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回流的回流温度曲线


得益于升温-到 回流的回流温度曲线 得益于升温 到-回流的回流温度曲线
理解锡膏的回流过程
2003-12-21 点击: 2265

理解锡膏的回流过程 当锡膏至于一个加热的环境中,锡膏回流分为五个阶段, 1. 首先, 用于达到所需粘度和丝印性能的溶剂开始蒸发, 温度上升必需慢(大约每秒 3° C),以限制沸腾和飞溅,防止形成小锡珠,还有,

一些元件对内部应力比较敏 感,如果元件外部温度上升太快,会造成断裂。 2. 助焊剂活跃,化学清洗行动开始,水溶性助焊剂和免洗型助焊剂都会发生同样的 清洗行动,只不过温度稍微不同。将金属氧化物和某些污染从即将结合的金属和 焊锡颗粒上清除。好的冶金学上的锡焊点要求“清洁”的表面。 3. 当温度继续上升,焊锡颗粒首先单独熔化,并开始液化和表面吸锡的“灯草”过 程。这样在所有可能的表面上覆盖,并开始形成锡焊点。 4. 这个阶段最为重要,当单个的焊锡颗粒全部熔化后,结合一起形成液态锡,这时 表面张力作用开始形成焊脚表面,如果元件引脚与 PCB 焊盘的间隙超过 4mil, 则极可能由于表面张力使引脚和焊盘分开,即造成锡点开路。 5. 冷却阶段,如果冷却快,锡点强度会稍微大一点,但不可以太快而引起元件内部 的温度应力。

回流焊接要求总结:重要的是有充分的缓慢加热来安全地蒸发溶剂,防止锡珠形成和限 制由于温度膨胀引起的元件内部应力,造成断裂痕可靠性问题。其次,助焊剂活跃阶段 必须有适当的时间和温度,允许清洁阶段在焊锡颗粒刚刚开始熔化时完成。时间温度曲 线中焊锡熔化的阶段是最重要的,必须充分地让焊锡颗粒完全熔化,液化形成冶金焊接, 剩余溶剂和助焊剂残余的蒸发,形成焊脚表面。此阶段如果太热或太长,可能对元件和 PCB 造成伤害。锡膏回流温度曲线的设定,最好是根据锡膏供应商提供的数据进行,同时 把握元件内部温度应力变化原则,即加热温升速度小于每秒 3° C,和冷却温降速度小于 5° C。PCB 装配如果尺寸和重量很相似的话,可用同一个温度曲线。重要的是要经常甚至 每天检测温度曲线是否正确。

得益于升温-到 回流的回流温度曲线 得益于升温 到-回流的回流温度曲线 许多旧式的炉倾向于以不同速率来加热一个装配上的不同零件,取决于回流焊接的零件和 线路板层的颜色和质地。一个装配上的某些区域可以达到比其它区域高得多的温度,这个 温度变化叫做装配的 D T。如果 D T 大,装配的有些区域可能吸收过多热量,而另一些区 域则热量不够。这可能引起许多焊接缺陷,包括焊锡球、不熔湿、损坏元件、空洞和烧焦 的残留物。 较新式的回流焊接炉 较新式的回流焊接炉 大多数新式的回流焊接炉,叫做强制对流式,将热空气吹到装配板上或周围。这种炉的一 个优点是可以对装配板逐渐地和一致地提供热量,不管零件的颜色和质地。虽然,由于不 同的厚度和元件密度,热量的吸收可能不同,但强制对流式炉逐渐地供热,其 D T 没有太 大的差别。另外,这种炉可以严格地控制给定温度曲线的最高温度和温度速率,其提供了 更好的区到区的稳定性,和一个更受控的回流过程。 为什么和什么时候保温 保温区的唯一目的是减少或消除大的 D T。保温应该在装配达到焊锡回流温度之前,把装 配上所有零件的温度达到均衡,使得所有的零件同时回流。由于保温区是没有必要的,因 此温度曲线可以改成线性的升温-到-回流(RTS)的回流温度曲线。 应该注意到,保温区一般是不需要用来激化锡膏中的助焊剂化学成分。这是工业中的一个 普遍的错误概念,应予纠正。当使用线性的 RTS 温度曲线时,大多数锡膏的化学成分都显 示充分的湿润活性。事实上,使用 RTS 温度曲线一般都会改善湿润。 升温-保温 回流 升温 保温-回流 保温 升温-保温-回流(RSS)温度曲线可用于 RMA 或免洗化学成分,但一般不推荐用于水溶化学 成分,因为 RSS 保温区可能过早地破坏锡膏活性剂,造成不充分的湿润。使用 RSS 温度

