6-再流焊工艺技术与设备

6.1再流焊设备6.2再流焊原理6.3再流焊工艺要求6.4再流焊工艺流程6.5再流焊接质量控制6.6双面回流焊工艺6.7双面BGA工艺6.8通孔插装元件再流焊工艺2再流焊炉是焊接表面贴装元器件的设备。再流焊炉主要有红外炉、热风炉、红外加热风炉、蒸汽焊炉等。目前最流行的是全热风炉。3Heller1707回流焊炉6.1.1焊接传热的三种基本方式热传导、热对流和热辐射（1）热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，简称导热。4（2）热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。决定换热强度的主要因素是对流的运动情况。(3）热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。它是波长在0.1～100微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中间介质的真空中直接传递。5实际情况下，所有传导方式都以不同的比例同时存在！在全热风回流焊炉中BGA：热对流只对周边焊球起主要作用，中间焊球主要是热传导6热风炉的传热方式：热对流和热传导起主要作用红外炉的传热方式：热辐射起主要作用6.1.2再流焊炉的分类（1）按再流焊加热区域可分为两大类：对PCB整体加热，分为箱式和流水式对PCB局部加热7箱式流水式（2)对PCB整体加热再流焊可分为：热板再流焊、红外再流焊、热风再流焊、热风加红外再流焊、气相再流焊。热板再流焊：主要用于陶瓷基板的再流焊红外再流焊：加热温度不均匀，PCB板上的温差大，不利于焊接热风再流焊：优点是温度均匀，焊接质量好。缺点是PCB上下温差不易控制、温度梯度不易控制，能源消耗大。目前是再流焊设备的首选。热风加红外再流焊：既提高了焊接温度和加快了升温效率，又可以节省能源。气相再流焊：温度控制准确；热转换效率高，可快速升温；无氧环境，PCB受热均匀，不受元器件布局影响，焊接质量好。缺点是成本高，可能产生有毒气体等8（3)对PCB局部加热再流焊可分为：激光再流焊、光束再流焊、聚焦红外再流焊、热气流再流焊。激光再流焊、光束再流焊:热量只发射在焊点上，不会损坏元器件和基板；焊接质量好，重复性高；单点焊接速度快。设备十分昂贵，用于特殊元器件的焊接。热气流再流焊：需要针对不同尺寸焊点加工不同尺寸的喷嘴，焊接速度比较慢，用于返修或产品研制。聚焦红外再流焊：适用于返修工作站96.1.3热风再流焊炉的基本结构是目前应用最广泛的再流焊炉，主要由炉体、上下加热源、PCB传输装置、空气循环装置、冷却装置、排风装置、温度控制装置、废气回收装置以及计算机控制系统组成。106.1.4再流焊炉的主要技术指标a温度控制精度：应达到±0.1~0.2℃；b传输带横向温差：要求±5℃以下,无铅要求±2℃以下；c温度曲线测试功能：如果设备无此配置，应外购温度曲线采集器；d最高加热温度：一般为300~350℃，如果考虑无铅焊料或金属基板，应选择350℃以上。e加热区数量和长度：加热区数量越多、加热区长度越长，越容易调整和控制温度曲线。f传送带宽度：应根据最大和最PCB尺寸确定。116.2.1从温度曲线分析再流焊的原理12110℃130℃155℃185℃240℃250℃90℃PCB入口出口100℃130℃155℃185℃240℃250℃90℃传送带速度：60cm/min温度℃焊接时间峰值温度210~2301831501.2~3.5℃/s100冷却区＜2℃/s0.55~1℃/s＜4℃/s升温区预热区回流区时间min60~90s60~90s30~60s60~90s助焊剂浸润区（快速升温区）6.2.2再流焊工艺特点(1)有“再流动”与自定位效应贴装元器件只是被焊膏临时固定在PCB上，焊接时，当焊膏达到熔融温度融化时，焊料还要“再流动”一次，此时元器件受熔融焊料表面张力的作用会发生位置移动。