏后,请在室温下存放两小时后再打开瓶盖。可防止空气中的水分结露溶于焊膏,导致焊膏在高温下出现爆裂。如果焊料粉末或元件引脚、焊盘氧化较严重,在焊接时由于浸润不够,焊料得不到好的润湿,则会在焊点表面堆积。

元件立碑

片状贴片元件两端受力不均衡,致使其中一端发生翘立,在生产中出现此情况的形成原因大致有以下几点:

1、印刷不良,锡膏印刷偏离:

由于印刷时锡膏一端印在了焊盘上,一端却发生了偏离,在升温过程中电极两端吸收不均匀,先熔化的一端的表面张力大过未熔的另一端,在这种情况下,未熔一端的电极将会竖立起来。

坍塌与拖尾

2、Chip元件两端电极大小不对称:

这种情况的出现多半是设计错误或者是来料不当,可针对具体细节作出调整。

3、元件升温过快,两端温差过大: 由于元件的大小,焊盘的大小各有差异,导致它们的升温速率和热容量是不一致的,如果让它们在高温下升温速度过快,会导致两端的温差过大;在应力作用下使升温速率慢的一端电极竖立起来。

虚焊

虚焊形成的本质是润湿不良,在实际生产中形成原因大致有下面三个原因:1、温度低:

由于设置温度太低或其它原因造成温区温度过低,助焊剂的活性得不到释放或锡膏的相变温度没有达到所造成的问题。

2、焊或元件引脚污染:

如果元器件引脚或PCB板面铜受到污染,则污染物在焊接区将会形成阻焊层,熔融的焊膏将不能对盘或元器件进行润湿,这样就会形成虚焊。

3、锡膏不良:

如果焊料成份本身不良(如焊料粉末氧化、焊剂还原性差等),在焊接时将不能对焊盘与元件引脚进行浸润,达到润湿效果。

4、开路:

指的是焊点上焊料不足,焊缝上没有形成电气互联。一般情况下产生这种情况是由于上工程中印刷不良所造成,炉子本身不会产生这种情况。

桥连

相邻导体之间焊料过多堆积形成的现象。其产生的原因大致有以下几点:1、工程印刷不良:

印刷不良可分为印刷工艺不良和锡膏浓度不对造成印刷不良两种。因印刷不良造成的拖尾是连形的主要因素。

2、设定温度不正确:

生产中预热升温过慢会造成助焊剂预热时间过长而挥发殆尽,在焊接区会因为助焊剂活性不足而造成连焊。过高的温度会造成助焊剂焦化失去活性而形成焊接不良或焊料氧化严重而表面张力变大,容易向下塌陷而与相邻焊点连接产生桥连。

元件错位

焊接品质上出现此类情况的可能性大致有如下几点:

1、锡膏品质差,粘性不足。

由于锡膏的粘性不足,当生产中处于强风对流环境下的小元器件会因为质量过轻而产生位置偏移,检查前务请判断是否有上工程贴片错位;

2、机械振动过大

当元器件附于焊盘进入炉体后,在整个焊接过程中元件所受的粘附力和热风的冲击力处于不平衡会产生错位。一般来讲机械振动的产生可由上工程贴片机和炉体本身产生,而炉体机械振动的产生可能是链条运输不稳或风机的风速过大造成的。在今后的SMT工艺中,由于元件的微型化趋向,大风量回流焊接工艺将面临严格的挑战。

3、封装体起泡或开裂

此情况的出现主要是封装体在保管过程中受潮。当受潮的封装体在过炉时,内部的水分因受热膨胀而产生气体,气体从内部释放出来的过程便会在封装体表面起泡或开裂。

不良的产生是元件本体受潮所引起的,元器件的储存直接影响焊接的品质。

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