回流焊接温度曲线doc 33Word格式.docx
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C。
对特定锡膏给定的最小值成为每个连接点必须获得焊接的最低温度。
这个温度通常比焊锡的熔点高出大约15~20°
(只要达到焊锡熔点是一个常见的错误假设。
)
回流规格的第二个元素是最脆弱元件(MVC,mostvulnerablecomponent)的温度(T2)。
正如其名所示,MVC就是装配上最低温度“痛苦”忍耐度的元件。
从这点看,应该建立一个低过5°
C的“缓冲器”,让其变成MVC。
它可能是连接器、双排包装(DIP,dualin-linepackage)的开关、发光二极管(LED,lightemittingdiode)、或甚至是基板材料或锡膏。
MVC是随应用不同而不同,可能要求元件工程人员在研究中的帮助。
在建立回流周期峰值温度范围后,也要决定贯穿装配的最大允许温度变化率(T2-T1)。
是否能够保持在范围内,取决于诸如表面几何形状的量与复杂性、装配基板的化学成分、和炉的热传导效率等因素。
理想地,峰值温度尽可能靠近(但不低于)T1可望得到最小的温度变化率。
这帮助减少液态居留时间以及整个对高温漂移的暴露量。
传统地,作回流曲线就是使液态居留时间最小和把时间/温度范围与锡膏制造商所制订的相符合。
持续时间太长可造成连接处过多的金属间的增长,影响其长期可靠性以及破坏基板和元件。
就加热速率而言,多数实践者运行在每秒4°
C或更低,测量如何20秒的时间间隔。
一个良好的做法是,保持相同或比加热更低的冷却速率来避免元件温度冲击。
图一是最熟悉的回流温度曲线。
最初的100°
C是预热区,跟着是保温区(soakorpreflowzone),在这里温度持续在150~170°
C之间(对Sn63/Pb37)。
然后,装配被加热超过焊锡熔点,进入回流区,再到峰值温度,最后离开炉的加热部分。
一旦通过峰值温度,装配冷却下来。
温度热电偶的安装
适当地将热电偶安装于装配上是关键的。
热电偶或者是用高温焊锡合金或者是用导电性胶来安装,提供定期检测板的温度曲线精度和可重复性的工具。
对很低数量的和高混合技术的板,也可使用非破坏性和可再使用的接触探头。
应该使用装配了元件的装配板来通过炉膛。
除非是回流光板(bareboard),否则应该避免使用没有安装元件的板来作温度曲线。
热电偶应该安装在那些代表板上最热与最冷的连接点上(引脚到焊盘的连接点上)。
最热的元件通常是位于板角或板边附近的低质量的元件,如电阻。
最冷的点可能在板中心附近的高质量的元件,如QFP(quadflatpack)、PLCC(plasticleadedchipcarrier)或BGA(ballgridarray)。
其它的热电偶应该放在热敏感元件(即MVC)和其它高质量元件上,以保证其被足够地加热。
如果用前面已经焊接的装配板,则必须从那些热电偶将要安装的连接点上去掉焊锡。
因为板可能是用Sn63/Pb37焊接的,而现在将要用Sn10/Pb90,用后者来简单焊接热电偶将会产生一种“神秘”合金,或者一种不能维持测试板所要求的多个温度变化的合金。
在去掉老的焊锡后,用少量助焊剂,跟着用少量而足够的高温焊锡。
如果用导电性胶来安装热电偶,同样的步骤去掉下面的Sn63/Pb37(或其它合金)。
这是为了避免破坏热电偶的胶合附着,从而可能导致回流期间的托焊。
推荐使用K型、30AWG的热电偶线,最好预先焊接。
在安装之后,热电偶引线引到PCB装配的后面(相对行进方向)。
有人宁愿用一个接头接在热电偶引线的尾沿。
这样测量设备可很快连接和分开。
开普敦(Kapton)胶带(一种耐高温胶带)用来在适当位置固定热电偶的引线。
多数回流机器装备有机上作温度曲线的软件,允许热电偶引线插在炉子上,实时地从系统显示屏幕上跟踪。
有人宁愿使用数据记录设备,和测试装配板一起从炉中通过,以可编程的时间间隔从多个热电偶记录温度。
这些系统是作为“运行与读数(run-and-read)”或数据发送单元来使用的,允许实时地观察温度曲线。
对后者,系统必须不受射频干扰(RFI,radiofrequencyinterference)、电磁干扰(EMI,electromagneticinterference)和串扰(crosstalk)的影响,因此当来自发射机的数据还没有来时,不会去“猜测”温度。
不管用哪一种数据记录器,定期的校准是必要的。
渐升式温度曲线(Rampprofile)
保温区(soakzone)有热机械的(thermomechanical)重要性,它允许装配的较冷部分“赶上”较热部分,达到温度的平衡或在整个板上很低的温度差别。
在红外(IR,infrared)回流焊接开始使用以来,这个曲线是常用的。
在加热PCB装配中,SMT早期的红外与对流红外炉实际上缺乏热传导能力,特别是与今天的对流为主的(convection-dominant)炉相比较。
这样,锡膏制造商们配制它们的几乎松香温和活性(RMA,rosinmildlyactive)材料,来满足回流前居留时间的要求,尝试减少温度差别(图二)。
另一方面,以对流为主要热机制的对流为主的(convection-dominant)炉通常比其前期的炉具有高得多的热传导效率。