如果焊盘设计正确，元器件端头与焊盘的可焊性良好，元器件的全部焊端或引脚与相应焊盘同时被熔融焊料润湿时，就会产生自定位或称为自校正效应（selfalignment），即当元器件贴放位置有少量偏离时，在表面张力的作用下，能自动被拉回到近似目标位置。13对于不同的元器件，自定位效应的作用不同。－Chip－SOJ、SOP、PLCC、QFP－BGA、CSP14作用较大，贴装偏移能够通过再流焊纠正作用较大，贴装偏移能够通过再流焊纠正作用较小，贴装偏移不能通过再流焊纠正再流焊前再流焊中再流焊后(2)每个焊点的焊料成分与焊料量是固定的再流焊工艺中，焊料是预先分配到印制板焊盘上的，每个焊点的焊料成分与焊料量是固定的，因此再流焊质量与工艺的关系极大。特别是印刷焊膏和再流焊工序，严格控制这些关键工序就能避免或减少焊接缺陷的产生。151)设置合理的温度曲线并定期做温度曲线的实时测试。2)要按照PCB设计时的焊接方向进行焊接。3)焊接过程中严防传送带震动。4)必须对首块印制板的焊接效果进行检查。检查焊接是否充分、焊点表面是否光滑、焊点形状是否呈半月状、锡球和残留物的情况、连焊和虚焊的情况。还要检查PCB表面颜色变化等情况。并根据检查结果调整温度曲线。在整批生产过程中要定时检查焊接质量。16再流焊质量要求17不提倡检查-返修或淘汰的-贯做法，更不容忍错误发生。任何返修工作都可能给成品质量添加不稳定的因素。返修工作都是具有破坏性的…特别是当前组装密度越来越高，组装难度越来越大优良焊点举例18焊点缺陷举例19不润湿焊膏熔化不完全半润湿焊料球桥接锡丝焊点紊乱裂纹立碑移位20焊接前准备YesNo新产品焊接编程（设置温度、速度等参数）调整传送带宽度开炉测温度曲线首件表面组装板焊接并检验焊接检验停炉调整程序并复测温度曲线需要时测温度曲线调已有程序开炉老产品焊接焊接前准备调整传送带宽度首件表面组装板焊接并检验6.4.1再流焊温度和速度等工艺参数的设置a根据使用焊膏材料的温度曲线进行设置。应按照焊膏加工厂提供的温度曲线进行设置，主要控制各温区的升温速率、峰值温度和回流时间。b根据PCB板的材料（塑料、陶瓷、金属）、厚度、是否多层板、尺寸大小设定。c根据表面组装板搭载元器件的密度、元器件的大小以及有无BGA、CSP等特殊元器件进行设置。21d根据设备的具体情况，例如加热区长度、加热源材料、再流焊炉构造和热传导方式等因素进行设置。e根据温度传感器的实际位置来确定各温区的设置温度。f根据排风量的大小进行设置。g环境温度对炉温也有影响，特别是加热温区短、炉体宽度窄的再流焊炉，在炉子进出口处要避免对流风。226.4.2实时温度曲线的测量利用具有耐高温导线的热电耦或温度采集器，及温度曲线测试软件（KIC）进行测试。23测试步骤①准备一块焊好的实际产品表面组装板。②至少选择三个以上测试点（一般有3~9个测试点）选取能反映出表面组装板上高（热点）、中、低（冷点）有代表性的三个或多个温度测试点三个或多个测温点应选择在PCB的同一个横截面不同元器件的焊点上③用高温胶带纸或高温焊料将三根热电耦的三个测试端固定在PCB的温度测试点位置上，必须粘牢。24④将三根热电耦的另外一端插入机器温度曲线插孔内，或温度采集器的插孔内。⑤将被测的表面组装板置于再流焊机入口处的传送链/网带上，（如果是温度采集器，则将采集器与PCB一起放在传送导轨上，采集器与PCB之间稍留一些间距），然后启动测试程序。随着PCB的运行，在屏幕上画实时曲线。⑥当PCB运行过最后一个温区后，拉住热电耦线将表面组装板拽回，此时完成了一个测试过程。在屏幕上显示完整的温度曲线和峰值表。（如果使用采集器，则在再流焊炉出口处接出，然后通过计算机软件调出温度曲线）256.4.3实时温度曲线的分析与调整实时温度曲线和焊膏温度曲线的升温斜率和峰值温度应基本一致。160℃前的升温速率控制在1~2℃/s。如果升温速度太快，一方面使元器件及PCB受热太快，易损坏元器件，易造成PCB变形。