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回流焊的技术资料共32页文档
回流焊技术资料目录
一．公司简介
二．诺斯达无铅回流焊设备选型的特点介绍
1）微循环运风系统2）运风马达的特异设计
3）隔离式炉胆设计4）特制星式发热丝
5）强制式运风冷却温度6）废气过滤系统
7）全对称铝合金导轨8）N2供气图
9）温度曲线设置
三．无铅化的起源及替代进程
四．无铅焊料的种类及选购]
五．无铅回流焊工艺变更
六．无铅制程对设备构件的具体要求：
1）炉胆结构2）运风系统3）运输及调宽
4）冷却系统5）控制系统6）保护功能
七．回流焊规格介绍
1）普通回流焊
2）无铅回流焊
3）N2无铅回流焊
八．回流焊常见焊接缺陷及对策
公司简介
诺斯达自动化设备公司成立于1993年，是东南亚地区最有经验与实力的制造商之一，本公司专业生产波峰焊、回流焊、SMT周边设备。
其中无铅波峰焊、无铅回流焊经过几年大力开发，已经达到国际先进水平，并获行索尼、松下、三洋、三星、佳能等国际名企认可，建立了良好的长期合作关系。
因公司发展、市场需求，诺斯达公司已在深圳福永、沙井、江苏昆山各设有工厂，有员工500余人，其中技术人员占80%。
企业引入ISO9001质量管理体系，使研发设计、生产制造、质量控制及售后服务协调高效的运作。
为了更好的服务客户，公司另在苏州、厦门、天津等地设有办事处，并配备了专业技术人员，大大方便客户要求。
秉承以高技术、高品质、优服务的宗旨，坚持国际化、标准化、专业化的方针，诺斯达公司的无铅波峰焊、无铅回流焊已成功出口至新加坡、马来西亚、印尼、日本、越南等国，并以优良的品质与良好的服务获得客户的一致好评。
一．特点介绍
2.1微循环运风系统（专利号ZL03245235.7）
a.结构简图
b.组成：
蜗轮增压式风道由风轮、风帽、风道和出风板四部组成，风帽由若干个蜗轮叶片组成，（注叶片形状为阿基米德螺旋线，采用冲压工艺制作）：
整个系统由运风马达与蜗轮增压式风道两部分组成，诺斯达微循环运风系统的出风板采用小嘴子出风口形式;而目前大部分生产厂家采用的都是平板式出风口。
c.原理：
当风轮旋转时，风轮带动其周围的空气运动在风轮和风帽之间会产生具有一定压力的气流场，在该压力作用下，气流被压入风箱中，气流在风箱中均压后由出风板的风孔吹向炉腔中，当热风与PCB板面接触后，能从回风口返回风道经运风马达再次搅均后吹出，从而使板面在受热时不产生因折射而导致的受热空区，不产生阴影。
（见图）
d.优点：
1）.温区内出风均匀一致
2）各温区同向异性好
3）有效解决导向式，滤网式等出风不均匀的毛病
e.缺点：
制造成本高，故销售价格较小循环系流回流焊高约半价。
小循环运风系统
2.2运风马达的特异设计
a.结构简图：
b.优点：
1）线圈漆包线采用特殊材料制成，能耐150℃高温；
2）经测试，在连续开机120小时后，线圈最高温度为120℃，设计能满足使用要求；
3）内部接有热敏电阻，当线圈温度在意外情况下超过额定值时，热敏电阻能自动切断电源，保护电机；
4）电机噪音小，当回流焊整机开动时，其振动音量为20dB;
2.3隔离式炉胆设计
a.结构简图
图4.2
b.组成：
炉胆由内胆、外壳、保温棉和连接件组成
c.原理：
由于炉胆内的温差和炉体外壳的温度有较大差别，内外平均温差至少大于150℃，而金属材料受热后会产生膨胀，因此内外炉在不同的温度场内会产生不同的伸长。
d．优点：
1）该炉胆采用隔离式设计，因而有效解决整体式炉胆难以克服的翘曲变形的缺点
2）风道在炉胆内为单个独立温区，每个独立温区间间隔为50mm，但可接受设置相差100℃的温差而相互间不产生窜温。
e.有关炉体受热伸长计算