曲线的唯一目的是消除或减少 D T。 如图一所示,RSS 温度曲线开始以一个陡坡温升,在 90 秒的目标时间内大约 150° C,最 大速率可达 2~3° C。随后,在 150~170° C 之间,将装配板保温 90 秒钟;装配板在保温 区结束时应该达到温度均衡。保温区之后,装配板进入回流区,在 183° C 以上回流时间 为 60(± 15)秒钟。 整个温度曲线应该从 45° C 到峰值温度 215(± 5)° C 持续 3.5~4 分钟。冷却速率应控制在 每秒 4° C。一般,较快的冷却速率可得到较细的颗粒结构和较高强度与较亮的焊接点。可 是,超过每秒 4° C 会造成温度冲击。

图一、典型的升温-保温-回流温度曲线 升温-到 回流 升温 到-回流 RTS 温度曲线可用于任何化学成分或合金,为水溶锡膏和难于焊接的合金与零件所首选。 如果装配上存在较大的 D T,例如工序中使用了夹具或效率低的回流焊接炉,那么 RTS 可 能不为适当的温度曲线选择。 RTS 温度曲线比 RSS 有几个优点。RTS 一般得到更光亮的焊点,可焊性问题很少,因为在 RTS 温度曲线下回流的锡膏在预热阶段保持住其助焊剂载体。这也将更好地提高湿润性, 因此,RTS 应该用于难于湿润的合金和零件。因为 RTS 曲线的升温速率是如此受控的,所 以很少机会造成焊接缺陷或温度冲击。另外,RTS 曲线更经济,因为减少了炉前半部分的 加热能量。此外,排除 RTS 的故障相对比较简单,有排除 RSS 曲线故障经验的操作员应 该没有困难来调节 RTS 曲线,以达到优化的温度曲线效果。

图二、典型的升温-到-回流温度曲线,从室温到峰值温度线性上升 设定 RTS 温度曲线 如图二所示,RTS 曲线简单地说就是一条从室温到回流峰值温度的温度渐升曲线,RTS 曲 线温升区其作用是装配的预热区,这里助焊剂被激化,挥发物被挥发,装配准备回流,并 防止温度冲击。RTS 曲线典型的升温速率为每秒 0.6~1.8° C。升温的最初 90 秒钟应该尽 可能保持线性。 RTS 曲线的升温基本原则是,曲线的三分之二在 150° C 以下。在这个温度后,大多数锡 膏内的活性系统开始很快失效。因此,保持曲线的前段冷一些将活性剂保持时间长一些,

其结果是良好的湿润和光亮的焊接点。 RTS 曲线回流区是装配达到焊锡回流温度的阶段。在达到 150° C 之后,峰值温度应尽快 地达到,峰值温度应控制在 215(± 5)° C,液化居留时间为 60(± 15)秒钟。液化之上的这 个时间将减少助焊剂受夹和空洞,增加拉伸强度。和 RSS 一样,RTS 曲线长度也应该是从 室温到峰值温度最大 3.5~4 分钟,冷却速率控制在每秒 4° C。 某些机板镀层可能会增加曲线峰值温度,如果焊接“金盖镍”镀层的焊盘,峰值温度至少 应达到 220° C;这样可以防止回流后温度可靠性问题,因为锡和金在 217° C 形成第二种 共晶合金。 如果焊接有机表面防护剂涂层(OSP)的焊盘, 可能要求达到 225° C 的峰值温度, 以完全渗透涂层。使用哪一种温度曲线都有必要调节峰值温度。 排除 RTS 曲线的故障 排除 RSS 和 RTS 曲线的故障,原则是相同的:按需要,调节温度和曲线温度的时间,以 达到优化的结果。时常,这要求试验和出错,略增加或减少温度,观察结果。以下是使用 RTS 曲线遇见的普遍回流问题,以及解决办法。 焊锡球 许多细小的焊锡球镶陷在回流后助焊剂残留的周边上。 RTS 曲线上, 在 这个通常是升温速 率太慢的结果,由于助焊剂载体在回流之前烧完,发生金属氧化。这个问题一般可通过曲 线温升速率略微提高达到解决。焊锡球也可能是温升速率太快的结果,但是,这对 RTS 曲线不大可能,因为其相对较慢、较平稳的温升。 焊锡珠 经常与焊锡球混淆,焊锡珠是一颗或一些大的焊锡球,通常落在片状电容和电阻周围(图 三)。虽然这常常是丝印时锡膏过量堆积的结果,但有时可以调节温度曲线解决。和焊锡 球一样,在 RTS 曲线上产生的焊锡珠通常是升温速率太慢的结果。这种情况下,慢的升温 速率引起毛细管作用,将未回流的锡膏从焊锡堆积处吸到元件下面。回流期间,这些锡膏 形成锡珠,由于焊锡表面张力将元件拉向机板,而被挤出到元件边。和焊锡球一样,焊锡 珠的解决办法也是提高升温速率,直到问题解决。