因此,除非装配的元件实在太多,需要保温来获得所希望的温度差别,否则回流前的保温区是多余的,甚至可能是是有害的,如果温度高于基板玻璃态转化温度(substrateglass-transition)Tg的时间过长。
在大多数应用中,渐升式温度曲线(rampprofile)是非常好的(图三)。
尽管有人认为锡膏助焊剂配方要求回流前保温(preflowsoak),事实上,这只是为了能够接纳那些老的、现在几乎绝种的、对流/IR炉技术。
一项最近的有关锡膏配方的调查显示,大多数RMA、免洗和水溶性材料都将在渐升式温度曲线上达到规定要求1。
事实上,许多有机酸(OA,organicacid)水溶性配方地使用的保温时间也要尽可能小—由于有大量的异丙醇含量作为溶剂,它们容易很快挥发。
在使用渐升式温度曲线(rampprofile)之前,应该咨询锡膏制造商,以确保兼容性。
虽然一些非常量大或复杂的PCB装配还将要求回流前的保温,但大多数装配(即,那些主要在线的)将受益于渐升式温度曲线(rampprofile)。
事实上,后者应该是如何锡膏评估程序中的部分,不管是免洗,还是水溶性。
氮气环境
一个焊接的现有问题是有关在回流焊接炉中使用氮气环境的好处。
这不是一个新问题—至少一半十年前安装的回流炉被指定要有氮气容器。
而且,最近与制造商的交谈也显示还有同样的比例存在,尽管使用氮气的关键理由可能现在还未被证实。
首先,重要的是理解使回流环境惰性化是怎样影响焊接过程的。
焊接中助焊剂的目的是从要焊接的表面,即元件引脚和PCB焊盘,去掉氧化物。
当然,热是氧化的催化剂。
因为,根据定义,热是不可能从基本的温度回流焊接过程中去掉的,那么氧—氧化的另一元素—通过惰性的氮气的取代而减少。
除了大大地减少,如果没有消除,可焊接表面的进一步氧化,这个工艺也改善熔锡的表面张力。
在八十年代中期,免洗焊锡膏成为可行的替代品。
理想的配方是外观可接受的(光亮的、稀薄的和无粘性的)、腐蚀与电迁移良性的、和足够薄以致于不影响ICT(in-circuittest)针床的测试探针。
残留很低的锡膏助焊剂(固体含量大约为2.1~2.8%)满足前两个标准,但通常影响ICT。
只有固体含量低于2.0%的超低残留材料才可看作与测试探针兼容。
可是,低残留的好处伴随着低侵蚀性助焊剂处理的成本代价,需要它所能得到的全部帮助,包括回流期间防止进一步氧化的形成。
这个要用氮气加入到回流过程来完成。
如果使用超低残留焊锡膏,那么需要氮气环境。
可是,近年来,也可买到超低残留的焊锡膏,在室内环境(非氮气)也表现得非常的好。
原来的有机可焊性保护层(OSP,organicsolderabilitypreservative)在热环境中有效地消失,对双面装配,要求氮气回流环境来维持第二面的可焊性。
现在的OSP也会在有助焊剂和热的时候消失,但第二面的保护剂保持完整,直到印有锡膏,因此回流时不要求惰性气体环境。
氮气回流焊接的最古老动机就是前面所提到的改善表面张力的优点,通过减少缺陷而改善焊接合格率即是归功于它。
其它的好处包括:
较少的锡球形成、更好的熔湿、和更少的开路与锡桥。
早期的SMT手册提倡密间距的连接使用氮气,这是基于科学试验得出的结论。
可是,这测试是实验室的试验,即,“烧杯试验”与实际生产的关系,没有把使用氮气的成本计算在内。
应该记住,在过去十五年,炉的制造商已经花了许多钱在开发(R&
D)之中,来完善不漏气的气体容器。
虽然当使用诸如对流为主的(convection-dominant)这类紊流空气时,不容易将气体消耗减到最小,但是有些制造商使用高炉内气体流动和低氮气总消耗,已经达到非常低的氧气水平。
这样做,他们已经大大地减低了使用氮气的成本。
随着连接的密度增加,过程窗口变小。
在这个交接口,在有CSP(chipscalepackage)和倒装芯片(flipchip)的应用中使用氮气是很好的保证。
双面回流焊接
人们早就认识到的SMT的一个优点是,元件可以贴装在基板的两面。
可是,问题马上出现了:
怎样将前面回流焊接的元件保持在反过来的一面上完好无损,如果第二面也要回流焊接?
人们已经采取了无数的方法来解决这个困难:
一个方法是有胶将元件粘在板上,这个方法只用于波峰焊接无源元件(passivecomponent)、小型引脚的晶体管(SOT)和小型引脚集成电路(SOIC)。
可是,这个方法涉及增加步骤和设备来滴胶和固化胶。
另一个方法是为装配的顶面和底面使用两种不同的焊锡合金,第二面的锡膏的熔点较低。
第三个方法是企图在炉内装配板的顶面和底面之间产生一个温度差。
可是,由于温度差,基板Z轴方向产生的应力可能对PCB结构,包括通路孔和内层,有损耗作用。
在有些应用中,虽然这种应力可能是有名无实的,但还是需要小心处理。
事实上,有更实际的解决办法。
人们不要低估熔化金属的粘性能力—它远比锡膏的粘性强。
记住这一点,元件绑解的表面积越大,保持它掉落的力就越大。
为了决定哪些元件可用作底面贴附与随后的“回流”,导出了一个比率,评估元件质量与引脚/元件焊盘接触面积之间的关系2:
元件重量(克)
焊盘配合的总面积(平方英寸)
这里,第二面的每平方英寸克必须小于或等于30。
侵入式焊接(IntrusiveSoldering)
波峰焊接是一个昂贵的工艺,因为伴随着越来越多的对其废气排放的研究—这也是工业为什么要减少波峰焊接需求的一个理由。
另一个理由是随着表面贴