平均温度
材料
线膨胀系数
计算长度
环差温度
伸长值
内腔
200℃
不锈钢
17×10-6/℃
2700mm
25℃
8.03mm
外壳
60℃
碳钢
12×10-6/℃
2800mm
25℃
1.2mm
误差
≥140℃
6.8mm
2.4特制星式发热丝
a.结构简图
b.组成：
该发热体由发热丝、绝缘体、磁帽等组成
c.原理：
该发热体采用特殊之缠绕工艺，将发热丝缠绕成星式结构，发热丝完全裸在空气中和风道内的气流充分接触，产生最佳的热交换
d.优点：
1）.发热快
2）.散热效果好
3）.寿命长
4）.热惯性小
5）.克服螺旋缠绕式散热不好的缺点
6）.克服了翅片式热容量大和发热丝易断的缺点
7）.使用至今已三年多，无维修记录
e.几种发热体对比
2.5强制式运风冷却温区
c.结构简图
d.组成：
该冷却温区由蜗轮增压式风道，运风马达和外循环冷却等组成
e.原理：
采用蜗轮增压成风道，强制风道循环运风，经过外循环冷却器将气体冷却，产生充分的热交换，并采用调速方式来控制冷却区内气体流量（可控范围0～1000M3/h）获得不同的冷却速率
f.优点：
1）.冷却曲线平滑、无突变
2）.下降速率可达－1～－4℃/s
3）.冷却风速可调0～1000M3/h
4）.不产生立碑现象
5）.节约氮气消耗
2.6废气过滤系统
a.结构简图
b.组成：
过滤系统由上述两组组成
c.原理：
1）.利用外循环冷却装置，强制废气流向使废气经过冷却器冷却，废气中的助焊剂经冷却后并分离出来，流落到杯中，此即形成烟雾回收装置
2）.利用热对流原理，在焊接区和冷却区之间加装冷凝板进行部分助焊剂过滤
d.优点：
1）.方便清洁
2）.不设运动部件，无粘连现象
3）.可有效防止氮气泄露
2.7全对称铝合金导轨
a.结构简图
图4.8
b.特点：
1）.采用全对称结构设计，并采用加硬铝合金材质，导轨的受热变形一致性好
2）.端面尺寸的高宽比为1:
3，有利导轨在受热后在宽度方向的变形，不会造成掉板和卡PCB板等现象
3）采用整体导轨安装，一端固定，一端自由伸缩的方式，无须截断导轨
c.其它导轨的缺陷
1）.非对称结构，受热后容易发生扭转变形
2）.高:
宽≈1:
1，受热变形方向无法预知
3）.须将导轨中部截断来补偿伸缩量
2.8N2供气图
a.炉胆结构：
由入口气阻腔、加热炉体、冷却炉体、出口气阻腔组成
图4.9
b.组成：
i.炉体上下炉腔间采用管式密封胶条密封
ii.出入口气阻腔，采用“T”型槽进行气阻，减少空气和氮气的交流
iii.出入口气阻腔内分别设有二道氮气气刀
iv.辅助密封有拉幕，以减少出入口的气流口径
v.六段供气，分别调整，以满足不同的工艺需要
c.推荐的氮气流量表
总气量（mm3/h）
18
22.5
25.0
含氧量ppm
750±50
450±50
350±50
入口（mm3/h）
1
1.5
1.5
预热1（mm3/h）
3.0
3.5
3.5
预热2（mm3/h）
4
4.5
5
焊接（mm3/h）
5
7.0
9
冷却（mm3/h）
4
4.5
4.5
出口（mm3/h）
1
1.5
1.5
氮气纯度
99.99%
99.99%
99.99%
2.9温度曲线设置
a.因采用微循环增压式风道运风技术及隔离式炉胆设计等专利技术，诺斯达无铅回流焊在润湿区与焊接区的温差可拉开100℃无窜温，同时因密封性能优良，能在15分钟内从常温升至设置的焊接温度，有效节约电能，同时为适应双面板焊接的需要，可将上下温区温差设置相差20℃无窜温。
b.通常对回流焊炉胆内温度稳定性进行检测时，同行业公司大都采用将探头用高温胶纸或红胶紧贴PCB板面的方法进行温度测试，但诺斯达公司采用的却是将探头紧贴于高度相同的铁框架上进行空气曲线检测。