图三、可看到电容旁边的焊锡珠 熔湿性差 熔湿性差(图四)经常是时间与温度比率的结果。锡膏内的活性剂由有机酸组成,随时间和

温度而退化。如果曲线太长,焊接点的熔湿可能受损害。因为使用 RTS 曲线,锡膏活性剂 通常维持时间较长,因此熔湿性差比 RSS 较不易发生。如果 RTS 还出现熔湿性差,应采 取步骤以保证曲线的前面三分之二发生在 150° C 之下。这将延长锡膏活性剂的寿命,结 果改善熔湿性。

图四、熔湿性差可能是由时间和温度比所引起 焊锡不足 焊锡不足通常是不均匀加热或过快加热的结果,使得元件引脚太热,焊锡吸上引脚。回流 后引脚看到去锡变厚,焊盘上将出现少锡。减低加热速率或保证装配的均匀受热将有助于 防止该缺陷。 墓碑 墓碑通常是不相等的熔湿力的结果,使得回流后元件在一端上站起来(图五)。一般,加热 越慢,板越平稳,越少发生。降低装配通过 183° C 的温升速率将有助于校正这个缺陷。

图五、不平衡的熔湿力使元件立起来 空洞 空洞是锡点的 X 光或截面检查通常所发现的缺陷。空洞是锡点内的微小“气泡”(图六), 可能是被夹住的空气或助焊剂。空洞一般由三个曲线错误所引起:不够峰值温度;回流时 间不够;升温阶段温度过高。由于 RTS 曲线升温速率是严密控制的,空洞通常是第一或第 二个错误的结果,造成没挥发的助焊剂被夹住在锡点内。这种情况下,为了避免空洞的产 生,应在空洞发生的点测量温度曲线,适当调整直到问题解决。

图六、空洞是由于空气或助焊剂被夹住而形成 无光泽、 无光泽、颗粒状焊点

一个相对普遍的回流焊缺陷是无光泽、颗粒状焊点(图七)。这个缺陷可能只是美观上的, 但也可能是不牢固焊点的征兆。 RTS 曲线内改正这个缺陷, 在 应该将回流前两个区的温度 减少 5° C;峰值温度提高 5° C。如果这样还不行,那么,应继续这样调节温度直到达到 希望的结果。这些调节将延长锡膏活性剂寿命,减少锡膏的氧化暴露,改善熔湿能力。

图七、无光泽和颗粒状焊点可能是脆弱的焊点 烧焦的残留物 烧焦的残留物,虽然不一定是功能缺陷,但可能在使用 RTS 温度曲线时遇见。为了纠正该 缺陷,回流区的时间和温度要减少,通常 5° C。 结论 RTS 温度曲线不是适于每一个回流焊接问题的万灵药,也不能用于所有的炉或所有的装 配。可是,采用 RTS 温度曲线可以减少能源成本、增加效率、减少焊接缺陷、改善熔湿性 能和简化回流工序。这并不是说 RSS 温度曲线已变得过时,或者 RTS 曲线不能用于旧式 的炉。无论如何,工程师应该知道还有更好的回流温度曲线可以利用。 注:所有温度曲线都是使用 Sn63/Pb37 合金,183° C 的共晶熔点。


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