另一方面，焊膏中的熔剂挥发速度太快，容易溅出金属成份，产生焊锡球；如预热温度太高、时间过长，容易使金属粉末氧化，影响焊接质量；峰值温度一般设定在比合金熔点高30~40℃左右，再流时间为60~90s。峰值温度低或再流时间短，会使焊接不充分，不能生成一定厚度的金属间合金层，严重时会造成焊膏不熔。峰值温度过高或再流时间长，使金属间合金层过厚，也会影响焊点强度，甚至会损坏元器件和印制板。266.4.3实时温度曲线的分析与调整测定实时温度曲线后应进行分析和调整优化，以获得最佳、最合理的温度曲线。（1）根据焊接结果，结合实时温度曲线和焊膏温度曲线作比较。并作适当调整。（2）调整温度曲线时应按照热容量最大、最难焊的元件为准。要使最难焊元件的焊点温度达到210℃以上。（3）设置温度曲线应考虑所用设备的热耦测温系统精度（4）考虑再流焊炉的热分布（5）考虑传送带的速度（6）风速、风量的设置276.5.1影响再流焊质量的因素(1)PCB焊盘设计SMT的组装质量与PCB焊盘设计有直接的、十分重要的关系。如果PCB焊盘设计正确，贴装时少量的歪斜可以在再流焊时，由于熔融焊锡表面张力的作用而得到纠正（称为自定位或自校正效应）；如果PCB焊盘设计不正确，即使贴装位置十分准确，再流焊后反而会出现元件位置偏移、吊桥等焊接缺陷。28(2)焊膏质量及焊膏的正确使用焊膏质量焊膏中，合金与助焊剂的配比、颗粒度及分布、金属粉末的含氧量、黏度、触变性等都会影响再流焊质量。如果金属微粉含量高,再流焊升温时金属微粉随着溶剂、气体蒸发而飞溅；颗粒过大，印刷时会影响焊膏的填充和脱膜；如金属粉末的含氧量高，还会加剧飞溅，形成焊锡球，同时还会引起不润湿等缺陷；另外，如果焊膏黏度过低或焊膏的保形性（触变性）不好，印刷后焊膏图形会塌陷，甚至造成粘连，再流焊时也会形成焊锡球、桥接等焊接缺陷。29焊膏使用不当焊膏的正确使用与管理见第4章4.6.2节相关知识点。例如焊膏需要提前从冰箱中取出，达到室温时才能搅拌后使用。为什么？如果从低温柜取出焊膏直接使用，由于焊膏的温度比室温低，产生水汽凝结，再流焊升温时，水汽蒸发带出金属粉末，在高温下水汽会使金属粉末氧化，飞溅形成焊锡球，还会产生润湿不良等问题。30(3)元器件焊端和引脚、印制电路基板的焊盘质量当元器件焊端和引脚、印制电路基板的焊盘氧化或污染，或印制板受潮等情况下，再流焊时会产生润湿不良、虚焊，焊锡球、空洞等焊接缺陷。解决措施：措施1：采购控制措施2：元器件、PCB、工艺材料的存放、保管、发放制度措施3：元器件、PCB、材料等过期控制31(4)焊膏印刷质量(5)贴装元器件(6)再流焊温度曲线(7)再流焊设备对焊接质量的影响影响再流焊质量的主要参数有：温度控制精度、传送带横向温差、加热区长度、最高加热温度、传送带运行要平稳、应具备温度曲线测试功能。32(8)总结再流焊质量与PCB焊盘设计、元器件可焊性、焊膏质量、印制电路板的加工质量、生产线设备、以及SMT每道工序的工艺参数、甚至与操作人员的操作都有密切的关系。PCB设计、PCB加工质量、元器件和焊膏质量是保证再流焊质量的基础，因为这些问题在生产工艺中是很难甚至是无法解决的。因此只要PCB设计正确，PCB、元器件和焊膏都是合格的，再流焊质量是可以通过印刷、贴装、再流焊每道工序的工艺来控制的。336.5.2常见焊接缺陷分析与预防对策(P123-135)34(1)焊膏熔化不完全(2)润湿不良(3)焊料量不足与虚焊(4)立碑和移位(5)焊点桥接或短路(6)焊锡球(7)气孔、空洞(8)吸料现象(9)锡丝(10)元件裂纹缺损(11)元件端头镀层剥落(12)元件侧立(13)元件贴反(14)冷焊、焊点扰动(15)焊锡裂纹(16)焊盘露铜(17)爆米花现象(18)其它双面回流焊已经大量应用，但是这个工艺制程仍存在一些问题。控制不当时，有些底部的大元件可能会在第二次再流焊过程中掉落，或者底部焊点经过第二次再流焊后部分焊点熔融，造成焊点的可靠性问题。有4种解决方法：用贴片胶粘应用不同熔点的焊锡合金第二次再流焊时将炉子底部的温度调低并吹冷风双面采