而空气曲线测试与板面温度测试的最根本区别在于前者受温独立，能实际反映炉内温度；后者板面受热后温度均匀，基本一致，探头所测试多条温度曲线能基本重合，故不能实时反映炉膛内热风散布的差异。
在这项特有测试检验中，诺斯达回流焊的温度偏差为±2℃。
c.无铅焊料的特性通常要求温度曲线控制在：
1）.升温斜率≤3℃/sec;
2）.150℃~180℃时问为90±30sec；
3）.220℃以上的时间控制在30~40sec；
4）.最高温度范围为230~250℃。
而普通含铅焊料最高温度范围为205~230℃，这也是二者在熔点上本质的区别。
而诺斯达回流焊能完全满足不同客户的不同温度设置的曲线要求，并在使用过程中保持其稳定性，同样条件下8小时内的温度变化不超过2℃。
d.在采用客户不同板材，不同元件进行实测时，通常有如下控制方法：
1）.当元件吸热温差较大时，应将温度曲线最高处设置成尖角状，以延长吸热时间，缩小元件的吸热温差，使之满足曲线要求。
（附珠海某客户温度曲线图）
2）.当元件吸热温差较小时，元件之间吸热较均匀一致，则应将温度曲线最高处设置成马鞍状，以尽可能缩短吸热时间，，使之满足要求。
；（附广州某客户温度曲线图）
尖角状曲线图马鞍状曲线图
二．无铅化的起源及替代进程
焊料从发明到使用，已有几千年的历史。
Sn/Pb焊料以其优异的性能和低廉的成本，一直得到人们的重用，现已成为电子组装焊接中的主要焊接材料。
但是，铅及其化合物属于有毒物质，长期使用会给人类生活环境和安全带来较大的危害。
当下雨时这些铅变成溶于水的盐类，逐渐溶解污染水，特别是在遇酸雨时，雨中所含的硝酸和盐酸，更促使铅的溶解。
对于饮用地下水的人们，随着时间的延长，铅在人体内的积累，就会引起铅中毒。
二十世纪九十年代初，美国国会提出了关于铅的使用限制法案，而对于居住环境意识较强的欧洲，在1996年和1997年由EU先后提出了汽车环保法案和家电环保法案。
前者规定2002年1月以后向市场提供的汽车不得使用铅、镉、水银、六价铬等材料，而欧盟则于1998年通过法案，已明确从2004年1月1日起任何制品中不使用含铅焊料，但因技术等方面的原因，在电子产品中完全禁止使用铅有可能推迟至2006年执行。
在无模铅焊料研究和应用方面，日本走得最快。
为了适应市场的需要，扩大市场份额，日本提出了生产绿色产品的概念。
松下电器、日立、NEC、富士通等各大公司纷纷降低了铅的使用，并制订了无铅化的进程计划，2000年开始已大部分产品生产中使用无铅焊料。
而中国规定在2008年禁止使用含铅焊料。
日本在电子、电机业界实现无铅化进程，如图1所示。
日本各大电子、电机公司各自制定的实现无铅化的目标，如表1所示。
表1日本电子、电机业界的无铅进化过程
公司
目标
时间期限
无铅钎料制品
索尼（SONY）
全废
2002
Sn-2.5Ag-1Bi-0.5Cu
松下电器产业
全废
2002
Sn-Ag-Bi-In（MD、FA）；Sn-Cu-Ni（VTR）
松下通信工业
全废
2002
移动电话Sn-Ag-Cu）
松下电子工业
全废
2000
半导体中：
铁系引线镀Sn-Bi;
铜系引线镀Sn-Pd-Au
NEC
全废
2002
Sn-Ag-Cu（）;Sn-Zn-Bi（笔记本PC）
HITACHI
在新产品中实施
2001
Sn-Ag-Cu（汽车、产业机器）；Sn-Ag-Cu-Bi（一般产品）；
Sn-Zn-Bi（部分家用产品
FUJITSU
全废
2002
半导体：
铜系引线镀Sn-Pd-Au；
铁系引线镀Sn-Bi；大型Sn-Bi-Ag
三．无铅焊料的种类及选择
3.1无铅焊料的基本性能应满足的条件：
a.熔点低，合金共晶温度近似于Sn63/Pb37的共晶温度183℃，大致在180℃~220℃之间。
