回流焊接温度曲线doc 33.docx

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回流焊接温度曲线doc33

回流焊接温度曲线

　　作温度曲线（profiling）是确定在回流整个周期内印刷电路板（PCB）装配必须经受的时间/温度关系的过程。

它决定于锡膏的特性，如合金、锡球尺寸、金属含量和锡膏的化学成分。

装配的量、表面几何形状的复杂性和基板导热性、以及炉给出足够热能的能力，所有都影响发热器的设定和炉传送带的速度。

炉的热传播效率，和操作员的经验一起，也影响反复试验所得到的温度曲线。

　　锡膏制造商提供基本的时间/温度关系资料。

它应用于特定的配方，通常可在产品的数据表中找到。

可是，元件和材料将决定装配所能忍受的最高温度。

　　涉及的第一个温度是完全液化温度（fullliquidustemperature）或最低回流温度（T1）。

这是一个理想的温度水平，在这点，熔化的焊锡可流过将要熔湿来形成焊接点的金属表面。

它决定于锡膏内特定的合金成分，但也可能受锡球尺寸和其它配方因素的影响，可能在数据表中指出一个范围。

对Sn63/Pb37，该范围平均为200~225°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°C。

（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