b.无毒或毒性很低，所选用的材料现在和将来都不会污染环境。
c.热传导率和导电率要与Sn63/Pb37的共晶焊料相当。
d.具有良好的润湿性。
e.机械性能良好，焊点要有足够的机械强度和抗热老化性能。
f.要与现有的焊接设备和工艺兼容，可在不更新设备不改变现行工艺的条件下进行焊接。
g.与目前使用的助焊剂兼容。
h.焊接后对各焊点检修容易。
i.成本要低，所选用的材料能保证充分供应。
这是研究开发无铅焊料的方向，要做到满足以上9点要求，有一定的难度。
因此，对性能、成本均理想的绿色焊料的研制已成为研究的热点。
3.2目前对无铅焊料研究较多的几个方面有：
3.2.1.熔化温度范围。
封装互连中涉及锡铅合金的有三种基本类型（图1），表2是应用锡铅和无铅合金所要求的工艺温度（一般高于焊料熔化温度的20~30℃）。
晶片、芯片、模块、板卡的材料和结构等对温度都有一个敏感范围，另外高温会导致元件、板卡涂层金属的溶解迅速，加快金属间化合物的生长和焊点失效。
温度的升高，使焊接工艺窗口变窄，损坏元件和板卡的可能性剧增。
例如第3类型互连中，PCB（FR4）和元件的最高耐受温度分别为240℃和235℃。
无铅合金的温度一般不得超过215℃，否则，元件的爆米花效应和分层等热破坏问题就会很突出。
美国国家制造科学研究中心（NCMS）经过三年多的信息收集和研究，推荐了79种低、中、高温不同用途的无铅焊料[4]，认为42Sn58Bi（139℃）、91.7Sn3.5Ag4.8Bi（210－215℃）和96.5Sn3.5Ag（221℃）综合性能较好，适合于不同要求的SMT应用。
3.2.2.机械、热疲劳性能：
Hwang,J.S对用于第3类型互连的各种合金系做了各种优化设计（见表2），并在机械热疲劳方面展开了深入研究[5-6]。
提出在材料方面强化办法有：
掺杂非合金化夹杂物、微观结构强化、合金化强化以及填料的宏观复合等。
其合金系屈服强度、抗拉强度、断裂塑性应变、塑性性能、弹性模量等机械性能指标接近甚至远远超过63Sn37Pb。
而与可靠性密切相关的热疲劳性能也远远超过63Sn37Pb（99.3Sn0.7Cu除外）。
3.2.3.焊角翘起：
这是无铅通孔焊接的一个突出问题。
虽然SnBiAg系合金是个较好的选择，但是发生焊角翘起的可能性也最严重。
在通孔焊接过程中，面对Cu焊盘区域的凝固受阻，热便顺着焊盘内部的孔壁传导，致使在焊接的最后阶段还有很大的热量；另外枝晶的形成使得界面处形成富Bi区；同时焊料/Cu引脚与PCB之间热膨胀失配会产生应力；这些都是导致翘起的原因。
日本在这方面研究较多，共发现了3种类型的翘起[7]（图3）。
解决问题的方法有改变阻焊层和焊盘设计、调整焊料成分、快速冷却等[8]。
3.2.4其它方面：
合金的选用还涉及资源、成本物理性能等多个方面。
表3是合金元素的产量和现对成本参考值，其中Bi和In资源匮乏，而Ag和In又是贵金属，给增加额外成本。
表4列举了铅替代金属的相关物理性能。
MulugetaAbtew和GunaSelvaduray对电子封装中各种合金以及不同成分的无铅焊料做了成本、资源、润湿性、机械强度、抗疲劳能力、热膨胀系数、金属间化合物形成等相关方面的研究和总结，指出目前数据缺乏，也很难统一，而且只是停留在实验室研究阶段[2]。
KayNimmo对全球工业无铅合金也做了相关研究[9]，建议基本合金为SnAgCu系；而SMT使用SnAgBi系；波峰焊则使用SnCu系。
3.3无铅焊料的选择
根据目前的情况看，在短期内研制出使用性能超过Sn63/Pb37的无铅钎料进困难的。
在熔点靠近183℃左右的无铅钎料与Sn63/Pb37相比，存在的主要问题是焊接的工艺性，焊后的机械特征和可靠性。
目前已出现的替代合金主要有：
Sn-Ag系合金：
在该合金系中当Ag量在3.5wt%时形成共晶点。
低于该量时组成亚共晶，高于该量则组成过共晶，其合金中添加百分之一以下的Bi和Cu组成的多元无铅钎料，其合金组织不会受添加元素的影响。
在Sn-Ag系合金其固有的微细组织（细密的Ag3Sn），从而使得具有优良机械特性和使用的可靠性。
Sn-Cu系合金：
当Cu量为0.7wt%时组成共晶，组织形式为Sn/Cu6Sn5共晶。
它成本低，经济性好。
但作业温度比Sn-As系高，故应用在N2保护气氛中使用。
Sn-Zn系合金：
Sn-Zn系共晶合金，其熔点是最靠近Sn-Pb共晶合金的，且具有良好的机械性能和经济性。
该合金所存在的耐氧化性劣化和耐热性良问题是影响其实用化进展的主要因素。
根据采用的焊接工艺的不同，目前在产业界已被接受的无铅钎料的品牌，如表2所示。
焊接工艺
选择
在日本业界已占的比例
熔点（℃）
回流焊接
第一候选：
Sn-3.5Ag-0.75Cu
66%
217~219
第二候选：
Sn-Ag-Cu-0.03Bi
19%
227~229
第三候选：
Sn-9Zn
197~198
四．无铅回流焊工艺变更及设备的选购
4.1由于无铅钎料的熔点比Sn63/Pb37一般高出（30-40）℃（表3），造成工艺窗口变小，如图11所示。
因而带来了一系列工艺问题。
4.1.1材料成本增加，其幅度取决于采用的无铅钎料的类型，如表3所示：
元素
价格（美元/磅）
合金
熔点（℃）
价格（美元/磅）
价格（美元/kg）
Pb
0.45
Sn63/Pb37
183
2.37
5.22美元/kg
Zn
0.50
Sn77.2/In20/Ag92.8
179-189
30.06
66.21美元/kg
Cu
0.65
Sn90/Bi17.5/Ag92/Cu0.5
213-218
5.09
11.211美元/kg
Sb
0.80
Sn96.2/Ag2.5/Cu0.8/Sb0.5
213-219
5.48
12.07美元/kg
Bi
3.40
Sn96.3/Ag3/Cu0.7
217-218
5.9
12.99美元/kg5
Sn
3.50
Sn93.5/Ag3.5/Bi3
216-220
5.92
13.64美元/kg
Ag
84.20
Sn/96.5/Ag3.5
221
6.32
13.92美元/kg
In
125.00
Sn/99.3/Cu0.7
227
3.48
7.67美元/kg
4.1.2由于许多正在使用的回流炉设备不能满足无铅钎料焊接工艺上的要求，更换或改造设备必然带来成本的增加；
4.1.3对工艺的影响
由于无铅钎料的熔点比Sn63/Pb37一般高出（30-40）℃（表3），造成工艺窗口变小，如图11所示。
因而带来了一系列问题。
a.设备面临改造或更新
部分用于Sn63/Pb37钎料焊接的回流焊接炉不能满足无铅钎料的焊接温度要求，面临改造或更新；
b.辅料变化的影响
由于焊膏成分的变化，助焊剂相应也需更换，这对焊膏的印刷，元器件的贴装等会产生直接影响；
c.对湿敏SMDs器件的影响
目前大多数种类的SMC/SMD能承受的最高温度为260℃左右，在回流焊接时，由于峰值温度接近于这个温度，若控制不好，极易造成器件失效。
例如对塑封IC会从潮湿的空气中吸收水分，潮气扩散进入封装内部，就开始在材料结合处聚集凝结。
当再流焊接时，封装内部结合处的水气就会蒸发，且内部潮气蒸发压力的大小随再流峰值温度的升高而增加。
该压力会在封装内部产生应力，当应力超过封装内部材料结合处的粘接强度时，封装内部材料会出现分界现象。
进一步，如果应力超过塑料的断裂强度，封装将会出现裂缝。
内部分界和封装裂缝会带来严重可靠性问题，使离子污染物从裂缝进入封装内部，离子腐蚀会增加器件失效的可能性。
更有甚者，将会产生“爆火花”式的爆裂。
试验表明再流温度升至260℃时，湿度敏感性至少降低1PC/JEDEC等级。
即使对“干燥”封装在260℃下再流后，也发现了芯片表面裂纹。
因此，在批量生产无铅化时，复杂互连结构的完全烘干问题非常重要，并定会成为未来工作的主题。
d.焊点外观质量有所下降
焊点外观（光亮度和敷形）不如锡铅钎料好，焊点表面出现凹凸不平，因此原有产品检验标准要作相应的改变。
4.2无铅化对回流焊设备的挑战
4.2.1现有强制热风大循环回流炉）性能的加热温度不一致性
4.2.1.1红外辐射（IR,infraredradiation）。
用IR方法，红外加热器通过电磁波传导能量，如果控制适当，它将均匀地加热元件。
可是，如果没有控制，PCB和元件过热可能发生。
IR机制，如灯管和加热棒，局限于表面区域，大多数热传导集中在PCB的直接下方，妨碍均匀覆盖。
因为这个理由，IR加热器必须大于所要加热的板，以保证均衡的热传导和有足够的热量防止PCB冷却。
4.2.1.2安装在PCB上的各种器件有不同的辐射率，使得红外加热技术在许多场合不能使用。
众知，红外（IR）辐射能量是直接传播，当一个体积小，薄形的器件紧靠大尺寸，高的器件就会有荫影，产生不均匀辐射。
4.2.1.3温区少，不能有效拉开温区间的温差，故不能采用无铅锡膏焊接PCB板材。
4.2.2无铅回流焊接系统应具备下列特征：
⑴为缩小回流区的温度差，应增加温区；
⑵缩小温度的上升坡度，增大预热区的长度；
⑶峰值温度做成台阶型温度曲线（＞220℃，时间30s~40s）；
⑷缩小组装板上各元器件引脚在进入回流区时的温度差（＜10℃＝
⑸输送基板过程中要防止基板变形；
⑹采用远红外+对流热风组合加热方式，以求加热均匀。
4.2.2.1小循环强制热风对流（附结构图）
上下独立运风模组全热风预热
1）使用发热丝作为主要的加热源达到最佳的热传导，并且抓住对流的均衡加热特性以减少元件与PCB之间的温度差别。
对流在加热大热容量的元件时有帮助，诸如BGA，同时对较小热容量元件的冷却有帮助。
元件之间的峰值温度差别可以保持在12°C，同时在连续大量生产期间PCB之间的温度差别可稳定在大约±2°C.
2）强制热风速度的增加，加速了热量传送到PCB上贴片装器件的速度,但过大的风速会造成器件移位或脱离原准确贴装位置。
所以热风的速度一定要使得直对热风喷嘴口下面的器件不会造成移位。
这正是小循环强制热风对流回流焊唯一的不足。
4.2..2.2微循环强制热风对流（附结构图）
上下独立运风模组微循环运风方式
1）元件之间的峰值温度差别可以保持在8°C，同时在连续大量生产期间PCB之间的温度差别可稳定在大约1°C.
2）热风的速度均匀，使得直对热风喷嘴口下面的器件绝对不会造成移位。
4.2.3充氮回流焊
氮气回流焊有以下优点。
a. 防止减少氧化
b.提高焊接润湿力，加快润湿速度
c.减少锡球的产生，避免桥接，得到列好的焊接质量
d.氮气保护可以部分消附除因温度提高而增加的氧化和对PCB本身的损伤。
特别重要的是，可以使用更低活性助焊剂的锡膏，同时也能提高焊点的性能，减少基材的变色，但是它的缺点是成本明显的增加，这个增加的成本随氮气的用量而增加，当你需要炉内达到1000ppm含氧量与50ppm含氧量，对氮气的需求是有天壤之别的
对于在回流焊中引入氮气，必须进行成本收益分析，它的收益包括产品的良率，品质的改善，返工或维修费的降低等等，完整无误的分析往往会揭示氮气引入并没有增加最终成本，相反，我们却能从中收益。
进口氮气发生器
五．无铅制程对设备
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